均质化调控马铃薯蛋白二次乳液3D打印性能的计算模拟辅助研究

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Computational simulation assisted exploration of homogenization induced changes in potato protein secondary emulsions for 3D printing

本研究针对植物蛋白乳液在3D食品打印中应用受限的难题，通过高压均质化技术处理不同组分马铃薯蛋白二次乳液，系统探究了蛋白浓度和油相比例对乳液流变特性、微观结构及打印精度的影响。结合耗散粒子动力学模拟，在分子水平揭示了PPI在油水界面的分布动力学机制，为开发高性能植物基打印墨水提供了理论依据和技术支持。

　　

随着3D打印技术在食品加工领域的广泛应用，开发适合打印的食用墨水成为研究热点。然而，当前研究多集中于传统乳化剂和油相浓度对乳液稳定性的影响，对植物蛋白乳液特别是马铃薯蛋白二次乳液经均质化处理后的性能变化关注不足。马铃薯作为全球第四大粮食作物，其蛋白虽具有高营养品质，但存在黏弹性差（表现为低储能模量G′和损耗模量G″）、凝胶能力弱、溶解度低等问题，导致生物利用度低于其他植物蛋白，限制了其在食品工业中的广泛应用。因此，探索通过均质化技术改善马铃薯蛋白乳液的功能特性，对于推动植物蛋白转型和实现可持续食品制造具有重要意义。

本研究由北京工商大学人工智能学院的研究团队开展，论文发表于《Innovative Food Science》。研究人员通过调控马铃薯蛋白浓度（3%、5%、7%）和油相比例（59%、61%、63%），利用高压均质设备制备二次乳液，系统分析了其粒径分布、流变特性、微观结构和3D打印性能。关键实验技术包括：激光粒度分析仪测定乳液粒径分布，旋转流变仪进行应变扫描、频率扫描、稳态剪切和蠕变恢复等流变学测试，共聚焦激光扫描显微镜观察乳液微观结构，以及采用Materials Studio软件进行耗散粒子动力学模拟以揭示界面分布机制。

3.1. 粒径分布分析

通过激光粒度分析发现，随着蛋白浓度从3%增至7%，乳液中值粒径D_(5,0)从9.973μm显著减小至5.897μm；油相比例从59%升至63%时，D_(5,0)从10.287μm降至7.194μm。表明提高蛋白浓度和油相比例均能有效减小乳液滴粒尺寸，增强稳定性。

3.2. 冻融稳定性测试

差示扫描量热仪结果显示，油相比例升高（59%至63%）使熔化焓ΔH从54.331J/g降至44.073J/g，表明油相增加减少了可冻结水含量；蛋白浓度增至5%和7%时，ΔH显著低于3%样本，说明高蛋白浓度通过形成致密界面层抑制冰晶生长，提升冻融稳定性。

3.3. 流变学测试

应变扫描显示所有样品在线性黏弹性区内G′均高于G″，呈现固体状弹性行为，且线性区范围随蛋白浓度扩大。频率扫描证实G′和G″基本不依赖频率，且随蛋白浓度和油相比例增加而升高，如G′（0.1rad/s）在蛋白浓度3%至5%时从661Pa增至1438Pa。稳态剪切测试表明乳液具有剪切稀化特性，表观粘度随蛋白浓度和油相比例增加而上升。蠕变恢复实验表明，提高蛋白浓度和油相比例可增强乳液抗变形能力和自支撑性。

3.4. CLSM测试

共聚焦显微镜图像显示，随着蛋白浓度从3%增至7%，油滴尺寸明显减小，分布更加紧密，分形维数D_f从2.256降至1.523，表明界面蛋白分子与连续相相互作用增强，网络结构有序性提高。油相比例增加亦使油滴排列更紧密均匀。

3.5. 3D打印行为测试

打印“心形”、“A形”和“圆柱形”结构评估显示，7%蛋白浓度和63%油相比例的乳液打印纹理最清晰，圆柱体高度偏差最小。提高蛋白浓度和油相比例显著改善墨水挤出性和自支撑能力。

3.6. 耗散粒子动力学模拟

平面模拟细胞和三维立方细胞模拟均表明，提高PPI浓度和油相比例驱动颗粒向界面迁移，形成连续蛋白单层，增厚界面膜，限制液滴聚并。平均位移分析显示高蛋白和高油相条件下分子运动受限，验证了界面饱和效应与流变学结果的一致性。

3.7. 相关性分析

热图分析表明蛋白浓度与多数流变参数（除n、η_K外）、微观特性和打印性能显著相关（p<0.05），油相比例相关性略低但趋势一致，证实优化组分可协同提升乳液功能。

本研究通过实验与模拟相结合，明确了均质化处理下蛋白浓度和油相比例对马铃薯蛋白二次乳液性能的调控机制。提高蛋白浓度可减小粒径、增强黏弹性和自支撑性；增加油相比例则通过脂肪球堆积强化凝胶特性。DPD模拟从分子层面揭示了PPI在界面的吸附动力学和界面膜形成过程，为乳液稳定性提供了机制解释。该研究不仅为马铃薯蛋白在3D食品打印中的应用提供了理论基础和技术方案，而且通过多尺度研究方法推动了植物蛋白乳液设计从经验性向精准化转变，对开发新型可持续食品制造技术具有重要指导意义。