《Journal of Food Engineering》：Reducing the Fat Content of Plant-based Emulsified Foods using Fiber-based Microgels
编辑推荐：
微凝胶结构化植物基低脂沙拉酱通过调节钙-海藻酸钠微凝胶（30-45%）比例实现流变特性与全脂对照组匹配，并提升14天储存稳定性，过量微凝胶（≥60%）引发电荷反转和油滴聚集。
作者：田马（Tian Ma）、李思生（Sisheng Li）、大卫·朱利安·麦克莱门茨（David Julian McClements）
美国马萨诸塞大学阿默斯特分校食品科学系生物聚合物与胶体实验室，邮编01003
摘要
在乳化食品中减少脂肪通常会损害其质地和物理稳定性。本研究评估了水合海藻酸钙微凝胶（MG）作为基于颗粒的结构剂在一种植物基模型调味料（pH 3.0）中的应用效果，该调味料含有10%（重量百分比）的油脂和由马铃薯蛋白稳定的液滴。微凝胶的质量分数从0%变化到60%，并与25%（重量百分比）油脂的参考配方进行了对比。研究发现：当微凝胶的质量分数为40%时，剪切粘度与全脂配方相当；而当微凝胶的质量分数从15%增加到45%时，储存模量（G’）和损耗模量（G’’）增加了三个数量级（分别从7.77 ± 0.50 Pa和1.82 ± 0.14 Pa增加到8240 ± 240 Pa和1700 ± 130 Pa）。多分散粘度模型通过考虑微凝胶自身拥挤作用以及液滴间的相互作用（双重拥挤效应）来解释在微凝胶质量分数为30%至45%时粘度/模量的快速上升现象。ζ电位测量和共聚焦显微镜观察表明，液滴与微凝胶之间的结合受电荷控制，这与静电共组装及液滴在混合网络中的桥接作用一致。储存稳定性也显示出明显的依赖性：低微凝胶含量（≤30%）时系统早期出现宏观分离现象，而高微凝胶含量（≥45%）则显著提高了14天内的抗重力分离能力。在微凝胶含量极高（60%）的情况下，电荷反转和液滴聚集/合并现象表明存在过度填充和限制效应。总体而言，这些结果确定了一个实用的微凝胶添加范围（30-45%），在该范围内该模型系统可以恢复类似全脂产品的整体流变特性，并揭示了微凝胶含量不足或过高的失败模式，为低脂乳化产品的配方筛选和优化提供了机制指导。
引言
高脂肪、高度加工食品（也称为超加工食品，UPFs）的过量消费与肥胖和其他心血管代谢疾病有关，因此人们对更健康、低脂肪的替代品有强烈需求（Lane等人，2024年；Sacks等人，2017年；Sun等人，2025年）。像调味料、酱料和蛋黄酱这样的乳化食品可被视为超加工食品，因为它们含有高脂肪和热量，并且经过了包括高压均质化在内的复杂加工过程以减小油滴尺寸（McClements，2024年）。因此，减少这些乳化食品中的脂肪和热量含量对于改善公众健康至关重要。然而，典型的乳基调味品（如全脂调味料）的理想质地和物理稳定性依赖于脂肪滴的存在。这些产品中的分散油相通过形成由小油滴组成的空间填充颗粒网络，从而赋予其稠度、弹性、不透明度和抗起霜稳定性（Chen & Stokes，2012年；Dickinson，2003年；McClements，2015b年；Sch?dle等人，2022年）。简单地减少这些产品的油含量会导致许多有益效果的丧失，从而使系统变得更稀薄、凝聚力更低且更不稳定（Xiao等人，2025年）。因此，有效的减脂策略必须弥补去除油滴后功能性的损失。
传统的低脂配方主要依靠基于碳水化合物的亲水胶体和增稠剂（例如淀粉、菊粉和树胶）来增稠或凝胶化连续相，并抑制起霜和相分离（Feng等人，2025年；Gao等人，2024年；Zhang等人，2020年）。这些方法可以在一定程度上恢复低脂沙拉调味料的稠度和保质期。例如，添加菊粉已被证明可以增强低脂调味料的粘弹性和储存稳定性（Meyer等人，2011年；Sinsuwan，2024年）。然而，从胶体结构的角度来看，多糖主要作用于连续相，产生“均匀增稠”的流体。相比之下，在全脂乳液中，分散的油滴同时贡献了体积分数、液滴间的相互作用和三维网络的形成，因此这两种结构基础并不等同（Dickinson，2018年；Laguna等人，2017年；Upadhyay等人，2020年）。这一根本差异促使人们转向“基于颗粒”的减脂策略，即使用柔软颗粒来构建低脂系统，而不仅仅是增稠其水相。
微凝胶是柔软的、吸水膨胀的胶体颗粒，通常通过食品生物聚合物的物理或化学交联形成，可用作食品中的结构剂（Dickinson，2015年）。这里的微凝胶指的是尺寸在1到1000微米之间的水合聚合物球体。微凝胶具有可调的组成、尺寸和机械性能。此外，它们可以由膳食纤维（例如海藻酸）组装而成，从而增强食品的营养价值。与完全溶解的多糖不同，微凝胶作为离散颗粒在足够高的体积分数下可以紧密堆积，从而为系统提供屈服应力和弹性（Emiroglu等人，2022年；Lyon & Fernandez-Nieves，2012年）。带电微凝胶可以通过静电相互作用与油滴结合，在低油条件下形成“液滴-微凝胶”复合材料（Braccini & Pérez，2001年；Guan等人，2024年；Guzmán & Maestro，2022年；Kwok等人，2019年；Lee & Mooney，2012年；Ma等人，2017年）。这些特性提供了一种基于颗粒的结构化方法，以恢复乳化食品中通常由脂肪滴提供的某些功能。
与此概念一致，越来越多的研究探索了基于多糖或蛋白质的微凝胶在食品胶体系统中的应用。微凝胶颗粒（例如乳清蛋白、海藻酸或κ-卡拉胶微凝胶）可以作为油水乳液中的Pickering型稳定剂，通过形成界面层来增强油滴的抗聚集和抗起霜能力（Dickinson，2015年；Guan等人，2024年）。除了稳定乳液外，微凝胶还可以作为活性填充剂，调节乳化产品和凝胶基质中的流变和质地特性。例如，将复合大豆纤维/海藻酸微凝胶加入低脂酸奶中可以提高其稠度并改善润滑性能（Chen等人，2024年）。类似地，向豌豆蛋白凝胶中添加果胶基微凝胶可以改变其机械性能并增强润滑效果（Martin等人，2025年）。据报道，由豌豆蛋白分离物微凝胶稳定的类似蛋黄酱的Pickering乳液也表现出与商业蛋黄酱相当的流变特性（Li等人，2022年）。尽管取得了这些进展，但大多数先前的研究集中在含微凝胶的乳液或乳制品系统中，并且常常依赖动物源乳化剂（Lin等人，2021年；Qi等人，2025年）。因此，水合微凝胶在低脂植物基调味料中的结构作用尚未得到充分量化，特别是在填充效应、流变学、静电相互作用和微观结构方面。目前尚不清楚是否存在一个实用的微凝胶添加范围，能够最大化恢复全脂乳液的关键质地和稳定性特性。
在这项研究中，我们使用海藻酸钙微凝胶作为基于膳食纤维的结构填充剂，制备了一种含有10%油滴的植物基模型沙拉调味料，这些油滴由马铃薯蛋白稳定。此外，我们将这种低脂调味料的性质与含有25%油脂的全脂调味料进行了比较。通过系统地调整配方中微凝胶的质量分数（0-60%），我们定量分析了微凝胶含量与样品的流变行为、颗粒大小、ζ电位、外观和14天储存稳定性之间的关系。此外，我们利用多分散粘度模型分析了微凝胶和油滴拥挤引起的非线性流变转变。我们的主要目标是确定是否存在一个“最佳结构范围”，在该范围内低脂调味料能够接近全脂调味料的性质，同时确保其抗重力分层的能力。本研究的结果应为低脂乳化食品的设计和开发提供新的见解，从而提高食品的健康性。
材料
马铃薯蛋白分离物（PP200）由荷兰Veendam的Royal Avebe公司慷慨提供。根据供应商的信息，PP200的分子量大于35 kDa，等电点约为pH 4.5；蛋白质含量为90.5%，碳水化合物、粗脂肪和粗纤维的含量分别为0.2%、0.2%和3.5%（Katzav等人，2020年）。在本研究中，我们选择马铃薯蛋白作为乳化剂，因为它具有高溶解度、强正电荷，并且在pH 3.0时具有表面活性。
结果与讨论
为了评估微凝胶作为模型低脂沙拉调味料结构填充剂的潜力，我们比较了三组样品：全脂对照组（FF；25%油脂）、不含微凝胶的低脂对照组（MG-0%；10%油脂）以及含有10%油脂且微凝胶质量分数逐渐增加的低脂调味料（MG-15%至MG-60%）。我们首先分别表征了各组成分（FF；MG-0%；以及单独的微凝胶），然后研究了将微凝胶与马铃薯蛋白包覆的油滴结合后的效果。
结论
本研究评估了海藻酸钙微凝胶作为由马铃薯蛋白包覆的油滴稳定的低脂模型沙拉调味料中的结构填充剂的作用。随着微凝胶含量的增加，表观粘度、粘弹模量和屈服应力显著提高，储存过程中的抗重力分离能力也得到增强。在所研究的配方范围内，含有中等水平微凝胶（30-45%，重量百分比）的低脂系统表现出最佳的流变性能。
作者贡献声明
田马（Tian Ma）：撰写初稿、可视化处理、方法设计、实验实施、数据分析、概念构建。李思生（Sisheng Li）：数据验证、软件应用、方法优化。大卫·朱利安·麦克莱门茨（David Julian McClements）：撰写修订稿、监督工作、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思
数据可用性
数据可应要求提供。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本研究的利益冲突。
致谢
作者感谢Royal Avebe公司提供本研究中使用的马铃薯蛋白成分。作者T. Ma感谢中国国家留学基金委提供的博士奖学金。
