通过引入大豆分离蛋白-结冷胶复合物和蜂蜡增强水包油型双凝胶的结构：提升3D打印精度和冻融稳定性

《Food Hydrocolloids》：Structural reinforcement of O/W bigels by incorporating soy protein isolate–gellan gum complex and beeswax: Enhancing 3D printing precision and freeze-thaw stability

　　

摘要
本研究开发了一种冻融稳定的双凝胶系统，专为基于挤出的 3D 食品打印优化，使用了大豆分离蛋白（SPI）、高酰基结冷胶（GG）和蜂蜡（BW）。理化筛选确定了 SPI-GG0.2 复合物，即在复合物分散液中含有 4.0%（w/v）SPI 和 0.2%（w/v）GG，为最佳配方。流变学分析显示，SPI-GG 复合物双凝胶表现出优越的粘度、可调节的损耗角正切，即使在最高的 BW 含量下，触变恢复率也超过 70%。经过多次冻融循环（FTCs），旗舰配方（SPI-GG_BW6）表现出优越的耐冻性，保持了宏观结构完整性，析水极少，液滴分布均匀，且所有配方中颜色变化最小，而仅含 SPI 的对照品遭受了灾难性的相分离。傅里叶变换红外光谱和低场核磁共振分析揭示，来自结晶 BW 油核的物理压缩迫使界面 SPI-GG 复合物进入超密集排列。此外，这种结构强化转化为优越的打印性能。在所有三个结构水平上，即一维（纤维直径）、二维（网格面积）和三维（圆柱高度），SPI-GG 复合物油墨比仅含 SPI 的油墨更忠实地重现了设计几何形状。其中，SPI-GG_BW6 对重复 FTCs 的抵抗力最大，显示出比其他所有配方都显著更小的高度损失，且网格面积基本不变。最终，这种水和油相的共结构化策略成功解决了流体可挤出性和打印后冻融稳定性之间的流变学权衡，为耐冻食品制造提供了可行的蓝图。

引言
冷冻是食品工业中最广泛使用的保存方法之一，因为它有效地确保了产品安全并延长了保质期，同时满足了消费者对高质量食品的需求（Yu et al., 2023）。作为一种简单高效的保存技术，冷冻抑制微生物生长，无需使用化学防腐剂，从而在储存期间保持食品质量。此外，冷冻有助于缓解食品供应的季节性波动，并促进高效的分配和供应链管理，导致其在全球范围内得到广泛应用（He et al., 2025）。尽管有这些优点，冷冻及随后的解冻往往会诱导品质劣化，对食品系统的外观、质地、持水能力和物理稳定性产生不利影响（Yu et al., 2023）。在各种食品基质中，基于水包油（O/W）乳液的产品，如蛋黄酱、调味汁和奶油产品，特别容易受到冻融损伤（Degner et al., 2014; Gao et al., 2023）。冻融稳定性在很大程度上受水和油相中的结晶现象以及液滴微环境变化（包括 pH 值、离子强度、渗透压和局部粘度）的控制（Cabezas et al., 2019）。在冷冻期间，冰晶生长可能会破坏包裹油滴的界面膜，导致液滴聚集、合并，并在解冻期间最终发生相分离（R. Zhang et al., 2024）。
为了解决常规乳液固有的冻融不稳定性，越来越多的关注转向了将这些双相系统结构化为乳化凝胶（EGs）和双凝胶（BGs）（Y. Yang et al., 2024; Yu et al., 2023）。EGs 是半固体系统，其中一个相通过热凝胶化、酸化或酶交联等机制形成连续的三维网络（Farjami & Madadlou, 2019; Yu et al., 2022）。与常规乳液相比，EGs 表现出改善的流变性能和增强的物理稳定性，使它们成为暴露于热或冷冻储存条件下的食品中理想的赋形剂和脂肪替代物（Cui et al., 2023; Xu et al., 2024）。除了单相的结构化之外，BGs 代表一类由水凝胶和油脂凝胶组成的双相软材料，其中水相和油相同时被结构化（Martín-Illana et al., 2022）。与常规 EGs 相比，这种双网络结构提供了增强的机械强度、减少的析水以及对环境和加工应力的改进抵抗力（Singh et al., 2018）。由于这些有利的理化性质，BGs 在食品、制药和化妆品应用中引起了相当大的关注。
尽管三维（3D）食品打印取得了最新进展，但开发合适的食品油墨仍然是一个主要挑战。成功的基于挤出的打印需要材料能在剪切应力下通过喷嘴流动，同时在沉积后迅速恢复固体状结构以维持预期的几何形状。在各种油墨材料中，基于乳液的油墨引起了显著关注，用于多样化的食品应用，如脂肪类似物（例如肉的大理石花纹）的仿生制造、亲脂性生物活性物质的包埋和递送以实现个性化营养，以及为吞咽困难个体开发更健康、质地改良的配方。然而，满足这些流变学要求对于这些系统特别具有挑战性，因为水相和油相的共存引入了额外的结构复杂性。此外，对于需要冷冻储存以确保产品质量和保质期的 3D 打印食品，分配期间的重复冻融循环（FTCs）可能会诱导相分离，从而损害打印产品的尺寸稳定性和感官质量（Degner et al., 2014）。因此，迫切需要开发结合优异可打印性和强健冻融稳定性的高级食品油墨，以促进 3D 食品打印技术的实际应用。BGs 已成为基于挤出的 3D 食品打印的有前景材料，因为其结构化网络有助于在逐层沉积期间保持形状和结构稳定性。例如，Qiu et al. (2022) 和 Xie et al. (2023) 最近的研究报告表明，调整 BGs 中水相和油相的比例可以显著改善沉积期间的形状保持，而 Ma et al. (2026) 确定调节油相中的蜡含量可增强 3D 打印精度。然而，虽然这些研究成功地优化了 BGs 用于环境温度打印的流变性能，但这些打印结构在储存和分配期间对冻融应力的抵抗力尚未得到广泛研究。鉴于商业食品生产和冷链物流的现实情况，确保冻融稳定性是 3D 打印食品实际应用的关键前提。
植物蛋白，特别是大豆分离蛋白（SPI），因其两亲性和有利的营养特性，作为合成乳化剂的可持续替代品受到了相当大的关注（Chen et al., 2020; Pereira et al., 2024）。然而，天然 SPI 溶解度有限，对环境压力高度敏感，这可能会损害冷冻和解冻期间的界面稳定性（Gao et al., 2024; Li et al., 2020）。为了克服这些局限性，非共价蛋白 - 多糖复合物已被广泛探索作为界面稳定剂。例如，最近的研究表明，这些复合物可以在油滴周围形成厚厚的界面层，提供空间位阻和静电稳定，同时减轻冰晶诱导的损伤（Cao et al., 2025; Liang et al., 2023）。虽然这些研究突出了生物大分子复合物的潜在冷冻保护效应，但它们的应用主要集中在常规液态乳液或单相凝胶上。因此，这些复合物在完全结构化的双相系统（如 BG）中的界面相互作用和结构协同效应仍未得到充分理解。然而，结合蛋白 - 多糖复合物与油脂凝胶化剂以同时结构化两相从而增强可打印性和冻融稳定性的 BG 系统很少被研究。
我们假设，通过将大豆分离蛋白 - 结冷胶（SPI-GG）复合物与蜂蜡（BW）油脂凝胶整合，对双相系统的两相进行共结构化，将强化整体网络结构，从而同时改善挤出可打印性和冻融稳定性。为了检验这一假设，利用 SPI-GG 复合物和 BW 制造了新型酸诱导 BGs，并在冻融循环（FTCs）前后系统地评估了它们的结构和流变性能，随后作为 3D 打印油墨进行了实际验证。据我们所知，这是第一项通过生物大分子复合物和油脂凝胶在酸诱导双相凝胶系统中的共结构化，同时实现高保真 3D 打印性能和冻融稳定性的研究。因此，本工作提供了一套改善 3D 打印食品冻融稳定性和可打印性的实用配方策略，从而支持其在冷链分配中的潜在应用。此外，本研究提供了新的机制见解，阐明了界面生物大分子复合和油脂凝胶结构化如何相互作用以共同控制复杂双相食品凝胶的稳定性和可打印性。

章节片段
材料
SPI 购自 ES Food（韩国京畿道高阳市）。大豆油取自 CJ 第一制糖株式会社（韩国首尔）。高酰基结冷胶（GG；KELCOGEL? LT100）由 Jupiter International（韩国首尔）供应。BW 购自 Samchun Pure Chemical Co., Ltd.（韩国首尔）。本研究全程使用使用 Milli-Q 水纯化系统（Millipore, Bedford, MA, 美国）产生的去离子水。所有其他化学品和试剂均为

结冷胶浓度对 SPI-GG 复合物理化特性的影响
为阐明 SPI 和 GG 之间的相互作用，研究了 SPI-GG 复合物的结构和功能特性。使用 FE-SEM 检查了复合物的微结构，以评估生物大分子的组装特性（图 1A）。未加 GG 的 SPI 对照品表现出相对较小的破碎颗粒，具有异质性尺寸分布和不规则形态，这可能归因于热处理期间的蛋白质非控制性聚集。

结论
本研究成功开发了由水相中的 SPI-GG 复合物和油相中的 BW 共结构化的基于乳液的双凝胶。该方法显著提高了系统的粘弹性和结构稳定性。在评估的配方中，SPI-GG_BW6 表现出最紧密和均匀的网络，其特征是分子间相互作用增强和水活动度降低。因此，这种最佳 BG 表现出优越的抵抗力

CRediT 作者贡献声明
Yun Jeong Kim: 写作 – 审阅与编辑，调查，形式分析。Chhychhy Chao: 方法，调查。Woo Su Lim: 写作 – 审阅与编辑，调查，形式分析。Ming Kong: 调查，形式分析。Min Hyeock Lee: 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，概念化。Hyun Woo Kim: 写作 – 审阅与编辑，调查。Yu Ji Ye: 调查，形式分析。Hyeong Do Kim: 写作 – 原始草稿，方法，

未引用参考文献
Han et al., 2024; Han et al., 2024; Li et al., 2024; Li et al., 2023; Li et al., 2023; Li et al., 2024; Wang et al., 2024; Yang et al., 2024; Zhang et al., 2024.

利益冲突声明
? 作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能会被认为影响本文所报道的工作。

致谢
本工作由韩国国家研究基金会（NRF）拨款支持，资金来自韩国政府（MSIT）（编号 RS-2024-00353412 和 RS-2024-00346430）。本工作还得到了韩国国民大学拨款，以及韩国国民大学 CJ 食品安全大厅生物医学科学与食品安全研究所的支持。作者们希望向 Mr. Jung Hyun Hwang（Bruker Korea Co., Ltd. 经理）表达诚挚的感谢，感谢他在操作方面的友好指导。

Hyeong Do Kim|Yu Ji Ye|Ming Kong|Woo Su Lim|Chhychhy Chao|Yun Jeong Kim|Hyun Woo Kim|Min Hyeock Lee
韩国国民大学生命 Sciences 与生物工学学院生物技术与工学系，02841，首尔市城北区安岩路 145 号，大韩民国