由全蛋液稳定化的高内相皮克林乳液及其在3D打印中的应用

《Food and Bioproducts Processing》：High internal-phase Pickering emulsions stabilized by whole egg liquid and its application in 3D printing

　　摘要：探索可用于3D打印的潜在食用油墨对于其在食品行业的应用至关重要。在这项研究中，研究了全蛋液（WEL）作为高内相皮克林乳液（HIPEs）的潜在稳定剂的可能性，这些乳液可以用作食用3D打印油墨。首先，探讨了不同水与WEL比例（4:1、2:1、1:1、1:2、1:4和0:1）对皮克林乳液物理化学性质的影响，较高的鸡蛋剂量降低了乳液的颗粒大小和流动性，但增加了乳液滴的ζ电位。随着油相含量的增加，乳液滴的大小减小且更加均匀，油相体积分数可达到80%，证明了HIPEs的成功形成。该乳液在极端pH条件（2–11）和盐离子浓度（100–200 mM）下表现出良好的稳定性，但在高温（90°C下持续30分钟）时由于蛋白质的热变性而变得不稳定。增加鸡蛋剂量导致水的松弛时间延长，表明水的结合状态变得更为松散。随着鸡蛋剂量的增加，乳液的储能模量、损耗模量和粘度也随之增加，并在水与鸡蛋剂量比为0:1时达到最佳值。较高的鸡蛋剂量增强了粘弹性和触变恢复率，储能模量的最大恢复也发生在0:1的比例。这些结果表明，由WEL稳定的HIPEs适用于3D打印，为天然鸡蛋基乳液在3D食品打印中的应用提供了新的见解。

引言：近年来，3D食品打印技术因对食品个性化的需求增长而受到越来越多关注。这项创新技术可以同时满足不同人群的营养需求，并解决特定的感官问题（Ma和Zhang，2022）。例如，它可以为患者设计特殊食品，这些食品需要精确的质地控制——既足够柔软以便于吞咽，同时保持结构完整性和形状稳定性（Wang等人，2025）。为了实现打印精度和结构稳定性的统一，食品油墨需要在打印过程中表现出优异的剪切稀释行为，并在打印后具有强大的恢复能力和自支撑性能（Jiang等人，2019）。目前，常见的食用3D打印油墨包括基于水凝胶的、基于脂质的和基于蛋白质的系统，这些系统存在某些限制，难以满足高精度打印的要求。先前的综述通常指出，当前的食品油墨仍然面临诸如平衡流变性能与结构保真度、温度敏感性、可重复性和形状保持等问题，这些限制了它们在高精度3D打印中的广泛应用（Pant等人，2021；Thareja等人，2025；Wang等人，2024；Zhong等人，2024）。因此，需要开发既具有精确打印性能又具有结构稳定性的食品油墨。

近年来，高内相皮克林乳液（HIPEs）因其由固体颗粒而非表面活性剂稳定而受到广泛关注，成为有前途的食用打印材料。HIPEs的堵塞滴网络赋予了它们类似固体的粘弹性和屈服应力、剪切稀释行为以及快速的结构恢复能力。此外，颗粒在界面上的吸附增强了抗凝聚性，并在热应力下提高了稳定性（He和Lu，2024）。由于这些优势，HIPEs已被广泛探索用于各种食品相关应用，如具有高形状保真度的3D打印食用油墨（Li等人，2020）、更健康的肉类或类肉产品中的脂肪替代品和结构化脂质（Badar等人，2023）、用于包裹和控制亲脂性生物活性物质释放的载体（Abdullah等人，2020），以及用于构建新型食品结构的多孔支架（Zhu等人，2020）。HIPEs中常用的乳化剂包括蛋白质和多糖。蛋白质乳化剂，如豌豆蛋白和乳清蛋白，因其优异的乳化性能和营养价值而被广泛研究（Zhu等人，2024）。基于多糖的稳定剂包括菊粉和魔芋葡甘露聚糖等化合物以及天然胶料，它们通过提供粘度、网络形成和界面功能来增强乳液的稳定性和流变性能（Liu等人，2020）。乳清蛋白微凝胶也被确认为有效的HIPEs稳定剂，较高的微凝胶浓度不仅减小了滴的大小，还逐步增强了粘弹性网络，最终在高油分数下表现出类似固体的行为（Zhao等人，2025）。同样，来自天然多糖的壳聚糖纳米纤维也被证明是有效的HIPEs稳定剂，在高内相条件下形成了一个强健的网络，提高了弹性和结构完整性（Zhu等人，2020）。通过调节蛋白质与多糖的比例和pH值，Vélez-Erazo等人（2021）成功增强了由豌豆蛋白-黄原胶复合物稳定的HIPEs的粘弹性网络，从而确保了在高油分数下的结构稳定性和高油保持率。然而，使用纯化的蛋白质或多糖作为乳化剂通常涉及昂贵和复杂的提取和纯化步骤，从而增加了生产成本并使过程复杂化。为了解决这一限制，最近的研究探索了使用全成分食品颗粒作为HIPEs的天然乳化剂。由可可、菜籽压榨饼和羽扇豆壳等全成分植物材料稳定的乳液由于含有丰富的界面活性物质（如蛋白质、多糖和小分子活性成分）而表现出良好的稳定性（Joseph等人，2020）。来自绿色蔬菜（生菜、西兰花和繁缕）和水果皮（橙子、柑橘、柠檬、莲根、山药和银杏坚果）的胶体颗粒具有适当的润湿性和强的界面吸附能力，因此与基于淀粉的颗粒相比表现出更好的乳化性能（Hao等人，2024）。高压均质化通过提高ζ电位、油水保持力和滴的均匀性改善了橙肉和果皮的乳化能力，这些全成分颗粒通过空间位阻和静电排斥稳定乳液（Huang等人，2020）。据报道，来自抹茶、菠菜叶、螺旋藻饼、菠萝纤维、迷迭香饼、胡萝卜和姜黄的天然颗粒通过界面吸附或粘度增强稳定O/W皮克林乳液，同时由于其包含的抗氧化剂而提供了强的氧化稳定性（Schr?der等人，2021）。研磨的黑米颗粒由于油水界面上的蛋白质-多糖复合物而表现出优异的乳化能力，突显了全成分材料在稳定功能性皮克林乳液方面的潜力（Lu等人，2022）。Zhu等人（2022）证明，在全鱼糜系统中，油滴通过内源性蛋白质和脂质得到有效稳定，形成了具有可调凝胶特性的稳定乳液-鱼糜凝胶，并通过调节油类型和乳化程度提高了热稳定性。

鸡蛋是一种天然食品成分，富含蛋白质、卵磷脂（特别是磷脂酰胆碱）和胆固醇，蛋清蛋白和蛋黄蛋白已被广泛用作稳定乳液的固体颗粒。最近的研究进一步表明，通过蛋白质-脂质共组装形成的蛋黄衍生微凝胶由于其两亲性质和强的界面吸附能力，可以作为有效的皮克林乳化剂（Liu等人，2025）。此外，纯化的蛋清蛋白微凝胶已被报道可以形成小滴大小且具有改进的热稳定性的乳液（Yang等人，2025）。蛋清蛋白的结构特性在调节其界面吸附行为和乳液稳定性方面也起着重要作用，蛋白质构象的变化可能会影响皮克林乳液的形成和性能（Li等人，2026）。从蛋黄中提取的蛋黄低密度脂蛋白（LDL）或蛋黄高密度脂蛋白（HDL）也可以用于稳定具有高热稳定性和冻融稳定性的皮克林乳液（Li等人，2022）。此外，鸡蛋蛋白、磷脂和脂蛋白的联合作用可以形成密集的界面层，从而在热或离子应力下提高乳液的稳定性，同时保留鸡蛋的营养价值（Suhag，2024）。天然鸡蛋衍生物成分可以作为构建稳定乳液的有效乳化剂，因为基于蛋黄的系统及其掺入DHA和糖化的蛋清微凝胶稳定的乳液表现出改进的乳化稳定性和流变性能（Liu等人，2023；Yang等人，2022）。在pH 5下从乳清蛋白分离物和鸡蛋蛋白制备的复合微粒表现出相对较低的表面疏水性和适度粘度（低于1000 cP），即使在巴氏杀菌后也能形成热稳定的乳液（Allahdad等人，2023）。鸡蛋中的成分，包括蛋清和蛋黄蛋白，表现出良好的乳化性能，这可能表明全蛋液（WEL）具有稳定皮克林乳液的潜力。在这项工作中，WEL被用于开发HIPEs，并对其结构和功能特性进行了全面研究。首先，通过分析在不同油相分数（60%、70%和80%）下稳定的乳液的形态，评估了WEL作为乳化剂的潜力，以确定最佳油相含量。随后，制备了不同WEL稀释比例的乳液，并检查了它们的储存稳定性、颗粒大小分布和ζ电位。进一步在多种外部条件下评估了乳液的稳定性，包括加热、极端pH值、盐离子浓度和离心。还使用低场核磁共振（LF-NMR）和流变仪研究了水分分布特性和流变性能（储能模量、粘度和触变恢复）。最后，将WEL稳定的HIPEs应用于3D打印，以展示其作为食用油墨创建精确图形的潜力。

材料：鸡肉蛋从中国大连的当地超市购买。玉米油来自中国山东的XIWANG集团有限公司。氯化钠（NaCl）和氢氧化钠（NaOH）从中国上海的Aladdin生化技术有限公司购买。溴化钾（KBr）从中国上海的Macklin生化有限公司购买。所有使用的试剂均为分析级。

冻干WEL样品的表征：WEL被冻干以获得用于表征的冻干样品。如图1(a)所示，FTIR光谱显示了一个位于3294 cm?1的宽吸收带，这被归因于O-H伸缩振动，而位于3000至2800 cm?1之间的带表明了C-H伸缩模式。在1657 cm-1、1545 cm-1和1237 cm-1处观察到的特征吸收峰分别归因于酰胺I（C=O伸缩振动）、酰胺II（N-H弯曲和C-N伸缩）和酰胺III（C-H伸缩）的C-N键伸缩振动。

结论：WEL成功地作为有效的天然乳化剂用于形成油相分数为80%的HIPEs，而无需任何提取。增加WEL浓度促进了更密集和更连续的界面膜的形成，从而减小了滴的大小，使滴的分布更加均匀，并增强了乳液对离子强度（100–200 mM）和离心应力的稳定性。然而，在极端碱性条件和高温处理下……