《Carbohydrate Polymers》：3D printability of engineered high internal phase Pickering emulsions for lipophilic bioactive delivery: rheology, stability and retention of β-carotene in zein-guar gum based colloidal networks
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zein-guar gum复合稳定体系通过氢键和疏水作用形成非共价复合物，有效稳定高内相Pickering乳液（φ_int>0.74），兼具高β-胡萝卜素封装效率（94-98%）、抗环境应力（耐温20-80℃、耐盐0-500mM NaCl）及3D打印适用性（打印精度>97%）。
帕拉姆·朱拉埃·阿兰贾尼（Parham Joolaei Ahranjani）|卡米娜·德赫甘（Kamine Dehghan）|乔瓦娜·费伦蒂诺（Giovanna Ferrentino）
博尔扎诺自由大学农业、环境与食品科学学院，Piazza Università 1号，博尔扎诺，39100，意大利
摘要
本研究介绍了一种由玉米醇溶蛋白（zein）和瓜尔胶（guar gum）组成的食品级稳定体系（ZNP-GG），用于高内相皮克林乳液（HIPPEs），旨在实现亲脂性生物活性物质的包封和3D打印。玉米醇溶蛋白纳米颗粒具有强正表面电荷（+41.7 ± 2.8 mV），通过与瓜尔胶的氢键结合和疏水相互作用逐渐中和，形成具有近乎中性ζ电位的稳定非共价复合物。与仅由玉米醇溶蛋白纳米颗粒稳定的乳液相比，ZNP-GG复合物保持了相当的乳化活性（约16–17 m2/g），但由于瓜尔胶的立体和粘弹性增强作用，其乳化稳定性显著提高。使用这些复合物制备的高内相皮克林乳液（内油体积分数?_int > 0.74）在室温下储存14天后仍表现出良好的物理稳定性（TSI = 2.31），且滴粒尺寸约为17 μm，具有高弹性、剪切稀化特性和部分触变性能，适合用于挤出打印。随着瓜尔胶浓度从0.3%增加到0.7%（w/v），体系的硬度（110.8 g）和胶凝性（86.4 g）显著提高。这些乳液对温度（20–80°C）、离子强度（0–500 mM NaCl）、pH值（2.00–10.00）以及三次冻融循环具有耐受性。为了验证包封效果，采用β-胡萝卜素作为模型亲脂性化合物，结果显示在5°C和20°C下14天后的包封效率分别为94–98%，保留率分别为85%和68%。所有配方在打印精度上均超过97%，几何形状在24小时内保持不变。本研究证明了ZNP-GG HIPPEs作为一种清洁标签、可3D打印的生物胶体平台，在界面工程和数字食品设计方面具有潜在应用价值。
引言
高内相皮克林乳液（HIPPEs），其内油体积分数（?_int）大于0.74，已成为亲脂性生物活性物质递送的有前景的载体（Ahamdi等人，2025；Rehman等人，2024）。与传统由合成表面活性剂稳定的乳液不同，HIPPEs由固体颗粒在油水界面不可逆吸附而稳定，从而有效抵抗聚结和奥斯特瓦尔德熟化现象（Ahmadi等人，2025；Zheng等人，2025）。HIPPEs中密集排列的内油相允许大量疏水性生物活性物质负载，而颗粒稳定的界面在环境应力下提供更高的物理稳定性。这些特性使HIPPEs成为“清洁标签”和结构可调的营养保健品及功能性食品的理想载体（Ahranjani等人，2025；Dehghan等人，2025；Liu等人，2020）。然而，HIPPEs的成功设计依赖于开发具有适当界面活性、润湿性和胶体稳定性的食品级颗粒。
玉米醇溶蛋白是一种源自玉米的疏水性醇溶蛋白，由于其可生物降解性、两亲性以及公认的安全性（GRAS认证），已被广泛研究作为食品级纳米载体（Ahranjani, Scampicchio等人，2025）。通过反溶剂沉淀法制备的玉米醇溶蛋白纳米颗粒（ZNPs）具有两亲性表面和中等润湿性，可在油水界面形成强锚定作用并有效稳定乳液。然而，ZNPs的胶体稳定性受pH值影响，其强烈的疏水相互作用常导致在水介质中聚集。在HIPPEs中，ZNPs提供强而不可逆的界面锚定，但对连续相的流变性质控制有限。为克服这些缺点，人们探索了天然多糖作为共稳定剂，通过与蛋白质的氢键结合、静电吸引或立体排斥作用来改善分散稳定性和界面性能（Ekrami等人，2022；Joolaei Ahranjani, Nodeh等人，2025）。值得注意的是，大多数先前报道的玉米醇溶蛋白-水胶体系统依赖于与带电多糖的静电复合，导致界面高度带电，乳液稳定性主要由库仑排斥力决定。例如，文献中报道的玉米醇溶蛋白-黄原胶和玉米醇溶蛋白-阿拉伯胶体系主要通过静电作用稳定，常形成致密的凝聚物或大絮状物，虽然提高了稳定性，但显著改变了界面吸附行为和流变可调性（Chen等人，2023）。相比之下，本研究开发的玉米醇溶蛋白-瓜尔胶（ZNP-GG）体系采用非离子多糖，通过氢键和立体作用实现稳定，形成接近中性的皮克林界面，这种界面结构通过粘弹性和水合作用得到增强，而非静电作用。这种独特的界面组装方式使得HIPPEs同时具备高物理稳定性、可调流变性和适合挤出打印的特性，这是以往基于玉米醇溶蛋白的乳液体系所未系统实现的。
瓜尔胶（GG）是一种高分子量的半乳甘露聚糖，在食品配方中广泛应用，因其非离子性质、强结合水和增稠能力、生物相容性以及能与蛋白质形成氢键复合物而受到青睐（Garg & Gupta，2023）。ZNPs与GG的物理化学互补性可产生混合稳定剂：玉米醇溶蛋白纳米颗粒提供刚性的疏水性稳定颗粒，而GG链延伸至水相中，提供立体阻碍，增强连续相粘度并形成粘弹性界面膜；这些效应共同促进了适用于3D打印的稳健HIPPE系统的形成。除了包封能力外，HIPPEs最近还作为3D食品打印的潜在候选材料受到关注（Song等人，2023）。
基于挤出的3D打印技术需要具有可调流变性、剪切稀化行为和沉积后结构恢复能力的墨水，以保持打印结构的形状准确性和稳定性。HIPPEs由于其密集排列的液滴和界面颗粒网络，天然具有粘弹性凝胶特性，使其成为有前景的可打印基质（Li等人，2024）。然而，将HIPPEs作为3D可打印生物墨水的研究仍较为有限，系统性地探讨配方变量、打印性能和功能表现的研究较少（Barekat & Ubeyitogullari，2025）。
早期研究已经证明了基于乳液或高油含量材料的打印可行性，包括类似HIPPE的系统（He & Lu，2024；J. Song等人，2023）。但这些研究主要关注形状准确性和流变可行性，未涉及界面组装机制、生物活性包封或挤出后的功能性能保持。相比之下，本研究通过结合氢键主导的皮克林稳定性和高内相结构，实现了环境稳定性、可控的生物活性递送以及食品级、清洁标签的打印性能。
本研究通过开发由玉米醇溶蛋白-瓜尔胶胶体复合物稳定的HIPPEs，解决了这一关键研究空白，将其作为多功能系统用于亲脂性生物活性物质的递送。β-胡萝卜素被用作模型生物活性化合物，评估了其在HIPPEs中的包封效率、稳定性和保留率。这种类胡萝卜素因其极低的水溶性、高疏水性（log P ≈ 15）和对氧化和热降解的强敏感性而被广泛用作参考分子，适合评估界面胶体网络的保护能力。玉米醇溶蛋白通过与非极性区域的疏水相互作用对β-胡萝卜素具有强亲和力，而水合的瓜尔胶基质增加了连续相粘度，限制了氧气和自由基的扩散。这些互补机制使β-胡萝卜素与ZNP-GG HIPPE体系高度兼容，便于严格评估其包封和递送性能。所得ZNP-GG复合物在颗粒大小、表面电荷和相互作用机制方面进行了系统表征，确认形成了氢键结合的非共价混合稳定剂。制备的HIPPEs内油体积分数超过0.74，并在热、pH、盐和冻融应力下评估了其结构和环境稳定性。随后对这些HIPPEs进行了基于挤出的3D打印，评估了其打印精度、形状准确性和打印后的稳定性。
因此，假设将玉米醇溶蛋白纳米颗粒与非离子多糖结合可产生以氢键为主导的混合稳定剂：瓜尔胶主要在ZNP表面形成水合涂层，在较高浓度下促进有限的颗粒聚集，而不会产生静电凝聚。这种界面结构有望在接近中性的ζ电位条件下稳定HIPPEs，通过不可逆的颗粒锚定和界面堵塞以及连续相的立体-水合作用和粘弹性增强来实现稳定。本研究的新颖之处有三点：一是基于氢键/立体稳定的独特玉米醇溶蛋白-多糖组装途径；二是通过选择性去除多余水相来提高内油体积分数（φ_int）的制备策略，促进颗粒堵塞而不改变界面化学性质；三是在同一HIPPE平台上整合了界面吸附/动力学、物理稳定性、微观结构、流变性和β-胡萝卜素保留性能的评估。
材料
玉米醇溶蛋白、β-胡萝卜素和瓜尔胶（GG）均购自Sigma-Aldrich Chemical Co.（意大利米兰）。此外还购买了其他试剂，包括痕量浓度的叠氮化钠（NaN?，仅作为实验室防腐剂，用于长期储存实验和分析测量过程中的微生物抑制）、盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH）、乙醇（C?H?OH）、十二烷基硫酸钠（SDS）、乙酸乙酯、己烷和氯化钠（NaCl）。
ZNP-GG复合物的物理化学-形态学性质
ZNP-GG复合物是通过将反溶剂沉淀法制备的玉米醇溶蛋白纳米颗粒与pH调至4.00的瓜尔胶溶液混合制备的。选择此pH值是因为它低于玉米醇溶蛋白的等电点（pI ≈ 6.20），确保纳米颗粒带有净正表面电荷。在pH 4.10时，玉米醇溶蛋白纳米颗粒表现出高正ζ电位（+41.7 ± 2.8 mV，见图S1a），证实了其强阳离子性质。该电位超过了通常认为的±30 mV的稳定阈值。
结论
本研究成功开发了由ZNP-GG稳定的HIPPEs，作为一种多功能、食品级的系统，集成了高包封效率、结构稳健性和3D打印性能。通过反溶剂沉淀法制备的玉米醇溶蛋白纳米颗粒具有强阳离子性质（+41.7 ± 2.8 mV），在与瓜尔胶复合过程中通过氢键和疏水相互作用逐渐中和，形成非共价混合胶体。
CRediT作者贡献声明
帕拉姆·朱拉埃·阿兰贾尼（Parham Joolaei Ahranjani）：撰写原始草稿、进行研究、进行正式分析、数据管理、概念构思。
卡米娜·德赫甘（Kamine Dehghan）：撰写原始草稿、进行研究、进行正式分析、数据管理。
乔瓦娜·费伦蒂诺（Giovanna Ferrentino）：撰写修订稿、进行监督、研究、获取资金、概念构思。
未引用的参考文献
Ahranjani, Scampicchio和Ferrentino, 2025
Joolaei Ahranjani等人, 2025
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
