水胶体介导的木薯淀粉-酵母蛋白乳液填充凝胶的重建与功能化：迈向β-胡萝卜素输送及适合吞咽困难人群的3D打印食品

《Food Chemistry》：Hydrocolloid mediated reconstruction and functionality of tapioca starch–yeast protein emulsion-filled gels: Toward β-carotene delivery and dysphagia-friendly foods of 3D printing

本研究开发乳剂填充凝胶（EFGs）作为β-胡萝卜素递送系统，探究不同复合基材（木薯淀粉、淀粉-酵母蛋白、淀粉-酵母蛋白-水凝胶）对EFGs稳定性和生物利用度的影响。结果表明，TS-YP-HC体系具有最佳打印精度、弹性模量和热稳定性，体外消化显示89.62%的β-胡萝卜素保留率，符合IDDSI Level 5标准，为吞咽困难患者提供营养解决方案。

　　

作者：Yaqiu Kong、Jieling Chen、Keke Lu、Qilin Huang

中国华中农业大学食品科学与技术学院，教育部环境相关营养学重点实验室，武汉430070

摘要

本研究开发了含有乳液的凝胶（EFGs）作为β-胡萝卜素的递送系统，用于吞咽困难的管理，并阐明了不同复合基质对其稳定性和生物利用度的调控机制。使用木薯淀粉、木薯淀粉-酵母蛋白以及木薯淀粉-酵母蛋白-水胶体（TS–YP–HC）作为连续相，β-胡萝卜素乳液作为填充物。所有EFGs均具有良好的3D打印性能，其中TS–YP–HC由于更强的分子间相互作用和更密集的凝胶网络而具有最高的精度。TS–YP–HC还表现出最高的粘弹性和凝胶强度，从而实现了更好的油脂保留、更低的游离水分含量以及更高的热稳定性。体外消化进一步证实，TS–YP–HC提供了更好的β-胡萝卜素保护作用，加热和消化后的保留率分别为89.62%和71.48%。动力学建模表明，其扩散机制是非Fickian的，涉及扩散和基质侵蚀。此外，所有EFGs均符合IDDSI 5级标准，证实了它们作为适合吞咽困难患者的食品的适用性。

引言

吞咽困难是一种严重的临床疾病，可能导致营养不良、吸入性肺炎和其他危及生命的并发症（Wang, Ding等人，2025）。为了解决这个问题，食品不仅应具有适当的质地特性，还应提供定制的营养补充。三维（3D）打印技术作为一种有前景的技术，可以精确控制食品的质地和营养物质的递送（Kong, Chen, Guo & Huang, 2025）。通过优化3D打印产品的内部结构，可以提高吞咽安全性，同时确保营养充足。先前的研究表明，打印后的凝胶硬度降低，符合国际吞咽困难饮食标准化倡议（IDDSI）的标准（Bitencourt等人，2023）。因此，3D打印是一种开发适合吞咽困难患者的食品的可行方法。

β-胡萝卜素是一种亲脂性生物活性化合物，具有抗氧化和免疫调节作用，在营养强化方面特别值得关注（Mun等人，2015）。然而，其低水溶性、化学不稳定性和较差的胃肠道吸收限制了其应用（Shen等人，2025）。封装策略已被证明可以有效提高β-胡萝卜素的溶解度、稳定性和生物利用度。已经研究了多种载体，包括脂质体、水凝胶和乳液（Shen等人，2025）。其中，乳液系统因其成本效益、对疏水性化合物的高封装效率以及缓释性能而特别具有吸引力（Mun等人，2015）。然而，乳液在胃肠道条件下往往物理稳定性不足，导致封装的生物活性物质因液滴聚集、界面破坏或酶解而提前泄漏，以及在肠道吸收前过早降解（Kong, Chen, Hong & Huang, 2025；Ravera等人，2021）。最近，含有乳液的凝胶（EFGs）作为一种先进的生物活性递送平台被提出，它结合了乳液的装载能力和凝胶基质的保护及控释功能（Wu等人，2025）。这种独特的结构改善了生物活性物质的保护作用，同时增强了凝胶的质地和润滑性——这些特性对于吞咽困难的应用尤其有益。因此，将EFGs与3D打印结合使用，可以设计出具有控释特性的个性化功能食品（Feng等人，2025）。

蛋白质-多糖复合凝胶作为递送基质受到了越来越多的关注，因为它们结合了蛋白质的两亲性和多糖的流变多样性，从而克服了单一组分的聚集和乳化能力限制（Feng等人，2025）。淀粉是一种主要的膳食多糖，由于其独特的流变行为，是一种有吸引力的生物聚合物，适用于食品结构设计（W. Liu, Hu等人，2025；Zhong等人，2024）。特别是木薯淀粉（CS），具有优异的凝胶化能力，但缺乏足够的结构支撑，不适合3D打印。为了克服这些限制，通常将淀粉与蛋白质或水胶体（如黄原胶（XG）和亚麻籽胶（FG）结合使用，这些物质可以提供粘度、稳定性和改善的质地特性（Liu, Hu等人，2025；Wang, Du等人，2025）。酵母蛋白（YP）来自酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），是一种富含必需氨基酸、矿物质和膳食纤维的可持续微生物蛋白来源（Kong, Chen, Hong, Guo & Huang, 2025）。我们之前的研究表明，YP可以提高基于淀粉的凝胶的机械强度和打印性能（Kong, Chen, Guo & Huang, 2025）。因此，结合淀粉、酵母蛋白和水胶体有望在粘弹性、机械稳定性和保护亲脂性生物活性物质方面产生协同增效作用——这是单一或二元系统无法实现的。然而，这种三元复合基质在适合吞咽困难患者的食品配方和生物活性递送中的应用，特别是在3D打印中，仍需进一步探索。

在这里，我们假设酵母蛋白-淀粉-水胶体复合基质可以有效地封装β-胡萝卜素，提高其稳定性，并在胃肠道消化过程中实现控释，同时提供适合吞咽困难管理的质地。在本研究中，使用TS、TS–YP和TS–YP–HC基质制备了负载β-胡萝卜素的EFGs，并通过3D打印制成适合吞咽困难患者的食品结构。系统地表征了它们的流变、质地和热性能，并评估了β-胡萝卜素的稳定性和体外消化行为。本研究旨在提供关于复合基质在稳定和递送亲脂性生物活性物质方面的作用见解，同时为解决吞咽困难和营养不足问题提供理论和实践指导。

材料

酵母蛋白由Angel Yeast Co., LTD.提供，其粗蛋白含量≥80%（基于蛋白质的干基质量）；木薯淀粉由杭州Proxing Starch Co., LTD.提供，总淀粉含量为99.7%，而粗蛋白、粗脂肪和灰分含量均≤0.1%（基于淀粉的干基质量）。食品级黄原胶、亚麻籽胶和明胶购自河南中晨生物技术有限公司。玉米油购自...

EMG和EFG的3D打印性能

通过打印空心圆柱体（图1A）评估了EMG和EFG系统的3D打印性能。所有样品都能被挤出，打印出的结构保持了基本形状，表明其打印性能可接受。然而，不同系统之间的形状保真度存在显著差异。EMG的打印性能较差，表现为表面粗糙和纤维不规则，这可能是由于其较低的粘度和较弱的弹性模量所致（Hong等人，2025）。

结论

本研究系统地研究了不同基质基EFG对β-胡萝卜素封装和缓释行为的调控机制，并评估了它们作为适合吞咽困难患者的食品的可行性。使用负载β-胡萝卜素的乳液作为填充相，以及TS、TS–YP或TS–YP–HC作为连续相基质，成功制备了EFGs。水胶体的加入显著提高了EFG的粘弹性和凝胶强度，从而实现了更好的...

CRediT作者贡献声明

Yaqiu Kong：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，研究实施，资金获取，数据管理。 Jieling Chen：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，研究实施，正式分析，数据管理。 Keke Lu：软件使用，方法学设计，概念构思。 Qilin Huang：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化，项目监督，资金获取。

未引用参考文献

Wang等人，2025

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所述的工作。