食用膠改善蝦肉糜3D打印特性的研究

黃端穎，潘燕墨，劉陽，曾惠藍，藍偉，蘇靜，陳智軒，劉雨杉，劉書成,2，孫欽秀*

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打印在廣義上被稱為增材制造，是將數字設計模型作為藍本，通過逐層疊加的方式，準確地打印成精度極高的實體產品[1]。3D打印技術近幾年發展迅猛，展現了廣闊的應用前景，為航空航天、醫學、工學、軍事等領域帶來了新的發展和挑戰[2]。在食品加工業中，3D打印技術提供了食品加工新的前沿方向，可以幫助我們使用不同原料配方生產復雜形狀的新型產品。如今已經有大量的食品物料被應用于3D打印技術，如巧克力[3]、土豆泥[4]、馬鈴薯淀粉[5]、大豆分離蛋白[6]等，具有造型個性化定制，營養數字化、簡化供應鏈等特點[7]。

凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)又名南美白對蝦，有著殼薄體肥、含肉率高、肉質鮮美等特點，同時還是一種富含高不飽和脂肪酸、礦物質等營養均衡的優質蛋白質源，將蝦肉經過擂潰制成的蝦肉糜具有易于儲存、食用方便等特點。目前，蝦肉糜制品因其營養豐富而頗受現代消費者歡迎，市場前景廣闊。但目前蝦糜制品的形狀較為單一，不能滿足消費者對于外觀多樣化的需求。由于蝦肉糜是一種溶膠體，適于3D打印，因此可以利用3D打印技術解決這一問題。

純蝦肉糜由于水分含量高導致其黏彈性和支撐性較差，進行3D打印時容易出現打印斷絲、出料不均勻、產品沉積塌陷等問題。食用膠是食品中常用的增稠劑，可以提高肉糜的黏彈性和支撐性，顯著提高打印性能[8-9]。本文研究了卡拉膠(kappa carrageenan，KC)、魔芋膠(konjac gum，KG)、黃原膠(xanthan gum，XG)、可得然膠(curdlan，CU)4種食用膠種類及添加量(0%、1%、2%和3%)對蝦肉糜打印效果(打印精確性、打印穩定性)的影響；同時考察了食用膠種類及添加量對蝦肉糜物料特性(表觀黏度、G′、G″、硬度、黏附性、彈性、水分分布特性以及持水性)的影響，剖析物料特性與打印效果的內在聯系，以期篩選出適宜3D打印蝦肉糜的食用膠種類及其添加量，并揭示其改善機理，為生產出符合大眾需求、方便食用的蝦肉糜制品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

廣東省湛江市霞山區歡樂海洋海鮮市場采購同一批次新鮮的凡納濱對蝦，30～40頭/kg，低溫保活運送到實驗室。魔芋膠，湖北省一致魔芋生物科技股份有限公司；κ-卡拉膠，廣東省肇慶海星生物科技有限公司；可得然膠，山東省榮成海奧斯生物科技有限公司；黃原膠，新疆梅花氨基酸有限責任公司；精制鹽，陜西省中鹽榆林鹽化有限公司；料酒，廣東省廚邦食品有限公司；味精，江蘇省蘇州市合興食品有限公司；白砂糖，廣東省廣州福正東海食品有限公司。

1.2 儀器與設備

UX 2200H型電子托盤天平，日本島津公司；MQ785型手持多功能料理機，德國博朗公司；FOODBOT E13D型食品3D打印機，杭州時印科技有限公司；MNT-150T型高精度數顯游標卡尺，上海美耐特實業有限公司；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；3K-15型臺式高速冷凍離心機，德國Sigma實驗室離心機股份有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 蝦肉糜樣品的制備

挑選體長相近、質量大致相同的新鮮凡納濱對蝦進行去頭、脫殼、去蝦線等前處理，然后用冰水清洗干凈。將蝦肉放進料理機進行空擂5 min，處理后的蝦肉糜轉移到容器中與冰水以1∶5(質量比)充分混合漂洗3次，然后多層純棉紗布包裹人工脫水，添加3%食鹽(以蝦肉糜質量計，下同)與蝦肉糜一起擂潰2 min，依次添加3%料酒、1%白砂糖以及1%味精繼續擂潰2 min，將處理完成的樣品均分為13等份，將其中12份蝦肉糜分別添加KC、KG、XG、CU(1%、2%和3%)擂潰2 min，不添加任何食用膠的蝦肉糜為對照組，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

參照潘燕墨等[10]的方法進行打印精確性及穩定性的分析。為了確保打印過程中更高的擠壓成功率，本試驗均使用直徑1.20 mm的噴頭進行打印，設計打印模型邊長(Lm)20 mm。打印后通過LED攝影棚燈箱中的數碼相機拍照記錄樣品成型效果，并測量其高度(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，數值越接近證明打印成型效果越好。打印精確性和穩定性按公式(1)、公式(2)計算。

(1)

(2)

式中：Ls代表成品邊長(最底層與最高層邊長的均值)，mm；Lm代表預設邊長，mm；H0 min代表打印結束后靜置0 min時樣品的高度，mm；H60 min代表打印結束后靜置60 min時樣品的高度，mm。

1.3.3 蝦肉糜流變特性的測定

參考PAN等[11]的方法進行流變特性測試。溫度設定為25 ℃，平板直徑20 mm，間隙1 mm。在0.1～100 s-1的剪切速率范圍內進行了靜態表觀黏度的變化規律分析。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′)和黏性模量(G″)隨振蕩頻率的變化情況。

1.3.4 蝦肉糜質構特性的測定

參照潘燕墨等[12]的方法，測定打印樣品的質構特性，包括硬度、黏附性以及彈性。

1.3.5 蝦肉糜水分分布的測定

參考LIU等[13]的方法測試。采用低場核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance, LF-NMR)儀測定，共振頻率22.6 MHz，磁場強度0.47 T。將大約10 g蝦肉糜小心放置于直徑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

稱取樣品(m1，g)在4 ℃下離心(10 000×g，10 min)，離心完全后，樣品再一次稱質量(m2，g)，按公式(3)計算持水性：

(3)

1.3.7 數據分析

本試驗共處理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±標準差的形式來表示，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 結果與分析

2.1 食用膠對蝦肉糜3D打印精確性及穩定性的影響

考察3D打印產品的打印精確性和打印穩定性是評價其產品質量的重要方式[13]。添加了不同種類及添加量的蝦肉糜打印成型效果如圖1、圖2所示，未添加食用膠的對照組線條生硬粗糙，層與層間堆積松散，底部結構坍塌，這可能與蝦肉糜的高水分含量和低黏彈性有關[9]。

圖1 添加不同種類及添加量食用膠的3D打印蝦肉糜外觀照片(0 min)Fig.1 Photos of shrimp surimi with different types and additive amounts of edible gum at 0 min of 3D printing

圖2 添加不同種類及添加量食用膠的3D打印蝦肉糜外觀照片(60 min)Fig.2 Photos of shrimp surimi with different types and additive amounts of edible gum at 60 min of 3D printing

如表1所示，添加KC、KG、CU都能提高樣品的打印精確性和打印穩定性，這可能是因為食用膠等親水性的膠體具有一定程度的吸水和膨脹特性，同時形成穩定的網絡結構，在提高體系黏彈性的同時提高承載力，保證了良好的擠出特性和穩定性[9]。就添加量而言，添加2% KC、KG、CU的蝦肉糜達到最佳的打印精確性；繼續添加則樣品打印精確性都有不同程度的下降，這是由于添加過多的食用膠引起蝦肉糜的硬度及凝膠強度的顯著增加，膠體具有明顯的固體特征，導致擠出過程中膠體破裂而無法使樣品成型。添加2%的食用膠能夠較好改善3D打印的適應性，其中添加2%CU的樣品表現出最佳的打印效果，打印精確性達到了98.23%，與對照組相比提升了8.92%，且打印穩定性高達96.54%，與對照組相比提升了4.64%，底部沒有出現明顯的擠壓而造成直徑增大的現象，說明添加2%的CU可以改善樣品的打印適應性，同時提升樣品的承載力。CU是一種線性水不溶性多糖，具有熱不可逆的高強度凝膠性能、強親水性和凍融穩定性，故與其他食用膠相比，在2～5 ℃制備條件下可以更好地改善蝦肉糜3D打印適應性。

表1 不同種類及添加量食用膠對3D打印蝦肉糜打印精確性及穩定性的影響Table 1 Effects of different types and added amounts of edible gum on the printing accuracy and stability of three-dimensional shrimp surimi structure

添加2%和3% XG的樣品與對照組相比，打印時不容易從噴頭中擠出，出料不均，且容易堵塞噴頭；打印線條生硬、斷絲，層與層之間融合度不好；表現出嚴重的塌陷，與所設計的模型相差最大，打印精確性和穩定性都低于未添加食用膠的對照組。CU的結構特性決定了其具有較突出的打印精確性和穩定性；KC與KG具有良好的凝膠性，使其打印精確性和穩定性較好，但KG由于黏度高，分子質量高，相比于KC具有更好的保水性、增稠性、凝膠蛋白等優點，所以打印效果更好；與其他3種親水膠體相比，XG是一種胞外雜多糖，具有羧基和羥基等許多官能團，這些基團可以被修飾或功能化，以增強物理化學性質，導致XG具有極強的親水性，外層可能吸水膨脹成膠團，從而阻止水分進入里層，導致塌陷無法成型，同時XG的加入可能過度增加了蝦肉糜的固體性質，表現為其彈性、硬度、持水性提高程度最大。但是打印精確性和打印穩定性的結果顯示，并不是高硬度、高彈性就能取得最優的打印效果，反而固體性質和流體性質相補充，相互協調，才能取得較好的打印效果。

2.2 食用膠對蝦肉糜流變特性的影響

食品物料的流變特性影響食品的打印適應性，對實現食品3D打印至關重要。食品物料的流變特性是成功建立高級三維結構的關鍵因素[4]。影響擠出性能的物理性質包括表觀黏度和黏性模量(G″)，承載和保持的能力包括彈性模量(G′)、彈性、硬度和黏附性等。因此，首先需要測定蝦肉糜的表觀黏度以及G′和G″。

由圖3可知，食用膠-蝦肉糜體系具有剪切稀化的特征，體系的表觀黏度在剪切速率不斷增加的條件下呈現不斷下降的趨勢，這表明食用膠-蝦肉糜體系是一種極具代表性的假塑性流體(n<1)，高速剪切應力的作用下蝦肉糜中蛋白質分子會在流體流動的方向上發生結構的定向、拉伸、變形、分散等現象，隨著高速剪切應力的作用，蛋白質分子間的互相交聯反應不斷減弱，流體的流動性增加，表現為其流動阻力減小，表觀黏度下降[14]。

圖3 不同種類及添加量食用膠對蝦肉糜表觀黏度的影響Fig.3 Apparent viscosity of shrimp surimi with different types and added amounts of edible gum

研究者們發現具有剪切稀化特性的食品物料會更加適用于3D打印技術，使得物料易于擠壓和成型[15]。在剪切速率保持穩定狀態的情況下，各組打印產品的表觀黏度隨食用膠添加量的增加而提高，這可能是因為食用膠具有吸水性，添加食用膠有助于蛋白質與膠體形成致密的三維網絡結構。食用膠的種類會影響蝦肉糜的表觀黏度，添加CU的3D打印蝦肉糜樣品表觀黏度增加幅度最顯著。這可能是因為CU具有良好的乳化性，一定程度上降低油水兩相界面張力，極大促進蝦肉糜中蛋白-油脂體系的穩定存在，獲得適合的打印樣品黏度。

不同種類、添加量食用膠對蝦肉糜動態流變特性的影響如圖4所示，在黏彈性線性區域內，食用膠-蝦肉糜體系的G′﹥G″，說明樣品具有更多的彈性性質和類似固體的特征。此外，不同種類的食用膠添加均有助于提高體系的G′和G″，體系的G′和G″隨著食用膠添加量的增大而提高。其中體系的G′增大趨勢更為明顯，這可能是因為食用膠的添加一方面提高了樣品蛋白質聚集體之間的相互作用；另一方面促進蛋白質分子與膠體分子之間的聚集交聯。除此之外，膠體分子之間的相互作用提高了整體的交聯程度，使得體系G′更為顯著地增大[16]。材料的表觀黏度和G″影響擠出性能，而G′越大，打印樣品的形狀越穩定[17]。結合打印精確性和打印穩定性的結果分析，樣品具有較高的G″易于從噴頭處擠出，較高的G′可以提高樣品的承載力。XG的G′最高，而G″最低，結合打印效果，說明XG的添加造成樣品的彈性特征過于明顯，缺乏良好的流體性質，從而造成打印后無法保持具有流暢線條的穩定立體結構；KG和KC表現相反，G′過低，打印樣品的下方均發生過度擠壓而變形的現象；添加2% CU的黏彈性質比較適合用于3D打印，CU的添加能使蝦肉糜具有合適的黏彈特征，在保證樣品能夠順利被擠出噴頭的基礎上還能保持良好的結構及打印穩定性。黃夢莎[18]在研究親水膠體對糙米體系的3D打印效果及其動態流變行為時發現，黃原膠與瓜爾膠復配使用，其G′和G″在試驗中并不是最大，但表現出了最好的打印效果，即對于不同的物料，都有一定適應于3D打印的模量范圍，說明只有其相關的理化性質處于合適范圍內，才有可能提高產品的打印效果。

a-彈性模量G′；b-黏性模量G″圖4 不同種類及添加量食用膠對蝦肉糜黏彈性模量的影響Fig.4 Storage modulus (G′) and loss modulus (G″) of shrimp surimi with different types and added amounts of edible gum

2.3 食用膠對蝦肉糜質構特性的影響

質構特性可以用于評價物料打印可行性和肉糜品質。不同種類食用膠的添加能夠影響蝦肉糜體系的質構特性，包括硬度、黏附性以及彈性特征，3個指標能科學地體現樣品的質構性質。不同種類食用膠及其添加量對蝦肉糜質構參數的影響及方差分析結果如表2所示，所有蝦肉糜的硬度在食用膠添加量增加的情況下也逐漸增加(P<0.05)。不添加食用膠的對照組的硬度為0.78 N，而添加3% KC、KG、XG和CU組的硬度分別為1.40、1.90、1.98、1.51 N，這可能是因為食用膠吸水膨脹有助于穩定蛋白結構，使其硬度增加[5]。在食用膠添加量相同的蝦肉糜中，XG組的硬度最高，其次是KG、KC和CU組(P<0.05)，這與持水性的結果相對應。與3D打印效果相聯系，說明高硬度有利于保持產品的原始形狀，從而提高產品的打印穩定性。盡管添加3%食用膠的樣品硬度最高，但硬度較高導致擠出困難，以致于擠出后由于結構被破壞，難以恢復而導致斷絲。因此，添加2%食用膠的蝦肉糜具有適宜的硬度和更好的打印效果。樣品的黏附性隨著食用膠添加量的增加而逐漸增加(P<0.05)，比較加入相同質量食用膠的樣品，CU組的黏附性顯著高于其他組，其次是KC、KG和XG組(P<0.05)。添加3% CU組的黏附性為4.38 N·mm，比對照組的1.85 N·mm高2.53 N·mm。這可能是因為CU是以β-1,3-糖苷鍵構成的水不溶性葡聚糖形成的大分子物質，具有良好的流動性、溶解性、凝膠性，且可以改善產品的穩定性，并有增稠作用等，因此可以增加蝦肉糜的黏附性。同樣，樣品的彈性隨著食用膠添加量的增加而逐漸增加(P<0.05)，添加3% KC、KG、XG和CU組的彈性分別為5.09、4.74、6.13和5.48 mm，是對照組蝦肉糜彈性(2.29 mm)的2倍多。這可能是因為食用膠與蝦肉糜中的蛋白在擂潰過程中充分混合，蛋白分子和膠體分子在水分和機械作用力下充分展開，發生鍵的形成、分子嵌合，同時蛋白分子與膠體分子形成的網絡相互交織，強化了蝦肉糜蛋白本身形成的網絡結構，形成更加致密、穩定的三維網狀結構，因此彈性增加[19]。總之，結合3D打印成型效果，適宜的物料硬度、黏附性和彈性進行打印有助于物料擠出和穩定成型，以獲得更好的3D打印產品。

表2 不同種類及添加量食用膠對蝦肉糜質構特性的影響Table 2 Effects of different types and added amounts of edible gum on the texture profile of shrimp surimi

2.4 食用膠對蝦肉糜水分分布的影響

LF-NMR為一種先進無損的食品檢測方法，反映了水的物理和化學性質，提供水的分布、流動性和相互作用等信息[20]。水分分布的變化直接影響蝦肉糜的微觀結構，從而影響物料的打印成型效果[21]。如圖5所示，可以觀察到2個峰，分別為T2b(0～10 ms)和T21(10～100 ms)，T2b表示與肌原纖維蛋白結構緊密結合的結合水，T21代表固定在肌原纖維或肌動球蛋白網絡中的不易流動水。

圖5 不同種類及添加量食用膠對蝦肉糜弛豫時間的影響Fig.5 LF-NMR signal for shrimp surimi with different types and added amounts of edible gum

表3顯示了弛豫時間T2的變化，以及相應的峰面積比A2的關系。弛豫時間T2可以作為表面水分自由度大小的依據，T2越短，說明樣品中的水流動性越差，結合更緊密；而弛豫峰面積A2與流變學性質有很強的相關性，表示水分子遷移的變化量[22]。加入同種食用膠的蝦肉糜，在添加量逐漸增加的情況下，T2縮短，A21也隨之減小，而A2b隨之增大。該規律反映了食用膠提高了蝦肉糜與水結合的能力。這可能是因為大量食用膠分子的親水基團與水分子之間形成了比較穩定的氫鍵，阻止了水分移動，樣品持水性隨之增強，在親水性膠體作用下蝦肉糜形成均勻且致密的凝膠網絡結構，束縛水分于其中，增強蝦肉糜結合水的能力[8]。

表3 不同種類及添加量食用膠對蝦肉糜水分狀態分布的影響Table 3 Effects of different types and added amounts of edible gum on the water state distributions of shrimp surimi

從圖5中可以看出，T2隨著食用膠含量的增加而降低。這表明部分結合水變成不易流動水，表明水分子和蛋白質等大分子之間的交互變得更加緊密和隨著食用膠的增加形成了更密集的網絡結構，導致表觀黏度增加(圖3)、G′(圖4-a)、硬度和彈性(表2)明顯增加，從而影響其擠出特性。對于添加3%食用膠的蝦肉糜樣品，T2b所對應的A2b均有所增加，其中XG增加了1.11(增幅最大)，KC的增加了0.49(增幅最小)，同時，A21也隨之減小。說明樣品中水與大分子成分的結合強度較強，而產生不易流動水的范圍較小，同樣也說明添加KG、XG、CU的蝦肉糜結合水的能力稍高于添加KC的蝦肉糜，也許是因為KC具有較強的泌水性[23]。

總之，食用膠能夠有效提高蝦肉糜的保水特性，也有助于增強打印產品質量的穩定性和擠出特性。結合3D打印的效果圖，說明適當提高蝦肉糜結合水的能力能夠有助其進行打印。

2.5 食用膠對蝦肉糜持水性的影響

持水性是評價肉糜水分性能中的重要參數，反映了蝦肉糜束縛或保留水分的能力，表現為在受到外界壓力的擠壓時，內部保留的水分不易外滲而造成流失。由表4可以看出，食用膠添加比例增加蝦肉糜的持水性也隨之顯著提高，這可能是由于食用膠都有很強的吸水性能，在蝦肉糜充分擂潰的同時，分子內和分子間存在的相互作用力，與蝦肉糜蛋白形成了復雜的凝膠網絡結構，阻止了水分子的移動，因此顯著提高了蝦肉糜的持水性[24]。對于添加量相同的食用膠，XG的增強作用最為顯著(P<0.05)，添加了3% KC、KG、XG、CU食用膠的蝦肉糜的持水性相對于未添加食用膠的對照組分別提高了約4.93%、5.87%、6.94%、5.74%，可能是因為XG具有很強的親水作用，XG的添加增加了蝦肉糜的持水力，CU在4種食用膠中表現出適宜的持水性。趙春波等[25]發現CU的加入能夠提高低鹽乳化腸的持水性，其原因是CU能限制肉糜凝膠中水分子的運動，形成致密的三維網狀結構。將該研究結果與3D打印產品成型效果相結合，說明適宜的持水性有助于維持蝦肉糜打印產品的形狀及結構。

表4 不同種類食用膠添加量對蝦肉糜持水性的影響Table 4 Effects of different types of added amounts edible gum on the water holding capacity of shrimp surimi

3 結論

本文研究了不同種類、添加量食用膠對蝦肉糜物理特性及其3D打印適應性的影響。結果表明，食用膠的種類和添加量對蝦肉糜3D打印特性均有影響，只有添加合適比例的(2%)食用膠才能最大程度上提高3D打印蝦肉糜的打印可行性；而對于相同食用膠添加量，添加CU的樣品具有較高的打印精確性和穩定性。添加2% CU可以適當增加蝦肉糜的持水性、硬度、黏附性、彈性、G′、G″和表觀黏度，使樣品易于從噴嘴中擠出，獲得流暢的打印線條并保證樣品具有足夠的支撐能力保持良好形狀。總之，向蝦肉糜中添加2%可得然膠可以提高其3D打印適應性。