个性化乳清蛋白分离物的3D打印：凝胶化过程中茶氨酸的结构-功能探索

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Personalized whey protein isolate 3D printing: Structure-function exploration of theanine in gelation

本研究探讨茶氨酸（Th）对乳清蛋白 isolate（WPI）凝胶特性的影响，通过分子对接和动态模拟发现Th与WPI通过氢键结合，增强凝胶的机械性能、热稳定性和三维打印精度，0.30% Th浓度效果最佳，为功能性食品3D打印材料开发提供新思路。

　　本研究旨在探索茶氨酸（Theanine, Th）对乳清蛋白分离物（Whey Protein Isolate, WPI）凝胶性能的影响及其作用机制，从而为开发具有高营养价值和多功能性的新型3D打印食品材料提供理论支持和技术依据。WPI作为一种广泛应用的食品原料，因其丰富的营养成分和独特的功能性而备受关注。然而，其凝胶体系在实际应用中存在一些不足，例如脆性较大、易收缩以及结构较为松散等问题，这些问题限制了其在食品工业中的进一步发展和应用。因此，如何有效改善WPI凝胶的性能，成为食品科技领域的重要研究方向之一。

随着3D打印技术的快速发展，其在食品加工领域的应用潜力日益凸显。3D打印技术不仅能够创造复杂的食品结构，还能够实现个性化营养定制，满足特定人群的健康需求。目前，已有多种食品材料被成功应用于3D打印，如巧克力、面团、糖果和奶酪等。然而，这些材料在凝胶性能方面仍存在一定的局限性，特别是在机械强度和结构稳定性方面。为了克服这些问题，研究者们尝试通过添加不同的添加剂来优化食品凝胶的性能，例如多糖、脂质、盐类以及特定的氨基酸。

在这一背景下，茶氨酸作为一种非蛋白质氨基酸，具有独特的理化性质和生理功能，已被广泛研究用于食品加工和健康食品开发。茶氨酸能够影响蛋白质的结构和功能特性，从而改善食品体系的物理性能。近年来，研究发现茶氨酸能够有效增强蛋白质凝胶的网络结构，提高其保水性和机械强度。例如，茶氨酸可以促进面团中β-折叠结构的形成，增强其延展性；在大豆蛋白分离物（Soy Protein Isolate, SPI）体系中，茶氨酸的添加能够调控凝胶特性，为功能性食品的开发提供了新的思路。因此，将茶氨酸与WPI结合，有望进一步提升其凝胶性能，为食品3D打印技术提供更加优质的材料基础。

本研究采用茶氨酸与WPI进行复合凝胶体系的构建，并通过一系列实验手段，如粒径分析、ζ电位测定、浊度分析、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、二维相关光谱、差示扫描量热法（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）以及流变学分析等，系统地探讨了茶氨酸对WPI凝胶体系的影响。实验结果表明，茶氨酸的添加能够显著改善WPI凝胶的稳定性、质构特性、流变学性能以及热稳定性。特别是在0.30%的茶氨酸添加浓度下，WPI凝胶表现出最佳的物理性能，其3D打印样品具有良好的自支撑能力、精细的几何形状以及最高的打印精度，达到了99.75%的打印准确率。

在分子层面，通过分子对接（Molecular Docking）和分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟，研究发现茶氨酸主要通过氢键与WPI中的氨基酸残基相互作用，这种相互作用不仅增强了WPI分子之间的结合力，还使得凝胶网络结构更加紧密和均匀。氢键的形成在凝胶体系中起着至关重要的作用，它能够有效稳定蛋白质结构，提高其机械性能和热稳定性。此外，茶氨酸的加入还能够促进WPI凝胶中水分的结合，使得凝胶体系的水分保持能力显著增强。通过粒径分析和ζ电位测定，研究发现茶氨酸的添加改变了WPI溶胶的物理特性，使其更有利于形成稳定的凝胶结构。

从实验数据来看，随着茶氨酸添加浓度的增加，WPI凝胶体系的特性呈现出明显的改善趋势。例如，在0.30%茶氨酸添加浓度下，凝胶体系的抗氧化活性提高了6.26%，而ζ电位则增加了28.59%。这些变化表明，茶氨酸的加入不仅增强了WPI凝胶的表面电荷特性，还提升了其抗氧化能力，这对于开发具有健康功能的食品产品具有重要意义。同时，FT-IR分析进一步验证了茶氨酸与WPI之间形成的氢键结构，而二维相关光谱则揭示了茶氨酸对WPI分子结构的影响过程。研究还发现，茶氨酸的添加能够显著提高WPI凝胶的热稳定性，其变性温度从85.2°C上升至89.7°C，这表明茶氨酸能够在一定程度上延缓WPI在高温条件下的结构破坏，从而增强其在食品加工中的适用性。

在实际应用方面，茶氨酸与WPI的复合体系展现出良好的3D打印性能。实验结果表明，0.30%茶氨酸添加浓度的WPI凝胶在3D打印过程中能够保持较好的形状完整性和结构稳定性，打印精度达到99.75%。这一性能的提升不仅得益于茶氨酸对WPI分子结构的优化，还与其对凝胶体系物理特性的改善密切相关。此外，茶氨酸的加入还能够改善凝胶的流变学特性，使其在打印过程中具有更好的延展性和可控性，从而满足复杂结构食品的制造需求。

从整体来看，茶氨酸与WPI的复合体系为食品3D打印技术提供了一种新的材料选择。该体系不仅具有良好的凝胶性能，还能够提升食品的营养价值和功能性，使其在个性化营养食品、功能性食品以及健康食品的开发中具有广阔的应用前景。同时，本研究还通过系统分析，揭示了茶氨酸对WPI凝胶体系的影响机制，为后续的材料优化和功能拓展提供了重要的理论依据和技术支持。

本研究的成果不仅有助于解决WPI凝胶体系在食品工业中面临的性能问题，还为开发新型3D打印食品材料提供了新的思路。通过将茶氨酸与WPI结合，研究人员成功构建了一种具有高稳定性和良好打印性能的复合凝胶体系，这一成果对于推动食品3D打印技术的发展具有重要意义。此外，研究还强调了天然淀粉在食品凝胶体系中的应用价值，特别是小麦淀粉（Wheat Starch, WS）因其良好的凝胶性能和结构稳定性，被认为是一种理想的3D打印材料。因此，茶氨酸与WPI的复合体系不仅能够提升食品的营养价值，还能够增强其在3D打印过程中的适用性，为食品工业带来新的发展机遇。

综上所述，茶氨酸的加入显著改善了WPI凝胶体系的多种性能，包括稳定性、质构特性、流变学性能和热稳定性。特别是在0.30%的添加浓度下，该体系表现出最佳的凝胶性能和3D打印效果。这些发现不仅拓展了茶氨酸在食品加工中的应用范围，还为开发高营养价值和多功能性的食品3D打印材料提供了重要的理论支持和技术指导。未来，进一步研究茶氨酸与其他食品成分的相互作用，以及其在不同食品体系中的应用潜力，将有助于推动食品3D打印技术的创新与发展。