キトサンを使用して筋原線維タンパク質安定化高内相エマルジョンを制御し、3Dプリント食品の性能を向上させる

出典：国立食肉センター

南京農業大学の Feiyu Zhang 氏らは、Carbohydrate Polymers (IF=11.2) 誌に「キトサンを使用した筋原線維タンパク質安定化高内相エマルジョンの特性の調整による 3D プリント食品の強化」と題する実験論文を発表しました (対応著者: Xinglian Xu)。

高内部相エマルジョン (HIPE) は、内部相の体積が 74% を超えるエマルジョンゲルであり、不規則な形状で相互接続された液滴のゲル状ネットワークで構成され、エマルジョンに半固体の質感を与えます。食品コロイドの 3D プリントでは、合成乳化剤の代替として生体適合性材料を使用する傾向が高まっています。これらの選択肢の中で、肉タンパク質、特に筋原線維タンパク質（MP）は、その低アレルギー性とバランスの取れた栄養プロファイルで注目を集めています。しかし、HIPE を安定化するために MP だけに頼るだけでは、3D プリントされた食品に望ましい食感特性を十分に得るのに十分ではない可能性があります。この制限に対処するために、HIPE に多糖類を組み込むことで、増粘、自立、ネットワーク構造の強化など、複数の機能を実現できます。さらに、MP 安定化 HIPE の限界に効果的に対処するには、多糖類の種類、導入方法、システム強化メカニズム、および適用範囲の選択を慎重に検討する必要があります。

この研究では、キトサン（CS）濃度（0～1.5重量％）がMPベースのHIPEの物理化学的特性、微細構造、レオロジー特性、およびエマルジョン安定性に及ぼす影響を調査しました。結果は、MP と CS の相互作用が界面張力とネットワーク構造を変化させることで HIPE の形成を効果的に制御することを示しています。 CS（0.9重量％以下、特に0.6重量％）の添加は空間バリアとして機能し、液滴間のネットワークを満たし、CSとMP粒子間の静電反発を引き起こし、MPの界面吸着容量を強化し、液滴サイズの減少、エマルジョン安定性の増加をもたらし、凍結融解サイクル、遠心分離、熱処理中のHIPEの安定性が向上しました。さらにレオロジー分析により、MP ベースの HIPE の低い貯蔵弾性率 (G′、330.7 Pa) が自立段階でたるみや変形を示すことが明らかになりました。しかし、CS（0.6重量％）を添加すると、MPベースのHIPEのG'（1034 Pa）が大幅に増加しました。対照的に、CS（> 0.9 wt.%）によって引き起こされる粘度と立体抵抗の増加により、エマルジョン液滴サイズが大幅に拡大し、MP ベースの HIPE の印刷性が低下しました。これらの発見は、MP 安定化 HIPE を使用して高性能で消費者が満足する 3D 印刷インクを開発するための有望な戦略を提供します。

1. MPベースのHIPEの単一因子実験設計

図1. MP濃度、均質化速度、均質化時間がHIPEエマルジョンの粒子サイズ（D4,3）と貯蔵弾性率（G'）に与える影響。 (A) MP濃度（0〜4重量％）、(B) 均質化速度（4000〜16000 rpm）、(C) 均質化時間（60〜240秒）
2. 中性および酸性条件下での MP の微細構造 図2. (A) MP電気泳動; (B) pH 7.0およびpH 3.5におけるMP水溶液の外観とTEM像; (C) 筋原線維、ミオシンフィラメント、アクチンフィラメント、およびモノマーミオシンの大きさと構造の模式図
3. MP/CS混合溶液の粒子形態

図3. MP/CS混合溶液の構造。 (A) 外観; (B) AFM画像
4. MP/CS混合溶液の粒子特性評価 図4. MP/CS混合溶液（pH 3.5）の特性。 (A) FTIRスペクトル、(B) 粒子サイズ、(C) ゼータ電位、(D) 界面張力
5. MP/CS安定化HIPEの特性評価 図5. (A) 外観とCLSM画像、(B) 液滴のサイズと分布、(C) タービスキャン安定度指数、(D) 後方散乱光の変化
6. MP/CS安定化HIPEインクのレオロジー特性評価 図 6. MP/CS 安定化 HIPE のレオロジー特性。 (A) せん断速度スイープ; (B) 0.1 s-1 での MP/CS 安定化 HIPE の粘度; (C) 3 間隔チキソトロピー試験; (D) 周波数スイープ; (E) ひずみスイープ; (F) ひずみスイープの損失係数 (G''/G')
7. MP/CS安定化HIPEインクの物理的安定性 図 7. MP/CS 安定化 HIPE の物理的安定性。 (A) 新鮮な HIPE と 80°C で 30 分間加熱した新鮮な HIPE の外観。(B) 光学顕微鏡写真 (×20 および ×40)。(C) 凍結融解処理前後の HIPE の外観。(D) 8000 rpm で 15 分間遠心分離した後の HIPE の外観。
8. MP/CS安定化HIPEsインクの印刷適性 図 8. (A) 3D プリンターと設計モデル、(B) 3D プリントされた HIPE の比較。それぞれMP（1.5重量％）とMP/CS（1.5重量％/0.6重量％）で安定化。（C）3Dプリントされた「ハート型」、「長方形のブロック」、「五芒星」、「月餅」の外観。
9. MP/CS溶液がHIPEを安定化させるメカニズムの仮説 図 9. CS 添加が MP ベース HIPE の形成に与える影響の仮説的メカニズム。 (A) 0重量% CS、(B) 0.6重量% CS、(C) 1.5重量% CS
結論（１）均質化速度とMP濃度を増加させることで安定したHIPEを形成することができる。しかし、MP のみで安定化された HIPE は印刷性が悪かった。
（２）CS濃度はMPベースHIPEの印刷性と安定性に大きく影響する。 CS 濃度の増加 (≤0.9 wt.%) は、高密度の粘弾性界面フィルムの形成に有益であり、液滴の凝集に効果的に抵抗し、遠心分離、凍結融解サイクル、および熱処理下での HIPE の安定性を向上させます。特に、0.6 wt.% CS を含む MP ベースの HIPE は、チキソトロピー回復や自立挙動などの優れた印刷特性を示しました。対照的に、CS 含有量が過剰 (> 0.9 wt.%) になると、液滴サイズが大きくなり、MP ベースの HIPE のレオロジー特性が低下します。

ソース：
Zhang, F., Wang, P., Huang, M., & Xu, X. (2023). キトサンを使用した筋原線維タンパク質安定化高内相エマルジョンの特性の調整による 3D プリント食品の強化。炭水化物ポリマー、121540。

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