微流化制备乳清分离蛋白凝胶状乳液 的流变学特性和3D打印性能
背景介绍：
随着对生态友好性、生物相容性和无毒性的需求不断增加，表面活性剂在食品级乳液中的使用受到限制。Pickering乳液是一种由固体或微凝胶粒子稳定的乳液，固体颗粒一旦附着在分散液滴的表面，就会在静止状态下不可逆地固定在其中，形成稳定的乳液。虽然目前国内外已经报道了许多用生物分子制备的Pickering乳液，但对其实际应用的研究还很有限，特别是对半固态Pickering乳液的研究。近年来，3D打印技术因其快速成型、复杂结构的可应用性和定制服务等独特特性而备受关注，一些粘弹性食品材料已经作为3D打印材料被研究，如马铃薯泥和其他胶状材料。本研究的目的是用乳清蛋白(WPI)和大豆油制备半固态Pickering乳剂，并研究其流变学和3D打印性能。
研究方法：
将WPI分散到去离子水中，在25℃下磁力搅拌4 h，制备乳清蛋白分散体(10%，w/v)， 4℃下保存过夜，使其完全水化，加入叠氮化钠(0.02%，w/v)作为抗菌药物。将乳清蛋白分散体在70℃下加热60min，然后立即用冰浴冷却到室温(25℃)。热处理后的乳清蛋白分散体与不同体积分数(0.3 - 0.6)的豆油在磁力搅拌下混合，然后使用高速分散和乳化装置，然后通过微流化器在450 bar下进一步均质。
研究了油分对皮克林乳液的视觉、流变性和微观结构的影响。用动态光散射(DLS)和差示扫描量热法(DSC)对乳液的粒径分布和冻融热稳定性进行了表征。最后，这些凝胶状的乳剂被3D食品打印技术加工成精致的形状。
结果与分析：
经均质处理后的乳剂外观均匀、光滑(图1a-d)。油体积分数为0.4的乳状液外观为半固态，油体积分数为0.3的乳状液外观为液态，说明油体积分数的增加促进了凝胶状网络的形成。这是因为浓稠乳状液中油滴的距离足够近，能够相互作用，从而形成聚集的油滴网络。在高含油率乳状液中，主要的作用力是吸附在油滴界面上的蛋白质之间的疏水相互作用和蛋白质稳定油滴之间的静电斥力。随着油组分的增加，乳液液滴粒径最大值逐渐增大(图1e-f)，微观结构图观察也如此(图2)。应变扫描结果表明，在LVR上，G’的值高于G’’，表明存在以弹性行为为主相互连接的凝胶状网络结构(图3)。
图1 不同油体积分数下的乳状液图片及乳液液滴粒径分布图
图2 不同油体积分数下乳液的微观结构（a-d：0.3-0.6油相）
图3 不同油体积分数下的应变扫描曲线图
冷冻食品乳剂方便制备，可以延长保存期。利用DSC对乳化液的冻融热稳定性进行评价(图4)。在降温过程中，出现了明显的放热，峰值温度在-15 ~ -21℃之间;在加热过程中，有一个初始吸热事件，峰值温度约3℃，两个峰值分别代表乳剂的冰点和熔点。随着油相的增加，冻结峰温度降低。此外，吸热和放热过程的峰面积随着油组分的增加而减小。结果表明，含油量低的乳状液的水相比含油量高的乳状液的水相更容易冻结。说明分散相的体积分数对乳液的冻融稳定性起着重要作用，因为冰的形成可能会增加液滴浓度在或超过紧密堆积水平。此外，如果油滴在冰冻过程中也会结晶，当冰融化时，最终可能会形成结晶固体液滴网络。随着油分的增加，水的比例逐渐减小，油滴尺寸增大。这表明，这种高油分率的乳状液需要较低的温度才能结晶。
对不同油相体积分数的乳状液进行3D打印，随着油相的增加，油滴逐渐聚集并紧密堆积，乳状液的微观结构逐渐变得粗糙起皱，这些发现与流变学性质和凝胶强度一致，这可能是由于微流态化过程中的高冲击力和剪切力造成的。油相增加，乳状液表现出更强的半固态特性(图5)，更适合三维模型的编程设计。
图4 用WPI稳定Pickering乳液的代表性DSC热图
图5 WPI稳定的不同油组分的3D打印乳剂图片（油相：0.4-0.6）
结论：
以WPI和大豆油为原料，采用微流化工艺制备凝胶状乳剂。随着含油率的增加，乳化液的结构由液体状向凝胶状转变。随着含油率的增加，乳状液的存储模量、表观粘度和触变性均增大。这主要是由于在高含油率的乳状液中，液滴堆积得更密，因此往往形成絮凝的乳状液网络。利用3D食品打印技术研究了其作为PHOs替代品的潜在应用前景。这些天然、无毒的乳剂还可以用于许多其他领域，如界面传递或抗氧化剂和功能因子的控释。
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供稿人：
职兰懿
