定制基于明胶的3D打印高内相乳液以增强白藜芦醇的递送效果：明胶类型、pH值和浓度的作用

3D打印食品用的明胶基高内相乳液的性能及生物活性保护研究。系统考察了GEA/GEB类型、浓度及pH对HIPEs微观结构、流变学、稳定性及3D打印性能的影响，发现7% GEA形成的HIPEs具有82 vol%高油相负载、优异自支撑性及热/UV稳定性，可保护槲皮素并实现肠溶释放。

　　

郑卢瑶|李东|王立军

中国农业大学食品科学与营养工程学院，植物资源功能性食品重点实验室，邮政信箱50，北京清华东路17号，100083，中国

摘要

本研究系统地探讨了明胶（GE）类型（GEA/GEB）、浓度和pH值对高内相乳液（HIPEs）性能的影响。当GE浓度超过3%时，可以制备出具有82%油载量的自支撑HIPEs。增加GE含量促进了界面吸附，形成了更致密的膜，从而产生了更小的液滴和更紧密的堆积结构，提高了结构完整性、热稳定性、粘弹性和触变性能。GEA由于具有更强的疏水性和表面活性，通过不可逆吸附、桥接和空间效应在界面形成了坚固的3D网络，表现出更优异的性能。相比之下，GEB更倾向于水相凝胶化，导致打印流变性能较差。在极端pH值下，乳液会变得不稳定。含有7% GEA的HIPEs表现出优异的3D打印性能和形状保真度，并且能够有效保护白藜芦醇免受热/紫外线降解，实现可控的肠道释放。本工作强调了GEA稳定的HIPEs作为精密打印和靶向营养输送的先进食用油墨的潜力。

引言

三维（3D）食品打印，也称为食品分层制造，是一种新兴的数字制造技术，它根据数字设计逐层构建复杂的可食用产品（Meigui, Xu, Assadpour, Tan, & Jafari, 2025）。这项技术在解决咀嚼和吞咽困难人群（如老年人和幼儿）的饮食需求方面具有巨大潜力，同时还能根据个人营养需求定制功能性食品。它还促进了视觉上吸引人、质地优化且感官体验良好的食品产品的开发，包括装饰精美的糖果制品（Zheng, Li, & Wang, 2025）。最近的进展表明，3D打印能够精确地将生物活性化合物封装在设计的基质中，从而提高其生物利用度和功能性效果，用于靶向营养和治疗应用（Ahmadzadeh, Lenie, Mirmahdi, & Ubeyitogullari, 2025）。例如，Kewuyemi, Kesa, Meijboom, Alimi, 和 Adebo (2023) 报告称，用生物改性面粉制成的3D打印饼干含有更高水平的甲硫氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、铁和磷，并且外观也更好。同样，Zheng, Li, Wang, 和 Wang (2024) 强调了打印结构在调节封装生物活性物质的形状、大小和释放动力学方面的作用。

白藜芦醇是一种天然的非黄酮类多酚，因其心脏保护、抗癌、抗糖尿病和神经保护作用而受到广泛关注（Xu et al., 2023）。然而，由于其水溶性差、光稳定性低、半衰期短和代谢速度快，其实际应用受到限制（Matos, Gutierrez, Martinez-Rey, Iglesias, & Pazos, 2018）。封装和输送系统，尤其是与增材制造结合使用时，为克服这些限制提供了有希望的途径（Shen et al., 2025）。Zheng et al. (2024) 发现，高内相乳液（HIPE）-淀粉凝胶在打印后形成了层状结构和空气间隙，提高了生物活性物质的保护效果，并实现了更广泛的肠道释放。HIPEs的定义是内相体积分数（φ）超过0.74，具有堵塞的液滴微观结构和半固体流变特性，赋予了它们出色的装载能力、稳定性和可控释放性能（Zheng, Li, Wang, & Wang, 2025）。这些特性也使HIPEs非常适合作为3D打印油墨，因为它们具有自支撑能力、剪切变稀行为、可调的粘弹性和快速的结构恢复（Pal, 2006）。Feng et al. (2022) 开发了豌豆蛋白-果胶-EGCG HIPEs（φ = 0.83），其油相体积比传统乳液（φ = 0.52）高出60%，能够装载更高比例的肉桂醛（75%），并且显著减少了打印过程中的挥发性损失，仅降至11.29%。

明胶（GE）是一种源自胶原蛋白的蛋白质，根据酸或碱预处理的不同，分为A型（GEA）和B型（GEB）（Baydin, Aarstad, Dille, Hattrem, & Draget, 2022）。其两亲性和生物相容性使其成为乳液中的有效稳定剂（Zhao, Zaaboul, Liu, & Li, 2020）。Tan, Sun, Lin, Mu, 和 Ngai (2014) 使用1.5%的GEB制备了稳定的己烷-水HIPEs（φ = 0.80），而Mao et al. (2022) 显示2.0%的GEA可以使液滴更小、粘度更高，并提高HIPEs的热稳定性和储存稳定性。在这两种情况下，GE颗粒在油水界面吸附，抑制了液滴的聚集，并通过分子间相互作用在水相中形成了紧密的网络。尽管取得了这些进展，但GE类型和浓度对HIPEs微观结构、流变性能、打印性能和生物活性物质输送的系统性影响仍需进一步研究。

在这项研究中，我们全面表征了GEA和GEB的物理化学性质，并制备了仅由GE稳定、浓度范围在1%到10%之间的HIPEs。我们系统评估了GE类型、浓度和pH值对HIPEs外观、流变性能、稳定性、分子相互作用、微观结构和3D打印性能的影响。此外，我们还评估了打印HIPEs在热和紫外线应力下对白藜芦醇的保护作用，并分析了体外消化过程中的释放曲线。这项工作为设计GE稳定的HIPEs作为多功能营养输送和定制形状功能性食品的平台提供了基础见解，推动了个性化营养和食品增材制造的进步。

材料

材料

A型和B型明胶（GEA和GEB）购自上海源业生物技术有限公司（中国上海）。大豆油从当地超市购买（中国北京）。白藜芦醇（纯度>99%）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。所有其他化学品，包括尼罗蓝、尼罗红和乙醇，均为分析级，购自兰义化工有限公司（中国北京）。所有溶液和乳液均使用去离子水制备。

高内相乳液（HIPEs）的制备

GEA和

X射线衍射（XRD）分析

XRD图谱显示A型和B型明胶（GEA和GEB）粉末均为无定形结构，其特征是2θ≈21°处的GE衍射晕（图1A）。仅GEA在2θ=7.4°处出现胶原特异性峰，表明酸提取部分保留了天然的三螺旋构象（Quero et al., 2018）。

三相接触角分析

GEA和GEB均表现出亲水性，接触角分别为68.34°和61.51°（图1B）。GEA的亲水性显著

结论

本研究成功开发了使用明胶（GE）作为唯一稳定剂的稳定、自支撑HIPEs，在浓度超过3%的情况下实现了高油载量。研究明确表明，GE类型（GEA和GEB）、浓度和pH值是控制HIPEs微观结构、稳定性和流变性能的关键因素。增加GE浓度提高了界面颗粒密度，导致液滴更小，抑制了聚集，并改善了粘弹性

CRediT作者贡献声明

郑卢瑶：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，概念化。李东：撰写 – 审稿与编辑。王立军：监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22278421）的支持。