CN114794450B - 基于遥爪dna分子的乳液凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于遥爪DNA分子的乳液凝胶及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：(1)制备乳化剂的水溶液并将其pH调至3.5，充分溶解后室温下进行水合；(2)将遥爪DNA分子加入步骤(1)的乳化剂水溶液中，充分混合，形成遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液；所述的遥爪DNA分子为两端修饰有胆固醇的DNA分子链；(3)将步骤(2)的混合溶液与油相混合，高速剪切后形成所述的基于遥爪DNA分子的乳液凝胶。本发明制备的乳液凝胶具有良好的3D打印性能，可应用于3D食品打印。
Description
技术领域
本发明涉及食品科学与工程技术领域，尤其涉及一种基于遥爪DNA分子的乳液凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
自2012年以来，3D食品打印技术由于其具有定制化食品形状和营养设计的优势而成为研究热点。挤出式3D食品打印是指食品墨水从3D打印机喷头根据特定设计的模型逐层连续挤压的过程。因此，食品墨水应具有剪切变稀流变特性，使其可以从打印机喷嘴顺利挤出，并在挤出后快速恢复固态，以避免过早坍塌，由此获得较高的打印精度。到目前为止，许多食品材料(如碳水化合物、脂肪、蛋白质和纤维)已被设计成为3D食品打印中的可食用墨水。
乳液凝胶是一种将分散相分散到另一个连续相而制备的凝胶体系，具有凝胶和乳液的双重特性。其能够打印成特定结构，已广泛应用于化妆品、药物输送系统和包装材料领域。在食品工业中，乳化凝胶已被用作脂肪替代品，以避免肉制品减脂后出现的不必要结构变化。此外，乳液凝胶还可以保护食品营养素并控制其释放。然而，乳液凝胶自支撑能力弱，挤出后形状容易变形与坍塌。因此，提高食品乳液凝胶的力学性能对3D打印精度和成品结构稳定性具有重要意义。
到目前为止，有几种策略已被提出来改善乳液凝胶的力学性能，包括调整液滴大小和油相分数，增强基质中聚合物的物理和化学交联，高压、微波和超声处理等。然而，这些方法操作复杂且效果有限，无法在分子尺度上直接桥联油滴来有效提高乳液凝胶的打印适性。
因此，目前市场上急需一种能够简单高效地制备具有良好打印适性的乳液凝胶的方法。
发明内容
本发明提供了一种基于遥爪DNA分子的乳液凝胶及其制备方法，该由遥爪DNA分子桥联的乳液凝胶可以用于3D食品打印。
本发明的技术方案如下：
一种基于遥爪DNA分子的乳液凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备乳化剂的水溶液并将其pH调至3.5，充分溶解后室温下进行水合；
(2)将遥爪DNA分子加入步骤(1)的乳化剂水溶液中，充分混合，形成遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液；
所述的遥爪DNA分子为两端修饰有胆固醇的DNA分子链；
(3)将步骤(2)的混合溶液与油相混合，高速剪切后形成所述的基于遥爪DNA分子的乳液凝胶。
遥爪DNA分子由两端具有疏水性的胆固醇分子和中间具有亲水性的DNA分子链构成。DNA分子链两端的疏水性胆固醇可以分别伸入相邻油滴内部，而DNA分子链在连续的水相中，实现油滴间的桥联，形成乳液凝胶，有效提高乳液凝胶的力学性能，从而增强其打印适性。
遥爪DNA分子的长短对最终制得的乳液凝胶的3D打印性能具有重要影响，DNA分子链过短将导致遥爪DNA分子无法有效桥联油滴，而DNA分子链过长将使油滴间的桥联距离扩大而降低乳液凝胶的粘弹性。
优选的，所述的DNA分子链包含30-60个碱基对；最优选为50个碱基对。
最优选的，遥爪DNA分子的序列为5’-3’：胆固醇-CCCCCCCCCTCCCCCCCCCTCCCCCCCCCTCCCCCCCCCTCCCCCCCCCC-胆固醇(其DNA分子链为SEQ ID NO.1)。
步骤(2)的混合溶液中，遥爪DNA分子的浓度具有重要影响，当遥爪DNA分子浓度过小时，无法有足够数量的遥爪DNA分子锚定在油滴之间，油滴之间的桥联作用较弱；当遥爪DNA分子浓度过高时，将大大增大乳液凝胶制备的成本。
优选的，步骤(2)的混合溶液中，遥爪DNA分子的终浓度为0.1-0.5μM。
优选的，步骤(3)中，混合溶液与油相的体积比为1:1-1:4。
乳化剂的作用是使油相以小液滴的形式均匀分散在水相中，形成乳状液。
优选的，步骤(1)中，乳化剂水溶液中，乳化剂的浓度为30-50mg/mL。
优选的，步骤(1)中，所述的乳化剂为桃胶多糖-乳清蛋白复合物；桃胶多糖-乳清蛋白复合物中，桃胶多糖与乳清蛋白的质量比为1:3-3:1；最优选的，桃胶多糖-乳清蛋白复合物中，桃胶多糖与乳清蛋白的质量比为1:1。
步骤(1)中，可以通过水浴加热促进乳化剂的溶解。
优选的，水浴加热的温度为40-70℃，水浴加热时间为20-60min。
优选的，步骤(3)中，高速剪切速率为8000-12000r/min，时间为1-3min。
本发明还提供了采用上述制备方法制备的乳液凝胶。
本发明的遥爪DNA分子通过其两端的胆固醇疏水基团可以直接桥联油滴，从而有效提高乳液凝胶的力学性能，增强其打印适性，获得稳定的3D打印成品。
本发明制备的乳液凝胶具有良好的3D打印性能，可应用于3D食品打印。
本发明还提供了所述的乳液凝胶在3D食品打印中的应用，包括：
由123D Design软件设计不同形状和大小的模型并导出成.stl格式的文件，将此文件由Slic3r软件进行切片；
设置3D打印机的喷嘴直径、喷嘴移动速度、填充密度等参数，根据切片数据在打印纸上打印所述的乳液凝胶，得到基于乳液凝胶基质的3D食品打印成品。
打印过程在室温下进行。
优选的，123D Design软件设计的模型的形状为心形、立方体或圆柱体。
优选的，123D Design软件设计的模型的底面积为1-9cm2，高度为0.5-3cm。
优选的，喷嘴直径为0.6-1.2mm；喷嘴移动速度为10-30mm/s；填充密度为50-70％。
本发明所述的基于遥爪DNA分子的乳液凝胶可以显著提高乳液的流变特性，从而增强其3D打印适性，弥补了传统乳液力学性能差、在3D打印后易于塌陷的缺陷，拓展了乳液凝胶在3D食品打印市场领域的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的基于遥爪DNA分子的乳液凝胶可以显著提高乳液的流变特性；
(2)本发明的遥爪DNA分子可以显著增强乳液凝胶3D打印后的结构稳定性；
(3)本发明的遥爪DNA分子用量小，绿色、安全、高效；
(4)本发明方法，操作简易，耗时短，能耗小，市场化应用时能够规模化放大。
附图说明
图1为本发明实施例1、2、3制备的基于遥爪DNA分子的乳液凝胶和对比例1制备的桃胶多糖-乳清蛋白稳定的乳液的储存与损耗模量随扫描频率的变化曲线；
图2为本发明实施例1、2、3制备的基于遥爪DNA分子的乳液凝胶和对比例1制备的桃胶多糖-乳清蛋白稳定的乳液的粘度随剪切速率的变化曲线；
图3为本发明实施例1、2、3制备的基于遥爪DNA分子的乳液凝胶和对比例1制备的桃胶多糖-乳清蛋白稳定的乳液实物图；
图4为本发明实施例1与3制备的基于遥爪DNA分子的乳液凝胶和对比例1制备的桃胶多糖-乳清蛋白稳定的乳液的3D打印成品实物图。
图5为本发明实施例3制备的基于遥爪DNA分子的乳液凝胶和对比例1、2、3制备的乳液的储存与损耗模量随扫描频率的变化曲线；
图6为本发明实施例3制备的基于遥爪DNA分子的乳液凝胶和对比例1、2、3制备的乳液的粘度随剪切速率的变化曲线；
图7为本发明实施例3制备的基于遥爪DNA分子的乳液凝胶和实施例4、5制备的乳液的储存与损耗模量随扫描频率的变化曲线；
图8为本发明实施例3制备的基于遥爪DNA分子的乳液凝胶和实施例4、5制备的乳液的粘度随剪切速率的变化曲线；
图9为实施例3原浓度乳液凝胶(A)和用流动相稀释400倍乳液凝胶(B)在10000×SYBR GreenⅡ绿色染料染色后用倒置荧光显微镜观察的图像。
具体实施方式
以下实施例中，遥爪DNA分子序列为5’-3’：胆固醇-CCCCCCCCCTCCCCCCCCCTCCCCCCCCCTCCCCCCCCCTCCCCCCCCCC-胆固醇(其DNA分子链为SEQ ID NO.1)。
实施例1
本实施例提供一种基于遥爪DNA分子的乳液凝胶制备方法用于3D食品打印，包括如下步骤：
(1)制备40mg/mL桃胶多糖-乳清蛋白复合物的水溶液(桃胶多糖与乳清蛋白质量比为1:1，pH为3.5)，60℃水浴加热20min充分溶解，冷却至室温后4℃过夜水合；
(2)将遥爪DNA分子加入上述乳化剂溶液中，终浓度为0.125μM，充分混合，形成遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液；
(3)将遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液与油按1:3比例混合，12000r/min剪切2min，形成乳液凝胶；
(4)由123D Design软件设计底面积为3.57cm2，高度为0.5cm的心形模型并导出成.stl格式的文件，将此文件由Slic3r软件进行切片，设置喷嘴直径0.8mm、喷嘴移动速度20mm/s、填充密度60％，在厚度为1mm的打印纸上得到基于乳液凝胶基质的打印成品。打印过程在室温下进行。
实施例2
本实施例提供一种基于遥爪DNA分子的乳液凝胶制备方法用于3D食品打印，包括如下步骤：
(1)制备40mg/mL桃胶多糖-乳清蛋白复合物的水溶液(桃胶多糖与乳清蛋白质量比为1:1，pH为3.5)，60℃水浴加热20min充分溶解，冷却至室温后4℃过夜水合；
(2)将遥爪DNA分子加入上述乳化剂溶液中，终浓度为0.250μM，充分混合，形成遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液；
(3)将遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液与油按1:3比例混合，12000r/min剪切2min，形成乳液凝胶；
(4)由123D Design软件设计底面积为3.57cm2，高度为0.5cm的心形模型并导出成.stl格式的文件，将此文件由Slic3r软件进行切片，设置喷嘴直径0.8mm、喷嘴移动速度20mm/s、填充密度60％，在厚度为1mm的打印纸上得到基于乳液凝胶基质的打印成品。打印过程在室温下进行。
实施例3
本实施例提供一种基于遥爪DNA分子的乳液凝胶制备方法用于3D食品打印，包括如下步骤：
(1)制备40mg/mL桃胶多糖-乳清蛋白复合物的水溶液(桃胶多糖与乳清蛋白质量比为1:1，pH为3.5)，60℃水浴加热20min充分溶解，冷却至室温后4℃过夜水合；
(2)将遥爪DNA分子加入上述乳化剂溶液中，终浓度为0.375μM，充分混合，形成遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液；
(3)将遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液与油按1:3比例混合，12000r/min剪切2min，形成乳液凝胶；
(4)由123D Design软件设计底面积为3.57cm2，高度为0.5cm的心形模型并导出成.stl格式的文件，将此文件由Slic3r软件进行切片，设置喷嘴直径0.8mm、喷嘴移动速度20mm/s、填充密度60％，在厚度为1mm的打印纸上得到基于乳液凝胶基质的打印成品。打印过程在室温下进行。
实施例4
本实施例提供一种基于遥爪DNA分子的乳液凝胶制备方法用于3D食品打印，包括如下步骤：
(1)制备40mg/mL桃胶多糖-乳清蛋白复合物的水溶液(桃胶多糖与乳清蛋白质量比为1:1，pH为3.5)，60℃水浴加热20min充分溶解，冷却至室温后4℃过夜水合；
(2)将遥爪DNA分子加入上述乳化剂溶液中，终浓度为0.375μM，充分混合，形成遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液；
(3)将遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液与油按1:1比例混合，12000r/min剪切2min，形成乳液凝胶；
(4)由123D Design软件设计底面积为3.57cm2，高度为0.5cm的心形模型并导出成.stl格式的文件，将此文件由Slic3r软件进行切片，设置喷嘴直径0.8mm、喷嘴移动速度20mm/s、填充密度60％，在厚度为1mm的打印纸上得到基于乳液凝胶基质的打印成品。打印过程在室温下进行。
实施例5
本实施例提供一种基于遥爪DNA分子的乳液凝胶制备方法用于3D食品打印，包括如下步骤：
(1)制备40mg/mL桃胶多糖-乳清蛋白复合物的水溶液(桃胶多糖与乳清蛋白质量比为1:1，pH为3.5)，60℃水浴加热20min充分溶解，冷却至室温后4℃过夜水合；
(2)将遥爪DNA分子加入上述乳化剂溶液中，终浓度为0.375μM，充分混合，形成遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液；
(3)将遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液与油按1:2比例混合，12000r/min剪切2min，形成乳液凝胶；
(4)由123D Design软件设计底面积为3.57cm2，高度为0.5cm的心形模型并导出成.stl格式的文件，将此文件由Slic3r软件进行切片，设置喷嘴直径0.8mm、喷嘴移动速度20mm/s、填充密度60％，在厚度为1mm的打印纸上得到基于乳液凝胶基质的打印成品。打印过程在室温下进行。
对比例1
本对比例提供一种基于桃胶多糖-乳清蛋白稳定的乳液用于3D食品打印，包括如下步骤：
(1)制备40mg/mL桃胶多糖-乳清蛋白复合物的水溶液(桃胶多糖与乳清蛋白质量比为1:1，pH为3.5)，60℃水浴加热20min充分溶解，冷却至室温后4℃过夜水合；
(2)将乳化剂溶液与油按1:3比例混合，12000r/min剪切2min，形成乳液；
(3)由123D Design软件设计底面积为3.57cm2，高度为0.5cm的心形模型并导出成.stl格式的文件，将此文件由Slic3r软件进行切片，设置喷嘴直径0.8mm、喷嘴移动速度20mm/s、填充密度60％，在厚度为1mm的打印纸上得到基于乳液基质的打印成品。打印过程在室温下进行。
对比例2
本对比例提供一种基于短链遥爪DNA分子的乳液凝胶制备方法用于3D食品打印，包括如下步骤：
(1)制备40mg/mL桃胶多糖-乳清蛋白复合物的水溶液(桃胶多糖与乳清蛋白质量比为1:1，pH为3.5)，60℃水浴加热20min充分溶解，冷却至室温后4℃过夜水合；
(2)将短链遥爪DNA分子(5’-3’:胆固醇-CCCCCCCCCTCCCCCCCCCTCCCCC-胆固醇(其DNA分子链为SEQ ID NO.2))加入上述乳化剂溶液中，终浓度为0.375μM，充分混合，形成遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液；
(3)将短链遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液与油按1:3比例混合，12000r/min剪切2min，形成乳液凝胶；
(4)由123D Design软件设计底面积为3.57cm2，高度为0.5cm的心形模型并导出成.stl格式的文件，将此文件由Slic3r软件进行切片，设置喷嘴直径0.8mm、喷嘴移动速度20mm/s、填充密度60％，在厚度为1mm的打印纸上得到基于乳液凝胶基质的打印成品。打印过程在室温下进行。
对比例3
本实施例提供一种基于DNA分子的乳液凝胶制备方法用于3D食品打印，包括如下步骤：
(1)制备40mg/mL桃胶多糖-乳清蛋白复合物的水溶液(桃胶多糖与乳清蛋白质量比为1:1，pH为3.5)，60℃水浴加热20min充分溶解，冷却至室温后4℃过夜水合；
(2)将DNA分子(5’-3’:CCCCCCCCCTCCCCCCCCCTCCCCCCCCCTCCCCCCCCCTCCCCCCCCCC(其DNA分子链为SEQ ID NO.1))加入上述乳化剂溶液中，终浓度为0.375μM，充分混合，形成遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液；
(3)将DNA分子与乳化剂的混合溶液与油按1:3比例混合，12000r/min剪切2min，形成乳液凝胶；
(4)由123D Design软件设计底面积为3.57cm2，高度为0.5cm的心形模型并导出成.stl格式的文件，将此文件由Slic3r软件进行切片，设置喷嘴直径0.8mm、喷嘴移动速度20mm/s、填充密度60％，在厚度为1mm的打印纸上得到基于乳液凝胶基质的打印成品。打印过程在室温下进行。
由图1可知，遥爪DNA分子浓度显著影响乳液凝胶的储能模量(G’)和损耗模量(G”)。与对比例1相比，实施例1、2、3的G’均大于G”，因此流变特性表现为固体。此外，随着DNA浓度的增加，G’与G”的数值都有所提高。
由图2可知，遥爪DNA分子浓度显著影响乳液凝胶的粘度。随着遥爪DNA分子浓度的增加，粘度逐渐增加。
图3直观的反映出遥爪DNA分子浓度的增加提高了乳液凝胶的机械性能。
由图4可知，随着遥爪DNA分子浓度的增加，乳液凝胶表现出更好的打印适性。
由图5可知，DNA分子种类显著影响乳液凝胶的储能模量(G’)和损耗模量(G”)。与对比例1、2、3相比，实施例3中的遥爪DNA分子能够显著提高乳液凝胶的G’和G”。
由图6可知，DNA分子种类显著影响乳液凝胶的粘度。与对比例1、2、3相比，实施例3中的遥爪DNA分子能够显著提高乳液凝胶的粘度。
由图7可知，随着油相体积分数的增加，乳液凝胶的储能模量(G’)和损耗模量(G”)增大。
由图8可知，随着随着油相体积分数的增加，乳液凝胶的粘度增加。
图9直观地观察到遥爪DNA分子在绿色荧光染料的作用下发出绿色荧光，并且在相邻油滴之间发挥了桥联作用。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
序列表
<110> 浙江大学
<120> 基于遥爪DNA分子的乳液凝胶及其制备方法和应用
<160> 2
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 50
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
ccccccccct ccccccccct ccccccccct ccccccccct cccccccccc 50
<210> 2
<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 2
ccccccccct ccccccccct ccccc 25
Claims (4)
1.一种基于遥爪DNA分子的乳液凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备乳化剂的水溶液并将其pH调至3.5，充分溶解后室温下进行水合；乳化剂水溶液中，乳化剂的浓度为30-50 mg/mL；
所述的乳化剂为桃胶多糖-乳清蛋白复合物；桃胶多糖-乳清蛋白复合物中，桃胶多糖与乳清蛋白的质量比为1:3-3:1；
（2）将遥爪DNA分子加入步骤（1）的乳化剂水溶液中，充分混合，形成遥爪DNA分子与乳化剂的混合溶液；混合溶液中，遥爪DNA分子的终浓度为0.1-0.5 μM；
所述的遥爪DNA分子为两端修饰有胆固醇的DNA分子链；所述的DNA分子链包含50个碱基对；
（3）将步骤（2）的混合溶液与油相混合，高速剪切后形成所述的基于遥爪DNA分子的乳液凝胶；高速剪切速率为8000-12000 r/min，时间为1-3 min；混合溶液与油相的体积比为1:1-1:4。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，遥爪DNA分子的序列为5’- 3’：胆固醇-CCCCCCCCCTCCCCCCCCCTCCCCCCCCCTCCCCCCCCCTCCCCCCCCCC-胆固醇。
3.一种基于遥爪DNA分子的乳液凝胶，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的制备方法制备得到。
4.一种如权利要求3所述的乳液凝胶在3D食品打印中的应用，其特征在于，包括：
由123D Design软件设计不同形状和大小的模型并导出成.stl格式的文件，将此文件由Slic3r软件进行切片；
设置3D打印机的喷嘴直径、喷嘴移动速度、填充密度参数，根据切片数据在打印纸上打印所述的乳液凝胶，得到基于乳液凝胶基质的3D食品打印成品。
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2022
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