Influence of Hydrogel/Oleogel Ratios on Structural and Physicochemical Properties of Bigels as Texture Modifier and 3D Printing Applications for Bovine Adipose Tissue Substitute

Abstract

The excessive consumption of saturated and trans fats has heightened the demand for healthier fat substitutes that replicate the sensory and functional properties of traditional fats. Bigels, composite systems combining hydrophilic and lipophilic phases, have emerged as promising alternatives due to their tunable textural and mechanical properties. In this study, bigels formulated with hydrogels, comprising waxy corn starch (WCS), κ-carrageenan (KC) and gellan gum (GG) and oleogels, composed of candelilla wax (CW) and sunflower oil (SFO) were developed at varying hydrogel-to-oleogel ratios (H10O0, H7O3, H5O5, H3O7, and H0O10) to explore their potential as fat replacers mimicking bovine adipose tissue. The H7O3 formulation (70% hydrogel, 30% oleogel) demonstrated optimal textural and mechanical properties, closely resembling those of bovine adipose tissue. Dynamic light scattering (DLS) and confocal laser scanning microscopy (CLSM) confirmed enhanced dispersion stability with increasing oleogel content, while mechanical analysis revealed a trade-off in structural robustness. Heating-induced microstructural changes were further studied by incorporating gelatin and collagen into the , H7O3 formulation, enabling biomimicry of thermal transformations observed in natural bovine adipose tissue. These modifications improved the thermal stability and structural integrity of the bigel system. The results indicate that bigels are versatile systems capable of functioning as texture modifiers in advanced food applications, including 3D food printing. Among the tested formulations, , H7O3 exhibited the most promising balance of mechanical stability and biomimetic characteristics, offering a plant-based, sustainable alternative to traditional fats. This study contributes to the growing field of alternative food design by highlighting the potential of bigels as both functional fat substitutes and innovative platforms for food engineering. ;본 연구는 하이드로겔과 올레오겔로 구성된 비겔 시스템을 다양한 비율로 조합하여 텍스처 조절제로서의 가능성과 동물성 지방 대체제로서의 활용 가능성을 평가하였습니다. 하이드로겔(찰옥수수 전분, 카파 카라기난 그리고 젤란검)과 올레오겔(칸델릴라 왁스와 해바라기유)을 각각 다양한 비율(H10O0, H7O3, H5O5, H3O7와 H0O10)로 조합하여 제조하였으며, 조성비에 따라 비겔의 구조적, 분산 안정성 및 유변학적 특성이 어떻게 변화하는지 분석하였습니다. 실험 결과, 하이드로겔 함량이 높은 H7O3 (하이드로겔 70%, 올레오겔 30%) 시료는 oil-in-water(O/W) 구조를 형성하며, 우수한 기계적 안정성과 분산 특성을 나타냈습니다. FTIR 분석에서는 하이드로겔과 올레오겔 간의 상호작용으로 인해 형성된 네트워크 구조를 확인하였으며, 광학 현미경 관찰을 통해 조성비에 따른 미세구조의 차이를 시각적으로 검증하였습니다. 또한, zeta potential과 DLS 분석 결과, 올레오겔 함량이 증가할수록 입자 간 상호작용이 증가하여 분산 안정성이 개선됨을 확인하였습니다. 유변학적 분석에서는 하이드로겔과 올레오겔의 비율 조정이 비겔의 기계적 물성 및 유동 특성을 조절할 수 있는 중요한 요소임을 입증하였습니다. 더 나아가, H7O3 시료에 동물성 소재(젤라틴 및 콜라겐 등)를 첨가하여 소 지방 조직의 특성을 모사하려는 시도를 하였습니다. 가열 램프(t-ramp) 실험을 통해 동물성 소재의 첨가가 비겔의 열적 안정성과 구조적 강도를 향상시키는 동시에 소 지방 조직의 단백질 변성 및 젤화 과정에서 나타나는 stiff curve를 효과적으로 모사할 수 있음을 확인하였습니다. 이러한 결과는 H7O3 비겔이 동물성 지방 조직의 구조적 특성을 재현할 수 있는 잠재력을 지녔음을 시사합니다. 본 연구는 비겔이 동물성 지방 대체제로서의 가능성을 넘어 기능성 식품 설계에서 텍스처 조절제로 활용될 수 있음을 보여주었습니다. 특히, 하이드로겔과 올레오겔 비율의 조정 가능성은 3D 식품 프린팅과 같은 첨단 식품 기술 응용에서 비겔의 활용도를 높이는 데 기여할 것으로 기대됩니다. 본 연구는 비겔의 다기능성과 식품 공학에서의 잠재적 가치를 제시하며, 후속 연구를 통해 상업적 활용 가능성을 더욱 탐구할 필요가 있습니다.