罗氏沼虾油(Macrobrachium rosenbergii oil,MRO)是从罗氏沼虾中提取的红色混合脂质。MRO的不饱和脂肪酸含量超过70%,并富含二十二碳六烯酸、二十碳五烯酸及虾青素等多种生物活性成分,具有较高的营养价值和生理功能。然而,MRO存在明显的腥味特征,且易发生氧化降解,口服生物利用度低,严重限制了其作为功能性油脂在食品行业的应用。因此,开发一种既能有效抑制MRO氧化又能提升其加工适用性的稳定化技术具有重要意义。
高内相乳液凝胶(high internal phase emulsion gels,HIPEs)作为一种高效的功能性油脂递送系统,具有装载能力强以及良好的黏弹性和独特的半固体性质[1-4],在MRO荷载领域展现出重要应用潜力。有望解决MRO氧化稳定性差、水溶性不足、不良风味等问题,同时促进MRO的生物可及性。然而,由于HIPEs内相体积分数大于74%,稳定性问题是限制HIPEs应用范围的重要因素。
大豆蛋白微凝胶颗粒(soy protein isolate microgel particles,SPIMPs) 因其优异的界面活性,在稳定HIPEs体系方面具有独特优势。SPIMPs能够在油水界面不可逆吸附,形成致密的界面保护层,通过增强静电和空间斥力有效防止液滴聚集和聚结[5]。但单一SPIMPs稳定的罗氏沼虾油高内相乳液凝胶(Macrobrachium rosenbergii oil-high internal phase emulsion gels,MRO-HIPEs)存在网络黏度不高、物理稳定性较差等问题,限制了MRO-HIPEs在食品工业中的实际应用。引入多糖构建复合稳定体系是一种有效的策略。
阿拉伯胶(gum arabic,GA)能提高水相黏度并可能通过分子间作用形成弱凝胶网络结构,从而赋予HIPEs类固体的黏弹性、可塑性或可涂抹的质地,改善HIPEs的流变性能及3D打印适应性[6]。这种稳定性与质构特性的提升,使得GA稳定的HIPEs在食品(如低脂酱料、人造黄油替代品)、化妆品和3D打印等领域展现出广阔的应用前景,GA的天然来源特性更增强了该体系的商业应用价值。
本文基于SPIMPs在油-水界面独特的自组装特性,成功构建了MRO-HIPEs体系。重点探究GA的添加对MRO-HIPEs微观结构、稳定性、质构特性、流变特性以及3D打印特性的影响,为开发新型营养强化食品提供新思路。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
罗氏沼虾(Macrobrachium rosenbergii),德清县莫氏水产经营部;大豆油,益海嘉里金龙鱼粮油食品有限公司;大豆蛋白(soy protein isolate,SPI)、GA,上海源叶生物科技有限公司。
1.2 仪器与设备
ULTRA-TURRAX高速剪切机,德国艾卡公司;Genesys150紫外分光光度计,美国Thermo scientific;AR-20流变仪,安东帕集团;OP-100光学显微镜,麦克奥迪实业集团有限公司;SCIENTZ-12冷冻干燥机,宁波新芝生物科技股份有限公司;Zetasizer Nano纳米粒度电位分析仪,英国马尔文仪器有限公司;AXR激光共聚焦显微镜,日本尼康公司;CR21 N离心机,德国艾本德股份有限公司;S2PRO 3D打印机,杭州时印科技有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 MRO的提取
罗氏沼虾虾黄样品经-80 ℃速冻后,置于冷冻干燥机中持续冻干48 h。冻干样品随后进行粉碎处理,过60目标准筛,最终获得虾黄冻干粉。将100 g虾黄冻干粉与1 200 mL无水乙醇混合,25 ℃磁力搅拌2 h后减压抽滤,得到提取液,经旋转蒸发浓缩后氮吹得到MRO。
1.3.2 SPIMPs的制备
将12%(质量分数) SPI水溶液在25 ℃下磁力搅拌2 h,调节pH值至7.0后,于4 ℃水合12 h。随后95 ℃热处理30 min,冷却至室温后,11 000 r/min高速均质2 min,所得SPIMPs于4 ℃保存备用[7]。
1.3.3 大豆蛋白微凝胶颗粒-阿拉伯胶(soy protein isolate microgel particles-gum arabic,SPIMPs-GA)复合溶液制备
将GA按0%、1%、2%、3%、4% (质量分数)比例加入2% (质量分数)SPIMPs溶液中,磁力搅拌30 min,温度为25 ℃,形成SPIMPs-GA均匀复合溶液,分别标记为GA-0%、GA-1%、GA-2%、GA-3%、GA-4%。
1.3.4 SPIMPs-GA的表征
1.3.4.1 粒径和电位
用马尔文粒度仪测定粒径和电位。用相同pH值的蒸馏水将SPIMPs-GA溶液稀释到0.2 mg/mL左右,每个样品平行测3次。
1.3.4.2 乳化活性和乳化稳定性
SPIMPs-GA溶液作为水相,大豆油作为油相,水相油相体积比为4∶1,高速分散2 min,然后用0.1%(质量分数) 十二烷基硫酸钠溶液稀释100倍,分别在0～30 min测定在500 nm处的吸光度。乳化活性(emulsifying activity index,EAI)和乳化稳定性(emulsifying stability index,ESI)分别按公式(1)和公式(2)计算:
式中:A0,0 min时样品在500 nm处的吸光度;N,稀释倍数;θ,油相体积分数;L,比色皿光程,1 cm;C,乳化前的样品质量浓度,g/mL;A30,30 min时样品在500 nm处的吸光度。
1.3.5 MRO-HIPEs的制备
将MRO和大豆油按体积比3∶7进行混合10 min得到油相,水相为SPIMPs-GA溶液,水相、油相体积比为1∶4,高速分散机11 000 r/min分散2 min,得到MROHIPEs,分别标记为MH-0、MH-1、MH-2、MH-3、MH-4。
1.3.6 MRO-HIPEs的微观结构
1.3.6.1 光学显微镜
取20 μL MRO-HIPEs样品(稀释2倍)滴于载玻片,加盖玻片并轻压排气。固定于载物台后调节焦距,使用成像系统记录微观形貌。
1.3.6.2 激光共聚焦显微镜
使用激光共聚焦扫描显微镜观察样品的微观结构。将0.5 g MRO-HIPEs样品分别与20 μL 0.2 g/L异硫氰酸荧光素(溶解于丙酮)和20 μL 0.2 g/L尼罗红(溶解于丙酮)混合,分别对蛋白相和油相进行选择性染色。黑暗条件下放置30 min后,取20 μL涂布于载玻片上,在激光共聚焦显微镜下观察,激发波长分别为异硫氰酸荧光素(561 nm)和尼罗红(488 nm)[8]。
1.3.7 MRO-HIPEs的稳定性
1.3.7.1 离心稳定性
将装有1 g MRO-HIPEs的试管使用离心机在25 ℃以8 000 r/min离心15 min。随后,将试管倒置15 min,用滤纸除去样品中渗出的油。持油能力的计算如公式(3)所示:
式中:W2,样品离心后的质量,g;W1,样品离心前的质量,g。
1.3.7.2 热稳定性
取1 mL MRO-HIPEs于5 mL离心管中,95 ℃水浴60 min,拍照记录样品的外观,并计算加热后的离心稳定性。
1.3.7.3 冻融稳定性
取1 mL MRO-HIPEs于离心管中,在-20 ℃冰箱中放置22 h,然后在37 ℃解冻2 h,此为1次冻融循环。共进行3次冻融循环。冻融稳定性由公式(4)计算:
式中:V总,初始样品的总体积,mL;V水+油,析出水相和油相的总体积,mL。
1.3.8 MRO-HIPEs的质构性质
用质构仪研究MRO-HIPEs的质构特征。探头为直径10 mm的P-0.5探头,测试速度为1.0 mm/s,测试应力为5 g,测试温度为25 ℃。
1.3.9 MRO-HIPEs的流变性质
采用流变仪测定样品的流变特性。将适量MRO-HIPEs置于40 mm平行板间,设置1 mm间隙,恒温25 ℃。首先在1 Hz恒定频率下进行0.1%～100%应变扫描,确定线性黏弹性区。随后在1% 恒定应变条件下进行0.1～100 Hz频率扫描,测定储能模量(G′)和损耗模量(G″)。
1.3.10 MRO-HIPEs在3D打印中的应用
将MRO-HIPEs应用到3D打印中,判断3D打印性能。将立体结构(空心长方体)型号输入打印机,将样品装入打印机进料器中,打印标准尺寸的样品。
1.4 数据统计与分析
所有实验重复3次,结果以“平均值± 标准差”表示。使用SPSS Statistics V 21.0软件进行方差分析,用Duncan法计算实验值之间差异的显著性(P <0.05)计算。使用Origin Lab 2025软件绘制图表。
2 结果与分析
2.1 SPIMPs-GA的表征
2.1.1 粒径和电位
随着GA的质量分数从0%增至4%,SPIMPs-GA的zeta-电位绝对值由25.99 mV降低至20.17 mV(图1-a),表明GA的阴离子基团与SPIMPs表面正电荷发生了静电中和作用。尽管静电排斥减弱,但粒径由332.3 nm显著降至221.8 nm(P <0.05),表明GA的加入打破了SPIMPs颗粒的聚集,使颗粒分布更加均匀[9]。
图1 SPIMPs-GA的表征结果
Fig.1 Characterization results of SPIMPs-GA
注:不同小写字母表示差异显著(P <0.05)(下同)。
a-粒径和电位;b-乳化活性和乳化稳定性
2.1.2 EAI和ESI
如图1-b所示,随着GA质量分数的升高,EAI和ESI均随之增加。EAI由未添加GA时的41.36 m2/g显著增加到54.01 m2/g。ESI也由80.65%显著增加到GA质量分数为4% 时的90.51%。GA的添加有助于暴露更多的疏水基团,并增强蛋白质和油滴之间的相互作用,导致EAI增加。GA的添加通过增加液滴之间的空间位阻和静电排斥来抑制液滴聚集,从而提高了SPIMPs的ESI[10-11]。
2.2 添加GA对MRO-HIPEs微观结构的影响
如图2所示,未添加GA时,SPIMPs单独稳定的体系呈现大尺寸油滴和宽分布特征,归因于界面稳定性不足导致的液滴聚集。随着GA质量分数增加(0%～4%),油滴粒径减小且分布趋于均一,表明结构稳定性得到提升。GA的引入通过静电相互作用调节SPIMPs界面吸附行为,促进形成致密复合界面层,使油滴尺寸减小、分布均匀、排列紧密[12]。当GA质量分数达3%～4% 时,油水界面达到吸附饱和状态,此时SPIMPs-GA复合物完全覆盖油滴界面,进一步增加GA质量分数对乳液稳定性的提升效果有限。该现象与文献报道的界面稳定剂吸附饱和机理一致[13-14]。
图2 MRO-HIPEs的微观结构
Fig.2 Microstructure of MRO-HIPEs
a-光学显微镜;b-激光共聚焦显微镜
2.3 添加GA对MRO-HIPEs稳定性的影响
2.3.1 离心稳定性
如图3-a所示,不同GA添加量的MRO-HIPEs均表现出典型的凝胶特性,倒置后仍能保持结构完整而不流动。离心实验结果表明,未添加GA的样品持油率为91.42%,而添加4% (质量分数)GA后持油率显著提升至96.21%(P <0.05)。这种改善主要归因于3个机制:a)GA与SPIMPs通过协同作用减小液滴粒径并提高界面蛋白覆盖率,从而增强界面稳定性;b) GA通过非共价相互作用强化凝胶网络结构[15];c)GA作为增稠剂提高了连续相黏度,有效抑制了离心过程中的相分离现象[16]。
图3 MRO-HIPEs的稳定性
Fig.3 The stability of MRO-HIPEs
a-离心稳定性;b-热稳定性;c-冻融稳定性
2.3.2 热稳定性
热处理稳定性测试结果表明,MRO-HIPEs体系具有良好的热稳定性,所有样品均未出现明显相分离。在经过离心处理后,高内相乳液从上到下呈现油层、乳液层和无油化SPIMPs蛋白层这3层,高内相乳液析出少量油相(图3-b)。相较于未添加GA的对照组(81.27%),含GA样品热稳定性显著提升至89.15%。这可能是由于GA优异的耐热特性弥补了SPIMPs热变性导致的凝胶网络弱化。
2.3.3 冻融稳定性
冻融稳定性测试结果显示(图3-c),MRO-HIPEs在经历多次冻融循环后均出现不同程度的油相析出,且析油量随循环次数增加呈显著上升趋势。这种相分离现象主要归因于冻融过程中形成的冰晶对乳液界面层的机械破坏,进而引发液滴聚集和油相释放[17]。未添加GA的对照组经3次冻融循环后析油率达34.88%,而添加4% (质量分数)GA的样品析油率显著降低至14.45%。这种稳定性的显著提升可能源于以下机制:首先,GA的引入促进了更致密且具有更高机械强度的界面膜形成,有效增强了界面层抵抗冰晶机械应力的能力;其次,GA与SPIMPs通过空间排斥等非共价相互作用增大了乳滴间距,从而有效抑制了冻融过程中的相分离现象[18]。
2.4 添加GA对MRO-HIPEs质构性质的影响
质构特性分析结果(图4)表明,随着GA质量分数从0%增加至4%,MRO-HIPEs样品硬度从24.22 g显著提升至30.73 g(P <0.05),这归因于GA通过氢键等相互作用促进了更致密的三维网络结构形成,增强了体系的界面稳定性和机械强度[19]。同时,GA的引入使黏附性显著增强,这表明GA与SPIMPs之间的分子间作用力(如氢键和疏水作用)随GA质量分数增加而增强,同时连续相黏度的提高也增大了体系内聚力。虽然黏附性增强有利于结构稳定,但可能影响产品涂抹性能,需在实际应用中平衡这一特性。
图4 MRO-HIPEs的质构特性
Fig.4 The texture properties of MRO-HIPEs
a-硬度;b-黏附性
2.5 添加GA对MRO-HIPEs流变性质的影响
在应变扫描测试中(图5-a),当应变低于临界值(33%)时,所有样品的储能模量(G′)均高于损耗模量(G″),证实体系形成了稳定的三维网络结构,表现出典型的黏弹性固体特征(图5-a)。值得注意的是,随着GA质量分数的增加,G′和G″均呈现上升趋势,这主要归因于:GA与SPIMPs协同作用形成的复合界面层增强了凝胶网络强度;油滴紧密堆积产生的空间限制效应[15]。而当应变超过33%时,凝胶网络结构发生不可逆破坏,表现为G′呈现下降趋势。
图5 MRO-HIPEs的流变特性
Fig.5 The rheological properties of MRO-HIPEs
a-应变扫描;b-频率扫描
频率扫描结果显示(图5-b),G′在整个测试范围内显著高于G″,且表现出良好的频率稳定性,进一步验证了MRO-HIPEs具有稳定的强凝胶特性[20]。这种频率无关的弹性行为源于复合颗粒与油滴间通过氢键、疏水作用和空间位阻等非共价相互作用形成的稳定网络结构[21]。该特性表明MRO-HIPEs在宽频率范围内能有效维持结构完整性,为在食品加工过程中的应用提供了重要依据。
2.6 添加GA对MRO-HIPEs3D打印特性的影响
3D打印性能评估结果表明,SPIMPs-GA复合稳定的MRO-HIPEs具有显著的可打印性差异(图6-b)。未添加GA的样品由于储能模量(G′)不足,表现出较差的形状保真度,挤出细丝无法保持结构完整性;同时较低的屈服应力导致打印结构发生坍塌。这种流变学特性的缺陷直接制约了样品的3D打印性能。引入GA后,MRO-HIPEs的打印精度显著提升。当GA质量分数达到4% 时,打印样品展现出最优的成型质量,挤出的细丝呈均匀连续状态,且实际打印尺寸(40.93 mm ×10.04 mm ×9.37 mm)与目标尺寸(40 mm ×10 mm ×10 mm)高度吻合,表面光滑度显著提升。这种改善可能是因为:流变学特性的优化(G′的提升)和三维网络结构的增强[22]。值得注意的是,在GA质量分数为1%～3%时,打印样品表面出现不规则凸起,这可能是由于中间质量分数下流变特性尚未达到最佳平衡状态;黏附性增加影响了挤出的连续性。该研究证实,通过精确调控GA添加量(质量分数4%),可有效优化MRO-HIPEs的3D打印性能,为功能性油脂在食品增材制造中的应用提供了重要参考。
图6 MRO-HIPEs的3D打印特性
Fig.6 The 3D printing characteristics of MRO-HIPEs
注:不同字母表示差异显著(P <0.05)。
a-3D打印的外观;b-3D打印的尺寸
3 结论与讨论
本研究创新性的采用SPIMPs与GA构建协同稳定体系,成功制备了MRO-HIPEs,系统揭示了GA添加量(0%～4%,质量分数)对MRO-HIPEs理化性质及3D打印性能的影响。实验结果表明,当GA添加量为4%(质量分数)时,MRO-HIPEs的稳定性和质构特性得到显著提升,同时通过形成致密界面膜和增强流变特性,使其适用于3D打印。本研究不仅为富含ω-3多不饱和脂肪酸的功能性食品开发提供了理论依据,更为个性化营养食品的精准制造开辟了新的思路。
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