明膠對雞肉糜3D打印成型穩定性的影響

楊耿涵，韓 瑜，陶 陽，朱筱玉，徐幸蓮

（南京農業大學食品科學技術學院，肉品加工與質量控制教育部重點實驗室，江蘇高校肉類生產與加工質量安全控制協同創新中心，江蘇 南京 210095）

食品3D打印是一種根據“分層制造，逐層疊加”原理將虛擬的數字模型轉換為三維實體的快速成型技術。近年來，食品3D打印的發展給食品行業帶來了巨大的機遇和挑戰：通過打印趣味形狀，改變食物的質地和營養構成，能為不同人群提供定制化餐食，提高消費者的進食體驗；但由于食品原料種類繁多，性質復雜，目前關于食品3D打印的研究仍需重點關注食品原料的3D打印特性。雞肉是我國肉類消費的一大品類，在營養膳食金字塔中扮演著重要的一環，將雞肉材料可3D打印化將有力推進個性化營養的實現。此外，雞肉直接用于3D打印也具有巨大的市場潛力。目前市場上主要雞肉產品千篇一律的形狀逐漸失去了對消費者的吸引力，而可定制化形狀的3D打印雞肉產品更能激發消費者的購買欲望。

食品的3D打印需要原料具有良好的流變性以實現物料的擠出和成型。然而，大部分肉類原料并不適用于3D打印，需要添加合適的加工助劑提高肉類的可打印性。Dick等研究黃原膠和瓜爾膠及其復配對熟豬肉糜3D打印的影響發現，黃原膠引發了三糖側鏈與葡萄糖主鏈間的締合，降低了黏度損失，瓜爾膠使水分子與半乳糖側鏈發生交聯，引起體系黏度增加；與對照組相比，實驗組顯著提高了原料的黏度、儲能模量（’）和損耗模量（″），改善了肉糜的3D打印效果。Yu Wanying等評估白鰱-海參復合魚糜制品的3D打印性能，結果表明，添加-卡拉膠使復合材料的表觀黏度增大，損耗角正切值降低，從而獲得成型性、持水性和機械強度優良的魚糜制品。Kim等使用同軸擠壓3D打印制備魚糜基仿蟹肉，使用土豆淀粉作為黏合劑涂抹于產品表面，保持了產品在打印過程中的形態，樣品凝膠強度得到增強，并獲得了真實的纖維質地。

雞肉糜在進行3D打印時表現出較差的成型效果，無法在短時間內保持良好的形狀穩定性。明膠是一種來源于動物骨、皮等組織中的膠原蛋白，其應用于肉制品中能夠改善產品的膠凝特性，在食品領域被廣泛用作膠凝劑、增稠劑、黏合劑等，能夠有效提高雞肉糜3D打印的成型穩定性。目前，少有關于使用明膠改善雞肉糜3D打印特性的研究報道。基于此，本實驗以雞胸肉糜為主要原料，研究明膠對雞肉糜流變特性、質構特性、水分分布和微觀結構的影響，并以添加4%明膠組為原料制備雞肉糜3D打印制品，對產品蒸煮品質進行評價，以期實現具有復雜結構產品的3D打印，為未來肉制品的生產應用提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

冰鮮雞胸肉（水分質量分數（76.77±0.18）%，蛋白質量分數（21.40±0.59）%，粗脂肪質量分數（0.58±0.10）%）、精制食用鹽（NaCl純度＞99%）購自南京蘇果超市。

明膠（藥用級，膠強度240 g Bloom） 上海阿拉丁生化科技有限公司；2.5%戊二醛固定液（電鏡專用）上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

FSE-2食品3D打印機 博力邁三維打印科技有限公司；JR18G-300絞肉機、SDD2001攪拌機、SZ26B5蒸鍋蘇泊爾生活電器有限公司；MCR 301流變儀 德國Anton Paar公司；TA-XT Plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司；PQ001低場核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）成像分析儀 上海紐邁電子科技有限公司；SU8100掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司；WK2102電磁爐 美的集團有限公司；AUY120型電子分析天平 日本Shimadzu公司；數顯游標卡尺 晶思達貿易有限公司。

1.3 方法

1.3.1 雞肉糜凝膠制備

分別稱取肉質量20%的水和0%、2%、4%、6%、8%的明膠置于燒杯中，在40 ℃水浴中攪拌混勻并靜置1 h備用。去除新鮮雞胸肉表皮及肉眼可見的結締組織和脂肪，均勻切成小塊，添加肉質量2.5%的NaCl，放入絞肉機中絞碎2 min，然后倒入制備好的明膠溶液攪拌2 min。為保證原料充分混合，將肉糜刮起再復攪1 min。制備好的雞肉糜在4 ℃下過夜保存以形成凝膠，12 h后用于3D打印。

1.3.2 模型設計和參數設置

構建一個實心圓柱體（=15 mm，=10 mm），用于凝膠強度、蒸煮損失和質構特性測定；構建一個長、寬、高為37.52 mm×25.00 mm×31.65 mm的幾何形狀，填充密度設為0%，以獲得空心結構，用于其他指標測定。

3D打印參數設置如下：噴嘴直徑1.3 mm，噴嘴高度1.1 mm，首層高度1.3 mm，絲徑9.8 mm，噴嘴溫度28.0 ℃，流量100%，殼體厚度3 層。

1.3.3 肉糜原料流變特性測定

參照Wu Fan等的方法測定肉糜原料的表觀黏度，以獲得表觀黏度曲線。選取直徑25 mm的平板，間隙設置為1 mm，剪切速率掃描范圍0.1～100 s，測試溫度28 ℃，記錄表觀黏度隨剪切速率增加的變化。參照Xu Yujuan等的方法測定雞肉糜凝膠動態流變性。選用PP50探頭，平板間距1 mm，應變設置為1%，測試溫度28 ℃，在角頻率0.1～100 rad/s內進行動態頻率掃描。測量前，樣品在平臺上靜置1 min以達到設定溫度。所有測試均在線性黏彈性區域內進行。

1.3.4 坍塌率測定

使用數顯游標卡尺，分別于打印后0 min和30 min測定空心幾何形狀頂部塌陷最嚴重的點至底部平面的垂直距離。塌陷率按式（1）計算：

式中：為樣品測定值/mm；為模型預設值/mm。

1.3.5 凝膠強度測定

打印后的樣品立即用于凝膠強度測定，凝膠強度定義為打破凝膠所需的初始力，具體參數如下：采用Return to Start模式，探頭型號P5，測前速率1 mm/s，測試速率1 mm/s，測后速率5 mm/s，觸發類型自動，觸發力5 g，穿刺距離5 mm，測定溫度25 ℃。

1.3.6 LF-NMR分析

根據Han Minyi等的方法稍加修改，使用LF-NMR儀分析水分分布和遷移信息。切取2 g打印樣品，用保鮮膜包好，然后放入腔體中進行測量。具體參數設置如下：采樣頻率200 kHz，重復掃描等待時間4 000 ms，回波時間0.35 ms，回波個數7 000，重復掃描次數16。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）序列測定橫向弛豫時間（）并計算峰面積（）。

1.3.7 凝膠微觀結構觀察

用掃描電子顯微鏡觀察雞肉糜凝膠的微觀結構。從打印樣品中切取1 mm×1 mm×1 mm的小塊，加入體積分數2.5%戊二醛溶液中，25 ℃靜置2 h，然后分別用不同質量分數乙醇溶液進行梯度脫水。冷凍干燥后，將樣品固定在銅板上，噴金處理。在放大1 500 倍和20 kV加速電壓下，獲得樣品的顯微圖像。

1.3.8 蒸煮品質評價

選擇明膠添加量4%，以傳統模具成型雞肉糜制品（MS組）作為對比，對3D打印雞肉糜制品（3DP組）的蒸煮品質進行評價。切取與3DP樣品相同質量的雞肉糜凝膠，壓制成相同形狀（=15 mm，=10 mm的實心圓柱體）制得MS樣品。

1.3.8.1 蒸煮損失率測定

參照魏心如等的方法并稍作修改。將樣品放入蒸鍋中，分別在1 800 W下蒸制和煮制5 min。蒸煮后，用濾紙擦拭樣品表面，室溫靜置5 min后稱質量。蒸煮損失率按式（2）計算：

式中：為蒸煮前樣品質量/g；為蒸煮后樣品質量/g。

1.3.8.2 質構特性分析

參照王希希等的方法并作適當修改，用質構儀采用TPA模式測定不同處理條件下樣品的硬度、彈性、凝聚力、咀嚼性和回復力。參數設置為：探頭型號P50，測前速率1 mm/s，測試速率1 mm/s，測后速率5 mm/s，壓縮比40%，觸發類型自動，觸發力5 g。

1.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 流變特性分析

2.1.1 明膠對雞肉糜凝膠表觀黏度的影響

圖1 不同明膠添加量下雞肉糜凝膠的表觀黏度曲線Fig. 1 Apparent viscosity curves of chicken meat gels added with different gelatin concentrations

由圖1可以看出，當剪切速率在0.1～1 s范圍內，雞肉糜凝膠表觀黏度顯著下降；當剪切速率從1 s繼續增大至10 s時，表觀黏度下降速率逐漸變慢，曲線趨于平緩；當剪切速率繼續增大，黏度趨于0 Pa·s，雞肉糜凝膠越來越接近牛頓流體。整體上，表觀黏度隨著剪切速率的增加不斷下降，說明雞肉糜凝膠具有剪切稀化行為，且添加不同用量明膠的雞肉糜凝膠均具有相似的剪切變稀現象。具有剪切稀化行為的原料適合應用于食品3D打印，因為物料在擠出過程中受到剪切力作用，剪切稀化行為有利于物料擠出，這在Yang Fanli等的研究中已被驗證。隨著明膠添加量的增加，雞肉糜凝膠在低剪切速率下黏度越大。在低剪切速率下，黏度與物料擠出前的流動性相關，黏度越大，物料流動性越差。隨明膠添加量的增大物料的黏度顯著增大，雞肉糜凝膠的回縮性在一定范圍內得到改善，減少物料因重力作用而從噴嘴中流出。但過大的黏度也會阻礙打印物料的正常擠出。

2.1.2 明膠對雞肉糜凝膠動態流變特性的影響

通過體系’和″表征不同明膠添加量下雞肉糜凝膠的動態流變特性，反映物料在平臺上的支撐能力。’對角頻率具有依賴性，表示凝膠網絡為混亂無序的結構，而結構交聯有序強凝膠的’則不會隨角頻率的增大而變化。由圖2A可以看出，0%明膠組的’呈角頻率依賴性。隨著明膠添加量的增加，’的角頻率依賴性逐漸減弱，且’也相應增加，說明添加明膠增強了物料的膠凝性，及雞肉糜凝膠的機械強度，有利于打印后的物體保持形狀。結合圖2A、B可知，隨明膠添加量的增加，雞肉糜凝膠’和″均呈上升趨勢，且各組’始終大于″，說明雞肉糜凝膠表現出更多的彈性，形成了穩定的強凝膠彈性結構。這種彈性結構在外力作用下能夠保持相對穩定，有利于3D打印沉積過程中層與層之間的堆疊成型。

圖2 不同明膠添加量下雞肉糜凝膠的動態流變曲線Fig. 2 Dynamic rheological curves of chicken meat gels added with different gelatin concentrations

2.2 打印成型效果分析

圖3 不同明膠添加量下雞肉糜凝膠的3D打印效果Fig. 3 Appearance of 3D printed chicken gels added with different gelatin concentrations

結合圖3和表1可知，打印后0 min和30 min的高度隨明膠添加量的增加而逐漸接近模型預設高度（31.65 mm），說明明膠的添加提高了3D打印雞肉糜凝膠的成型穩定性。明膠主要通過以下兩方面增強體系的機械強度：一方面，小部分明膠分子通過氫鍵與肌原纖維蛋白交聯，提高了雞肉糜凝膠的膠凝特性；另一方面，明膠分子均勻分散在肌原纖維蛋白凝膠體系中，通過自身膠凝化填充凝膠網絡結構，這也是明膠改善雞肉糜凝膠特性的主要方式。當明膠添加量達到4%以上時，模型的塌陷程度無顯著性差異（＞0.05），成型精度也隨之下降。這是因為添加過量明膠（6%和8%）時，水分添加量較少會導致部分明膠顆粒無法吸水溶脹，已溶解的明膠分子也會因黏度過大而形成明膠聚集物，難以與雞肉糜充分混合，制備得到的雞肉糜漿料不夠均勻、細膩，導致在3D打印擠出過程中頻頻斷線，打印后30 min形狀的塌陷程度進一步加劇（圖3）。添加8%明膠塌陷率最低（1.80%），但其成型精度顯著變低。

表1 不同明膠添加量對打印形狀塌陷程度的影響Table 1 Effects of different gelatin concentrations on the collapse degree of printed shape

2.3 明膠對3D打印雞肉糜凝膠凝膠強度的影響

圖4 不同明膠添加量下3D打印雞肉糜凝膠樣品的凝膠強度Fig. 4 Gel strength of 3D printed samples added with different gelatin concentrations

如圖4所示，隨明膠添加量的增加，打印樣品的凝膠強度顯著提升。在與雞肉糜凝膠混合時，螺旋狀明膠分子滲透到肌原纖維蛋白網絡中，與其他無序的明膠分子或雞肉中部分展開的肌球蛋白交聯，填充凝膠網絡，使凝膠結構更加致密，從而增強整個體系的凝膠強度。翁武銀等研究明膠蛋白對鰱魚魚糜凝膠性質的影響發現，高分子明膠蛋白通過氫鍵與魚糜蛋白結合提高凝膠強度，這與本實驗的結果一致。

2.4 明膠對3D打印雞肉糜凝膠水分狀態分布的影響

圖5 不同明膠添加量下3D打印雞肉糜凝膠的水分分布Fig. 5 Relaxation time T2 spectra of chicken meat gels added with different concentrations of gelatin

表2 不同明膠添加量下3D打印雞肉糜凝膠的T2和A2Table 2 LF-NMR spin-spin relaxation time (T2) and peak area (A2) of chicken meat gels added with different gelatin concentrations

如圖5所示，3D打印雞肉糜凝膠的3種弛豫峰集中在1～10（）、10～100（）、100～1 000 ms（），分別代表結合水、不易流動水和自由水。水分越短，說明其流動性越差；峰面積越小，說明該狀態水分含量越少。結合表2可知，各組和沒有顯著差異（＞0.05），說明明膠的添加并沒有影響雞肉糜凝膠體系中結合水的分布。當明膠添加量為2%～4%時，和均較未添加明膠時有所降低，但無顯著差異（＞0.05），在打印過程中表現為流動性下降。流動性的適當降低有利于獲得更好的支撐能力。當明膠添加量超過4%時，和明顯延長，減小，增大，表明此時體系中的水分隨明膠添加量的增加逐漸從不易流動水向自由水轉移。可能原因是過量的明膠分子形成的明膠聚集物從肌原纖維蛋白凝膠網絡中吸收水分，導致雞肉糜凝膠體系流動性持續下降，使原料擠出變得困難。這些明膠聚集物還容易堵塞打印噴嘴，影響3D打印的連續性，使打印樣品的精度明顯下降。

2.5 明膠對3D打印雞肉糜凝膠微觀結構的影響

由圖6可知，不同明膠添加量下雞肉糜凝膠微觀結構明顯不同。不添加明膠的雞肉糜凝膠網絡結構松散，表面布滿斷面和孔洞，體系流動性強，使打印后形狀更容易塌陷。添加2%和4%明膠使體系凝膠網絡結構變得緊密。明膠分子滲透進肌原纖維蛋白網絡中，通過自凝膠化對凝膠網絡起到填充作用，孔洞數量明顯減少，體系流動性減弱，形成具有較高機械強度的凝膠，提高了打印形狀的成型穩定性。Dick等研究3D打印豬肉制品也發現，添加6%瓜爾膠能夠為豬肌原纖維蛋白凝膠網絡提供一個穩定的結構。然而，添加6%和8%明膠的雞肉糜凝膠網絡逐漸崩塌。雖然通過明膠分子的自身凝膠化降低了雞肉糜凝膠的流動性，提高了體系的成型穩定性，但過高的明膠添加量也破壞了打印樣品的成型精度。根據上述水分分布的結果推測，可能是肉糜受到吸水膨脹的明膠顆粒擠壓，雞肉糜凝膠網絡被破壞，形成堅硬且無序的結構，使雞肉糜凝膠的擠出受阻。

圖6 不同明膠添加量下3D打印雞肉糜凝膠的微觀結構Fig. 6 Microstructure of chicken meat gels added with different concentrations of gelatin

2.6 3D打印雞肉糜制品蒸煮品質評價

2.6.1 3D打印對雞肉糜制品蒸煮損失率的影響

圖7 不同處理條件下雞肉糜制品的蒸煮損失Fig. 7 Cooking loss of chicken meat products prepared by mold forming or 3D printing

由圖7可知，蒸制和煮制3DP樣品的蒸煮損失均顯著高于MS樣品（＜0.05）。Liu等研究發現，在3D打印擠出過程中，纖維狀肉類材料容易發生肉汁分離現象。當肉糜通過噴嘴尖端時，噴嘴內部的壓力對肉糜凝膠產生一定剪切效應，肉糜內部顆粒間的黏合被破壞，這使得肉中物質變得非常容易流失。在蒸煮時，肉蛋白變性展開，活性基團暴露，蛋白分子間相互交聯結合，導致凝膠網絡內部空間縮小，加快了肉中水、蛋白質等營養物質的流失，導致產品干質量下降。此外，煮制會對肉糜內部結構造成更大的破壞，導致更大的蒸煮損失，破壞打印樣品的幾何形狀。

2.6.2 3D打印對雞肉糜制品質構特性的影響

表3 不同處理條件下雞肉糜制品的質構特性Table 3 Structure characteristics of chicken meat products prepared by mold forming or 3D printing

如表3所示，蒸煮前，3DP樣品的凝聚力顯著低于MS樣品（＜0.05）。這是因為3DP樣品層與層之間僅通過自身重力進行堆疊，肉中蛋白質沒有足夠的接觸面相互黏合，蛋白分子間的結合程度較低。而MS樣品經模具壓制，內部密度較3DP樣品大，蛋白之間的交聯作用更強，因而表現出更大的凝聚力。煮制后，3DP樣品的硬度、凝聚力和咀嚼性均較MS樣品大（＜0.05），可能是3DP樣品更為有序的內部結構在經煮制后獲得了更強的支撐能力。蒸制后，3DP和MS樣品的硬度、凝聚力和咀嚼性沒有顯著差異（＞0.05）。蒸煮后3DP樣品的回復力顯著大于MS樣品（＜0.05）。回復力反映樣品的回彈能力，較大的回復力說明3DP樣品在承受外力后能夠較快地恢復原有形態，不易坍塌變形。

3 結 論

結果表明，明膠能夠顯著提高3D打印雞肉糜制品的成型穩定性。在實驗研究范圍內，隨明膠添加量的增加，雞肉糜的表觀黏度、’、″和凝膠強度大幅增加，體系中不易流動水逐漸向自由水轉移，雞肉糜的回縮性和支撐能力得到改善。然而，過量添加明膠（6%～8%）會導致雞肉糜初始黏度過大，凝膠網絡結構遭到破壞，物料擠出受阻，打印樣品表面變得粗糙。添加4%明膠的雞肉糜能夠打印出具有良好成型精度和穩定性的制品。將其與模具成型制品對比，添加4%明膠的雞肉糜3D打印制品蒸煮損失較高，在煮制后具有更大的硬度、凝聚力、咀嚼性和回復力，不易坍塌變形。