摘要：

本研究建立了由乳清分離蛋白（WPI）、羥丙基淀粉（HS）和卡拉膠三類乳化劑穩定的一種3D打印食品乳液。采用低場核磁共振（LF-NMR）技術揭示了WPI、HS和卡拉膠在3D打印食品乳液中氫質子遷移的作用。首先分析WPI、HS和卡拉膠單獨懸浮液的T2譜圖，可以得知WPI 和 HS 懸浮液的 T2 分布中除了結合水、不易流動水和游離水的氫質子之外，還可以顯示出結合單層水的氫質子群，同時，WPI、HS和卡拉膠濃度的升高會降低水流動性；其次，分析混合了WPI、HS和卡拉膠的穩定乳液T2譜圖，游離水氫質子信號與WPI、HS和卡拉膠的濃度密切相關。WPI濃度從2%增加到6%，或者在WPI穩定乳液中加入濃度相對較低的HS和卡拉膠，都可以通過限制水分子的運動來增強WPI穩定乳液體系的穩定性。

研究背景：

三維 （3D） 打印定制食品作為一項新興技術，可為消費者量身定制具有多種口味、顏色和質地結構的個性化食品。目前，已經開發出許多用于擠出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）、蛋白質基材料（乳清蛋白分離物、魚糜等）和淀粉基材料（餅干面團等）。常用的3D食品打印是基于擠出打印的，已有對食品材料的流變性等可打印性研究，但很少有研究不同類型材料（水、脂質等）之間的相互作用如何影響所得制劑中的液體遷移率，從而揭示這些制劑的穩定性機制。

乳液作為水、脂質和乳化劑的互不相溶的穩定混合物，但由于難以混合到所需流變性能的穩定均質狀態，關于開發基于乳液的3D打印食品配方的研究很少，并且，研究食品膠體相互作用對乳液3D打印配方中水分、脂肪遷移的影響也相對缺乏。而低場核磁共振（LF-NMR）作為一種快速且無損的方法，通過確定氫質子在NMR中的弛豫時間來揭示食物中水分子的狀態和運動，以得知水分分布、水油含量、乳液中油和親水膠體分子之間的相互作用等等。本文將使用LF-NMR技術對復雜的3D打印食品乳液配方進行評估。

樣品制備：

乳清分離蛋白（WPI）、羥丙基淀粉（HS）和卡拉膠分別從對應貿易商處購得，大豆油購自當地超市。

分別向蒸餾水中加入濃度為2.0、4.0、6.0（w/v）的WPI、HS和濃度為0.5、1.0、2.0（w/v）的卡拉膠。經過連續加熱和攪拌后獲得樣品名稱WPI2%、WPI4%、WPI6%、HS2%、HS4%、HS6%、Ca0.5%、Ca1%、Ca2%用于表示不同濃度的WPI（2%、4%、6%）、HS（2%、4%、6%）和卡拉膠（0.5%、1%、2%）的懸浮液。

將濃度為0.5-6.0%（w/v）的WPI、HS和卡拉膠加入蒸餾水中;將混合物攪拌加熱與預熱的大豆油與水懸浮液混合，通過高速均質機攪拌再進行連續加熱和攪拌。得到不同WPI、HS和卡拉膠濃度的含油量為20%的乳液。

對應的乳液樣品名稱列見表1。

低場核磁測試設備：

氫質子的遷移特征由核磁共振弛豫測量儀器監測，該儀器由中國蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產，型號：PQ001。

實驗程序：

1.將約5 g樣品置于特氟龍薄膜覆蓋的25 mm NMR樣品管中插入設備。

2.在25°C下使用Carr-Purcell-Meiboom-Gill脈沖序列（CPMG）T2測量，等待時間為2000 ms，回波時間為0.200 ms，共8000次回波和4次重復掃描。利用儀器反演軟件對CPMG衰減曲線進行擬合。

3.在上述分析的基礎上，計算T2峰位、峰面積（A2）和每個峰的相對百分比（%）。此外，最大曲率的時間點（Tcur）定義為衰減曲線達到最大曲率所需的時間，可反映樣品的衰減速度。

4.記錄單組分弛豫時間（T2W），其大約等于信號衰減40%所需的時間

5.連續測量3次。

結果與分析：

單組份乳化劑懸浮液：

根據2%、4%和6%單組份乳化劑懸浮液T2衰減曲線，得到T2W和Tcur。隨著濃度從2%增加到6%， T2w 和 Tcur 減小，意味著更快的衰減過程和對氫質子的結合力更大。說明通過增加乳化劑濃度影響其分子內或分子間相互作用，從而增加其與氫質子的結合能力。

在2%WPI和HS懸浮液中，出現了3個弛豫信號峰，分別代表結合水、不易流動水和游離水。隨著比值增加到4%和6%，會出現了一個新弛豫峰，這是單層水分子通過氫鍵與WPI或HS分子緊密連接。而卡拉膠的氫質子結合力不足以結合單層水分子，所以2%、4%和6%組分都是3個弛豫信號峰。觀察到T2值明顯變小，A25逐漸降低，這表明氫質子的結合力增加，水相遷移率降低。

圖2 不同含量樣品懸浮液的T2弛豫譜圖

通過分析WPI、HS 和卡拉膠懸浮液濃度與弛豫結果的相關性，如圖3，T25為游離水氫質子，A25為總氫質子， WPI、HS和卡拉膠濃度與T25和A25呈現線性關系。

圖3 WPI、HS 和卡拉膠懸浮液濃度與 LF-NMR 參數之間的相關性

不同比例乳化劑穩定的乳液：

根據不同WPI、HS和卡拉膠比例穩定的乳液衰減曲線，最大曲率時間點（Tcur）和單組分弛豫時間（T2W）。增加WPI含量大大加快了WPI穩定乳液的衰減過程。當WPI含量從2%增加到6%（W2%H0%C0%、W4%H0%C0%和W6%H0%C0%）時，乳液的T2W和Tcur值急劇下降。與此類似，在乳液中添加HS也可以縮短衰減過程。這說明WPI穩定乳液中HS和卡拉膠的存在可以通過改變WPI分子相互作用來干預氫質子的狀態。

WPI、HS和卡拉膠形成的乳液橫向弛豫時間（T2）圖譜如圖4-1、4-2、4-3、4-4所示。

在2%WPI的乳液中，除了水分子的氫質子群外，乳液中甘油三酯的氫質子也貢獻了T2峰值信號。與2% WPI分散體的三個特征弛豫峰相比，2% WPI穩定的乳液具有5個峰，T21-T25分別對應緊密結合水、弱結合水、固定水、油、游離水。隨著WPI從2%上升到6%，弱結合水和固定水重合，油信號峰減小。這種現象說明是由于WPI的增加，增強了WPI與水分子的結合，提供了更多的WPI結合水分子來覆蓋油滴，從而降低了水和油分子的遷移率。

HS含量為2%–6%（W4%H2%C0%、W4%H4%C0%和W4% H6%C0%）與4% WPI穩定的乳液（W4%H0%C0%）均有4個弛豫峰，隨著HS含量的增加，A24和A25的分數分別逐漸增加和減少，表明HS促進一些游離水分子的遷移通過形成氫鍵將變成固定水，即通過降低水相中的游離水比例，促進了WPI穩定乳液體系的穩定性。

4% WPI的乳液加入0.5%和1%卡拉膠后，弛豫圖譜中出現4個峰（W4% H0%C0.5%和W4%H0%C1%），T22、T24和T25峰值逐漸向較低的T2遷移，反映了乳液體系中水遷移率的下降，表明卡拉膠對水分子氫質子的結合能力比WPI強。因此，添加卡拉膠可以通過限制水分子的整體遷移率來增加乳液體系的均勻性和穩定性。

在1%卡拉膠（W6%H0%C1%、W4%H2%C1%、W2%H4%C1%、W2%H4%C1%和W0%H6%C1%）乳液體系下，不同WPI/HS比值的樣品中存在4個峰，隨著WPI/HS比值的降低，T25峰位向右側移動，A25峰面積逐漸減小，即游離水遷移率增加，游離水含量不斷下降。這些結果反映了WPI和HS在限制水分子遷移能力方面的差異，HS 分子能夠比 WPI 結合更多的水分子。

最后，分析WPI、HS 和卡拉膠不同比例乳液濃度與弛豫結果的相關性，如圖5，單獨使用WPI或HS或卡拉膠穩定的乳液中，游離水弛豫信號與乳化劑濃度存在良好的相關性。

圖5 不同WPI、HS、卡拉膠不同含量穩定乳液和LF-NMR參數的相關性

結論：

使用低場核磁共振儀對單組份乳化劑懸浮液和不同比例乳化劑穩定的乳液進行弛豫表征。有以下主要結論：

1）WPI、HS和卡拉膠濃度的升高會降低水流動性。乳化劑濃度通過影響其分子內或分子間相互作用，從而增加其與氫質子的結合能力。。

2）WPI、HS和卡拉膠間的相互作用。WPI濃度從2%增加到6%，或者在WPI穩定乳液中加入濃度相對較低的HS和卡拉膠，都可以通過限制水分子的運動來增強WPI穩定乳液體系的穩定性。HS 能夠比 WPI 結合更多的水分子。

3）單獨WPI、HS或卡拉膠的懸浮液，以及單獨制成穩定的乳液中，游離水弛豫信號與乳化劑濃度均存在良好的相關性。

參考文獻：

[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.