蛋白粉對蝦肉糜3D打印成型效果的影響

潘燕墨，黃煜欽，劉 陽，黃端穎，孫欽秀，魏 帥，韓宗元，王澤富，夏秋瑜，劉書成,2

（1.廣東海洋大學食品科技學院/廣東省水產品加工與安全重點實驗室/廣東省海洋食品工程技術研發中心/廣東省海洋生物制品工程重點實驗室/水產品深加工廣東普通高等學校重點實驗室，廣東 湛江 524088；2.大連工業大學海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協同創新中心，遼寧 大連 116034）

3D 打印（Three-dimensional printing）技術通過逐層疊加構建三維結構[1]，可提高生產效率，減少生產成本[2]，在材料科學、工程學、醫學、農業和食品科學等領域的潛在應用廣受關注[3]。目前應用于食品3D 打印的配料包括淀粉、蛋白粉、油脂和食用膠等[4-5]，如王石[6]將雞胸肉糜與豌豆蛋白、谷氨酰胺轉氨酶混合后進行3D 打印，開發出一種打印精確度高、不易塌陷、適合3D 打印的雙蛋白雞肉糜體系；Tian 等[7]證明，蜂蠟、卡拉膠和黃原膠的混合凝膠體系在提高3D 打印產品的穩定性、精度和成型性方面起指導作用；Bi 等[8]用風味油與酪蛋白和果膠混合顆粒制備水包油高內相乳液應用于3D 打印，使3D 打印的產品可充分保持設計的形狀和結構。因此可通過添加食品配料改善物料特性，進而提高其3D打印適應性。

凡納濱對蝦（Litopenaeus vannamei）是一種營養均衡的高蛋白蝦種，具有產量高、加工出肉率高、抗病能力強等優點[9-10]，將其制成蝦肉糜對蝦產品高值化，促進對蝦產業的發展。蝦肉糜制品因其營養價值高和食用方便等特點廣受歡迎，但其產品形式單一和創新能力不足等問題限制了其進一步發展。蝦肉糜是一種適合打印的溶膠體[11]，可利用3D打印技術實現產品創新。

本課題組前期對純蝦肉糜進行打印，發現在打印過程中會存在沉積塌陷、打印線條粗糙等問題。因此，需要添加合適配料改善其打印適應性。蛋白粉是蝦肉糜加工中常用配料，添加蛋白粉可改善物料的黏彈性，進而改善其物料特性，同時還可提高產品營養價值。不同添加種類及添加量影響非肌肉蛋白對蝦肉糜的物料特性[12-15]。本研究分析大豆分離蛋白粉、乳清分離蛋白粉、蛋清粉及其添加量對蝦肉糜3D 打印特性、流變學特性、質構特性以及持水性的影響，探究其對3D 打印成型效果的作用機理，并分析這些指標與打印精確性和打印穩定性的相關性，為探究適宜蛋白粉種類及添加量，優化蝦肉糜3D打印配方提供依據。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

同一批次新鮮凡納濱對蝦（30～40 尾/kg）購自廣東省湛江市霞山區歡樂海洋海鮮市場，低溫保活運送到實驗室。大豆分離蛋白粉購于山東省臨沂山松生物有限公司，乳清分離蛋白粉購于遼寧省沈陽奧派奇食品有限公司，蛋清粉購于安徽省亳州眾意蛋業有限責任公司。

1.2 主要儀器與設備

GZB20 型高速斬拌機，廣州市汕寶食品廠機械部；FOODBOT E13D型食品3D打印機，杭州時印科技有限公司；F60型LED拍攝燈箱，深圳旅行家科技有限公司；M200（15-45）型高清數碼相機，佳能有限公司；HAAKE MARS Ⅲ型模塊化高級旋轉流變儀，美國Thermo Fisher Scientific 公司；TMS-Pro 型食品物性分析儀，美國FTC 公司；NMI20 系列低頻核磁共振成像分析儀，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蝦肉糜樣品的制備 新鮮凡納濱對蝦去頭、脫殼、去蝦線等，用冰水清洗。將蝦肉放進斬拌機絞碎處理5 min，處理后蝦肉糜轉移到容器中與冰水以質量比1∶5 充分混合漂洗3 次，利用多層純棉紗布進行人工脫水，添加質量分數3%食鹽（以蝦肉糜質量計），擂潰2 min，依次添加質量分數3%料酒、質量分數1%白砂糖以及質量分數1%味精（以蝦肉糜質量計）繼續擂潰2 min，將處理完成的樣品均分為10 等份，其中9 份以蝦肉糜質量為基準分別添加質量分數3%、6%和9%的大豆分離蛋白粉（SPI）、乳清分離蛋白粉（WPI）和蛋清粉（EPI），再次擂潰2 min，另1 份不添加任何蛋白粉的蝦肉糜作為對照組。整個制備過程保持在2～5 ℃條件下。

1.3.2 蝦肉糜3D 打印精確性及穩定性分析 參照Pan 等[11]方法。噴頭直徑1.20 mm，設計打印模型邊長（Lm）20 mm。打印完成后，測量其高度H和邊長L，所得測量尺寸與預設打印模型的理想數值進行對比，數值越接近則打印成型效果越佳。打印后通過LED 攝影棚燈箱中的數碼相機拍照記錄樣品打印效果。打印精確性（%）、打印穩定性（%）計算：式中，Ls（mm）為樣品邊長，Lm（mm）為預設邊長，H0（mm）為打印結束后靜置0 min 時樣品高度，H60（mm）為打印結束后靜置60 min時樣品高度。

1.3.3 蝦肉糜流變特性的測定 參考潘燕墨等[16]方法測定。在0.1～100 s-1的剪切速率范圍內分析靜態表觀黏度的變化規律。在0.1～10 Hz的頻率范圍內通過掃描振蕩頻率測量其動態黏彈性。所有測量均在確定的黏彈性線性區域內進行，應變掃描為0.1%，記錄彈性模量（G'，Pa）和黏性模量（G''，Pa）隨振蕩頻率的變化情況。

1.3.4 蝦肉糜質構特性的測定 質構剖面分析（Texture profile analysis，TPA）參照潘燕墨等[17]方法，采用TMS-Pro 質構儀測定。取20 g 生蝦肉糜于燒杯中，在溫度25 ℃和濕度40%～50%的條件下，測定樣品的硬度、黏附性、彈性等質構特性。質構儀選擇FTC 38.1 mm Steel 圓柱重型金屬探頭，測試參數：探頭上升到樣品表面的高度為30 mm，測試速度60 mm/min，壓縮變形50%，起始力為0.5 N。

1.3.5 蝦肉糜水分分布的測定 參考Liu 等[18]方法測定。設置低場核磁共振儀（Low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）共振頻率22.6 MHz，磁場強度0.47 A/m。將約10 g蝦肉糜小心放置于直徑為35 mm 的潔凈培養皿中，根據Caar-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脈沖序列的測定方法掃描樣品，測得樣品橫向弛豫時間T2。

1.3.6 蝦肉糜持水性的測定 采用離心法測定蝦肉糜的持水性（Water holding capacity，WHC，%），樣品稱取后（m1，g）在4 ℃溫度下離心（10 000g，10 min），用濾紙吸去蝦肉糜表面水分，再次稱質量（m2，g）。

1.4 數據分析

本實驗共處理3 批蝦肉糜，每一批樣品質構分析實驗平行測定5 次，其他實驗平行測定3 次，數據測量值以平均值±標準差表示，使用JMP Pro 13 統計軟件對數據進行方差分析和Tukey 多重比較，置信度為95%（P<0.05）。

2 結果與討論

2.1 蛋白粉對蝦肉糜3D打印成型效果的影響

如圖1 所示，對照組樣品在打印過程中出現出料不均、結構坍塌等現象，其打印效果較差，可能是蝦肉糜的高水分含量和低黏彈性導致的[19]。對比圖1、2 發現，樣品在添加合適比例不同種類蛋白粉并靜置0 min 和靜置60 min 后，均可保持良好的外觀形態且比對照組有所提高。這可能是因為這三種非肌肉蛋白有一定吸水性，填充在蝦肉糜肌原纖維蛋白質網絡結構中，將水分束縛在蝦肉糜的網狀結構內[13,20]，改善了蝦肉糜的物料特性，可在提高體系的黏彈性同時提高承載力，保證了良好的擠出特性和穩定性。添加質量分數6%蛋白粉打印成型效果最佳，當添加過多（質量分數9%）的蛋白粉時，樣品成型效果較其他蛋白粉添加組最差，這可能是因為蛋白粉添加過量，導致樣品缺乏良好流動性，無法順利擠出。這一結果與石蕊[21]在大豆分離蛋白對豬肉糜打印特性影響的研究一致。因此，添加適量的非肌肉蛋白于打印油墨中可改善其從噴嘴中擠出困難和黏附性不佳等情況，但過量則會導致更差的效果。

圖1 添加不同種類及添加量蛋白粉的3D打印蝦肉糜圖片（0 min）Fig.1 Photos of 3D printing shrimp surimi with different types and additive amounts of protein powder at 0 min

圖2 添加不同種類及添加量蛋白粉的3D打印蝦肉糜圖片（60 min）Fig.2 Photos of 3D printing shrimp surimi with different types and additive amounts of protein powder at 60 min

如表1 所示，添加同種蛋白粉時，添加量增加，樣品（除添加質量分數9%WPI外）的打印精確性均先上升后下降，打印穩定性呈上升趨勢（P<0.05），這可能是因為添加的蛋白粉質量增加，蝦肉糜的持水性、硬度和黏彈性逐漸增加，獲得更好的支撐性和穩定性。對于蛋白粉添加量相同的樣品，SPI 樣品的打印精確性最高，其次是EWP 和WPI 樣品（P<0.05）；SPI樣品的打印穩定性最高，其次是WPI和EWP 樣品（P<0.05），其中添加6%SPI 具有較好的打印精確性和穩定性。這可能是因為SPI含較高球蛋白，具有更好的乳化性和較高的黏彈性[22]，從而使物料順利地通過噴頭進行打印并增加層與層之間的融合性。總之，6%SPI的添加有助于提高蝦肉糜的3D打印特性。

表1 蛋白粉種類及添加量對蝦肉糜3D打印產品精確性及穩定性的影響Table 1 Effects of type and addition dosage of protein powder on printing accuracy and stability of three-dimensional shrimp surimi

2.2 蛋白粉對蝦肉糜流變特性的影響

圖3可知，隨著剪切速率的增加，蝦肉糜表觀黏度降低，在剪切速率較低時表觀黏度較高，說明蝦肉糜是一種剪切變稀的假塑性流體。同時，隨著添加的蛋白粉質量增加，表觀黏度逐漸上升，可能是因為蛋白粉顆粒與鹽溶性蛋白及不溶性蛋白隨著擂潰的進行不斷混合，最終形成了致密穩定的三維網狀結構[23]。Liu等[14]發現，隨著牛奶濃縮蛋白添加量的增加，其制備的酪蛋白酸鈉溶液的表觀黏度也逐漸增加，與本研究結果一致。對于蛋白粉添加量相同的樣品，SPI組的表觀黏度最高，其次是EWP和WPI 組，這可能是因為添加SPI 的蝦肉糜在擂潰過程中會與鹽溶性蛋白及不溶性蛋白充分混合，進而增加黏度。對于3D 打印物料而言，其表觀黏度應足夠低以使物料易于從噴頭中擠出，而對于表層之間的黏合則應足夠高[23]，適宜的表觀黏度有助于物料的順利擠出和打印層之間的融合，添加6%SPI能夠很好地達到這一目的以獲得更好的打印效果。

圖3 蛋白粉種類及添加量對蝦肉糜表觀黏度的影響Fig.3 Effect of type and addition dosage of protein powder on apparent viscosity of shrimp surimi

如圖4(a)和圖4(b)所示，蝦肉糜在線性黏彈性區域的彈性模量（G′）遠大于黏性模量（G″），說明樣品具有更多的彈性性質和類似固體的特征，且流動性較差。在任意振蕩頻率下，隨著蛋白粉添加量增加，G'和G''呈增加趨勢，說明蝦肉糜具有剪切稀化特征。本實驗中，在低振蕩頻率下，分子間的相互作用處于動態平衡狀態，凝膠網絡依然為黏彈性固體的狀態。隨著頻率的增加，其彈性特征減少，系統表現出黏性流體的特征[24]。本研究發現，WPI 組的G'最高，其次是SPI 和EWP 組；SPI 組的G''最高，其次是EWP 和WPI 組。這一結果與表觀黏度的結果相對應。造成3D 打印純蝦肉糜容易斷絲和堆疊性差的原因是G'和G''過小，蛋白粉的添加增加了樣品的G'和G''，而適當的G'和G''能促進物料的流動性并增加打印物料層之間的融合性[5]，從而改善3D打印適應性。

圖4 不同蛋白粉種類及添加量的蝦肉糜彈性模量（G′）和黏性模量（G′）Fig.4 Elastic modulus(G′)and viscosity modulus(G′)of shrimp surimi with different types and addition of protein powder during frequency sweep

2.3 蛋白粉對蝦肉糜質構特性的影響

由表2可知，隨著添加的蛋白質粉質量增加，樣品硬度顯著增加（P<0.05）。在蛋白粉添加量相同的樣品中，SPI組的硬度最高，其次是WPI和EWP組（P<0.05），這可能是因為SPI結合水的能力很強，通過與蝦肉糜本身的蛋白質、糖類等相互作用，將水分鎖在網絡結構內，增強樣品內部結構的穩定性[25]，進而增加蝦肉糜的硬度。樣品的持水性較高促進樣品硬度的增加[26]，高硬度有利于保持打印產品的原始形狀，有助于產品穩定成型。添加9%蛋白粉樣品的硬度最高，但在實際打印過程中會堵塞打印機的噴頭，導致物料流出不均，并突然擠出大量物料。

表2 不同種類及添加量蛋白粉對蝦肉糜質構的影響Table 2 Effects of type and addition of protein powder on the texture profile of shrimp surimi

隨著蛋白粉添加量增加，樣品的黏附性也增加。添加量一致的條件下，SPI 組的黏附性最高，其次是EWP 和WPI 組（P<0.05）。9%SPI 組的黏附性為3.79 N·mm，是對照組（1.88 N·mm）的2倍，這可能是因為SPI 中球蛋白含量較高，具有更好的乳化性和較高的黏彈性[22]，進而使蝦肉糜具有很高的黏度。

蛋白粉添加量增加，樣品的彈性逐漸增加。添加9%SPI、WPI和EWP組的彈性分別為5.99、7.11和5.74 mm，是對照組（2.11 mm）的1.5 倍多，可能是因為在擂潰過程中，分子相互作用和肌球蛋白持續交聯，從而增強樣品的彈性[27]。因此，結合3D 打印成型效果，適宜的物料硬度、黏附性和彈性有助于物料擠出和穩定成型，以獲得更好的3D打印產品。

2.4 蛋白粉對蝦肉糜水分分布的影響

如表3所示，樣品的LF-NMR 曲線上有兩個峰，表明蝦肉糜蛋白已不同程度限制了水的流動性。表3 展示了蛋白粉對馳豫時間（T2）和振幅峰面積比（A2）的影響，T2越短，說明樣品中的水不易流動；而弛豫峰面積A2表示不同類型的水的含量，從而影響蝦肉糜的流變特性。T2b表示與凝膠網絡結構結構緊密結合的結合水，T21代表不易流動水，與凝膠網絡的結合程度較低。如表3 所示，添加種類一致的蛋白粉，隨著添加量增加，樣品的T2向左移動，不易流動水峰面積比（A21）逐漸減小，而結合水峰面積比（A2b）逐漸增大。這些結果表明，蝦肉糜中的結合水和不易流動水變得更加穩定[28]，蛋白粉的添加增加了蝦肉糜結合水的能力。對于蛋白粉添加量相同的樣品，WPI 組的A2b增幅最大，其次是添加SPI 和EWP 的組（P<0.05）。陳海華等[29]研究發現，在魚糜中添加乳清濃縮蛋白，其結合水的能力增強，表明蛋白粉能在一定程度上截留和吸收水分。結合持水性結果，說明添加蛋白粉可以提高蝦肉糜結合水的能力從而增加其持水性。

表3 蛋白粉種類及添加量對蝦肉糜水分狀態分布的影響Table 3 Effects of type and addition of protein powder on water state distributions of shrimp surimi

2.5 蛋白粉對蝦肉糜持水性的影響

表4可知，添加相同種類的蛋白粉，樣品持水性隨添加量的增加顯著增加（P<0.05）。當添加6%蛋白粉時，樣品持水性超過89%，顯著高于其他添加量組（84.66%）（P<0.05）。蛋白粉添加量相同的樣品組，WPI組、SPI組和EWP組的持水性相比于對照組均有所提高，這可能與三種非肌肉蛋白的吸水性有關，在擂潰時與蝦肉糜中的蛋白質等大分子物質形成更加穩定緊密的結構，保留更多的水分[30]。崔旭海等[31]的研究發現，不同種類蛋白的添加均有助于鯉（Cyprinus carpio）魚糜持水性的提高，其中乳清分離蛋白（WPI）的持水效果最好，大豆分離蛋白（SPI）次之，花生分離蛋白（PPI）的持水效果相對較差。結合3D打印特性，蛋白粉的添加使蝦肉糜中的持水性有效增加，樣品打印精確性和穩定性提高。

表4 蛋白粉種類及添加量對蝦肉糜持水性的影響Table 4 Effects of type and addition of protein powder on the WHC of shrimp surimi

2.6 各指標變量間的相關性及主成分分析

從表5 可見，蝦肉糜的流變特性、質構特性、水分特性與打印精確性和打印穩定性等指標之間均呈很顯著的正相關性（P<0.05)。

表5 添加不同種類及添加量蛋白粉各指標變量的相關性Table 5 Correlation of various index variables with different type and addition of protein powder

從圖5 可以看出，主成分1（PC1）的貢獻率為72.72%，主成分2（PC2）的貢獻率為21.89%，累計貢獻率達94.61%。圖5(a)為主成分分析的載荷圖，樣品的打印精確性和打印穩定性與持水性、硬度、黏附性、彈性、G'、G''、A2b和表觀黏度在主成分1 的同側，具有正相關性；樣品的打印精確性和打印穩定性與T2b、T21和A21在主成分1坐標軸的兩側，呈負相關性。

圖5(b)顯示了在二維空間中PC1 和PC2 作為載荷因子的不同處理組樣品的投影得分圖。推斷位于第1、2、3 和4 象限的樣品與相應象限中的變量有關。將得分圖（圖5(b)）與載荷圖（圖5(a)）進行比較，可以看出，未添加蛋白粉的對照組和添加3%蛋白粉的樣品組與打印精確性和穩定性分別位于主成分1 坐標軸的兩側且距離較遠，這同樣證明不添加蛋白粉或添加少量（3%）蛋白粉的蝦肉糜的打印適應性相對較差。添加6%和9%（除9%WPI）蛋白粉樣品組與打印精確性和穩定性在主成分2的正方向，表明這些樣品具有更高的打印精確性和穩定性，9%WPI 組距離打印精確性和穩定性較遠，同時也說明9%WPI 組的打印精確性和打印穩定性相對較差。此外，添加6%蛋白粉的樣品組與打印精確性和穩定性都在主成分2 的正方向，這表明向蝦肉糜中添加適量（6%）蛋白粉可以提高3D 打印產品的打印適應性。此外，6%SPI組在所有組中最接近打印精確性和穩定性，進一步證明6%SPI添加于蝦肉糜中有助于提高蝦肉糜的打印適應性。

圖5 添加不同種類及添加量蛋白粉的蝦肉糜主成分分析Fig.5 Principal component analysis for shrimp surimi with different types and additive amounts of protein powder

3 結論

研究結果表明，添加一定量的不同種類蛋白粉均能提高蝦肉糜3D打印適應性，其中添加適宜（6%）蛋白粉效果最為顯著（P<0.05）；而對于相同蛋白粉添加量，添加大豆分離蛋白粉（SPI）的樣品具有較高的打印精確性和穩定性。結合G'、G''、表觀黏度、硬度、黏附性、彈性、持水性這些指標綜合分析，添加6%SPI的樣品評價指標都顯著增加（P<0.05），樣品能夠順利擠出噴嘴，層與層完美融合并具有良好穩定性，添加6%SPI在提高蝦肉糜的打印精確性以及穩定性方面的顯著作用。因此，添加6%大豆分離蛋白粉于蝦肉糜中可以提高其3D打印適應性。