2025年2月19日，東北林業大學材料科學與工程學院宦思琪教授團隊在中國科學院一區Top期刊Food Hydrocolloids（IF：11.0）上在線發表了題為“Pickering food emulsions stabilized by bio-nanoparticle complexes: Super high internal phase and 3D printability”的研究型論文。
高內相乳液通常指分散相體積分數超過74%的體系，其高油相濃度和復雜內部結構賦予其獨特的流變特性，在食品工業、多孔材料模板和醫藥等領域展現出廣闊的應用前景。傳統高內相乳液的制備通常需要添加大量常規表面活性劑（5~50 wt%），但隨著環保要求的日益嚴格，這些傳統物質的應用和發展受到了限制。近年來，由生物質膠體顆粒穩定的高內相皮克林乳液（HIPPEs）因其低成本、優異的生物相容性和極低毒性而受到廣泛關注。這類乳液利用固體顆粒在油水界面的不可逆吸附形成機械耐久屏障，有效抑制液滴的聚集與聚并，從而賦予HIPPEs卓越的穩定性和可控的結構特性。此外，HIPPEs的制備過程能耗較低，且對環境友好，使其在綠色可持續制造領域具有重要價值。因此，開發新型環保型HIPPEs基產品不僅具有重要的學術意義，也為工業應用提供了更可持續的解決方案。
多種生物質衍生顆粒已被用作高內相皮克林乳液（HIPPEs）的穩定劑，包括植物蛋白、動物蛋白和明膠等。植物源多糖顆粒因其來源廣泛、可持續性強且成本低廉而極具應用前景，其中，纖維素類材料尤其受到關注。然而，纖維素固有的親水性、微觀尺度調控困難及纖維素納米纖維的自聚集傾向是當前面臨的主要挑戰。現有解決方案如化學修飾和表面活性劑復配雖能提升乳化性能，但可能損害纖維素納米纖維的環保特性與生物相容性。因此，如何在保持纖維素納米纖維固有優勢的前提下，有效增強其界面親和力與乳化能力，成為開發生態友好型乳液的關鍵科學問題。研究發現，電荷特性調控了纖維素納米纖維/納米甲殼素復合物的界面行為，這為開發新型環保乳液提供了重要理論依據。
本研究旨在探究纖維素納米纖維/納米甲殼素復合物作為HIPPEs穩定劑并應用于食品3D打印的可行性。具體而言，將0.5 wt%維素納米纖維和0.5 wt%納米甲殼素懸浮液按照體積比1:1進行復配，經均質化和pH調節（pH=3）處理后，獲得了HIPPEs的穩定劑。通過預乳化結合梯度補加油相的方法，成功構建了含不同油相（葵花籽油/環己烷）體積分數的HIPPEs體系。通過光學顯微鏡、共聚焦激光顯微鏡、掃描電子顯微鏡和靜態光散射分析儀等設備研究了HIPPEs的液滴形態、尺寸、分布狀態及其三維網絡狀態，通過靜置處理分析了HIPPEs的貯藏穩定性及其相關機制，通過流變特性和模型打印評估了HIPPEs作為3D打印墨水的可行性，通過3D打印結合冷凍干燥技術合成了生物基超輕質多孔材料。本研究為可持續生物基材料在食品增材制造、個性化營養載體及輕量化功能材料等領域的應用提供了新思路。
研究亮點
? 0.06%綠色生物基納米顆粒可實現高內相乳液的超高油含量（88%葵花籽油和89%環己烷）。
? 纖維素納米纖絲/納米甲殼素復合物形成的三維網絡結構增強了多尺度可食用材料的成型加工性能。
? 皮克林食品乳液有助于開發可3D成型的食品和超輕質食品基氣凝膠。
研究結論
（1）通過帶相反電荷的纖維素納米纖絲和納米甲殼素復合作為穩定劑，成功制備了可食用的水包葵花籽油的高內相皮克林乳液，向葵花籽油的體積分數高達88%，且該乳液在室溫下可穩定儲存至少60天。
（2）纖維素納米纖維/納米甲殼素復合物在油滴表面形成堅固保護膜以抑制聚結破裂，同時在液滴間構筑顯著網絡結構以阻礙聚集，這種雙重穩定機制是高內向皮克林乳液卓越穩定性的關鍵。
（3）高內相皮克林乳液憑借可調控的微觀結構和粘彈性特性，能夠通過直寫式3D打印技術精準構建多級多孔結構。
（4）以揮發性油相（環己烷）替代葵花籽油時，其體積分數可達89%，結合3D打印和冷凍干燥技術可制備出生物基超輕多孔材料。
（5）該研究將為未來開發多功能乳液在3D打印食品、食品基超輕氣凝膠等領域的應用提供關鍵理論支撐與技術平臺。
圖文賞析
圖1.?圖解摘要。
圖2.?（a）基于纖維素納米纖維/納米甲殼素復合物穩定的高內相皮克林乳液（HIPPEs）的制備流程圖、（b）HIPPEs的宏觀形貌、（c）液滴粒徑分布及初始平均直徑(D32)、（d）剪切稀化特性和（e）葵花籽油體積分數為50%~89%時乳液的模量變化。圖(b)中各樣品下方標注對應油相的體積分數，圖(e)中實心與空心符號分別表示儲能模量(G′)和損耗模量(G″)。
圖3.?（a）油相體積分數為50%~88%時高內相皮克林乳液（HIPPEs）的光學顯微鏡圖像，比例尺為100μm；（b）油相體積分數為50%~88%時HIPPEs的共聚焦激光顯微鏡圖像（雙通道）。上排和中排分別為油相和纖維素納米纖維/納米甲殼素復合物的圖像，底排為合并圖像。所有樣品在室溫下儲存24 h后觀察，比例尺為50 μm。
圖4.?（a-b）葵花籽油體積分數為85%時高內相皮克林乳液（HIPPEs）液滴的低溫掃描電鏡圖像，分別顯示（a）低倍率和（b）高倍率形貌；（b）中紅色虛線框標記了更高倍率的觀察區域；（c）含80%環己烷的
HIPPEs經冷凍干燥制備的多孔固體泡沫的掃描電子顯微鏡圖像；（c）中插圖為該固體泡沫放置于綠蘿葉片上的實物照片，紅色與綠色虛線框標記了展示內部多孔結構的放大區域。
圖5.?葵花籽油體積分數為75%~88%時高內相皮克林乳液的共聚焦激光顯微鏡的雙通道圖像。所有樣品均在室溫下儲存60天后觀察。上排和中排分別為油相和纖維素納米纖維/納米甲殼素復合物的圖像，底排為合并圖像。比例尺為100 μm。
圖6.?（a）高內相皮克林乳液（HIPPEs）穩定機制以及直寫成型3D打印的示意圖;（b）葵花籽油體積分數
88%的HIPPEs振蕩流變測試結果，剪切屈服應力由儲能模量與損耗模量交點標示；（c）基于HIPPEs的
3D打印雪花模型，左圖為成型后即刻拍攝，右圖為室溫儲存1天后拍攝；（d）基于HIPPEs的3D打印草莓模型的俯視圖（左圖）與側視圖（右圖）；（e）基于HIPPEs的3D打印字母模型。打印測試所用HIPPEs的葵花籽油體積分數均為88%。
圖7. （a）在不同填充密度下基于高內相皮克林乳液（環己烷體積分數為89%）打印的立方網格的俯視圖。上排為水合狀態物體，下排為干燥結構，比例尺為1 cm；（b）圖（a）黑色虛線框內打印網格交叉處的掃描電子顯微鏡圖像；（c-d）圖（b）內部多孔結構的放大的掃描電子顯微鏡圖像，紅色與綠色虛線框分別標記了放大區域。比例尺依次為300、100和1 μm。
作者簡介
宦思琪，博士，碩士生導師，東北林業大學材料科學與工程學院教授。主要從事靜電紡絲、3D打印等新型成型方法在納米生物基材料的設計、合成及功能化應用方面的研究。主持黑龍江省自然科學基金青年項目、黑龍江省博士后項目、東北林業大學“成棟優秀青年”科研啟動項目、齊魯工業大學國家重點實驗室開放項目等5項；共發表SCI論文78余篇，總被引超過4336次，H-index為34，參與編寫著作1部，申請發明專利3項。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2025.111251
