【文献解读】暨南大学卢旋旋团队《Food Hydrocolloids》：低场核磁在表征3D打印乳液不同乳化剂中的应用

摘要：

本研究建立了由乳清分离蛋白（WPI）、羟丙基淀粉（HS）和卡拉胶三类乳化剂稳定的一种3D打印食品乳液。采用低场核磁共振（LF-NMR）技术揭示了WPI、HS和卡拉胶在3D打印食品乳液中氢质子迁移的作用。首先分析WPI、HS和卡拉胶单独悬浮液的T2谱图，可以得知WPI 和 HS 悬浮液的 T2 分布中除了结合水、不易流动水和游离水的氢质子之外，还可以显示出结合单层水的氢质子群，同时，WPI、HS和卡拉胶浓度的升高会降低水流动性；其次，分析混合了WPI、HS和卡拉胶的稳定乳液T2谱图，游离水氢质子信号与WPI、HS和卡拉胶的浓度密切相关。WPI浓度从2%增加到6%，或者在WPI稳定乳液中加入浓度相对较低的HS和卡拉胶，都可以通过限制水分子的运动来增强WPI稳定乳液体系的稳定性。

研究背景：

三维 （3D） 打印定制食品作为一项新兴技术，可为消费者量身定制具有多种口味、颜色和质地结构的个性化食品。目前，已经开发出许多用于挤出3D食品打印的食品配方，例如水果和蔬菜基材料（草莓、土豆泥等）、蛋白质基材料（乳清蛋白分离物、鱼糜等）和淀粉基材料（饼干面团等）。常用的3D食品打印是基于挤出打印的，已有对食品材料的流变性等可打印性研究，但很少有研究不同类型材料（水、脂质等）之间的相互作用如何影响所得制剂中的液体迁移率，从而揭示这些制剂的稳定性机制。

乳液作为水、脂质和乳化剂的互不相溶的稳定混合物，但由于难以混合到所需流变性能的稳定均质状态，关于开发基于乳液的3D打印食品配方的研究很少，并且，研究食品胶体相互作用对乳液3D打印配方中水分、脂肪迁移的影响也相对缺乏。而低场核磁共振（LF-NMR）作为一种快速且无损的方法，通过确定氢质子在NMR中的弛豫时间来揭示食物中水分子的状态和运动，以得知水分分布、水油含量、乳液中油和亲水胶体分子之间的相互作用等等。本文将使用LF-NMR技术对复杂的3D打印食品乳液配方进行评估。

样品制备：

乳清分离蛋白（WPI）、羟丙基淀粉（HS）和卡拉胶分别从对应贸易商处购得，大豆油购自当地超市。

分别向蒸馏水中加入浓度为2.0、4.0、6.0（w/v）的WPI、HS和浓度为0.5、1.0、2.0（w/v）的卡拉胶。经过连续加热和搅拌后获得样品名称WPI2%、WPI4%、WPI6%、HS2%、HS4%、HS6%、Ca0.5%、Ca1%、Ca2%用于表示不同浓度的WPI（2%、4%、6%）、HS（2%、4%、6%）和卡拉胶（0.5%、1%、2%）的悬浮液。

将浓度为0.5-6.0%（w/v）的WPI、HS和卡拉胶加入蒸馏水中;将混合物搅拌加热与预热的大豆油与水悬浮液混合，通过高速均质机搅拌再进行连续加热和搅拌。得到不同WPI、HS和卡拉胶浓度的含油量为20%的乳液。

对应的乳液样品名称列见表1。

低场核磁测试设备：

氢质子的迁移特征由核磁共振弛豫测量仪器监测，该仪器由中国半岛网页版生产，型号：PQ001。

实验程序：

1.将约5 g样品置于特氟龙薄膜覆盖的25 mm NMR样品管中插入设备。

2.在25°C下使用Carr-Purcell-Meiboom-Gill脉冲序列（CPMG）T2测量，等待时间为2000 ms，回波时间为0.200 ms，共8000次回波和4次重复扫描。利用仪器反演软件对CPMG衰减曲线进行拟合。

3.在上述分析的基础上，计算T2峰位、峰面积（A2）和每个峰的相对百分比（%）。此外，最大曲率的时间点（Tcur）定义为衰减曲线达到最大曲率所需的时间，可反映样品的衰减速度。

4.记录单组分弛豫时间（T2W），其大约等于信号衰减40%所需的时间

5.连续测量3次。

结果与分析：

单组份乳化剂悬浮液：

根据2%、4%和6%单组份乳化剂悬浮液T2衰减曲线，得到T2W和Tcur。随着浓度从2%增加到6%， T2w 和 Tcur 减小，意味着更快的衰减过程和对氢质子的结合力更大。说明通过增加乳化剂浓度影响其分子内或分子间相互作用，从而增加其与氢质子的结合能力。

在2%WPI和HS悬浮液中，出现了3个弛豫信号峰，分别代表结合水、不易流动水和游离水。随着比值增加到4%和6%，会出现了一个新弛豫峰，这是单层水分子通过氢键与WPI或HS分子紧密连接。而卡拉胶的氢质子结合力不足以结合单层水分子，所以2%、4%和6%组分都是3个弛豫信号峰。观察到T2值明显变小，A25逐渐降低，这表明氢质子的结合力增加，水相迁移率降低。

图2 不同含量样品悬浮液的T2弛豫谱图

通过分析WPI、HS 和卡拉胶悬浮液浓度与弛豫结果的相关性，如图3，T25为游离水氢质子，A25为总氢质子， WPI、HS和卡拉胶浓度与T25和A25呈现线性关系。

图3 WPI、HS 和卡拉胶悬浮液浓度与 LF-NMR 参数之间的相关性

不同比例乳化剂稳定的乳液：

根据不同WPI、HS和卡拉胶比例稳定的乳液衰减曲线，最大曲率时间点（Tcur）和单组分弛豫时间（T2W）。增加WPI含量大大加快了WPI稳定乳液的衰减过程。当WPI含量从2%增加到6%（W2%H0%C0%、W4%H0%C0%和W6%H0%C0%）时，乳液的T2W和Tcur值急剧下降。与此类似，在乳液中添加HS也可以缩短衰减过程。这说明WPI稳定乳液中HS和卡拉胶的存在可以通过改变WPI分子相互作用来干预氢质子的状态。

WPI、HS和卡拉胶形成的乳液横向弛豫时间（T2）图谱如图4-1、4-2、4-3、4-4所示。

在2%WPI的乳液中，除了水分子的氢质子群外，乳液中甘油三酯的氢质子也贡献了T2峰值信号。与2% WPI分散体的三个特征弛豫峰相比，2% WPI稳定的乳液具有5个峰，T21-T25分别对应紧密结合水、弱结合水、固定水、油、游离水。随着WPI从2%上升到6%，弱结合水和固定水重合，油信号峰减小。这种现象说明是由于WPI的增加，增强了WPI与水分子的结合，提供了更多的WPI结合水分子来覆盖油滴，从而降低了水和油分子的迁移率。

HS含量为2%–6%（W4%H2%C0%、W4%H4%C0%和W4% H6%C0%）与4% WPI稳定的乳液（W4%H0%C0%）均有4个弛豫峰，随着HS含量的增加，A24和A25的分数分别逐渐增加和减少，表明HS促进一些游离水分子的迁移通过形成氢键将变成固定水，即通过降低水相中的游离水比例，促进了WPI稳定乳液体系的稳定性。

4% WPI的乳液加入0.5%和1%卡拉胶后，弛豫图谱中出现4个峰（W4% H0%C0.5%和W4%H0%C1%），T22、T24和T25峰值逐渐向较低的T2迁移，反映了乳液体系中水迁移率的下降，表明卡拉胶对水分子氢质子的结合能力比WPI强。因此，添加卡拉胶可以通过限制水分子的整体迁移率来增加乳液体系的均匀性和稳定性。

在1%卡拉胶（W6%H0%C1%、W4%H2%C1%、W2%H4%C1%、W2%H4%C1%和W0%H6%C1%）乳液体系下，不同WPI/HS比值的样品中存在4个峰，随着WPI/HS比值的降低，T25峰位向右侧移动，A25峰面积逐渐减小，即游离水迁移率增加，游离水含量不断下降。这些结果反映了WPI和HS在限制水分子迁移能力方面的差异，HS 分子能够比 WPI 结合更多的水分子。

最后，分析WPI、HS 和卡拉胶不同比例乳液浓度与弛豫结果的相关性，如图5，单独使用WPI或HS或卡拉胶稳定的乳液中，游离水弛豫信号与乳化剂浓度存在良好的相关性。

图5 不同WPI、HS、卡拉胶不同含量稳定乳液和LF-NMR参数的相关性

结论：

使用低场核磁共振仪对单组份乳化剂悬浮液和不同比例乳化剂稳定的乳液进行弛豫表征。有以下主要结论：

1）WPI、HS和卡拉胶浓度的升高会降低水流动性。乳化剂浓度通过影响其分子内或分子间相互作用，从而增加其与氢质子的结合能力。。

2）WPI、HS和卡拉胶间的相互作用。WPI浓度从2%增加到6%，或者在WPI稳定乳液中加入浓度相对较低的HS和卡拉胶，都可以通过限制水分子的运动来增强WPI稳定乳液体系的稳定性。HS 能够比 WPI 结合更多的水分子。

3）单独WPI、HS或卡拉胶的悬浮液，以及单独制成稳定的乳液中，游离水弛豫信号与乳化剂浓度均存在良好的相关性。

参考文献：

[1] Yinglin Zhong, Qingying Cai, Qingrong Huang, Xuanxuan Lu, Application of LF-NMR to characterize the roles of different emulsifiers in 3D printed emulsions, [J].Food Hydrocolloids, Volume 133,2022,107993,ISSN 0268-005X.