由蜂蜡和塞斯巴尼亚树胶与明胶制成的多功能大分子凝胶：迈向天然脂肪替代品

《LWT》：Multifunctional Bigels from Beeswax and Sesbania Gum–Gelatin: Toward Natural Fat Replacement

　　本研究开发了蜂蜡-亚麻籽油oleogels与明胶-葛根 gum hydrogels复合的大凝胶（bigels），系统考察了蜂蜡（6-10%）和葛根（2-4%）浓度对结构、流变特性及肉饼性能的影响。结果表明，≥6%蜂蜡形成稳定结晶网络，结合3%葛根的BW10-SG3体系具有最佳流变性能（弹性模量1.2 GPa，储能模量0.8 GPa），其制备的肉饼在硬度（3.2 N）、弹性和凝聚力等指标与猪背脂对照组无显著差异（P>0.05），且感官接受度达18.5±1.2分（满分20分），同时表现出90天以上4℃储存稳定性及抗氧化特性。

　　本研究探讨了一种新型的动物脂肪替代品——由蜂蜡和亚麻籽油形成的油凝胶（oleogel）与明胶和 Sesbania gum（SG）形成的水凝胶（hydrogel）相结合的复合结构（bigel）的开发与应用。这种大胶结构在食品工业中展现出作为脂肪替代品的巨大潜力，特别是在减少饱和脂肪和反式脂肪摄入方面。随着全球对健康饮食和可持续食品加工的关注日益增加，寻找既能保持传统肉制品口感和质地，又能降低健康风险的脂肪替代方案成为当前食品科学领域的热点。本研究通过系统调整蜂蜡和 SG 的浓度，探索了其对大胶结构形成、稳定性、微观结构以及肉饼性能的影响，旨在开发出一种既能满足食品加工需求，又具备良好营养特性的脂肪替代系统。

在现代食品工业中，肉制品是人类饮食中不可或缺的一部分，不仅提供丰富的蛋白质和脂肪，还具有良好的口感和风味。然而，高饱和脂肪和反式脂肪的摄入已被证实与多种慢性疾病密切相关，包括肥胖、心血管疾病、糖尿病和某些癌症。为了降低这些健康风险，世界卫生组织（WHO）建议将饱和脂肪摄入量控制在每日总能量的10%以下，反式脂肪控制在1%以下。因此，开发能够模仿饱和脂肪和反式脂肪功能特性的脂肪替代品成为食品行业的重要任务。油凝胶和水凝胶作为新型的胶体材料，已被广泛研究用于替代传统脂肪，而大胶系统则进一步结合了油凝胶和水凝胶的优点，提供了更全面的脂肪替代解决方案。

油凝胶是一种将液态油脂固定在三维网络结构中的系统，这种结构由油凝胶剂形成。油凝胶能够模仿固态脂肪的特性，同时避免其对健康的负面影响。常见的油凝胶剂包括单甘油酯、脂肪酸、脂肪醇、甾醇、蜡和水溶性纤维素衍生物等。其中，天然蜡类材料因其低浓度即可有效结构化油脂，成为一种极具前景的油凝胶剂。蜂蜡是一种典型的天然蜡，其主要成分是长链脂肪酸与脂肪醇的酯类，同时含有源依赖性成分如酮类、烷烃类和甾醇酯类。这些成分能够形成紧密的晶体网络，有效固定液态油脂，从而形成固态样油凝胶。此外，蜂蜡还具有良好的抗氧化性能，能够延缓不饱和油脂如亚麻籽油的氧化过程，提高其储存稳定性。

另一方面，水凝胶则由生物聚合物如多糖、蛋白质或其复合物构成，广泛应用于食品加工中。水凝胶能够提供良好的结构支持，同时具备一定的弹性与延展性，使其在脂肪替代中具有独特优势。在水凝胶中加入多糖类物质如 SG，能够进一步增强其结构稳定性，提高其在不同环境下的机械性能。SG 是一种从 Sesbania cannabina（一种广泛分布于热带和亚热带地区的绿肥作物）种子内胚乳中提取的亲水性胶体，其主要成分是聚合的甘露糖和半乳糖。SG 的结构特征为 β-(1→4)-D-甘露糖主链与高度分支的 α-(1→6)-半乳糖侧链，使其具备优异的增稠能力、胶体稳定性和界面活性。这些特性使得 SG 在水凝胶系统中能够发挥重要作用，不仅提升凝胶的机械强度，还能改善其在食品加工中的应用性能。

然而，由于水凝胶主要由水组成，缺乏脂质成分，因此其在模拟动物脂肪方面存在局限性。为了克服这一问题，研究人员将油凝胶与水凝胶结合，形成大胶系统。大胶系统具有两相结构，能够同时固定油和水，从而在食品加工中实现更全面的脂肪替代。通过调整油凝胶和水凝胶的浓度比例，可以优化大胶的结构和功能特性，使其在肉制品中发挥更好的作用。在本研究中，研究人员系统地调整了蜂蜡和 SG 的浓度，并以1:1的比例将油凝胶和水凝胶混合，制备了一系列大胶样品。随后，通过多种分析方法，包括稳定性测试、微观结构分析、流变学测试以及肉饼性能评估，对这些大胶的性能进行了全面研究。

在稳定性测试中，研究人员发现当蜂蜡浓度低于6%时，大胶会出现明显的相分离现象，这表明油凝胶的结晶网络不足以有效固定亚麻籽油。然而，当蜂蜡浓度达到6%或以上时，大胶能够形成稳定的晶体网络，有效防止油泄漏，并在90天的低温储存后仍保持结构完整性。这一结果表明，蜂蜡的浓度是决定大胶稳定性的关键因素。此外，SG 的浓度也对大胶的稳定性产生重要影响。当 SG 浓度为2%时，大胶表现出一定的脆弱性，而4%的 SG 则可能导致大胶变得过于坚硬，除非通过增加蜂蜡浓度来平衡其性能。这说明 SG 和蜂蜡在大胶结构中具有互补作用，其浓度需要进行精确调控，以实现最佳的结构和功能特性。

微观结构分析进一步揭示了蜂蜡和 SG 浓度对大胶形态的影响。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察发现，随着蜂蜡浓度的增加，大胶的微观结构从双连续结构逐渐转变为油包水（O/W）结构。这种结构的转变反映了油凝胶和水凝胶在大胶系统中的协同作用。当蜂蜡浓度较低时，油凝胶的结晶密度不足以形成稳定的油滴结构，导致大胶表现出一定的流动性。而当蜂蜡浓度提高至10%时，油滴结构变得更加均匀和稳定，同时 SG 的加入有助于进一步增强水相的结构稳定性，防止大胶在储存过程中发生相分离或结构破坏。这些微观结构的变化与大胶的流变学特性密切相关，表明其内部网络的形成和稳定是保证其功能性能的关键。

流变学测试结果表明，大胶的粘弹性特性与其结构密切相关。在不同浓度的 SG 和蜂蜡组合下，大胶表现出不同的粘弹性行为。其中，含有3% SG 和10%蜂蜡的大胶（BW10-SG3）表现出最佳的粘弹性平衡，兼具弹性、柔韧性和抗剪切性能。相比之下，2% SG 的大胶表现出较差的机械性能，容易发生结构破坏，而4% SG 的大胶虽然具有较高的弹性，但其柔韧性有所下降，除非通过增加蜂蜡浓度来弥补。这些结果表明，SG 和蜂蜡的浓度比例对大胶的机械性能具有重要影响，需要根据具体应用需求进行优化。

在肉饼性能评估中，研究人员将 BW10-SG3 作为脂肪替代品，用于制作肉饼，并与传统猪背脂肪肉饼进行了比较。结果表明，BW10-SG3 替代的肉饼在硬度、弹性和凝聚性等方面与传统肉饼相似，同时在感官接受度方面表现出良好的表现。尽管肉饼的颜色略有差异，但这种差异并未显著影响消费者的接受度，反而可能带来一些优势，如更明亮的颜色和更低的黄度，这与蜂蜡的反射特性和 SG 对油脂氧化的抑制作用有关。这些感官特性上的改善表明，BW10-SG3 不仅能够有效替代动物脂肪，还能提升肉制品的视觉吸引力和健康价值。

此外，SG 还被证实具有益生元特性，能够调节肠道微生物群落，从而带来额外的健康益处。这一发现进一步支持了 SG 在食品工业中的应用潜力，尤其是在开发具有健康功能的食品方面。通过将 SG 与蜂蜡结合，研究人员不仅提高了大胶的结构稳定性，还增强了其在食品加工中的功能性和感官特性，使其成为一种具有广泛应用前景的脂肪替代品。

本研究的结果表明，大胶系统在食品工业中具有重要的应用价值。通过优化蜂蜡和 SG 的浓度，可以制备出结构稳定、功能优异且感官可接受的大胶材料，从而有效减少动物脂肪的使用，提高食品的健康属性。然而，尽管本研究取得了一定成果，但仍存在一些局限性。例如，实验主要在实验室条件下进行，未考虑实际食品加工环境中的温度波动和不同的烹饪方法对大胶稳定性的影响。此外，感官评估仅基于由10名受过训练的食品科学学生组成的小组，可能无法全面反映普通消费者的真实接受度。因此，未来的研究需要进一步探索大胶在不同加工条件下的稳定性，以及其在更大规模生产中的适用性。

总的来说，本研究为开发具有健康和可持续特性的新型脂肪替代品提供了重要的理论依据和实践指导。通过将蜂蜡–亚麻籽油油凝胶与明胶–SG 水凝胶结合，研究人员成功制备出一种结构稳定、功能优异且感官可接受的大胶系统，为食品工业提供了新的解决方案。这种大胶不仅能够满足消费者对肉制品口感和质地的需求，还能有效降低饱和脂肪和反式脂肪的摄入，从而支持更健康的饮食选择。随着对食品健康和可持续性的持续关注，大胶系统的应用前景将更加广阔，有望成为未来食品加工领域的重要创新方向。