《Food Chemistry》：Modifying pea protein via dynamic high-pressure microfluidization and polyphenol/polysaccharide incorporation to stabilize high internal phase Pickering emulsions for 3D printing
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豌豆蛋白经动态高压微流化处理并与绿原酸、纤维素纳米纤维形成三元复合物DCC12，显著提升其乳化稳定性及3D打印性能，粒径4.7±0.2μm，zeta电位-13.1±0.2mV，抗氧化活性分别提高202.24%和66.16%。
董雷超|盛桂华|李亚杰|郭婷婷|倪一丹|白海梅|韩秦硕|周全成
山东理工大学农业工程与食品科学学院，中国淄博市255049
摘要
本研究通过动态高压微流控技术结合绿原酸和纤维素纳米纤维的添加，对豌豆蛋白进行了改性，合成了三种三元复合物，用于稳定3D打印的高内相皮克林乳液。DCC12（豌豆蛋白：纤维素纳米纤维：绿原酸的质量比=1000:20:3）显示出最小的D50粒径（4.7±0.2 μm）。纤维素纳米纤维使DCC12的ζ电位保持在-13.1±0.2 mV；在没有纤维素纳米纤维的情况下，ζ电位降低到-6.4±0.2 mV。此外，DCC12表现出良好的润湿性（51.8±1.6°）、最高的游离巯基含量（1.9±0.1 μmol/g），以及比原始蛋白更高的抗氧化能力（DPPH/ABTS自由基清除活性：202.24%/66.16%）。基于DCC12的凝胶由于多酚的作用而具有优异的热稳定性和离心稳定性。因此，DCC12可用于制备具有致密稳定网络、良好流变性和质地特性的凝胶，适合3D打印。这些发现为豌豆蛋白在新型3D打印食品中的应用提供了策略。
引言
高内相皮克林乳液（HIPPEs）通常是指由刚性颗粒稳定的乳液，其内相体积分数大于74%，通常表现出固体或半固体的凝胶状特性（Yang等人，2022年）。在食品工业中，广泛使用来源丰富、可再生且可生物降解的生物大分子颗粒来稳定HIPPEs（Wu等人，2022年）。蛋白质因其两亲性、形成高粘弹性薄膜的能力以及空间位阻而成为理想的乳化剂候选者（Ji和Luo，2023年）。例如，豌豆蛋白（PP）、玉米醇溶蛋白和藜麦蛋白已被证明可以稳定HIPPEs（Ji等人，2023年）。近年来，由于其成本效益和健康益处，PP在食品工业中得到了广泛应用，包括在食品乳液中（Shanthakumar等人，2022年）。然而，PP的水溶性较差，乳化效果不佳，并且容易受到pH值、温度和盐离子的影响（Jiang等人，2023年）。为了满足HIPPE乳化剂的要求，提升PP的功能属性至关重要。
动态高压微流控技术（DHPM）可以在几秒钟内提供超高压，使多相流体在狭窄的腔室内运动，同时产生高速冲击、强烈剪切、空化、高频振动、振荡、瞬时压力下降、起泡和涡流（X. Guo等人，2020年）。在DHPM处理下，蛋白质的三级和二级结构发生改变，粒径减小，界面吸附和润湿性增强，从而提高了蛋白质稳定乳液的凝胶强度和保水能力（Zhang等人，2022年）。用于稳定皮克林乳液的蛋白质颗粒通常需要添加多糖、多酚和其他蛋白质等辅助材料（Shi等人，2020年；S. K. Singh等人，2023年）。绿原酸（CGA）具有多种健康益处，包括抗氧化、保护器官、抗炎、抗菌、抗病毒和降压作用（Singh等人，2023年）。CGA可以改变蛋白质结构并形成紧密结合的复合物，提高系统的抗氧化活性和乳化性能（Guo等人，2022年）。纤维素纳米纤维（CNFs）是可再生且丰富的材料。由于其表面含有大量高反应性的羟基，CNFs可以通过物理吸附或接枝反应与其他材料形成复合物（Parajuli和Urena-Benavides，2022年）。将蛋白质与纤维素纳米材料结合可以增强网络稳定性，改善乳化性能，调节乳液结构，提高环境稳定性，并调控系统的脂质消化（Dai等人，2023年；Ke等人，2024年）。我们推测，一种结合DHPM处理和CGA及CNF添加的优化策略可以提升PP的性能，从而提高PP稳定HIPPEs的稳定性和3D打印适用性。
在这里，我们设计了一种新的三元复合物，以改善PP的理化性质和乳化性能，获得适合3D打印的高稳定性食品级HIPPEs。通过DHPM处理破碎PP后，利用漆酶催化的共价偶联将CGA连接到PP上，并通过非共价作用（氢键和疏水力）将CNFs连接到PP上，构建该复合物（图1A）。随后，使用这种三元复合物稳定的HIPPEs进行3D打印。我们研究了每种处理对PP的结构、粒径、ζ电位、接触角、游离巯基含量和抗氧化性能的影响，并评估了不同蛋白质材料稳定的HIPPEs在稳定性、流变性能、质地性能和打印性能方面的差异。本研究的结果为改进PP提供了绿色途径，并为新型蛋白质-多糖-多酚基HIPPEs在3D食品打印中的应用提供了参考。
材料
豌豆蛋白（PP）（蛋白质含量77.1%；水分6.8%；脂肪6.6%；膳食纤维5.4%）购自中国烟台双塔食品有限公司。菜籽油购自中国湖南道道泉粮油有限公司。绿原酸（CGA，纯度>98%）和漆酶（120 U/g）由上海源叶生物科技有限公司提供。纤维素纳米纤维（CNFs，纯度99%；直径20–50 nm；长度600–1000 nm）由江苏北世纪纤维素材料有限公司提供。
CA的包封率
如图S1所示，PP-CA的包封效率（EE）为91.1±1.1%，表明许多CA分子未能附着在蛋白质上。这可能是由于大颗粒PP的活性结合基团暴露有限。与PP相比，DPP-CA的包封效率显著提高至95.6±0.7%。这一结果可能是由于DHPM处理降低了PP粒径，增加了CA的结合位点（Hu等人，2021年）。
结论
本研究通过将CGA和CNF加入经DHPM处理的PP中，合成了三元复合物（DCCs），并应用于3D打印。FTIR和内在荧光结果表明目标三元复合物的形成，并证实了每种处理步骤对蛋白质构象的影响。随着CGA含量的增加，DCC的粒径减小，呈现出单峰分布。其中，DCC12的CGA含量最高。
作者贡献声明
董雷超：撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据分析。
盛桂华：数据可视化、资源获取、方法学设计、数据分析。
李亚杰：方法学设计、数据分析。
郭婷婷：撰写、审稿与编辑。
倪一丹：撰写初稿、方法学设计。
白海梅：撰写、审稿与编辑、概念构思。
韩秦硕：数据管理。
周全成：项目管理、资金筹集、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢山东省重点研发计划（17YYSP033）的财政支持。
