构建并表征了含有不同植物油的3D可打印乳清分离蛋白-卡拉胶乳液凝胶

首页今日动态人才市场新技术专栏中国科学人云展台
BioHot
云讲堂直播会展中心特价专栏技术快讯免费试用

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

《Food Chemistry》：Construction and characterization of 3D printable whey isolate protein-carrageenan emulsion gels incorporating different vegetable oils

【字体：大中小】 时间：2026年01月25日 来源：Food Chemistry 9.8

编辑推荐：

　　植物基脂肪替代品开发中，WPI-KG复合凝胶的流变特性与3D打印性能受不同植物油脂肪酸组成调控，亚麻籽油组因富含C18:3显著提升凝胶强度与稳定性。

赵宇博|史欣宇|陈倩|刘浩天|刘倩|孔宝华|孙芳达

中国黑龙江省哈尔滨市东北农业大学食品科学学院，邮编150030

摘要

用植物油制备的乳液凝胶具有可调的结构和类似固体的流变特性。在本研究中，使用五种植物油（玉米油、核桃油、亚麻籽油、花生油和橄榄油）制备了乳清蛋白分离物（WPI）- κ-卡拉胶（KG）乳液凝胶。气相色谱分析显示这些油中的不饱和脂肪酸含量存在显著差异，这影响了蛋白质在油水界面的吸附以及乳液的稳定性。通过微观结构分析、流变测量、水分分布和稳定性评估来评价油类型对凝胶性能的影响。结果表明，亚麻籽油组（EG-Linseed）由于含有较高的亚油酸（C18:3）含量，其液滴分布更小且更均匀，粘弹性更高，凝胶强度更强，稳定性也优于其他组。值得注意的是，乳液凝胶的弹性优势（G′ > G″）和频率依赖性粘弹性显著提高了3D打印过程中的挤出稳定性和形状保持能力。低场核磁共振（LF-NMR）分析显示EG-Linseed凝胶中的固定水含量较高，表明其具有稳定的凝胶网络。此外，所有乳液凝胶都表现出良好的3D打印性能、储存稳定性和耐热性，尽管冻融循环会导致结构破坏。这些发现为脂肪酸组成在调节乳液凝胶性能中的作用提供了见解，并为功能性食品中植物基脂肪替代品的发展提供了支持。

引言

食品3D打印是一种基于增材制造原理的创新食品加工技术。它通过数字建模和逐层沉积可食用材料来实现个性化和精确的食品生产（Dick等人，2020年；Wever等人，2025年）。该技术能够定制形状、质地和营养成分，克服了传统食品加工方法的限制，在医疗营养、特殊膳食配方和烹饪创新方面展现出巨大潜力（Sharma等人，2024年；Wang、Bai等人，2023年）。目前的食品3D打印主要采用挤出成型方法处理原材料。由于这些材料在打印过程中会受到机械应力，因此墨水必须具备适当的机械性能以确保整个制造过程中的结构完整性（Zhao、Li、Liu等人，2024年）。

乳液凝胶的特点是液滴分散在凝胶网络中，具有优异的机械性能和独特的功能属性，使其在食品工业中具有广泛的应用潜力（Shi等人，2025年）。乳液凝胶的形成涉及高乳化性的物质（如蛋白质或表面活性剂）作为分散相，与凝胶剂（通常是多糖）和植物油结合形成连续相（Cui等人，2023年；Kong、Chen等人，2025年；Kong、Liu等人，2025年）。由于蛋白质具有两性电解质特性，而多糖同时含有阴离子和阳离子基团，当这些组分带有相反电荷时会产生静电相互作用，从而促进稳定胶体颗粒的形成，进而提高乳液的稳定性（Hao等人，2024年）。Jiang等人（2021年）使用从玉米醇溶性蛋白质和吉兰胶衍生的复合颗粒制备了稳定的Pickering乳液凝胶。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析表明，静电相互作用是复合颗粒形成的主要驱动力。此外，多糖的加入改变了系统中的蛋白质相互作用，使凝胶网络结构更加致密（Su等人，2021年）。由于其可调的结构和功能属性，乳液凝胶可作为生物活性物质的有效递送系统，提高生物活性化合物的稳定性，并用作食品应用的3D打印墨水（Aliakbari等人，2025年；Fontes-Candia等人，2020年）。此外，加入植物油可以降低乳液凝胶中的饱和脂肪酸含量，同时提高多不饱和脂肪酸、必需氨基酸和矿物质的含量，使其成为动物脂肪的有希望的替代品（Badar等人，2023年；Li等人，2022年）。

乳清蛋白分离物（WPI）作为水相，在基于蛋白质的乳液凝胶中应用最为广泛（Lin等人，2021年）。其优异的乳化性能得到了广泛认可（Sun等人，2024年）。与大豆蛋白或豌豆蛋白等植物来源的蛋白质相比，WPI具有更高的溶解度、灵活的分子结构以及亲水性和疏水性氨基酸残基的平衡分布，这些特性有利于其在油水界面的快速吸附和重组。经过热处理后，WPI容易发生部分展开和聚集，通过非共价相互作用形成连续的三维网络。这些特性使得WPI特别适合用于制备具有可调粘弹性、结构可恢复性和打印保真度的乳液凝胶。此外，WPI与阴离子多糖（如κ-卡拉胶）具有很强的相容性，这种静电复合作用增强了界面稳定性和凝胶网络的完整性（Kamlow等人，2022年）。先前的研究表明，通过调节油相比例和蛋白质聚集行为，可以制备出稳定的乳液凝胶并将其用作挤出成型3D食品打印的墨水（Liu等人，2019年）。然而，这些系统主要以蛋白质为基础，并依赖于微流控诱导的结构形成，对多糖-蛋白质相互作用或油化学成分的考虑有限。与动物脂肪相比，植物油含有更高比例的不饱和脂肪酸。适量摄入这些脂质可能有助于调节人体血液脂质和改善循环功能（Guo等人，2023年）。作为乳液系统中的关键成分，不同种类的植物油在脂肪酸组成和物理化学性质上存在差异，这会影响蛋白质在油水界面的行为（Lam & Nickerson，2013年；Lu等人，2022年）。然而，关于植物油脂肪酸组成与蛋白质-多糖乳液凝胶的多尺度结构、水分分布和3D打印性能之间关系的系统研究仍然较少。Zhang等人（2022年）表明，油相中不同的脂肪酸谱型会导致不同的极性特征，可能影响肌原纤维蛋白（MPs）在界面的吸附，从而影响乳液的稳定性。这些发现强调了系统研究植物油选择对乳液凝胶性能多尺度影响的必要性。

在本研究中，使用五种植物油（玉米油、核桃油、亚麻籽油、花生油和橄榄油）制备了WPI-KG乳液凝胶。通过比较这些油中的脂肪酸组成差异，系统地研究了它们对乳液凝胶的流变行为、物理化学特性和3D打印性能的影响。这些凝胶显示出作为脂肪替代品和3D食品打印可食用基材的潜力，为功能性食品配方的开发提供了理论指导。

材料

玉米油、核桃油、亚麻籽油、花生油和橄榄油从当地商业供应商处采购（中国黑龙江省哈尔滨市）。乳清蛋白分离物（WPI，蛋白质含量80%，w/w）来自云南生物技术有限公司（中国上海），而κ-卡拉胶（纯度≥99.5%）则来自上坊生物技术有限公司（中国浙江省杭州市）。本研究中使用的其他所有化学品均为分析级。

不同植物油的脂肪酸组成分析

五种植物油的脂肪酸谱型

不同植物油的脂肪酸分析

各种植物油的脂肪酸谱型存在显著差异，这些差异可能会影响WPI-KG乳液凝胶的稳定性。气相色谱定量分析（表1）显示，所有分析的油中C18脂肪酸占主导地位，包括硬脂酸（C18:0）、油酸（C18:1）、亚油酸（C18:2）和亚油酸（C18:3）（Badar等人，2023年；Gutierrez-Luna等人，2023年）。特别是亚麻籽油含有大量的亚油酸（C18:3）

结论

本研究表明，植物油的类型通过脂质相中的脂肪酸组成显著影响了WPI-KG乳液凝胶的物理化学稳定性。关键发现表明，C18长链不饱和脂肪酸的含量决定了系统的稳定性。亚麻籽油中较高的α-亚油酸（C18:3）含量增强了WPI-KG复合物的界面吸附能力，促进了坚固的膜形成并减小了液滴尺寸。

作者贡献声明

赵宇博：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据管理，概念构思。 史欣宇：撰写 – 审稿与编辑，方法学，数据管理。 陈倩：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。 刘浩天：撰写 – 审稿与编辑，监督。 刘倩：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。 孔宝华：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集，概念构思。 孙芳达：撰写 – 审稿与编辑。