CN115245203B - 适于3d打印的蛋白o/w高内相乳液的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适于3D打印的蛋白O/W高内相乳液的制备方法及其应用，以食用蛋白为原料配成蛋白水溶液作为水相；以食用油作为油相，将油相加到水相中，均质形成高内相乳液；加入一定量的食用酸，匀浆，静置，得到适于3D打印的蛋白O/W高内相乳液。本发明制备出的蛋白O/W高内相乳液，具有较高的可挤出性和自支撑性，能够作为3D打印材料；于4℃冰箱中能够贮存14天以上，且仍能保持稳定3D打印结构，有利于延长3D打印食品的储存期，拓宽其在3D打印食品中的应用。本发明操作成本较低，使用简便，周期短，可规模化制备，易于产业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及食品加工技术领域，具体涉及适于3D打印的蛋白O/W高内相乳液的制备方法及其应用。
背景技术
高内相乳液是指分散相体积在74.05％以上的一类乳液，在食品中代替固态或半固态油脂方面具有很广阔的应用前景。高内相乳液对乳化剂的界面性能要求很高，其中以固体颗粒作为乳化剂稳定的高内相乳液被称作Pickering高内相乳液。当前以蛋白颗粒为乳化剂稳定的高内相乳液在食品级高内相乳液中占据重要地位。
3D打印在食品中有广泛的应用，高内相乳液是安全的可食用3D打印材料，具有良好的发展前景。使用高内相乳液进行3D打印，要求乳液具有更高的自支撑性。目前可3D打印的食用级高内相乳液有限，大多数可3D打印的食用级高内相乳液均是利用蛋白与果胶，羧甲基纤维素，卡拉胶等稳定剂之间的相互交联作用，制备可3D打印材料，单一利用蛋白作为水相制备可3D打印食用级高内相乳液少之又少，并且大部分的高内相乳液特别是蛋白O/W高内相乳不具有3D打印能力，限制了这些高内相乳在3D打印食品制造的食用。同时目前有限的可3D打印高内相乳液严重限制了3D打印食品的材料选择和产品开发。
专利CN113973974A《一种使用鹰嘴豆蛋白制作食用3D打印材料的方法》公开了改变鹰嘴豆蛋白溶液的pH，使其自组装形成颗粒来稳定高内相乳液，从而使其具备3D打印材料的性能，利用该方法制备的乳液虽然具备3D打印条件，但是该方法不适合其他蛋白的加工处理，且仅在pH3时具备3D打印性能，由此加工的3D打印食品外观持久性差，限制了蛋白类O/W高内相乳液在3D打印食品的应用。
发明内容
技术问题：
现有的单一利用蛋白作为水相制备的蛋白O/W高内相乳液用作3D打印材料种类非常少，大多数O/W高内相乳自支撑能力有限无法打印成型或者长时间放置会出现结构坍塌，由此加工的3D打印食品外观持久性差，不适于用作3D打印材料，限制了3D打印食品的应用。
技术方案：
本发明的第一目的在于提供一种适于3D打印的蛋白O/W高内相乳液的制备方法，该方法基于先制备蛋白O/W高内相乳液然后酸处理的技术手段提高了蛋白O/W高内相乳液的储能模量，改善了其作为3D打印食品材料的结构稳定性、外观持久性：提升了材料的自支撑能力，避免长时间放置出现的结构坍塌，有利于拓宽其在3D打印食品中的应用。
本发明的第一目的在于提供一种适于3D打印的蛋白O/W高内相乳液的制备方法，包括如下步骤：
(1)蛋白溶液制备：以食用蛋白为原料，配成浓度为15～50mg/mL的蛋白水溶液B；
(2)制备高内相乳液：将蛋白水溶液B与食用油按1:3～1:4的体积比充分混合，得到油水混合物；将油水混合物均质得到高内相乳液A；
(3)酸处理乳液：按照食用酸溶液与高内相乳液体积比为(30～1000)μL：20mL取1-6mol/L的食用酸溶液加入高内相乳液A中，匀浆、静置，得到高内相乳液B——适于3D打印的蛋白O/W高内相乳液。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤(3)中食用酸包括但不限于食用盐酸、食用乳酸、食用醋酸、食用柠檬酸、食用磷酸中的至少一种。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤(3)中食用酸溶液的浓度为6mol/L。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤(1)中食用蛋白包括但不限于酪蛋白、大豆蛋白、乳清蛋白、豌豆蛋白、花生蛋白中的至少一种。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤(2)中食用油包括但不限于大豆油、花生油、玉米油、香菇油、花椒油、藤椒油中的至少一种。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤(1)具体为：将食用蛋白与水充分混合溶解配成15～50mg/ml食用蛋白水混合物A；调节酪蛋白水混合物A的pH使食用蛋白完全溶于水得到蛋白水溶液B。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤(2)中均质条件：5000～16000r/min条件下均质30～180s。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤(3)中的匀浆条件为：1000-6000rpm作用30s～180s。
在本发明的一种优选实施方式中，在步骤(3)中，静置5～10min。
本发明的第二目的在于提供前述的方法制备得到的蛋白O/W高内相乳液。
本发明的第三目的在于提供前述的蛋白O/W高内相乳液作为3D打印浆料的应用。
本发明的第四目的在于提供一种基于蛋白O/W高内相乳液的3D打印工艺，以前述的蛋白O/W高内相乳液作为3D打印浆料，打印参数为：喷嘴直径为1mm，平台移动速率为10～30mm/s，挤压速率为：1mm3·s-1。
本发明的第五目的在于提供前述的蛋白O/W高内相乳液在3D打印食品中的应用。
本发明的第六目的在于提供一种3D打印食品，包括前述的蛋白O/W高内相乳液。
技术效果：
1、本发明制备出的蛋白O/W高内相乳液，具有较高的可挤出性和自支撑性，能够作为3D打印材料；于4℃冰箱中能够贮存14天以上，且仍能保持稳定3D打印结构，有利于延长3D打印食品的储存期，拓宽其在3D打印食品中的应用。
2、本发明的蛋白O/W高内相乳液的制备方法，可利用不同类型的蛋白制备食品级3D打印材料，提高各种蛋白的经济利用附加值，满足人们对健康安全、营养价值高的3D打印食品的生活需要。
3、本发明研究发现，相较于现有技术的先对蛋白进行酸处理，然后再制备蛋白O/W高内相乳液，本发明的先制备蛋白O/W高内相乳液然后酸处理得到的乳液的最大储能模量大幅提升(提升了3～4倍)，能够更好地满足3D打印加工材料的可挤出性和自支撑性要求；由此加工的3D打印食品外观持久性显著提升。
4、本发明操作成本较低，使用简便，周期短，可规模化制备，易于产业化应用。
附图说明
图1是不同HCl浓度对基于酪蛋白-乳液酸处理制备得到的蛋白O/W高内相乳液的3D打印食品的打印性能的影响：(a)-(e)依次对应1、3、6、8、12M HCl溶液；
图2是不同的酸与乳液体积比对基于酪蛋白-乳液酸处理制备得到的蛋白O/W高内相乳液的3D打印食品的打印性能的影响：(a)-(c)依次对应10、100、1200μLHCl溶液：20mL高内相乳液，其中HCl溶液浓度为6mol/L；
图3是对比例2-对比例5的基于酪蛋白酸处理或省略酸处理制备得到的蛋白O/W高内相乳液的3D打印食品的打印性能的影响：(a)-(d)依次对应对比例2的pH1、对比例3的pH2、对比例4的pH6和对比例5的省略酸处理；
图4是实施例6的不同HCl浓度对基于大豆蛋白-乳液酸处理制备得到的蛋白O/W高内相乳液的3D打印食品的打印性能的影响：(a)-(c)依次对应1、3、6M HCl溶液；
图5是实施例7的不同HCl浓度对基于豌豆蛋白-乳液酸处理制备得到的蛋白O/W高内相乳液的3D打印食品的打印性能的影响：(a)-(c)依次对应1、3、6M HCl溶液；
图6是实施例8的不同HCl浓度对基于乳清分离蛋白-乳液酸处理制备得到的蛋白O/W高内相乳液的3D打印食品的打印性能的影响：(a)-(c)依次对应1、3、6M HCl溶液；
图7为实施例1制备的3D打印食品在4℃下贮存(a)0天；(b)7天；(c)14天的照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
如无特殊说明，下述实施例及对比例中使用的3D打印机型号为：FPE2，品牌为：上海富奇凡机台式快速成型机。
实施例1酪蛋白-乳液酸处理-6mol/L的HCl
一种适于3D打印的蛋白O/W高内相乳液的制备方法，包括如下步骤：
S1、酪蛋白溶液准备：将2g酪蛋白与40mL水充分混合溶解配成酪蛋白水混合物A；使用1mol/L NaOH溶液调节酪蛋白水混合物A的pH至11，使酪蛋白完全溶于水得到酪蛋白水溶液B；
S2、制备油水混合物：将步骤S1的酪蛋白水溶液B与大豆油按1:3～1:4的体积比充分混合，得到油水混合物；
S3、制备高内相乳液：将步骤S2的油水混合物在5000～16000r/min条件下均质30～180s，得到高内相乳液A；
S4、酸处理乳液：取100μL的6mol/L的HCl溶液加入到20mL步骤S3的高内相乳液A中，用匀浆机以1000-6000rpm作用30s～180s，静置5～10min，得到高内相乳液B。
高内相乳液B在3D打印食品中的应用，采用如下步骤：
S5、3D打印：将步骤S4得到的高内相乳液B作为3D打印材料进行3D打印得到3D打印食品，其中打印参数为：喷嘴直径为1mm，平台移动速率为10～30mm/s，挤压速率为：1mm3·s-1。
设计3D形状为圆柱形，本实施例得到的3D打印食品如图1(c)所示：产品的边缘清晰；自支持能力较强；如图7所示，本实施例得到的3D打印食品4℃冰箱储存14天后，形状结构未见显著改变，也没有发生变形或塌陷的现象。说明本实施例制备的蛋白O/W高内相乳具有优异的可挤出性和自支撑性，适于进行3D打印。
取本实施例步骤S4的高内相乳液B进行流变性测试。流变性测试的方法：美国TADiscovery HR-2流变仪配备平行板几何形状(直径60mm，板间隙1mm)在25℃，通过在0.5％应变下进行频率扫描，测量了储能模量(G′)和损耗模量(G")。结果如表1所示，储能模量G'远大于损耗模量G"。结果表明本实施例制备的蛋白O/W高内相乳是趋近于固体形态的。同时储能模量G'的数值表明本实施例制备的蛋白O/W高内相乳具有很高的硬度。
表1
实施例2酪蛋白-乳液酸处理-1mol/L的HCl
一种适于3D打印的蛋白O/W高内相乳液的制备方法及高内相乳液B在3D打印食品中的应用参照实施例1，区别仅在于，调整S4、酸处理乳液中6mol/L的HCl溶液为1mol/L的HCl溶液。
设计3D形状为圆柱形，本实施例得到的3D打印食品如图1(a)所示：产品的边缘较模糊；但自支持能力较强，4℃冰箱贮藏天储存14天后，形状结构未见显著改变，也没有发生变形或塌陷的现象。说明本实施例制备的蛋白O/W高内相乳具有良好的可挤出性和自支撑性，可进行3D打印，但是打印精确度较差。
取本实施例步骤S4的高内相乳液B进行流变性测试：流变性测试的方法同实施例1。结果如表2所示，储能模量G'远大于损耗模量G"。结果表明本实施例制备的蛋白O/W高内相乳是趋近于固体形态的。同时储能模量G'的数值表明本实施例制备的蛋白O/W高内相乳具有很高的硬度。
表2
实施例3酪蛋白-乳液酸处理-3mol/L的HCl
一种适于3D打印的蛋白O/W高内相乳液的制备方法及高内相乳液B在3D打印食品中的应用参照实施例1，区别仅在于，调整S4、酸处理乳液中6mol/L的HCl溶液为3mol/L的HCl溶液。
设计3D形状为圆柱形，本实施例得到的3D打印食品如图1(b)所示：产品打印精确度介于实施例2与实施例1之间；同时自支持能力较强，4℃冰箱贮藏14天后，外观形状未见显著改变，也没有发生变形或塌陷的现象。说明本实施例制备的蛋白O/W高内相乳具有良好的可挤出性和自支撑性，适于进行3D打印。
取本实施例步骤S4的高内相乳液B进行流变性测试：流变性测试的方法同实施例1。结果如表3所示，储能模量G'远大于损耗模量G"。结果表明本实施例制备的蛋白O/W高内相乳是趋近于固体形态的。同时储能模量G'的数值表明本实施例制备的蛋白O/W高内相乳具有很高的硬度。
表3
对比实施例1-3可以发现，酸浓度对于流变性影响显著，基于本发明的特定工艺(步骤S1-S3)制得的高内相乳液A，按照100μL HCl溶液/20mL的高内相乳液A比例添加1-6mol/L的HCl溶液匀浆处理、静置，均可制得具有良好的可挤出性和自支撑性，适于进行3D打印的蛋白O/W高内相乳液。其中，6mol/L的HCl溶液条件下制得的蛋白O/W高内相乳液储能模量最高，说明具有更高的硬度。由此加工的3D打印食品外观形状精确、自支持能力强、持久性优秀。
对比例1酪蛋白-乳液酸处理-酸浓度过高
一种蛋白O/W高内相乳液的制备方法及高内相乳液在3D打印食品中的应用参照实施例1，区别仅在于，调整S4、酸处理乳液中6mol/L的HCl溶液为8或12mol/L的HCl溶液。
设计3D形状为圆柱形，本对比例采用8或12mol/L的HCl溶液得到的3D打印食品如图1(d)-(e)所示：产品自支持能力差，外观形状发生明显变形或塌陷的现象；说明本实施例制备的蛋白O/W高内相乳自支撑性差，不适于进行3D打印。
实施例4酪蛋白-乳液酸处理-酸与乳液体积比的优化
一种蛋白O/W高内相乳液的制备方法及高内相乳液在3D打印食品中的应用参照实施例1，区别仅在于，调整S4、酸处理乳液中6mol/L的HCl溶液与高内相乳液体积比为(10～1200)μL：20mL。
试验结果发现，6mol/L的HCl溶液与高内相乳液体积比为(30～1000)μL：20mL时，制备的蛋白O/W高内相乳具有良好的可挤出性和自支撑性，适于进行3D打印；而当6mol/L的HCl溶液与高内相乳液体积比过高(例如为10μL：20mL)或过低(例如为1200μL：20mL)时，产品发生倒塌或塌陷的现象，无自支持能力，无法在长时间保持较稳定的结构，制备的蛋白O/W高内相乳液不适合进行3D打印(参见图2(a)、(c))。
对比例2酪蛋白酸处理-pH1
一种蛋白O/W乳液的制备方法，包括如下步骤：
S1、酪蛋白溶液准备：将2g酪蛋白与40mL水充分混合溶解配成酪蛋白水混合物A；使用1mol/L NaOH溶液调节酪蛋白水混合物A的pH至11，使酪蛋白完全溶于水得到酪蛋白水溶液B；
S2、酸处理酪蛋白:利用3mol/L的HCl溶液将S1的酪蛋白水溶液B调制pH1，得酪蛋白溶液C；
S3、制备油水混合物：将步骤S2的酪蛋白溶液C与大豆油按1:3～1:4的体积比充分混合，得到油水混合物；
S4、乳液制备：将步骤S3的油水混合物在5000～16000r/min条件下均质30～180s，得到高内相乳液C。
高内相乳液C在3D打印食品中的应用，采用如下步骤：
S5、3D打印：将步骤S4得到的高内相乳液C作为3D打印材料进行3D打印得到3D打印食品，其中打印参数为：喷嘴直径为1mm，平台移动速率为10～30mm/s，挤压速率为：1mm3·s-1。
设计3D形状为圆柱形，本对比例得到的3D打印食品如图3(a)所示：产品的边缘清晰；但是自支持能力较弱，有发生倒塌或塌陷的趋势，无法长时间保持较稳定的结构，因此说明本对比例制备的蛋白O/W高内相乳液不适合进行3D打印。
取本对比例步骤S4的高内相乳液C进行流变性测试：流变性测试的方法同实施例1。结果如表4所示，储能模量G'远大于损耗模量G"。结果表明本对比例制备的蛋白O/W高内相乳是趋近于固体形态的。但是与表1-3的结果相比，本对比例制备的乳液储能模量较低，因此乳液的硬度较差。
表4
对比例3酪蛋白酸处理-pH2
一种蛋白O/W高内相乳液的制备方法及高内相乳液在3D打印食品中的应用参照对比例2，区别仅在于，S2、酸处理酪蛋白中pH1为pH2。
设计3D形状为圆柱形，本对比例得到的3D打印食品如图3(b)所示：产品发生倒塌或塌陷的现象，无自支持能力，无法在长时间保持较稳定的结构，因此说明本对比例制备的蛋白O/W高内相乳液不适合进行3D打印。
取本对比例步骤S4的高内相乳液C进行流变性测试：流变性测试的方法同实施例1。结果如表5所示，储能模量G'远大于损耗模量G"。结果表明本对比例制备的蛋白O/W高内相乳是趋近于固体形态的。但是与表1-3的结果相比，本对比例制备的乳液储能模量较低，因此乳液的硬度较差。
表5
对比例4酪蛋白酸处理-pH6
一种蛋白O/W高内相乳液的制备方法及高内相乳液A在3D打印食品中的应用参照对比2，区别仅在于，S2、酸处理酪蛋白中pH1为pH6。
设计3D形状为圆柱形，本对比例得到的3D打印食品如图3(c)所示：产品发生倒塌或塌陷的现象，无自支持能力，因此说明本对比例制备的蛋白O/W高内相乳液不适合进行3D打印。
取本对比例步骤S4的高内相乳液C进行流变性测试：流变性测试的方法同实施例1。结果如表6所示，储能模量G'远大于损耗模量G"。结果表明本对比例制备的蛋白O/W高内相乳是趋近于固体形态的。但是与表1-3的结果相比，本对比例制备的乳液储能模量较低，因此乳液的硬度较差。
表6
实施例5不同酸处理方式对于3D打印产品的质构特性的影响
将实施例1-3和对比例2-4的不同酸处理方式得到的3D打印样品进行质构测定：选择P/50TPA探头，试验前、中、后速度均2mm/s、5mm/s、5mm/s，试验返回速度为15.00mm/s；下降距离25mm；试样压缩应变为80％；两次压缩间隔为5.0s。
实施例1-3的酸后处理，对比例2-4酸前处理高内相乳液3D打印产品的质构特性数据如表7所示。结果表明，经酸后处理的乳液3D打印后产品的硬度和胶着度要明显高于酸前处理得到的3D打印产品，有足够的硬度和胶着度会保证打印后的产品不会因为长时间的放置而发生坍塌或者塌陷。
表7不同酸处理方式高内相乳液3D打印产品的质构特性
注：表7中括号内数值代表测量误差值。
对比例5酪蛋白-省略酸处理
一种蛋白O/W高内相乳液的制备方法及高内相乳液在3D打印食品中的应用参照实施例1，区别仅在于，省略S4、酸处理乳液。
设计3D形状为圆柱形，本对比例得到的3D打印食品如图3(d)所示：产品发生倒塌或塌陷的现象，无自支持能力，无法在长时间保持较稳定的结构，因此说明本对比例制备的蛋白O/W高内相乳液不适合进行3D打印。
取本对比例步骤S4的高内相乳液A进行流变性测试：流变性测试的方法同实施例1。结果如表8所示，储能模量G'远大于损耗模量G"。结果表明本对比例制备的蛋白O/W高内相乳是趋近于固体形态的。但是与表1-3的结果相比，本对比例制备的乳液储能模量较低，因此乳液的硬度较差。
表8
实施例6大豆蛋白-乳液酸处理-1～6mol/L的HCl
一种适于3D打印的大豆蛋白O/W高内相乳液的制备方法及高内相乳液B在3D打印食品中的应用参照实施例1，酸与乳液体积比为100μL：20mL，区别仅在于，采用大豆蛋白替换酪蛋白，S4、酸处理乳液中HCl溶液浓度分别为1mol/L、3mol/L和6mol/L；其他步骤不变。
设计3D形状为圆柱形，实施例6采用大豆蛋白，不同酸浓度得到的3D打印食品如图4(a)-(c)所示。
实施例7豌豆蛋白-乳液酸处理-1～6mol/L的HCl
一种适于3D打印的豌豆蛋白O/W高内相乳液的制备方法及高内相乳液B在3D打印食品中的应用参照实施例1，酸与乳液体积比为100μL：20mL，区别仅在于，采用豌豆蛋白替换酪蛋白，S4、酸处理乳液中HCl溶液浓度分别为1mol/L、3mol/L和6mol/L；其他步骤不变。
设计3D形状为圆柱形，实施例7采用豌豆蛋白，不同酸浓度得到的3D打印食品如图5(a)-(c)所示。
实施例8乳清分离蛋白-乳液酸处理-1～6mol/L的HCl
一种适于3D打印的乳清分离蛋白O/W高内相乳液的制备方法及高内相乳液B在3D打印食品中的应用参照实施例1，酸与乳液体积比为100μL：20mL，区别仅在于，采用乳清分离蛋白替换酪蛋白，S4、酸处理乳液中HCl溶液浓度分别为1mol/L、3mol/L和6mol/L；其他步骤不变。
设计3D形状为圆柱形，实施例8采用乳清分离蛋白，不同酸浓度得到的3D打印食品如图6(a)-(c)所示。
由实施例1-3、实施例6-8对比可知：对于不同种类的蛋白，例如酪蛋白、大豆蛋白、豌豆蛋白、乳清分离蛋白，基于本发明的特定工艺(步骤S1-S3)制得的高内相乳液A，按照100μL HCl溶液/20mL的高内相乳液A比例添加1-6mol/L的HCl溶液匀浆处理、静置，均可制得具有良好的可挤出性和自支撑性，适于进行3D打印的蛋白O/W高内相乳液。通过优化HCl溶液浓度后即可获得外观形状精确、自支持能力强、持久性优秀的3D打印食品。
Claims (9)
1.一种适于3D打印的蛋白O/W高内相乳液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)蛋白溶液制备：以食用蛋白为原料，配成浓度为15～50mg/mL的蛋白水溶液B；
(2)制备高内相乳液：将蛋白水溶液B与食用油按1:3～1:4的体积比充分混合，得到油水混合物；将油水混合物均质得到高内相乳液A；
(3)酸处理乳液：按照食用酸溶液与高内相乳液体积比为(30～1000)μL：20mL取1-6mol/L的食用酸溶液加入高内相乳液A中，匀浆、静置，得到高内相乳液B——适于3D打印的蛋白O/W高内相乳液；
步骤(1)中食用蛋白包括酪蛋白、大豆蛋白、乳清蛋白、豌豆蛋白、花生蛋白中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中食用酸为包括食用盐酸、食用乳酸、食用醋酸、食用柠檬酸、食用磷酸中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中食用酸溶液的浓度为6mol/L。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中均质条件：5000～16000r/min条件下均质30～180s。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的匀浆条件为：1000-6000rpm作用30s～180s。
6.权利要求1-5任一项所述的方法制备得到的蛋白O/W高内相乳液。
7.权利要求6所述的蛋白O/W高内相乳液作为3D打印浆料的应用。
8.权利要求6所述的蛋白O/W高内相乳液在3D打印食品中的应用。
9.一种3D打印食品，其特征在于，包括权利要求7所述的蛋白O/W高内相乳液。
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