CN115413781B - 一种高稳定性天然蜡基w/o乳液凝胶及其制备方法和3d打印应用 - Google Patents
一种高稳定性天然蜡基w/o乳液凝胶及其制备方法和3d打印应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶及其制备方法和3D打印应用，制备方法包括，将液态植物油和乳化剂混合得到油相溶液；将去离子水加入油相溶液中高速均质得到油包水溶液；加热油包水溶液，并加入熔化的天然蜡混合，得到混合溶液；将混合溶液冷却，得到高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶；其中，所述去离子水占混合溶液总质量的50％以上。本发明采用天然蜡对液态植物油进行结构化稳定含量高达50％的去离子水，以制备稳定的可以进行3D打印的低脂肪、低饱和脂肪酸含量油包水类脂肪乳液凝胶。
Description
技术领域
本发明属于乳化凝胶类脂肪及3D打印技术领域，具体涉及到一种高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶及其制备方法和3D打印应用。
背景技术
天然蜡作为一种广泛低廉的结构剂，有着广泛的使用历史和成熟的工业产业链，常被用于食品、化妆品和医药行业。其作为一种非极性物质易溶于油相中，作为油结构剂自组装形成晶体网络对油相进行结构化。通过添加适量天然蜡制备油凝胶并对固脂进行替代以减少饱和脂肪的摄入已经成为健康饮食的新潮流。
乳液凝胶体系通过连续相的不同可以分为O/W乳液凝胶，W/O乳液凝胶和双胶。作为多相热力学不稳定体系，除利用乳化剂降低界面张力以外，乳液凝胶对外相进行结构化进一步提升凝胶的稳定性，将乳液凝胶作为一种类脂肪替代物，不仅可以降低脂肪含量摄入，还可以对不同溶解性的营养素进行包埋增加营养价值。
用于食品领域的3D打印作为一项新兴技术发展前景十分广阔，相较于传统减材制造，可以打印出更精细的图。基于该基础不仅可以精准进行营养递送以适应不同人群，还可以进行定制化服务以增加食品的娱乐性。但目前尚未有将天然蜡作为单一结构剂，并可以将之应用于3D打印的W/O乳液凝胶。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
本发明的其中一个目的是提供一种高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的制备方法，采用天然蜡对液态植物油进行结构化稳定含量高达50%的去离子水，以制备稳定的可以进行3D打印的油包水乳液凝胶。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的制备方法，包括，
将液态植物油和乳化剂混合得到油相溶液；
将去离子水加入油相溶液中高速均质得到油包水溶液；
加热油包水溶液，并加入熔化的天然蜡混合，得到混合溶液；
将混合溶液冰水浴冷却，得到高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶；
其中，所述去离子水占混合溶液总质量的50%以上。
作为本发明高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的一种优选方案，其中：所述液态植物油包括大豆油、菜籽油、花生油、葵花籽油、米糠油、玉米油、亚麻籽油、橄榄油、小麦胚芽油、棉籽油、杏仁油、茶籽油、芝麻油和棕榈液油中的一种或多种。
作为本发明高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的一种优选方案，其中：所述天然蜡包括葵蜡、米糠蜡、巴西棕榈蜡、蜂蜡、小烛树蜡、甘蔗蜡、玉米蜡、茶蜡、油菜籽蜡、桔皮蜡、玫瑰蜡中的一种或多种。
作为本发明高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的一种优选方案，其中：所述乳化剂为聚甘油蓖麻醇酯、硬脂酸单甘油酯、棕榈酸单甘油酯、甘油二酯和蔗糖酯中的一种或多种。
作为本发明高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的一种优选方案，其中：所述将液态植物油和乳化剂混合，在500~800 rpm，65~85℃下搅拌1~2 min混合。
作为本发明高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的一种优选方案，其中：所述高速均质，8000~10000 rpm下均质60~90 s。
本发明的另一个目的是提供如上述任一项所述的高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的制备方法得到的高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶。
本发明的另一个目的是提供如上述所述的高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的3D打印方法，将所述的高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶添加至3D 打印机中，利用3D打印机根据模型信息进行打印。
作为本发明高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的3D打印方法的一种优选方案，其中：所述打印，调节打印腔室的内部温度为20~60℃。
作为本发明高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的3D打印方法的一种优选方案，其中：所述打印，打印层厚0.2~0.6mm，壁厚为0.2~0.6mm，填充密度0~20％，底层和顶层厚度为0.2~0.6mm，打印速率为20~120mm/s，打印温度为20~60℃，初始层厚为0.2~0.6mm，初始层线宽为10~80％，底层切除为0mm，移动速率为20~100mm/s，底层速率为20~100mm/s，填充速率为20~100mm/s，底层和顶层速率为20~100mm/s，外壳速率为20~100mm/s，内壁速率为20~100mm/s
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用天然蜡对液态植物油进行结构化稳定含量高达50%的去离子水，以制备稳定的可以进行3D打印的油包水乳液凝胶作为脂肪替代物在定制化领域有所助益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为实施例1中制备的各天然蜡基油包水乳液凝胶的实物图和微观结构，其中，（A）为实物图；（B）为偏光显微镜图；（C）为共聚焦显微镜图；（D）为扫描电子显微镜图。
图2为实施例1中制备的各天然蜡基油包水乳液凝胶的流变特性和热特性，其中（A）为应变测试结果；（B）为频率测试结果；（C）为时间测试结果；（D）为温度测试结果和熔化曲线。
图3为实施例1中制备的各天然蜡基油包水乳液凝胶在贮存和冻融后的裱花效果和微观结构，其中（A）为新鲜、贮存7d和冻融3个循环以后的裱花效果图；（B）为新鲜、贮存7d和冻融3个循环以后的光镜图和粒径分布。
图4为实施例1以及对比例1~4制备的天然蜡基油包水乳液凝胶的实物图和微观结构，其中，（A）为实施例1以及对比例1~4的实物图；（B）为实施例1以及对比例1~4的光镜图；（C）为实施例1以及对比例1~4的偏光图。
图5为实施例1中制备的各天然蜡基油包水乳液凝胶3D打印圆筒模型直至其塌陷的过程示意图。
图6为实施例1中制备的各天然蜡基油包水乳液凝胶3D打印出的样品，其中，（A）为圆锥自支撑结构；（B）为“福”字精细结构。
图7为实施例1中制备的各天然蜡基油包水乳液凝胶不同温度下3D打印出的样品和硬度测定结果，其中，（A）为30~60℃下3D打印样品；（B）为30℃和60℃下3D打印样品的硬度；（C）60℃和80℃下的实物图。
图8为实施例1中制备的各天然蜡基油包水乳液凝胶30~60℃下3D打印样品的微观结构。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明实施例采用如下测试方法：
微观结构观察：采用光学显微镜，激光共聚焦显微镜描和电子显微镜观察新鲜制备的蜡基乳液凝胶，放大倍数为50-5000倍。
质构性质测试：采用质构仪对所述天然蜡基乳液凝胶进行测定：用模具制备长度20mm，宽度20mm，高度10mm的样品，每批测试5个样品，进行三次重复实验。测定参数如下：测试前速度1mm/s，测试速度1mm/s，测试后速度1mm/s，压缩深度为2mm，触发力为5g，探头型号为P/2。
流变学性质测试：采用流变仪对蜡基乳液凝胶进行应变扫描，频率扫描，温度扫描和时间扫描。应变扫描在0.01-10 Pa，1 Hz，25 ℃的条件下进行；频率扫描在0.01 Pa，0.1-100 Hz，25 ℃下进行；温度扫描在0.01 Pa，1 Hz，0-85 ℃下进行；时间扫描在1Hz，25 ℃下进行，应变在0.01和100 Pa变化，每次30 s，60 s为一个周期进行三次。
热特性测试：采用差示量热扫描仪测定蜡基乳液凝胶热熔曲线，升温速率为5℃/min，温度范围为0-100℃。
稳定性测试：采用贮存稳定性和冻融稳定性对蜡基乳液凝胶的稳定性进行评价。贮存稳定性：蜡基乳液凝胶在4℃下贮存1，5，7 d，观察微观结构和裱花效果；冻融稳定性：蜡基乳液凝胶在-20℃下存储22 h后移至30℃环境下存放2 h，为1个冻融循环，共进行3个冻融循环，观察微观结构和裱花效果。
自支撑力评估：选择直径为50 mm，填充率为0%的圆筒作为打印模型，打印过程一直持续到样品塌陷，记录滚筒塌陷时的高度。
裱花：将得到的乳液凝胶填装进裱花袋，使用口径5mm的细齿型花嘴进行裱花，得到的奶油花。
实施例1
（1）称取0.5g PGPR于49.5g大豆油中，800rpm，65℃搅拌5min确保均匀分布，得到均一的油相溶液；
（2）称取55g去离子水加热至65℃，逐滴添加于油相中，800rpm搅拌10min使其充分混合，得到油包水溶液A；
（3）采用均质机将混合溶液A在10000rpm下高速均质60 s，得到油包水溶液B；
（4）称取5 g天然蜡（葵蜡、米糠蜡、巴西棕榈蜡、蜂蜡、小烛树蜡和甘蔗蜡）熔化，与步骤(3)的油包水溶液B混合，在85℃的条件下采用玻璃棒轻柔持续搅拌30s确保充分混合得到均匀的油包水溶液C；
（5）将油包水溶液C置于冰水浴中快速冷却，将完全冷却后的乳液凝胶贮存于4℃中，得到可3D 打印的天然蜡基W/O乳液凝胶。
将得到的天然蜡基W/O乳液凝胶进行测试，测试结果如下。
所制备的天然蜡基W/O乳液凝胶的实物图和微观结构图如图1所示，其中图1A为实物图; 图1B为偏光显微镜图; 图1C为共聚焦显微镜图; 图1D为扫描电子显微镜图。
从图1 A可以看出，天然蜡基W/O乳液凝胶呈现半固体特性，倒置不流动。图1 B，C与D可以看出，分散水相由乳化剂和天然蜡晶体稳定，天然蜡晶体在油相中形成结晶网络，部分吸附于界面。
所制备的天然蜡基W/O乳液凝胶的流变测试结果如图2所示，其中，图2A为应变测试结果; 图2B为频率测试结果; 图2C为时间测试结果。图2D为温度测试结果和熔化曲线。
从图2A的应变扫描可以看出，在LVR时G'大于G"，表现出类固体性质。应变进一步增大，G"大于G'表示乳液凝胶具有触变性。从图2B的频率扫描可以看出，在小幅震荡频率流变测试中，得到的天然蜡基W/O乳液凝胶均G'大于G"，表现出类固体性质，因此也具备3D打印能力。从图2C的时间扫描测试中，当应变重新回到LVR时，乳液凝胶的G'重新大于G"，表示在该乳液凝胶在强剪切破坏下依然能恢复部分模量。通过图2D的温度扫描与熔化曲线可以看出，随着温度上升到天然蜡晶体的熔点时，该乳液凝胶的模量快速下降并且G'和G"相交，这说明天然蜡基乳液凝胶的结构主要依靠天然蜡晶体。其中葵蜡，蜂蜡和甘蔗蜡制备完成的乳液凝胶有着相较更优的效果。
所制备的天然蜡基W/O乳液凝胶在贮存和冻融后的裱花效果和微观结构如图3所示，其中图3A为新鲜，贮存7d和冻融3个循环以后的裱花效果图; 图3B为新鲜，贮存7d和冻融3个循环以后的光镜图和粒径分布。从图3A可以看出经过裱花头的剪切，乳液凝胶的结构一定程度上被破坏，表现为渗水。随着贮存时间/冻融循环的增加渗水情况加重。其中葵蜡，蜂蜡和甘蔗蜡制备的乳液凝胶贮存7d/冻融3个循环后依然对裱花头的机械作用力保持稳定，没有渗水现象。从图3B可以看出随着贮存时间/冻融循环的增加液滴粒径增大
对比例1
调整实施例1中葵蜡用量为0.5g，其它和实施例1（天然蜡质量为5g）保持一致，得到产物。
图4为实施例1以及对比例1~4制备的天然蜡基油包水乳液凝胶的实物图和微观结构对比，如图4所示，由于天然蜡浓度过低，无法形成致密的结晶网络。形成的产物流动性强而塑性较低，因此较低浓度制备的天然蜡基乳液产物不具备用于3D打印的流变特性。随着蜡浓度的上升打印效果上升，到5g左右有着很较好的打印效果。
对比例2
调整实施例1中巴西棕榈蜡用量为10g，其它和实施例1（天然蜡质量为5g）保持一致，得到产物。
图4为实施例1以及对比例1~4制备的天然蜡基油包水乳液凝胶的实物图和微观结构对比，如图4所示，过多蜡晶体挤压液滴导致其破裂聚结。冷却时蜡晶体生长刺破界面的几率增加，导致乳液凝胶裱花时会有渗水的情况。形成的产物硬度过高，因此高浓度制备的天然蜡基乳液产物不具备用于3D打印的流变特性。
对比例3
调整实施例1中步骤（3）与步骤（4），将均质与添加熔化葵蜡的顺序调换，其它和实施例1保持一致，得到产物。
图4为实施例1以及对比例1~4制备的天然蜡基油包水乳液凝胶的实物图和微观结构对比，如图4所示，由于葵蜡熔点较高，均质过程中易结晶，过高的粘度导致均质不完全，液滴大于50微米。通过裱花测试发现：产物对机械力的稳定性较低，不具备良好的成型能力，裱花时会有渗水的情况，无法用于3D打印。
对比例4
调整实施例1中PGPR为吐温60。其它和实施例1保持一致，采用葵蜡制备得到产物。
图4为实施例1以及对比例1~4制备的天然蜡基油包水乳液凝胶的实物图和微观结构对比，如图4所示，制备得到的乳液凝胶分层，不是均匀的O/W型乳液凝胶。
实施例2
实施例1得到的各天然蜡基W/O乳液凝胶在食品3D打印中的应用，包括如下步骤：
（1）将实施例1中得到的各天然蜡基W/O乳液凝胶转移至食品3D打印机的打印针管中，冰水浴冷却，保证打印针管中物质均一没有空隙；
（2）调节打印腔室中的温度为25℃，通过程序设定调整3D打印机X、Y、Z轴全部归零；选用0.6mm直径针头，设定3D 打印过程中的各类参数，具体为：打印层厚(0.2mm)、壁厚(0.6mm)、填充密度(20％)、底层和顶层厚度(0.2mm)、打印速率(25mm/s)；
（3）通过打印机进行打印测试。
实施例1中得到的各天然蜡基W/O乳液凝胶的自支撑力数据如下表1所示，自支撑力评估是选择直径为50 mm，填充率为0%的圆筒作为打印模型，打印过程一直持续到样品塌陷，如图5所示，记录圆筒塌陷时的高度，并进行多组平行实验。
表1
| 种类 | 打印最高高度 (mm) |
| 葵蜡 | 17.5±0.35c |
| 米糠蜡 | 8.2±0.16d |
| 巴西棕榈蜡 | / |
| 蜂蜡 | 46.3±0.33a |
| 小烛树蜡 | 17.9±0.57c |
| 甘蔗蜡 | 30.23±0.78b |
由表1可以看出，蜂蜡有着最高的自支撑力，其次是甘蔗蜡和葵蜡。这与乳液凝胶的模量和经打印头剪切后的回复率有关。
图6为各天然蜡基W/O乳液凝胶3D打印出的样品，其中图6A为圆锥（高度为30mm；底面直径为30mm；填充率为20%）自支撑结构; 图6B为“福”字精细结构（高度为10mm；底面直径为50mm；填充率为20%）。
图6A是采用天然蜡基W/O乳液凝胶进行打印，可以看出除巴西棕榈蜡外均有一定的自支撑性，而图6B可以看出除巴西棕榈蜡和米糠蜡外均对精细结构有着较好的表达。通过3D打印实物图的对比可以看出：3D打印效果较好的是葵蜡，蜂蜡和甘蔗蜡。
实施例3
实施例1得到的各天然蜡基W/O乳液凝胶在食品3D打印中的应用，步骤与实施例2相同，区别在于将步骤（2）中的打印腔室的温度调整为30、40、50、60℃。通过打印机进行星型模型（长：50mm；宽：50mm；高：10mm；填充率：20%）的打印测试。
各天然蜡基W/O乳液凝胶在30~60℃下3D打印出的样品和硬度测定结果如图7所示，其中图7A为30~60℃下3D打印样品实物图; 图7B为30℃和60℃下3D打印样品的硬度。
从图7A可以看出，加热过程可以提升乳液凝胶打印的效果，不仅增加了3D打印样品的表面光滑度，渗水效果也得到了提升，重结晶形成的结晶网络增加了3D打印样品的硬度。从图7B可以看出，在60℃加热又重新冷却到室温（模拟3D打印过程）的乳液凝胶硬度有一定的提升。提高打印温度可以一定程度上提升乳液凝胶的打印质量，但由于蜡基乳液凝胶通过乳化剂和蜡结晶共同稳定液滴，如图7C所示，过高的温度会导致蜡结晶完全熔化进而导致乳液分层。
各天然蜡基W/O乳液凝胶在30~60℃下3D打印样品的微观结构如图8所示。从图8可以看出，温度上升可以使部分蜡结晶熔化重新形成结晶网络，改善了液滴的聚结。故温度在30~60℃区间较适宜，可根据天然蜡的熔点进行调整。本发明提供了一种新型的天然蜡基W/O乳液凝胶类脂肪，采用天然蜡对液态植物油进行结构化稳定含量高达50%的去离子水，以制备稳定的可以进行3D打印的油包水乳液凝胶作为脂肪替代物在定制化领域有所助益。
本发明的天然蜡基W/O乳液凝胶为一种可用于直接挤出型3D打印的粘弹性软固体，其中的水滴作为分散相分布在油相中，蜡晶体通过界面吸附和形成结晶网络对油相进行结构化。该乳液凝胶与传统脂肪有着相似的塑性，能够在食品生产中部分或全部替代传统脂肪，降低饱和/反式脂肪酸的含量，提升健康程度。
本发明的天然蜡基W/O乳液凝胶具有类固体性质，其可塑性类似传统脂肪，并有一定的自支撑能力。能够在常温下通过直接挤出法进行3D打印，其良好的触变性保证了其在挤出后也能保证其形状，能够作为传统脂肪替代品进行复杂的食品3D打印，满足消费者的定制化需求。
本发明的天然蜡基W/O乳液凝胶其油相为液态植物油，通过蜡晶体形成的结晶网络进行结构化，水相为去离子水，部分晶体吸附于油水界面提升液滴稳定性。由于连续油相中的蜡结晶会随着温度升高而熔化，因而该蜡基乳液凝胶有着热响应性，可以通过控制温度对其在3D打印中的应用进行调节。当温度较高的时候，蜡晶体熔化，乳液凝胶呈现液体特性。当温度较低时，外相中的蜡重结晶形成网络使得乳液凝胶呈现出类固体特性。其良好的热响应性为其在热挤压3D打印的应用提供条件。
本发明的天然蜡基W/O乳液凝胶主要由零反式，低饱和的液态植物油健康的天然蜡结构剂构建而成，能够提高3D打印食品的健康、安全性，满足广大消费者对产品绿色健康的要求。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的制备方法，其特征在于：包括，
将液态植物油和乳化剂混合得到油相溶液；
将去离子水加入油相溶液中高速均质得到油包水溶液；
加热油包水溶液，并加入熔化的天然蜡混合，得到混合溶液；
将混合溶液冰水浴冷却，得到高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶；所述乳液凝胶具有半固体性质；
其中，所述去离子水占混合溶液总质量的50%以上；
所述天然蜡为葵蜡、蜂蜡或甘蔗蜡；
所述乳化剂为聚甘油蓖麻醇酯；
所述高速均质，8000~10000 rpm下均质60~90 s。
2.如权利要求1所述的高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的制备方法，其特征在于：所述液态植物油包括大豆油、菜籽油、花生油、葵花籽油、米糠油、玉米油、亚麻籽油、橄榄油、小麦胚芽油、棉籽油、杏仁油、茶籽油、芝麻油和棕榈液油中的一种或多种。
3.如权利要求1或2所述的高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的制备方法，其特征在于：所述将液态植物油和乳化剂混合，在500~800 rpm，65~85℃下搅拌1~2 min混合。
4.如权利要求1~3中任一项所述的高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的制备方法得到的高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶。
5.如权利要求4所述的高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶的在3D打印中的应用，其特征在于：将权利要求4所述的高稳定性天然蜡基W/O乳液凝胶添加至3D 打印机中，利用3D打印机根据模型信息进行打印。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于：所述打印，调节打印腔室的内部温度为20~60℃。
7.如权利要求5或6所述的应用，其特征在于：所述打印，打印层厚0.2~0.6mm，壁厚为0.2~0.6mm，填充密度0~20％，底层和顶层厚度为0.2~0.6mm，打印速率为20~120mm/s，打印温度为20~60℃，初始层厚为0.2~0.6mm，初始层线宽为10~80％，底层切除为0mm，移动速率为20~100mm/s，底层速率为20~100mm/s，填充速率为20~100mm/s，底层和顶层速率为20~100mm/s，外壳速率为20~100mm/s，内壁速率为20~100mm/s。
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