双交联金针菇蛋白-多糖Pickering乳液凝胶：结构增强策略及其在生物活性物质递送与3D食品打印中的应用

《LWT》：Dual-crosslinked Flammulina velutipes protein-polysaccharide emulsion gels: Structural enhancement for bioactive delivery and 3D food printing

本研究针对传统乳液凝胶结构稳定性不足、难以兼顾生物活性保护与3D打印精度的问题，开发了一种基于金针菇蛋白-多糖复合颗粒（FVP-FVSP）的双交联（GDL/CaCO3）Pickering乳液凝胶。研究证实该凝胶具有致密网络结构、优异流变特性、高冻融稳定性（析水率4.08%）和持水性，可显著提升共包封β-胡萝卜素与茶多酚的生物可及性（分别达52.2%和46.1%）及抗氧化活性（ABTS清除率>90%），并实现高精度3D打印（形状保真度96.22%），为功能性食品开发提供了新平台。

　　

在追求个性化营养与健康饮食的今天，食品3D打印技术展现出巨大潜力，它能根据消费者的特定需求，定制出在营养、色泽、风味乃至外观上都独一无二的食品。然而，这项技术面临一个核心挑战：如何找到既能在打印过程中保持结构稳定、不塌陷变形，又能有效保护其中易降解的生物活性成分（如维生素、抗氧化物质）的“墨水”。传统的乳液体系往往结构强度不够，在储存或加工过程中容易发生相分离，导致包埋的功能成分失效，这极大地限制了其在高端功能性食品中的应用。

面对这一难题，来自山西农业大学食品科学与工程学院的研究团队将目光投向了一种常见的食用菌——金针菇。他们创新性地利用从金针菇中提取的蛋白（FVP）和多糖（FVSP）作为天然稳定剂，成功构建了一种新型的“双交联”Pickering乳液凝胶，相关研究成果发表在食品领域知名期刊《LWT》上。这项研究的目的，就是要打造一种结构更坚固、功能更强大的食品材料，使其既能作为3D打印的优质“墨水”，精确塑造复杂形状，又能成为生物活性成分的“守护舱”，保护它们安然穿越加工、储存和消化之旅。

研究人员采用了一种巧妙的“双管齐下”策略来增强凝胶结构。他们选用了葡萄糖酸-δ-内酯（GDL）和碳酸钙（CaCO₃）作为协同凝固剂。GDL在水中会缓慢水解产生酸性物质，逐渐降低体系的pH值，诱导蛋白质分子展开并相互靠近聚集，形成初步的凝胶网络。同时，酸性的环境也会促使CaCO₃释放出钙离子（Ca²⁺），这些Ca²⁺就像一个个微小的“桥梁”，在蛋白质和多糖分子之间形成离子交联，进一步加固和密实整个三维网络结构。这种由酸诱导和离子交联共同作用的“双交联”机制，是赋予该乳液凝胶卓越性能的关键。

为开展研究，作者团队运用了几个关键技术方法：首先，从金针菇中提取并制备了FVP-FVSP-茶多酚（TP）复合颗粒作为 Pickering 稳定剂；其次，通过单因素实验优化了GDL和CaCO₃的添加浓度，确定了最佳凝胶形成条件（1.5% GDL, 0.75% CaCO₃）；进而，系统地表征和比较了单一交联（仅GDL或仅CaCO₃）和双交联乳液凝胶的理化性质；此外，还通过体外模拟胃肠消化模型评估了包埋的β-胡萝卜素（BC，疏水性）和TP（亲水性）的生物可及性；并利用食品3D打印机评估了其打印性能。本研究未涉及特定来源的样本队列。

3.1.1. 预实验确定CaCO₃和GDL浓度

通过预实验初步筛选了CaCO₃和GDL的浓度范围，发现CaCO₃浓度过低（<0.2%）则凝胶硬度不足，过高（>1.2%）则可能导致凝胶脱水收缩。GDL浓度低于0.5%时酸度不足难以形成有效凝胶，超过2.5%则因过度酸化削弱凝胶强度。据此确定了后续优化的浓度梯度。

3.1.2. CaCO₃浓度对乳液凝胶的影响

• •
  流变学性质：频率扫描显示所有样品均表现为典型的凝胶行为（G' > G''）。CaCO₃浓度在0.25%-0.75% (w/v)时，凝胶的储能模量（G'）和表观粘度随浓度增加而升高，在0.75%时达到最佳，表明离子交联增强了网络密度。超过此浓度，G'和粘度反而下降，归因于过量Ca²⁺导致交联过快、网络不均。
• •
  冻融稳定性：双交联乳液凝胶（0.75% CaCO₃）的析水指数最低（4.08%），显著优于Pickering乳液（38.8%），表明其网络能有效抑制冰晶生长和相分离。
• •
  持水性（WHC）：乳液凝胶的持水性显著高于Pickering乳液，在0.75% CaCO₃时达到最大值，得益于Ca²⁺交联形成的致密网络能更好地束缚水分。
• •
  硬度：乳液凝胶的硬度随CaCO₃浓度（0.25%-0.75%）增加而增加，在0.75%时达到峰值（5.93 N），过量Ca²⁺则因过度交联导致硬度下降。
• •
  溶胀率：乳液凝胶的溶胀率显著低于Pickering乳液，且在0.75% CaCO₃时最低，表明其网络结构更为致密，限制了水分子的渗透。

3.1.3. GDL浓度对乳液凝胶的影响

• •
  流变学性质：GDL浓度为1.5% (w/v)时，乳液凝胶的G'和粘度达到最大。适量GDL水解产生的酸促进蛋白质变性交联和Ca²⁺释放，增强网络；过量GDL（>1.5%）使pH过低（低于蛋白质等电点），破坏网络结构。
• •
  冻融稳定性：所有乳液凝胶的冻融稳定性均优于Pickering乳液，GDL诱导的酸化和Ca²⁺释放共同作用形成了抗冻融的稳定结构。
• •
  持水性（WHC）和硬度：WHC和硬度均在1.5% GDL时达到最大值，随后下降，趋势与流变结果一致，均与凝胶网络的致密程度相关。
• •
  溶胀率：在1.5% GDL时溶胀率最低，网络最致密；GDL过量时，溶胀率反而上升，因不均匀交联产生局部松散区域。

3.1.3.6. 单/双交联乳液凝胶的比较与协同机制

通过对比双交联凝胶与单一交联凝胶（GDL-Gel, CaCO₃-Gel）及Pickering乳液，发现双交联凝胶在流变性能（G'）、硬度、冻融稳定性、WHC方面均表现最优，且溶胀率最低。这表明GDL诱导的酸凝胶网络为Ca²⁺离子交联提供了均匀的初级支架，Ca²⁺进一步强化此网络，产生了“1+1>2”的协同增强效果。

3.1.4. 乳液凝胶的微观结构

• •
  冷冻扫描电镜（Cryo-SEM）：直观显示双交联凝胶具有最致密、连续且均匀的三维网络结构，油滴被牢固地包埋其中，界面层更厚。而Pickering乳液结构疏松，单一交联凝胶的结构则相对粗糙或均匀性较差。这为宏观性能的优越性提供了微观证据。

3.2. 分子间相互作用

• •
  傅里叶变换红外光谱（FTIR）：乳液凝胶的酰胺A带、酰胺B带和酰胺I带吸收峰发生蓝移，表明凝胶化过程中氢键、疏水作用和静电相互作用增强。蛋白质二级结构分析显示，与乳液相比，凝胶中α-螺旋和β-折叠含量增加，β-转角含量减少，表明蛋白质构象更加有序稳定，这有助于提升凝胶的硬度和持水性。
• •
  荧光光谱：乳液凝胶的荧光强度增强且最大发射波长红移，表明蛋白质在凝胶化过程中发生去折叠，内部芳香族氨基酸残基暴露于疏水环境。
• •
  游离巯基含量：乳液凝胶的游离巯基含量显著高于乳液，说明蛋白质结构展开，内部巯基暴露，促进了分子间交联。
• •
  表面疏水性：乳液凝胶的表面疏水性显著增加，表明内部疏水基团暴露，增强了分子间疏水相互作用。
• •
  化学相互作用力：在凝胶形成的各种作用力中，疏水相互作用占主导。与乳液相比，双交联凝胶的静电相互作用、氢键和疏水相互作用显著增强，共价相互作用相对减弱，表明前三种作用力在双交联凝胶网络的形成和稳定性中起更关键作用。

3.3. 乳液凝胶在BC和TP递送中的应用

• •
  BC和TP在不利条件下的稳定性：在加热和紫外照射条件下，双交联乳液凝胶中BC和TP的保留率均显著高于Pickering乳液，证明其致密网络能有效保护生物活性成分。
• •
  BC和TP的体外消化生物可及性：双交联乳液凝胶中BC和TP的生物可及性显著高于Pickering乳液和单一交联凝胶。凝胶网络可能通过控制消化速率和活性成分的释放，实现了更好的胃部保护和肠道吸收。
• •
  抗氧化能力：双交联乳液凝胶的DPPH和ABTS自由基清除率（分别达78.64%和91.81%）显著高于Pickering乳液，表明其能有效保持TP的抗氧化活性。凝胶网络既提供了物理屏障，TP在界面的定位也实现了协同抗氧化。

3.4. 3D打印

双交联乳液凝胶表现出优异的剪切稀化行为和弹性恢复能力，使其能顺利从打印头挤出并在沉积后保持形状。其3D打印模型的尺寸偏差率（3.78%）显著低于Pickering乳液（6.39%），形状保真度高达96.22%。高储能模量（G'）和离子交联强化的界面结构是其具备良好打印精度的原因。

研究表明，通过GDL和CaCO₃双交联策略成功构建了基于金针菇蛋白-多糖的Pickering乳液凝胶。该凝胶系统通过酸诱导和离子交联的协同作用，形成了致密稳定的三维网络结构，这不仅显著提升了其流变性能、冻融稳定性和持水性，更重要的是为疏水性（β-胡萝卜素）和亲水性（茶多酚）生物活性成分提供了卓越的保护作用，大幅提高了它们的稳定性和生物可及性。同时，该材料具备优异的3D打印适应性，能实现高精度的复杂结构成型。这项工作不仅为理解蛋白-多糖复合物在双交联凝胶中的相互作用机制提供了理论基础，而且展示了一种基于可持续植物资源的乳液凝胶在功能性食品递送系统和个性化精准营养制造（如3D打印食品）中的巨大应用潜力。所开发的乳液凝胶系统原料清洁、制备方法简便，具有良好的产业化应用前景。