蛋白粉对虾肉糜3D打印成型效果的影响

潘燕墨，黄煜钦，刘 阳，黄端颖，孙钦秀，魏 帅，韩宗元，王泽富，夏秋瑜，刘书成,2

（1.广东海洋大学食品科技学院/广东省水产品加工与安全重点实验室/广东省海洋食品工程技术研发中心/广东省海洋生物制品工程重点实验室/水产品深加工广东普通高等学校重点实验室，广东 湛江 524088；2.大连工业大学海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心，辽宁 大连 116034）

3D 打印（Three-dimensional printing）技术通过逐层叠加构建三维结构[1]，可提高生产效率，减少生产成本[2]，在材料科学、工程学、医学、农业和食品科学等领域的潜在应用广受关注[3]。目前应用于食品3D 打印的配料包括淀粉、蛋白粉、油脂和食用胶等[4-5]，如王石[6]将鸡胸肉糜与豌豆蛋白、谷氨酰胺转氨酶混合后进行3D 打印，开发出一种打印精确度高、不易塌陷、适合3D 打印的双蛋白鸡肉糜体系；Tian 等[7]证明，蜂蜡、卡拉胶和黄原胶的混合凝胶体系在提高3D 打印产品的稳定性、精度和成型性方面起指导作用；Bi 等[8]用风味油与酪蛋白和果胶混合颗粒制备水包油高内相乳液应用于3D 打印，使3D 打印的产品可充分保持设计的形状和结构。因此可通过添加食品配料改善物料特性，进而提高其3D打印适应性。

凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei）是一种营养均衡的高蛋白虾种，具有产量高、加工出肉率高、抗病能力强等优点[9-10]，将其制成虾肉糜对虾产品高值化，促进对虾产业的发展。虾肉糜制品因其营养价值高和食用方便等特点广受欢迎，但其产品形式单一和创新能力不足等问题限制了其进一步发展。虾肉糜是一种适合打印的溶胶体[11]，可利用3D打印技术实现产品创新。

本课题组前期对纯虾肉糜进行打印，发现在打印过程中会存在沉积塌陷、打印线条粗糙等问题。因此，需要添加合适配料改善其打印适应性。蛋白粉是虾肉糜加工中常用配料，添加蛋白粉可改善物料的黏弹性，进而改善其物料特性，同时还可提高产品营养价值。不同添加种类及添加量影响非肌肉蛋白对虾肉糜的物料特性[12-15]。本研究分析大豆分离蛋白粉、乳清分离蛋白粉、蛋清粉及其添加量对虾肉糜3D 打印特性、流变学特性、质构特性以及持水性的影响，探究其对3D 打印成型效果的作用机理，并分析这些指标与打印精确性和打印稳定性的相关性，为探究适宜蛋白粉种类及添加量，优化虾肉糜3D打印配方提供依据。

1 材料与方法

1.1 主要材料与试剂

同一批次新鲜凡纳滨对虾（30～40 尾/kg）购自广东省湛江市霞山区欢乐海洋海鲜市场，低温保活运送到实验室。大豆分离蛋白粉购于山东省临沂山松生物有限公司，乳清分离蛋白粉购于辽宁省沈阳奥派奇食品有限公司，蛋清粉购于安徽省亳州众意蛋业有限责任公司。

1.2 主要仪器与设备

GZB20 型高速斩拌机，广州市汕宝食品厂机械部；FOODBOT E13D型食品3D打印机，杭州时印科技有限公司；F60型LED拍摄灯箱，深圳旅行家科技有限公司；M200（15-45）型高清数码相机，佳能有限公司；HAAKE MARS Ⅲ型模块化高级旋转流变仪，美国Thermo Fisher Scientific 公司；TMS-Pro 型食品物性分析仪，美国FTC 公司；NMI20 系列低频核磁共振成像分析仪，苏州纽迈分析仪器股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 虾肉糜样品的制备 新鲜凡纳滨对虾去头、脱壳、去虾线等，用冰水清洗。将虾肉放进斩拌机绞碎处理5 min，处理后虾肉糜转移到容器中与冰水以质量比1∶5 充分混合漂洗3 次，利用多层纯棉纱布进行人工脱水，添加质量分数3%食盐（以虾肉糜质量计），擂溃2 min，依次添加质量分数3%料酒、质量分数1%白砂糖以及质量分数1%味精（以虾肉糜质量计）继续擂溃2 min，将处理完成的样品均分为10 等份，其中9 份以虾肉糜质量为基准分别添加质量分数3%、6%和9%的大豆分离蛋白粉（SPI）、乳清分离蛋白粉（WPI）和蛋清粉（EPI），再次擂溃2 min，另1 份不添加任何蛋白粉的虾肉糜作为对照组。整个制备过程保持在2～5 ℃条件下。

1.3.2 虾肉糜3D 打印精确性及稳定性分析 参照Pan 等[11]方法。喷头直径1.20 mm，设计打印模型边长（Lm）20 mm。打印完成后，测量其高度H和边长L，所得测量尺寸与预设打印模型的理想数值进行对比，数值越接近则打印成型效果越佳。打印后通过LED 摄影棚灯箱中的数码相机拍照记录样品打印效果。打印精确性（%）、打印稳定性（%）计算：式中，Ls（mm）为样品边长，Lm（mm）为预设边长，H0（mm）为打印结束后静置0 min 时样品高度，H60（mm）为打印结束后静置60 min时样品高度。

1.3.3 虾肉糜流变特性的测定 参考潘燕墨等[16]方法测定。在0.1～100 s-1的剪切速率范围内分析静态表观黏度的变化规律。在0.1～10 Hz的频率范围内通过扫描振荡频率测量其动态黏弹性。所有测量均在确定的黏弹性线性区域内进行，应变扫描为0.1%，记录弹性模量（G'，Pa）和黏性模量（G''，Pa）随振荡频率的变化情况。

1.3.4 虾肉糜质构特性的测定 质构剖面分析（Texture profile analysis，TPA）参照潘燕墨等[17]方法，采用TMS-Pro 质构仪测定。取20 g 生虾肉糜于烧杯中，在温度25 ℃和湿度40%～50%的条件下，测定样品的硬度、黏附性、弹性等质构特性。质构仪选择FTC 38.1 mm Steel 圆柱重型金属探头，测试参数：探头上升到样品表面的高度为30 mm，测试速度60 mm/min，压缩变形50%，起始力为0.5 N。

1.3.5 虾肉糜水分分布的测定 参考Liu 等[18]方法测定。设置低场核磁共振仪（Low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）共振频率22.6 MHz，磁场强度0.47 A/m。将约10 g虾肉糜小心放置于直径为35 mm 的洁净培养皿中，根据Caar-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脉冲序列的测定方法扫描样品，测得样品横向弛豫时间T2。

1.3.6 虾肉糜持水性的测定 采用离心法测定虾肉糜的持水性（Water holding capacity，WHC，%），样品称取后（m1，g）在4 ℃温度下离心（10 000g，10 min），用滤纸吸去虾肉糜表面水分，再次称质量（m2，g）。

1.4 数据分析

本实验共处理3 批虾肉糜，每一批样品质构分析实验平行测定5 次，其他实验平行测定3 次，数据测量值以平均值±标准差表示，使用JMP Pro 13 统计软件对数据进行方差分析和Tukey 多重比较，置信度为95%（P<0.05）。

2 结果与讨论

2.1 蛋白粉对虾肉糜3D打印成型效果的影响

如图1 所示，对照组样品在打印过程中出现出料不均、结构坍塌等现象，其打印效果较差，可能是虾肉糜的高水分含量和低黏弹性导致的[19]。对比图1、2 发现，样品在添加合适比例不同种类蛋白粉并静置0 min 和静置60 min 后，均可保持良好的外观形态且比对照组有所提高。这可能是因为这三种非肌肉蛋白有一定吸水性，填充在虾肉糜肌原纤维蛋白质网络结构中，将水分束缚在虾肉糜的网状结构内[13,20]，改善了虾肉糜的物料特性，可在提高体系的黏弹性同时提高承载力，保证了良好的挤出特性和稳定性。添加质量分数6%蛋白粉打印成型效果最佳，当添加过多（质量分数9%）的蛋白粉时，样品成型效果较其他蛋白粉添加组最差，这可能是因为蛋白粉添加过量，导致样品缺乏良好流动性，无法顺利挤出。这一结果与石蕊[21]在大豆分离蛋白对猪肉糜打印特性影响的研究一致。因此，添加适量的非肌肉蛋白于打印油墨中可改善其从喷嘴中挤出困难和黏附性不佳等情况，但过量则会导致更差的效果。

图1 添加不同种类及添加量蛋白粉的3D打印虾肉糜图片（0 min）Fig.1 Photos of 3D printing shrimp surimi with different types and additive amounts of protein powder at 0 min

图2 添加不同种类及添加量蛋白粉的3D打印虾肉糜图片（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，添加同种蛋白粉时，添加量增加，样品（除添加质量分数9%WPI外）的打印精确性均先上升后下降，打印稳定性呈上升趋势（P<0.05），这可能是因为添加的蛋白粉质量增加，虾肉糜的持水性、硬度和黏弹性逐渐增加，获得更好的支撑性和稳定性。对于蛋白粉添加量相同的样品，SPI 样品的打印精确性最高，其次是EWP 和WPI 样品（P<0.05）；SPI样品的打印稳定性最高，其次是WPI和EWP 样品（P<0.05），其中添加6%SPI 具有较好的打印精确性和稳定性。这可能是因为SPI含较高球蛋白，具有更好的乳化性和较高的黏弹性[22]，从而使物料顺利地通过喷头进行打印并增加层与层之间的融合性。总之，6%SPI的添加有助于提高虾肉糜的3D打印特性。

表1 蛋白粉种类及添加量对虾肉糜3D打印产品精确性及稳定性的影响Table 1 Effects of type and addition dosage of protein powder on printing accuracy and stability of three-dimensional shrimp surimi

2.2 蛋白粉对虾肉糜流变特性的影响

图3可知，随着剪切速率的增加，虾肉糜表观黏度降低，在剪切速率较低时表观黏度较高，说明虾肉糜是一种剪切变稀的假塑性流体。同时，随着添加的蛋白粉质量增加，表观黏度逐渐上升，可能是因为蛋白粉颗粒与盐溶性蛋白及不溶性蛋白随着擂溃的进行不断混合，最终形成了致密稳定的三维网状结构[23]。Liu等[14]发现，随着牛奶浓缩蛋白添加量的增加，其制备的酪蛋白酸钠溶液的表观黏度也逐渐增加，与本研究结果一致。对于蛋白粉添加量相同的样品，SPI组的表观黏度最高，其次是EWP和WPI 组，这可能是因为添加SPI 的虾肉糜在擂溃过程中会与盐溶性蛋白及不溶性蛋白充分混合，进而增加黏度。对于3D 打印物料而言，其表观黏度应足够低以使物料易于从喷头中挤出，而对于表层之间的黏合则应足够高[23]，适宜的表观黏度有助于物料的顺利挤出和打印层之间的融合，添加6%SPI能够很好地达到这一目的以获得更好的打印效果。

图3 蛋白粉种类及添加量对虾肉糜表观黏度的影响Fig.3 Effect of type and addition dosage of protein powder on apparent viscosity of shrimp surimi

如图4(a)和图4(b)所示，虾肉糜在线性黏弹性区域的弹性模量（G′）远大于黏性模量（G″），说明样品具有更多的弹性性质和类似固体的特征，且流动性较差。在任意振荡频率下，随着蛋白粉添加量增加，G'和G''呈增加趋势，说明虾肉糜具有剪切稀化特征。本实验中，在低振荡频率下，分子间的相互作用处于动态平衡状态，凝胶网络依然为黏弹性固体的状态。随着频率的增加，其弹性特征减少，系统表现出黏性流体的特征[24]。本研究发现，WPI 组的G'最高，其次是SPI 和EWP 组；SPI 组的G''最高，其次是EWP 和WPI 组。这一结果与表观黏度的结果相对应。造成3D 打印纯虾肉糜容易断丝和堆叠性差的原因是G'和G''过小，蛋白粉的添加增加了样品的G'和G''，而适当的G'和G''能促进物料的流动性并增加打印物料层之间的融合性[5]，从而改善3D打印适应性。

图4 不同蛋白粉种类及添加量的虾肉糜弹性模量（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 蛋白粉对虾肉糜质构特性的影响

由表2可知，随着添加的蛋白质粉质量增加，样品硬度显著增加（P<0.05）。在蛋白粉添加量相同的样品中，SPI组的硬度最高，其次是WPI和EWP组（P<0.05），这可能是因为SPI结合水的能力很强，通过与虾肉糜本身的蛋白质、糖类等相互作用，将水分锁在网络结构内，增强样品内部结构的稳定性[25]，进而增加虾肉糜的硬度。样品的持水性较高促进样品硬度的增加[26]，高硬度有利于保持打印产品的原始形状，有助于产品稳定成型。添加9%蛋白粉样品的硬度最高，但在实际打印过程中会堵塞打印机的喷头，导致物料流出不均，并突然挤出大量物料。

表2 不同种类及添加量蛋白粉对虾肉糜质构的影响Table 2 Effects of type and addition of protein powder on the texture profile of shrimp surimi

随着蛋白粉添加量增加，样品的黏附性也增加。添加量一致的条件下，SPI 组的黏附性最高，其次是EWP 和WPI 组（P<0.05）。9%SPI 组的黏附性为3.79 N·mm，是对照组（1.88 N·mm）的2倍，这可能是因为SPI 中球蛋白含量较高，具有更好的乳化性和较高的黏弹性[22]，进而使虾肉糜具有很高的黏度。

蛋白粉添加量增加，样品的弹性逐渐增加。添加9%SPI、WPI和EWP组的弹性分别为5.99、7.11和5.74 mm，是对照组（2.11 mm）的1.5 倍多，可能是因为在擂溃过程中，分子相互作用和肌球蛋白持续交联，从而增强样品的弹性[27]。因此，结合3D 打印成型效果，适宜的物料硬度、黏附性和弹性有助于物料挤出和稳定成型，以获得更好的3D打印产品。

2.4 蛋白粉对虾肉糜水分分布的影响

如表3所示，样品的LF-NMR 曲线上有两个峰，表明虾肉糜蛋白已不同程度限制了水的流动性。表3 展示了蛋白粉对驰豫时间（T2）和振幅峰面积比（A2）的影响，T2越短，说明样品中的水不易流动；而弛豫峰面积A2表示不同类型的水的含量，从而影响虾肉糜的流变特性。T2b表示与凝胶网络结构结构紧密结合的结合水，T21代表不易流动水，与凝胶网络的结合程度较低。如表3 所示，添加种类一致的蛋白粉，随着添加量增加，样品的T2向左移动，不易流动水峰面积比（A21）逐渐减小，而结合水峰面积比（A2b）逐渐增大。这些结果表明，虾肉糜中的结合水和不易流动水变得更加稳定[28]，蛋白粉的添加增加了虾肉糜结合水的能力。对于蛋白粉添加量相同的样品，WPI 组的A2b增幅最大，其次是添加SPI 和EWP 的组（P<0.05）。陈海华等[29]研究发现，在鱼糜中添加乳清浓缩蛋白，其结合水的能力增强，表明蛋白粉能在一定程度上截留和吸收水分。结合持水性结果，说明添加蛋白粉可以提高虾肉糜结合水的能力从而增加其持水性。

表3 蛋白粉种类及添加量对虾肉糜水分状态分布的影响Table 3 Effects of type and addition of protein powder on water state distributions of shrimp surimi

2.5 蛋白粉对虾肉糜持水性的影响

表4可知，添加相同种类的蛋白粉，样品持水性随添加量的增加显著增加（P<0.05）。当添加6%蛋白粉时，样品持水性超过89%，显著高于其他添加量组（84.66%）（P<0.05）。蛋白粉添加量相同的样品组，WPI组、SPI组和EWP组的持水性相比于对照组均有所提高，这可能与三种非肌肉蛋白的吸水性有关，在擂溃时与虾肉糜中的蛋白质等大分子物质形成更加稳定紧密的结构，保留更多的水分[30]。崔旭海等[31]的研究发现，不同种类蛋白的添加均有助于鲤（Cyprinus carpio）鱼糜持水性的提高，其中乳清分离蛋白（WPI）的持水效果最好，大豆分离蛋白（SPI）次之，花生分离蛋白（PPI）的持水效果相对较差。结合3D打印特性，蛋白粉的添加使虾肉糜中的持水性有效增加，样品打印精确性和稳定性提高。

表4 蛋白粉种类及添加量对虾肉糜持水性的影响Table 4 Effects of type and addition of protein powder on the WHC of shrimp surimi

2.6 各指标变量间的相关性及主成分分析

从表5 可见，虾肉糜的流变特性、质构特性、水分特性与打印精确性和打印稳定性等指标之间均呈很显著的正相关性（P<0.05)。

表5 添加不同种类及添加量蛋白粉各指标变量的相关性Table 5 Correlation of various index variables with different type and addition of protein powder

从图5 可以看出，主成分1（PC1）的贡献率为72.72%，主成分2（PC2）的贡献率为21.89%，累计贡献率达94.61%。图5(a)为主成分分析的载荷图，样品的打印精确性和打印稳定性与持水性、硬度、黏附性、弹性、G'、G''、A2b和表观黏度在主成分1 的同侧，具有正相关性；样品的打印精确性和打印稳定性与T2b、T21和A21在主成分1坐标轴的两侧，呈负相关性。

图5(b)显示了在二维空间中PC1 和PC2 作为载荷因子的不同处理组样品的投影得分图。推断位于第1、2、3 和4 象限的样品与相应象限中的变量有关。将得分图（图5(b)）与载荷图（图5(a)）进行比较，可以看出，未添加蛋白粉的对照组和添加3%蛋白粉的样品组与打印精确性和稳定性分别位于主成分1 坐标轴的两侧且距离较远，这同样证明不添加蛋白粉或添加少量（3%）蛋白粉的虾肉糜的打印适应性相对较差。添加6%和9%（除9%WPI）蛋白粉样品组与打印精确性和稳定性在主成分2的正方向，表明这些样品具有更高的打印精确性和稳定性，9%WPI 组距离打印精确性和稳定性较远，同时也说明9%WPI 组的打印精确性和打印稳定性相对较差。此外，添加6%蛋白粉的样品组与打印精确性和稳定性都在主成分2 的正方向，这表明向虾肉糜中添加适量（6%）蛋白粉可以提高3D 打印产品的打印适应性。此外，6%SPI组在所有组中最接近打印精确性和稳定性，进一步证明6%SPI添加于虾肉糜中有助于提高虾肉糜的打印适应性。

图5 添加不同种类及添加量蛋白粉的虾肉糜主成分分析Fig.5 Principal component analysis for shrimp surimi with different types and additive amounts of protein powder

3 结论

研究结果表明，添加一定量的不同种类蛋白粉均能提高虾肉糜3D打印适应性，其中添加适宜（6%）蛋白粉效果最为显著（P<0.05）；而对于相同蛋白粉添加量，添加大豆分离蛋白粉（SPI）的样品具有较高的打印精确性和稳定性。结合G'、G''、表观黏度、硬度、黏附性、弹性、持水性这些指标综合分析，添加6%SPI的样品评价指标都显著增加（P<0.05），样品能够顺利挤出喷嘴，层与层完美融合并具有良好稳定性，添加6%SPI在提高虾肉糜的打印精确性以及稳定性方面的显著作用。因此，添加6%大豆分离蛋白粉于虾肉糜中可以提高其3D打印适应性。