明膠對酸奶3D打印性能的影響

王江東,帥晶晶,羅仕園,安建輝,2,3,鄧伶俐,2,3*

1(湖北民族大學 生物科學與技術學院,湖北 恩施,445000) 2(生物資源保護與利用湖北省重點實驗室(湖北民族大學),湖北 恩施,445000) 3(超輕彈性體材料綠色制造民委重點實驗室(湖北民族大學),湖北 恩施,445000)

隨著消費者對食品定制化和營養精確化的需求,通過食品3D打印來開發新產品已經成為一種行業趨勢[1-2]。食品3D打印具有方便,快捷,形態可變以及營養配比可調等優點。早期應用于食品3D打印的體系有食品膠體[3]、巧克力等[4],其中巧克力3D打印已經大規模應用,市面上已有大量3D打印自助售賣機進行定制化打印。近年來食品3D打印體系逐漸擴展到多領域,如淀粉體系[5-6]、肉制品[7-8]、乳制品[9-10]。乳制品體系由于其營養價值高,所含蛋白通過熱處理可形成交聯網絡結構,可作為潛在的3D打印材料。LIU等[10]研究了乳清分離蛋白對牛奶濃縮蛋白3D打印性能的影響,發現牛奶濃縮蛋白與乳清分離蛋白比例為5∶2時得到的復合凝膠具有最佳的3D打印性能。

研究表明向食品體系中添加一定量的食品膠體能夠改善食品體系的3D打印性能,如卡拉膠、阿拉伯膠、魔芋膠、淀粉等[11-13]。明膠作為一種常用于3D打印的親水膠體,可通過自身凝膠化使原料具有類似明膠的性質,從而改善樣品的硬度、彈性和和咀嚼性,提高原料的3D打印性能。明膠由于其安全性高,生物相容性好被廣泛應用于組織工程3D打印,其應用于食品3D打印的相關研究較少。食品3D打印的方式主要為熱擠出型3D打印[14],市場上也已有多家公司生產針對食品行業的3D打印機,但是此類3D打印機單價相對較高,并且進料腔體在每次換樣品后需要清理,加熱擠出的方法不利于保持食品中某些物質的生物活性。

本研究以酸奶為原料,通過添加不同質量分數的明膠,探討明膠對酸奶的流變特性、質構性質和3D打印性能的影響。通過紅外光譜和低場核磁共振分析明膠與酸奶成分之間的相互作用,進而闡明明膠添加對酸奶3D打印性能的影響規律和機理,為酸奶應用到食品3D打印領域提供理論指導和工藝參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

風味酸牛奶(原味,450 g),蒙牛乳業(集團)股份有限公司；明膠,上海阿拉丁試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

Ender-3S 3D打印機,創想三維科技有限公司；AR2000流變儀、XTplus質構儀,美國TA公司；Nicolet iS5紅外光譜儀,美國Thermal Electron公司；NMI20-060H-Ⅰ型低頻核磁共振成像分析儀,蘇州紐邁科技有限公司。

1.3 3D打印機改裝

為了實現低成本食品3D打印,本課題組以普通3D打印機(Ender-3 s)為基礎進行改裝(圖1)。將3D打印機的原噴頭進行了拆除,利用外置的流量泵作為進料設備。在原噴頭處固定魯爾接頭支架,以注射器作為進料容器,注射器連接3.2 mm規格魯爾外旋接頭,通過3 mm內徑硅膠管輸送樣品至3.2 mm規格魯爾內旋接頭。魯爾內旋接頭連接普通點膠針頭,通過連接不同規格點膠針頭可實現不同的打印直徑。通過本課題組改裝的設備相比于現有市場上的食品3D打印機的優勢在于：(1)成本低,普通實驗室均可利用該方法進行簡單的食品3D打印研究或教學；(2)進料與3D打印平臺分離后避免了單一進料腔體的清洗,提高調試參數的效率。

圖1 食品3D打印機改裝示意圖Fig.1 Modification of food 3D printing set-up

1.4 酸奶凝膠制備

選取市售的蒙牛原味酸牛奶為原料,添加質量分數為1%、1.25%、1.5%、1.75%的明膠,加熱攪拌至明膠完全溶解后趁熱灌裝到50 mL注射器中并排去空氣后靜置過夜使其凝固。

1.5 流變性測試

選用40 mm的平板進行動態流變測定,設置溫度為25 ℃,應變為2%,在1～100 Hz的頻率范圍內掃描分析。獲得儲能模量(storage modulus,G′)、損耗模量(loss modulus,G″)和損耗角正切值tanθ(G″/G′)作為頻率的動態流變特性曲線。

1.6 質構測試

利用質構儀對添加了不同質量分數明膠的酸奶樣品進行全質構分析。試驗采用圓柱形探頭(P/0.5R),壓縮形變量為25%,然后用5 kg的測力傳感器以1 mm/s的十字頭速度減壓。TPA測量由2個壓縮/解壓縮周期組成,以1 mm/s的速率間隔5 s。

1.7 紅外光譜測試

將含明膠的酸奶冷凍干燥后,采用傅里葉變換衰減全反射法進行紅外光譜掃描[15],掃描范圍為：4 000～400 cm-1,分辨率：2 cm-1,累加32次,以空氣為背景,每次掃描前扣除背景。

1.8 低場核磁共振

將樣品置于低場NMR探頭中恒溫15 min,磁體溫度保持在32 ℃。使用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列測試橫向弛豫時間T2。儀器參數設置為采樣頻率200 kHz,90脈沖寬度18 μs,采樣點數96 004,回波個數2 000～5 000,半回波時間0.1 ms,循環采樣4次。采用紐邁公司的核磁共振分析應用軟件采集數據并進行反演處理[16]。

1.9 3D打印參數優化

通過C4D軟件建模,導出stl文件,用Cura軟件讀取模型后設置打印參數,打印速率50 mm/s,噴嘴直徑選用20 G(內徑0.6 mm),18 G(內徑0.84 mm)和16 G(內徑1.2 mm)點膠針頭,導出gcode文件加載到3D打印機上執行。

1.10 數據分析

統計學分析使用t分布檢驗單因素方差分析(ANOVA one way),后續使用Tukey分析進行檢驗,分析軟件為Origin 8.0。當P<0.05時,結果被認為具有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 流變性分析

在3D打印過程中,物料的流變特性會影響打印出料的連續性和層與層之間的貼合性。因此,食品物料的流變特性是衡量其是否適合3D打印的重要指標之一。圖2為添加了不同質量分數明膠的酸奶體系的G′和G″隨著振蕩頻率的變化圖。G′表示材料的彈性行為,反映體系的機械強度,具有高機械強度的材料打印后會表現出極好的支撐能力,不易塌陷[17]。當G′>G″時,表現出固體的性質,反之則表現為液體的性質。未添加明膠的酸奶表現為液體狀,添加了不同質量分數明膠后的酸奶呈現為凝膠狀,倒置不會流動。當明膠質量分數為1%時(圖2-a),在低頻率時G′>G″,而在高頻率時G′G″,表現出固體性質。同時,G′和G″也逐漸增加,說明明膠提高了體系的凝膠強度。添加明膠后,明膠分子與酸奶中的蛋白分子也可能發生了氫鍵作用,從而增加了體系的分子纏聯。通過圖2-e中tanθ的變化可以看出明膠質量分數>1%后,tanθ<1,說明其形成了穩定的凝膠結構。但是隨著凝膠強度的增加其流動性也會降低,流動性太低的樣品并不利于3D打印。LIU等[17]發現當土豆泥中添加2%的土豆淀粉后,其儲能模量增加,能夠得到較好的3D打印產品；而土豆淀粉增加到4%后,過高的儲能模量的土豆泥擠出困難,反而降低了其3D打印效果。

a-明膠質量分數1%；b-明膠質量分數1.25%；c-明膠質量分數1.5%；d-明膠質量分數1.75%；e-tan θ值(G″/G′)圖2 明膠質量分數對酸奶G′和G″及tan θ值(G″/G′)的影響Fig.2 The G′ and G″ of the yogurt that added with 1%,1.25%,1.5%,and 1.75% gelatin,and the tan θ value (G″/G′)

2.2 質構分析

表1為含不同明膠質量分數的酸奶樣品的硬度、彈性、內聚性和回復性。在硬度和內聚性上樣品之間沒有表現出明顯的差異,但是隨著明膠質量分數的增加,酸奶樣品的彈性和回復性隨之增加。說明明膠分子在酸奶樣品中溶解,體系中分子纏聯程度增加,形成良好的凝膠網絡結構。明膠質量分數為1.5%和1.75%時酸奶樣品的彈性和回復性顯著增加,有利于提升產品的3D打印性能和口感。

表1 含不同質量分數明膠的酸奶樣品的硬度、彈性、 內聚性和回復性Table 1 The hardness,springiness,cohesiveness,and resilience of the yogurt that added with various mass fractions of gelatin

2.3 紅外光譜分析

圖3 明膠及含不同質量分數明膠的酸奶樣品紅外光譜圖Fig.3 The FTIR spectra of the raw gelatin and the yogurt that added with various mass fractions of gelatin

表2為含不同明膠質量分數酸奶樣品的紅外特征峰相對強度,可以看出明膠添加比例為1.25%和1.5%時,其3 279 cm-1處的峰強度相對較低。由于明膠與酸奶體系中的蛋白和多糖發生了氫鍵相互作用,導致自由氨基和羥基的振動強度顯著減弱[19]。

表2 含不同質量分數明膠的酸奶樣品紅外光譜特征峰相對強度 單位：%

2.4 低場核磁共振分析

圖4為含不同明膠質量分數的酸奶樣品的橫向弛豫圖譜和不同狀態水分子的相對百分含量。低場核磁共振橫向弛豫時間T2通常被分為3個區域,T21弛豫峰(0～10 ms)對應的是體系中與大分子緊密結合的結合水。T22(30～50 ms)對應的是與大分子結合不緊密但是又位于親水基團附近的非結合水。T23(100～1 000 ms)對應自由水[17]。不同弛豫時間相對應的指數面積比是3種不同狀態水的相對含量。如圖4所示,隨著明膠質量分數從1%增加到1.5%,其結合水比例從1.54%降低至0.77%,而非結合水的比例從1.53%升高至2.88%。從1.5%到1.75%的添加量各狀態水的相對含量沒有明顯差異。WANG等[18]觀察到隨著魚糜凝膠中NaCl含量的增加,T22弛豫峰所占比例也顯著增加。明膠添加后體系中緊密結合水含量的降低以及非結合水含量的增加說明由于蛋白與蛋白的相互作用使得酸奶中球狀蛋白的構象被打開,從而形成了更加致密的網絡結構。FISZMAN等[19]研究發現明膠添加到酸奶中后明膠分子在酪蛋白膠束中形成了橋聯作用,形成了雙重網絡結構,從而能夠將水分子有效固定[20]。

圖4 不同含量明膠的酸奶樣品低場核磁共振橫向 弛豫譜圖及不同狀態水分子含量Fig.4 The LF-NMR T2 relaxation curves of the yogurt that added with various mass fraction of gelatin and the ratios of water molecule at different mobility

2.5 3D打印優化分析

由圖5可知,明膠質量分數為1%時,所打印出的3D模型難以維持打印形態,放置不久就有水分滲出。明膠質量分數為1.25%時形態稍有改善,但是打印出的表面較為粗糙。當明膠質量分數過高時,由于體系的流動性變差,表面的粗糙度顯著增加。3D 打印食品的精度和質量取決于食品材料的性能,流動性過高或過低的材料都不利于打印成型,因此選用明膠質量分數為1.5%的體系進行打印參數的優化。

a-1%明膠;b-1.25%明膠;c-1.5%明膠;d-1.75%明膠圖5 含不同質量分數明膠的酸奶樣品3D打印樣品圖Fig.5 Picture of 3D printed yogurt withdifferent gelatin content

噴頭直徑大小決定了擠出物料的直徑大小,因此噴頭直徑主要影響打印樣品的表面精細程度和打印精度。噴頭直徑越小,樣品的打印精度越高。圖6為不同噴頭直徑條件及不同進料速率條件下打印樣品的圖片(打印速率50 mm/s)。隨著噴頭直徑的變小,打印樣品的表面越來越細膩光滑、打印精度也越高。當噴頭直徑為0.84 mm,進料速率為3.0 mL/min時,打印樣品與目標模型的最接近。

圖6 含1.5%明膠的酸奶樣品在不同噴頭直徑和進料速率條件下打印樣品圖Fig.6 The picture of the yogurt with 1.5% gelatin after 3D printing at various nozzle diameter and feeding rate

如圖7所示,針頭直徑為0.84 mm,打印速率為50 mm/s時,不同進料速率3D打印后的酸奶經過凍干仍能夠保持其3D形態,并且具有較高的脆性,可以作為開發新型酸奶產品的一種思路。

圖7 含1.5%明膠的酸奶樣品3D打印后樣品凍干照片Fig.7 The picture of thefreeze-dried 3D printed yogurt with 1.5% gelatin 注：針頭直徑0.84 mm,進料速率2.0～4.0 mL/min,打印速率50 mm/s

3 結論

本研究實現了低成本的食品3D打印機的改裝,可用于常溫條件下食品3D打印。通過向市售攪拌型酸奶中添加明膠增加了體系中分子鏈的纏聯,提升了酸奶的凝膠強度,改善了酸奶的3D打印性能。其中明膠質量分數為1.5%時表現出最好的3D打印效果,在此基礎上得到的最佳3D打印參數為:進料速率3 mL/min,噴頭直徑0.84 mm,打印速率50 mm/s。本文中改裝的食品3D打印設備也還有很多局限,如進料與3D打印需要人工控制進行同步以及無法實現控溫打印。為了豐富和拓寬3D打印酸奶的應用范圍,未來的研究還應著眼于研究不同種類食品膠體對酸奶的3D打印性能以及加工性能的影響。