利用黑麦籽胶制成的植物基可食用乳液凝胶，用于3D打印脂肪仿制品

《Food Research International》：Plant-based edible emulsion gels from rye secalin for 3D-printed fat mimetics

　　植物蛋白通过Secalin和太阳花油在70%乙醇中形成可调控的乳液凝胶，优化油-乙醇比例（30:64至50:44）可降低界面张力，形成更均匀稳定凝胶结构，适用于3D打印定制脂肪模拟物。

　　植物蛋白因其在气候控制方面的可持续性而受到广泛赞誉，并且已经被深入研究作为模拟肉类肌质的替代品。然而，对于植物基油系统在模拟脂肪组织方面的应用，研究却相对较少。这种模拟脂肪组织的特性在构建具有真实肉类风味和质地的植物基食品中至关重要。因此，本研究开发了一种基于向日葵油和Secalin（一种来自黑麦的醇溶蛋白）的脂肪模拟材料，Secalin在此不仅充当乳化剂，还作为凝胶形成剂。通过调整向日葵油与70%乙醇（O:E）的比例，可以调控Secalin基乳化凝胶（SEGs）的机械性能，O:E作为模板剂和溶剂起着关键作用。当O:E比例从30:64增加到50:44时，界面张力降低，从而产生更小、更均匀的油滴，进而形成更坚固、稳定且均质的乳化凝胶。Secalin不仅能够有效包裹油滴，形成稳定的凝胶结构，还能够保护油滴免受自动氧化的影响，使其具备剪切变稀和凝胶化的特性，适合用作可食用墨水，通过基于挤出的3D打印机制造定制化的脂肪模拟材料。这些发现为植物蛋白基可食用乳化凝胶的配方提供了有价值的见解，显示出其在功能性食品和植物基脂肪模拟材料中的巨大应用潜力。

乳化凝胶是一种复杂的胶体系统，具有稳定的三维（3D）凝胶网络，通常由天然聚合物、表面活性剂和液体油组成。这种结构能够将不饱和植物油液体转化为类似固体的系统，为饱和脂肪和反式脂肪提供了更健康的替代品，同时不损害其功能性和感官特性。乳化凝胶具有可调节的流变性能和类似固体的质地，使其在化妆品、生物活性化合物的递送载体、脂肪模拟材料以及3D打印中的可食用墨水中具有高度的适用性。近年来，通过整合低分子量化合物和食品生物聚合物，尤其是多糖和蛋白质，已经出现了新的凝胶化技术。由于其独特的两亲性特性和凝胶化行为，蛋白质被广泛用于食品凝胶形成剂，如动物源性的明胶。例如，一种由多糖-蛋白质和明胶组成的混合物被开发出来，以优化3D打印乳化凝胶墨水的流变性能和触变性能，显示出出色的结构支撑能力和粘弹性，适合用于脂肪模拟材料。全球对植物基肉类替代品和脂肪模拟材料的可持续蛋白来源的兴趣持续增长。作为来自谷物的醇溶蛋白，Secalin因其疏水性但表现出凝胶化行为，可能具有未被探索的潜力，作为植物来源的可食用凝胶形成剂，已在培养肉的支架3D打印中得到应用。Zein（玉米中的醇溶蛋白）能够形成无需添加剂的凝胶，并且可以与阿拉伯胶、海藻酸钠等多糖结合，形成乳化凝胶。然而，Zein的相对分子量较小，限制了其凝胶化能力和强度。Secalin，一种来自黑麦的醇溶蛋白，已被报道能够制备具有改善凝胶化强度的酒精凝胶，并用于制造细胞培养猪肉脂肪组织的3D多孔支架。Secalin表现出良好的乳化和凝胶化性能，使其能够形成蛋白质界面膜，包裹油滴并促进凝胶化。因此，有必要进一步研究Secalin作为乳化凝胶材料的特性。

3D打印技术已被用于开发具有与真实肉类相似质地和营养价值的肉类模拟材料，但仍有进一步改进的空间。为了实现最佳的打印性能和形状保真度，必须对墨水的性能，包括流变性和凝胶化行为，以及打印参数进行精细调控。乳化凝胶从乳液向凝胶的相变过程高度依赖于其组成。此外，在乳化凝胶墨水中，其流变行为可以通过改变其组成或组分之间的相互作用进行调节。研究表明，通过改变油含量可以有效调控乳化凝胶墨水的流变性能和凝胶化时间。此外，凝胶形成剂的溶剂组成和浓度在决定乳化凝胶性能方面也起着重要作用。最近的研究表明，含有乙醇的乳化凝胶不仅具有改善的流变性能和良好的生物活性化合物溶解性，还能够提高油相的稳定性。研究发现，乙醇含量在50%至65%之间对Zein基油凝胶的凝胶化过程至关重要，因为乙醇能够促进水相中的聚合物移动，形成必要的凝胶结构。此外，基于乙醇的乳化凝胶可以被视为一种中间系统，通过将乙醇与脂肪交换，可用于制造脂肪模拟材料，如油凝胶。为了确保墨水表现出良好的打印性能并准确模拟食品质地，有必要研究溶剂组成对其流变性能和凝胶化行为的影响。

本研究首次引入Secalin作为乳化剂和凝胶形成剂，用于在70%乙醇/Secalin/向日葵油体系中制备Secalin基乳化凝胶（SEGs），并研究溶剂组成对其流变性能和凝胶化行为的影响。此外，所制备的SEGs被用作具有良好打印性能的植物蛋白基可食用墨水，适用于通过基于挤出的3D打印机制造定制化的脂肪模拟材料。通过调整O:E比例，可以调控SEGs的流变性能，同时影响油滴的大小。O:E比例的增加导致界面张力的降低，从而产生更小、更均匀的油滴，最终形成更坚固、稳定且均质的乳化凝胶。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）的观察结果表明，油滴被有效地包裹在Secalin形成的凝胶结构中，这为构建具有真实脂肪质地的植物基食品提供了新的思路。

在本研究中，所使用的材料包括Secalin，它是从中国苏州市场购买的黑麦粉中按照先前的方法提取的。向日葵油则由上海的Standard Foods Co., Ltd.提供。所有化学试剂，包括己烷、氯化钠、乙醇、尼罗红和荧光素异硫氰酸酯（FITC），均由上海的Aladdin Reagent Co., Ltd.提供。这些材料的选择基于其在乳化和凝胶化过程中的关键作用，同时也考虑到其在3D打印中的适用性。Secalin作为主要的乳化剂和凝胶形成剂，其分子量分布通过凝胶电泳进行表征，使用标准蛋白分子量标记物作为参考。结果显示，Secalin由四个不同的组分组成：γ-40 kDa、ω、γ-75 kDa和高分子量（HMW），其中γ-40 kDa和γ-75 kDa的带强度显示出其作为主要成分的显著性。这一结果进一步支持了Secalin在乳化凝胶中的应用潜力。

为了制备SECALIN基乳化凝胶，首先需要测定粗蛋白含量。粗蛋白含量的计算是通过使用氮分析仪完成的，其中5.83被作为常数因子。这一步骤对于确保SECALIN的浓度和纯度至关重要，同时也为后续的乳化和凝胶化过程提供了基础数据。在实验过程中，SECALIN与70%乙醇和向日葵油的混合比例被精心设计，以优化其乳化和凝胶化性能。实验结果表明，不同的O:E比例对SECALIN基乳化凝胶的形成过程产生了显著影响，特别是在油滴的尺寸和分布方面。较高的O:E比例不仅降低了界面张力，还提高了油滴的均匀性，从而形成更加稳定和均质的乳化凝胶。这些凝胶在3D打印过程中表现出良好的剪切变稀特性，使其能够适应复杂的打印结构和形状。

通过构建SECALIN基乳化凝胶的相图，进一步研究了不同溶剂比例对凝胶形成过程的影响。相图分析表明，SECALIN的蛋白含量为87.6%，通过氮元素分析测定。提取收率约为1.7%（干重基础上）。SECALIN的分子量分布通过凝胶电泳进行表征，使用标准蛋白分子量标记物作为参考。结果显示，SECALIN由四个主要组分组成：γ-40 kDa、ω、γ-75 kDa和HMW，其中γ-40 kDa和γ-75 kDa的带强度显示出其作为主要成分的显著性。这一结果表明，SECALIN不仅具有良好的乳化能力，还具备形成稳定凝胶结构的潜力。通过改变O:E比例，可以调节SECALIN基乳化凝胶的流变性能，使其更适合应用于3D打印过程。

实验结果表明，当O:E比例从30:64增加到50:44时，界面张力显著降低，从而产生更小、更均匀的油滴。这种变化使得形成的乳化凝胶更加稳定和均质，同时提高了其机械强度。SECALIN不仅能够有效包裹油滴，形成稳定的凝胶结构，还能够保护油滴免受自动氧化的影响，从而延长其保质期和稳定性。这些特性使得SECALIN基乳化凝胶在3D打印过程中表现出良好的打印性能，能够准确模拟真实脂肪的质地和口感。此外，SECALIN基乳化凝胶在印刷过程中能够保持良好的流变性能，使其在复杂的打印结构中具有良好的适应性。

本研究的结论表明，Secalin是一种有效的乳化剂和凝胶形成剂，能够用于制备稳定的O/W乳化凝胶。这种乳化凝胶不仅具有高乙醇耐受性，还能够通过调整溶剂组成来调控其流变性能。实验结果表明，较高的O:E比例能够降低油滴的尺寸，从而形成更坚固、稳定且均质的乳化凝胶。通过CLSM和Cryo-SEM的观察结果进一步验证了SECALIN基乳化凝胶的结构特性，表明油滴被有效地包裹在SECALIN形成的凝胶结构中。这一发现为开发具有良好打印性能和稳定结构的植物蛋白基乳化凝胶提供了重要的理论依据和技术支持。

此外，本研究还强调了在食品科学和3D打印技术中，溶剂组成对乳化凝胶性能的重要影响。通过系统地研究不同溶剂比例对SECALIN基乳化凝胶的形成过程，我们能够更全面地理解其在实际应用中的行为。这一研究不仅为食品工业提供了新的材料选择，也为可持续食品生产和创新食品设计提供了新的思路。SECALIN基乳化凝胶的开发为植物基食品的制造开辟了新的途径，同时也为3D打印技术在食品领域的应用提供了新的可能性。

本研究的作者对本论文的撰写过程使用了生成式人工智能和AI辅助工具，以提高论文的可读性和语言表达。在应用这些工具后，作者对内容进行了仔细的审阅和编辑，确保其准确性和科学性。同时，作者对论文内容负有全部责任。本研究的作者声明，他们没有已知的与本论文研究相关的竞争性财务利益或个人关系，这保证了研究的客观性和公正性。

本研究得到了江苏省科技项目 [Grant BZ2022056]、新加坡国立大学（苏州）研究机构生物医学与健康技术平台以及江苏省自然科学青年基金 [Grant BK20241807 和 BK20230262] 的资助。作者还感谢贝佐斯地球基金提供的资助。Lin Zhi Jing 感谢江苏省优秀博士后人才计划的资助。Yan Kong 感谢江苏省自然科学基金 [Grant BK] 提供的支持。这些资助为本研究的顺利进行提供了必要的资源和条件，同时也体现了科研机构对可持续食品开发和3D打印技术应用的重视。

综上所述，本研究通过引入Secalin作为乳化剂和凝胶形成剂，开发了一种具有高乙醇耐受性和良好流变性能的植物蛋白基乳化凝胶。这种凝胶不仅能够模拟真实脂肪的质地和口感，还能够通过调整溶剂比例来优化其性能，使其更适合应用于3D打印技术。本研究的成果为食品科学领域提供了新的材料选择，同时也为可持续食品生产和创新食品设计提供了重要的理论依据和技术支持。通过系统的实验研究和分析，我们能够更全面地理解SECALIN基乳化凝胶的形成机制和性能调控方法，为未来相关研究和应用奠定了坚实的基础。