改善3D打印的蚕豆蛋白乳液：物理处理和pH值在开发适合吞咽困难人群的食物中的作用

张新怡|杨志

梅西大学食品技术与自然科学学院，新西兰奥克兰0632

摘要

近期在吞咽障碍管理方面的进展突显了植物基蛋白质在开发改良质地食品方面的潜力。蚕豆蛋白分离物（FPI）因其凝胶能力、营养价值和乳化特性而成为一个有前景的候选材料。同时，基于注射器的3D挤出打印技术能够制造出定制化且外观吸引人的适合吞咽障碍患者的食品。本研究旨在开发并表征用于吞咽障碍应用的3D打印FPI基乳液。FPI分散液在pH 2、5、7和9下制备，并分别进行了热处理、冷超声处理或热超声处理。在pH 5（接近等电点pI ≈ 4.5）时，由于静电排斥作用减弱，分散液的颗粒尺寸最大且溶解度最低。相比之下，在非等电pH条件下进行热超声处理产生了更小的颗粒和更高的溶解度，这可能是由于热变性和超声空化共同作用的结果。所有乳液都表现出类固体的粘弹性和剪切稀化行为。在pH 7下通过热超声处理的FPI稳定的乳液显示出最小的油滴尺寸（D[4,3] ≈ 4.9 μm）和最高的凝胶强度（G′ ≈ 3538 Pa），从而形成了更优的自支撑结构和可打印性。该配方符合国际吞咽障碍饮食标准化倡议（IDDSI）6级标准，而其他配方仅达到4级。总体而言，研究结果表明pH值和物理处理方式共同影响了蛋白质的功能性、乳液微观结构及流变行为。在pH 7下通过热超声处理的FPI表现出最佳性能，具有优异的凝胶强度、可打印性和结构稳定性。这些发现为设计基于植物蛋白的3D打印乳液系统提供了重要见解，并强调了它们作为可定制的、适合吞咽障碍患者的食品平台的潜力。

引言

吞咽障碍表现为咀嚼和吞咽食物困难（Grech等人，2018年），随着老年人身体机能下降和口腔健康状况恶化，这种情况在老年人中越来越普遍。这可能导致严重的并发症，包括营养不良（Dick等人，2020年）。虽然通常使用改良质地的泥状食品和食品凝胶作为干预措施，但它们往往缺乏视觉吸引力和口感，以及适当的稠度（Liu等人，2023年）。因此，迫切需要开发既营养充足又感官可接受的适合吞咽障碍患者的饮食。

三维（3D）食品打印作为一种创新方法，可以精确控制食品的质地、结构和份量，将无定形的泥状食品转化为符合个人饮食需求的视觉上吸引人的食品（Liu等人，2024年）。此外，3D食品打印还可以根据不同的饮食需求定制食谱（Escalante-Aburto等人，2021年）。例如，欧盟PERFORMANCE项目成功使用3D打印技术为吞咽困难的老年患者生产了具有定制营养成分的软食品（Feng等人，2019年）。

在各种可打印材料中，乳液因其可调的流变特性、结构稳定性和封装功能性成分的能力而受到关注。在食品应用中最常见的挤出基3D打印方法要求食品墨水具有剪切稀化行为：挤出过程中粘度低，挤出后粘度高以保持结构完整性（Hussain等人，2022年；Sun等人，2018年）。由蛋白质稳定的乳液可以通过形成沉积后能保持形状的半固态系统来满足这些要求（So等人，2026年）。这些系统表现出粘弹性和剪切稀化行为的结合，使它们在低应力下保持形状的同时，在外力作用下仍能流动。这种流变特性对于3D打印等应用特别有利，因为结构完整性和可打印性至关重要（Hu等人，2023年）。乳液还为封装和输送生物活性化合物提供了多功能平台，包括疏水性色素、调味剂和脂溶性维生素（如维生素A、D和E）（Gao等人，2021年）。它们可定制的质地和营养潜力使其成为开发适合吞咽障碍患者的食品和其他功能性食品产品的理想候选材料（Xiao等人，2016年）。鉴于老年人通常被建议限制脂肪摄入量，因此有必要明确本研究中开发的高内相乳液（HIPE）系统的适用性。尽管HIPE本身含有较高的油含量，但其主要作用是提供实现适合吞咽障碍患者食品设计所需流变特性和可打印性所需的结构框架。减少油含量会显著影响自支撑网络的形成，从而影响打印性能（Zhang等人，2021年）。从实际角度来看，可以通过控制份量来管理膳食脂肪摄入量，使系统符合老年人的营养指南。此外，与传统乳液相比，HIPE系统作为脂溶性营养素的输送载体具有明显优势。它们密集的液滴结构和较大的界面面积可以提高封装效率，并保护敏感化合物免受降解（Durgut & Claeyssens，2025年）。此外，HIPE的半固态、凝胶状网络可以提供更好的物理稳定性，从而实现更可控的释放和消化行为，提高脂溶性营养素（如维生素A和D以及类胡萝卜素）的生物利用度（Li等人，2023年）。

蚕豆（Vicia faba L.）是一种可持续且富含蛋白质的豆类，具有巨大的食品应用潜力（Alavi等人，2021年；Augustin和Cole，2022年）。与其他植物和动物基蛋白质相比，蚕豆蛋白具有多个优势，包括完整的必需氨基酸谱、温和的风味、高消化率以及较低的环境影响（Augustin和Cole，2022年；Hu等人，2025年）。此外，蚕豆在食品应用中尚未得到充分利用，使其成为开发下一代结构化食品的有前景和可持续的蛋白质来源（Thomsen等人，2025年）。然而，像许多植物蛋白一样，其天然形式的溶解度和功能性较差（Luo等人，2022年）。通过pH调节、热处理、超声处理和热超声处理等物理改性方法可以增强植物蛋白的功能性（Hu等人，2025年）。pH值可以影响蛋白质的溶解度和静电相互作用，而热处理和超声处理可以通过诱导蛋白质展开、聚集和改善界面行为来提高乳化能力（Hu等人，2024年；Luo等人，2022年）。尽管蚕豆蛋白具有广阔的应用潜力，但某些豆类蛋白一样，它也可能具有致敏性（Cutroneo等人，2025年；Martineau-Côté等人，2022年）。然而，现有证据表明，与大豆或花生等主要过敏原相比，其致敏性相对较低（Smits等人，2021年），尽管仍需进一步研究以全面评估其在敏感人群中的安全性。

尽管先前的研究已经探讨了蚕豆蛋白的功能特性及其在乳液或结构化食品中的应用（Coker等人，2025年；Hu等人，2023年；Shen等人，2026年），但仍然缺乏对联合物理化学改性（特别是pH调节和热超声处理）如何影响高内相乳液（HIPE）等复杂系统中蛋白质结构-功能关系的系统理解。此外，关于将这些改性植物蛋白系统整合到3D食品打印中以用于吞咽障碍应用的研究也非常有限。

为填补这一空白，本研究系统地研究了pH值（2、5、7、9）和物理处理（热处理、超声处理和热超声处理）对FPI稳定乳液的结构形成、技术功能特性和3D可打印性的影响。使用国际吞咽障碍饮食标准化倡议（IDDSI）框架评估了所得凝胶在吞咽障碍管理中的适用性。

章节片段

材料

蚕豆蛋白分离物（FPI）的蛋白质含量约为85%（w/w），购自NZ Protein Inc.（新西兰奥克兰）。大豆油从当地超市（PAK'nSAVE，新西兰奥克兰）购买。叠氮化钠、HCl、NaOH、十二烷基硫酸钠（SDS）、Fast Green和低粘度矿物油（M5904）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。SDS-PAGE试剂包括Laemmli样品缓冲液、β-巯基乙醇、Tris/Glycine/SDS运行缓冲液和Coomassie Brilliant Blue

SDS-PAGE结果表征了经过不同处理的蚕豆蛋白分离物（FPI）分散液的蛋白谱（图1）。结果与先前报道的蚕豆蛋白SDS-PAGE谱一致（Alavi等人，2021年；Hu等人，2023年）。在非还原条件下，每个泳道的顶部观察到了强烈的蛋白质条带（图1A和B），这表明存在分子量大于250 kDa的大蛋白质复合物（Hu等人，

结论

本研究系统地研究了pH调节和物理处理（热处理、冷超声处理和热超声处理）对蚕豆蛋白（FPI）的过程-结构-功能关系的影响及其对乳液设计和3D打印性能的意义。结果表明，pH值和处理条件在调节蛋白质颗粒大小、溶解度、界面行为和流变特性方面起着关键作用。

本研究的一个关键发现是

杨志：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，资源管理，项目协调，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。张新怡：撰写 – 原稿，可视化，方法学研究，调查，正式分析。

作者声明没有利益冲突。

我们感谢梅西大学帕默斯顿北分校的Manawatu显微镜和成像中心（MMIC）提供的技术支持和帮助。作者杨志感谢美国夏威夷大学马诺阿分校的启动基金和夏威夷社区基金会（资助编号MedRes_2025_00010071）对本工作的部分资助。