基于豌豆蛋白 - 果胶复合物的高内相乳液构建及其在食品3D打印中的性能研究

zhiyongz 6分钟前阅读数 #技术

豌豆蛋白因低致敏性、易消化和营养丰富受到广泛关注，但其分子结构刚性、溶解性差，限制了应用。为提升其功能特性，常采用多种处理方法，其中pH值调节结合热处理可有效提高蛋白质溶解性，但相关对商业化豌豆蛋白粉的研究较少。
高内相乳液（HIPE）因独特性质成为3D打印理想墨水，3D打印在食品行业极具潜力，不过HIPE用于3D打印时存在稳定性差、恢复能力弱和自支撑性能不佳等问题。同时，单一蛋白质稳定的HIPE在打印中易失稳，目前虽有豌豆蛋白与多种多糖用于3D打印的研究，但豌豆蛋白与果胶（PC）组合的相关研究尚未见报道。
来自吉林大学食品科学与工程学院的王翠娜教授团队通过pH值调节和热处理提升豌豆蛋白溶解性，使其与PC形成复合物制备HIPE，并评估该复合物用于3D打印的潜力。团队研究了不同条件下复合物稳定的HIPE的流变学、稳定性等特性，确定了最佳配方。相关工作以“Fabrication, characterization, and application in 3D printing of high internal phase emulsion stabilized by alkaline thermal treated pea protein and pectin complex”为题发表在《Food Research International》上，为食品3D打印材料的开发提供了新方向。

1. 不同温度碱性处理豌豆蛋白的表征，通过对豌豆蛋白（PPI）进行不同温度（60 - 100℃）的碱性处理，运用BCA试剂盒、纳米粒度仪、荧光分光光度计、SDS - PAGE、扫描电子显微镜（SEM）等方法，研究处理后PPI的溶解度、粒径、表面电荷、表面疏水性、蛋白质组成及微观结构变化。结果表明，随着温度升高，PPI溶解度、表面疏水性、绝对电位值增加，粒径先增后趋于稳定，溶液均匀性提高，但加热也会导致蛋白质聚集。100℃处理的PPI在各项指标上表现最佳，因此被选用于后续实验。

图1. 不同温度碱性处理豌豆蛋白的溶解度、粒径和PDI、zeta电位、表面疏水性。

图2. 不同温度碱性处理豌豆蛋白的SDS - PAGE图谱。

图3. 不同温度碱性处理豌豆蛋白的SEM图像。

2. PPI - PC混合物的浊度滴定，将PPI与PC混合，调节不同pH值，使用UV - Vis分光光度计测量吸光度来评估浊度，同时利用纳米粒度仪测定zeta电位，研究不同pH条件下PPI与PC的结合状态。结果显示，PPI - PC复合物的等电点相较于纯PPI向低pH值移动，pH为7时开始形成可溶性复合物，pH为3时开始形成不溶性复合物，据此选定3 - 7的pH范围用于后续HIPE研究。

图4. 纯PPI或PPI - PC复合物在不同pH下的浊度和zeta电位。

3. PC浓度对HIPE性质的影响，制备含不同PC浓度（0 - 1%）的HIPE，采用流变仪、激光衍射仪、光学显微镜等，研究PC浓度对HIPE外观、流变性质、模量、触变性、液滴尺寸和微观结构的影响。结果表明，PC浓度增加，HIPE黏度、模量增大，液滴尺寸减小，含1% PC的HIPE具有最佳流变性质和触变性，最适合3D打印。

图5. 不同PC浓度HIPE的外观和表观黏度、储能模量和损耗模量、tan σ、3ITT、液滴尺寸、微观结构和机制图。

4. pH对HIPE性质的影响，制备不同pH（3 - 7）条件下PPI - PC稳定的HIPE，运用流变仪、激光衍射仪、光学显微镜等分析其外观、流变性质、模量、触变性、液滴尺寸和微观结构。结果表明，pH为7时，HIPE的流变参数（黏度、G'和G''）最高，液滴尺寸最小，微观结构最致密，此pH条件下的HIPE最有利于3D打印。

图6. 不同pH条件下HIPE的外观和表观黏度、储能模量和损耗模量、tan σ、3ITT、液滴尺寸、微观结构和机制图。

5. HIPE的稳定性研究，以1% PC和pH为7的HIPE为研究对象，通过加热（50 - 90℃，30min）和储存（4℃，7天）实验，利用流变仪、激光衍射仪、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）等，研究HIPE的热稳定性、储存稳定性和微观形态。结果显示，PPI - PC稳定的HIPE热稳定性和储存稳定性良好，PC增强了乳液稳定性，防止液滴聚集和聚结。

图7. 纯PPI和PPI - PC复合物制备的HIPE加热和7天储存后的外观和表观黏度、粒径分布、CLSM图像。

6. HIPE在3D打印中的应用，将PPI - PC（1%，pH 7）稳定的HIPE和纯PPI稳定的HIPE分别进行3D打印实验，观察打印过程和成型效果。结果表明，PPI - PC稳定的HIPE具有良好的自支撑能力和分辨率，打印模型能保持形状；而纯PPI稳定的HIPE打印模型易坍塌，PPI - PC复合物有效解决了PPI稳定HIPE的结构缺陷，更适合3D打印。

图8. 纯PPI和PPI - PC复合物制备的HIPE的3D打印机制图和模型图。

研究结论
本研究发现，在pH为10、100℃条件下对豌豆蛋白进行热处理，可显著提升其溶解度。然而，仅由改性豌豆蛋白稳定的高内相乳液（HIPE）稳定性欠佳，恢复能力弱，自支撑性能不足，导致打印性和精度较低。与之相反，将加热后的豌豆蛋白与果胶（PC）结合，能够改善HIPE的流变学特性，使其具备足够的机械强度和粘弹性。其中，在pH为7、PC浓度为1%时形成的复合物是3D打印的理想材料，这在3D打印实验中得到了验证。总体而言，豌豆蛋白 - 果胶复合物表现出更高的粘弹性和出色的触变恢复特性，有望成为挤出式3D打印应用中的可食用墨水材料。此外，果胶的固有特性（如分子量和酯化度）可能会影响其应用性能，后续研究将对此展开系统探讨。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.foodres.2025.116506