蜂蜡-明胶基双凝胶的性能优化：水凝胶粒径调控对机械特性与冻融稳定性的影响

推荐：本研究针对双凝胶(bigel)在食品工业中因水凝胶粒径不均导致的稳定性差、机械性能不足等问题，通过调控均质速度制备不同粒径的蜂蜡-明胶基双凝胶。研究发现减小水凝胶粒径可使硬度提升2.20倍，弹性模量增加2.23倍，且BG5在非冻融条件下油保持率(ORC)较BG1提高15.73%。该研究为功能性食品质构设计提供了新策略。

　　

在食品科学与材料工程领域，开发兼具优异机械性能和稳定性的双相凝胶体系一直是研究热点。双凝胶(bigel)作为一种同时包含水凝胶(hydrogel)和油凝胶(oleogel)网络的多相系统，因其能同时负载亲水和亲脂成分的特性，在低脂食品、药物递送等领域展现出巨大潜力。然而，现有双凝胶常面临水凝胶粒径不均导致的质地粗糙、冻融循环后相分离等问题，严重制约其实际应用。

针对这一技术瓶颈，武汉轻工大学的研究团队在《LWT》发表了一项创新性研究。该团队以食品级蜂蜡(beeswax)和明胶(gelatin)分别作为油相和水相凝胶因子，通过精确调控均质速度(1000-5000 rpm)制备了具有梯度粒径的水凝胶颗粒双凝胶系统(BG1-BG5)，系统探究了粒径效应对材料性能的影响机制。

研究采用光学显微镜定量分析粒径分布，通过差示扫描量热法(DSC)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征热力学行为与分子相互作用，结合流变仪和质构仪测定机械性能，并设计了冻融循环实验评估稳定性。样本队列包括5组不同均质速度制备的双凝胶，所有实验均设置三重生物学重复。

【结构特性】显微观察显示，5000 rpm均质制备的BG5水凝胶粒径降至3.24 μm，较BG1(7.96 μm)降低59%，实现了高度均匀分布。高倍剪切力促使水相形成更致密的三维网络结构。

【热分析】DSC曲线显示所有样品均在37°C开始熔融，55°C达吸热峰值，60°C完成相变。尽管粒径差异显著，但热力学参数无统计学差异，表明粒径调控不影响双凝胶的本征热稳定性。

【分子特征】FTIR光谱证实双凝胶的谱图特征主要由油凝胶组分主导。在1746 cm^-1处检测到脂质酯基C=O伸缩振动峰，而1652 cm^-1和1557 cm^-1处的特征峰分别对应明胶的酰胺I和酰胺II键。

【机械性能】随着水凝胶粒径减小，BG5的硬度和弹性模量分别达到BG1的2.20倍和2.23倍。流变测试显示存储模量(G′)始终高于损耗模量(G″)，证实弹性主导的类固体行为。频率扫描中所有样品均呈现剪切稀化特性。

【冻融稳定性】经过3次冻融循环，BG1水凝胶粒径增加38.33 μm，而BG5仅增加12.61 μm。油保持率测试表明，BG5在冻融后的OHC降幅(11.11%)显著低于BG1(16.58%)，小粒径水凝胶的界面相互作用能有效抑制冰晶破坏。

该研究创新性地揭示了水凝胶粒径与双凝胶性能的构效关系：减小粒径可增加界面接触面积，通过增强相间分子相互作用(如氢键和范德华力)提升机械强度；同时小粒径水凝胶形成的均质网络能缓冲冻融应力，抑制相分离。研究提出的均质速度调控策略为工业化生产性能可调的双凝胶提供了关键技术参数，在低脂奶酪、控释营养制剂等食品创新领域具有重要应用价值。特别是BG5展现的15.73%油保持率提升，为开发耐储运的功能性食品配料开辟了新途径。