油凝胶化被认为是一种制备健康固体脂肪替代物的有效策略，而气凝胶模板法作为一种新的油凝胶制备方法在近年来受到越来越多的关注，其能够利用生物高分子构建多孔气凝胶模板用于吸油，具有制备高性能油凝胶的潜力。然而，该方法仍存在产品硬度过高、吸油效率低等缺陷，有必要进一步优化制备策略，开发出具有理想机械性能、高吸油效率等特性的气凝胶模板和油凝胶材料。
近日，浙江大学张辉教授在期刊《Food Chemistry》上，发表了最新研究成果“Fabrication, characterization, and in vitro digestion of gelatin/gluten oleogels from thermally crosslinked electrospun short fiber aerogel templates”。研究者通过静电纺丝短纤维自组装和气凝胶模板法，制备出具有良好疏水性、弹性恢复能力和高吸油能力的气凝胶模板。改变纤维添加量与热交联程度，可以控制油凝胶的流变和体外消化特性。结合静电纺丝技术制备气凝胶模板为设计新型油凝胶提供了全新的研究灵感。
首先，通过静电纺丝获得明胶/面筋蛋白纳米纤维膜，然后按照一定的质量体积比将其与液态叔丁醇混合并均质，完全均匀后得到纤维分散相，再通过真空冷冻干燥即得纤维气凝胶模板。不同于水凝胶基气凝胶的蜂巢状孔隙结构和常规电纺纤维膜的致密纤维分布，纤维气凝胶模板的微观形貌呈现出疏松的纤维结构，且具有较高的孔隙率，有利于模板吸附大量的液体油（图1）。
图1：电纺纤维气凝胶模板的微观纤维形貌和孔隙率。
如图2所示，气凝胶模板经过190℃，20h的热处理后具有最高的弹性模量（25 kPa）、屈服强度（14.56 kPa）和抗压强度（52.54 kPa），反映出热交联对模板力学性能的显著影响。引入静电纺丝技术构建气凝胶模板后，样品具有了独特的回弹能力，受外力挤压后仍可恢复一定的高度。在100次的疲劳试验（循环压缩）后，模板仍能恢复高度至50%以上，低程度热交联（190℃，2h）的样品恢复率最高，可达91.27%。气凝胶模板具备更理想的硬度及弹性，这使其能够适用于更多的食品加工步骤。
图2：纤维气凝胶模板的压缩、疲劳测试。
如图3A所示，高程度热交联使气凝胶模板得到良好且稳定的疏水性，而水滴在其他样品表面上均会快速下沉。吸油持油能力结果表明，随着面筋蛋白电纺纤维含量增加，吸油能力会由76.56g/g下降至35.35g/g，但持油能力会从64.31%提升至83.21%。而热交联不会影响样品的吸油持油能力。值得一提的是，吸油过程可以在5min内完成，其效率相较于水凝胶基气凝胶吸油有很大的提升。
图3：高程度热交联纤维气凝胶的水接触角和热交联、吸油示意图。
图4：油凝胶的体外消化特性和PCA分析。
此外，流变学表征证明热交联能够提升油凝胶的触变恢复率，这进一步拓展了油凝胶应用于替代油脂产品的前景。体外消化实验表明，油凝胶中更高的纤维含量和更高程度的热交联均会导致更平稳且更少的游离脂肪酸脂肪；PCA分析汇总了样品的各项指标，揭示了不同样品配方和各参数间的相关性，如游离脂肪酸释放量与样品孔隙率、吸油能力呈正相关（图4）。本研究为设计新型蛋白基静电纺丝气凝胶模板化油凝胶材料提供了有效方法。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308814624014547#f0030
人物简介：
张辉，浙江大学食品科学与营养系副主任，国家神农青年英才，教授，博士生导师，主要从事粮油食品与功能健康领域的研究工作。2004年6月获吉林大学食品科学与工程专业学士学位，2009年6月获浙江大学食品科学专业博士学位。受德国政府DAAD学术交流中心的资助，2010年10月至2012年8月赴德国University of Hohenheim从事博士后工作。受中国国家留学基金委的资助，2014年8月至2015年8月赴美国University of California Davis作为访问学者开展合作研究。目前担任International Journal of Biological Macromolecules期刊(IF 8.2)副主编，Food Packaging and Shelf Life期刊(IF 8.0)编委、美国油脂化学家协会(AOCS)中国分会理事、中国粮油学会理事、中国生物发酵产业协会生物资源提取分会理事、中国健康管理协会膳食营养健康分会理事、浙江省食品添加剂和配料行业协会专家委员会委员等学术兼职。承担了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省自然科学基金杰青项目、浙江省重点研发计划等国家级省部级项目，在Chemical Engineering Journal、Small等期刊发表论文150余篇，授权发明专利20余项，与中粮、益海嘉里等世界500强企业开展合作研究。作为第一完成人，完成的“山茶油提质增效关键技术创新与高值化应用”获2021年浙江省科技进步二等奖。
