食用胶改善虾肉糜3D打印特性的研究

黄端颖，潘燕墨，刘阳，曾惠蓝，蓝伟，苏静，陈智轩，刘雨杉，刘书成,2，孙钦秀*

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打印在广义上被称为增材制造，是将数字设计模型作为蓝本，通过逐层叠加的方式，准确地打印成精度极高的实体产品[1]。3D打印技术近几年发展迅猛，展现了广阔的应用前景，为航空航天、医学、工学、军事等领域带来了新的发展和挑战[2]。在食品加工业中，3D打印技术提供了食品加工新的前沿方向，可以帮助我们使用不同原料配方生产复杂形状的新型产品。如今已经有大量的食品物料被应用于3D打印技术，如巧克力[3]、土豆泥[4]、马铃薯淀粉[5]、大豆分离蛋白[6]等，具有造型个性化定制，营养数字化、简化供应链等特点[7]。

凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)又名南美白对虾，有着壳薄体肥、含肉率高、肉质鲜美等特点，同时还是一种富含高不饱和脂肪酸、矿物质等营养均衡的优质蛋白质源，将虾肉经过擂溃制成的虾肉糜具有易于储存、食用方便等特点。目前，虾肉糜制品因其营养丰富而颇受现代消费者欢迎，市场前景广阔。但目前虾糜制品的形状较为单一，不能满足消费者对于外观多样化的需求。由于虾肉糜是一种溶胶体，适于3D打印，因此可以利用3D打印技术解决这一问题。

纯虾肉糜由于水分含量高导致其黏弹性和支撑性较差，进行3D打印时容易出现打印断丝、出料不均匀、产品沉积塌陷等问题。食用胶是食品中常用的增稠剂，可以提高肉糜的黏弹性和支撑性，显著提高打印性能[8-9]。本文研究了卡拉胶(kappa carrageenan，KC)、魔芋胶(konjac gum，KG)、黄原胶(xanthan gum，XG)、可得然胶(curdlan，CU)4种食用胶种类及添加量(0%、1%、2%和3%)对虾肉糜打印效果(打印精确性、打印稳定性)的影响；同时考察了食用胶种类及添加量对虾肉糜物料特性(表观黏度、G′、G″、硬度、黏附性、弹性、水分分布特性以及持水性)的影响，剖析物料特性与打印效果的内在联系，以期筛选出适宜3D打印虾肉糜的食用胶种类及其添加量，并揭示其改善机理，为生产出符合大众需求、方便食用的虾肉糜制品提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

广东省湛江市霞山区欢乐海洋海鲜市场采购同一批次新鲜的凡纳滨对虾，30～40头/kg，低温保活运送到实验室。魔芋胶，湖北省一致魔芋生物科技股份有限公司；κ-卡拉胶，广东省肇庆海星生物科技有限公司；可得然胶，山东省荣成海奥斯生物科技有限公司；黄原胶，新疆梅花氨基酸有限责任公司；精制盐，陕西省中盐榆林盐化有限公司；料酒，广东省厨邦食品有限公司；味精，江苏省苏州市合兴食品有限公司；白砂糖，广东省广州福正东海食品有限公司。

1.2 仪器与设备

UX 2200H型电子托盘天平，日本岛津公司；MQ785型手持多功能料理机，德国博朗公司；FOODBOT E13D型食品3D打印机，杭州时印科技有限公司；MNT-150T型高精度数显游标卡尺，上海美耐特实业有限公司；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；3K-15型台式高速冷冻离心机，德国Sigma实验室离心机股份有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 虾肉糜样品的制备

挑选体长相近、质量大致相同的新鲜凡纳滨对虾进行去头、脱壳、去虾线等前处理，然后用冰水清洗干净。将虾肉放进料理机进行空擂5 min，处理后的虾肉糜转移到容器中与冰水以1∶5(质量比)充分混合漂洗3次，然后多层纯棉纱布包裹人工脱水，添加3%食盐(以虾肉糜质量计，下同)与虾肉糜一起擂溃2 min，依次添加3%料酒、1%白砂糖以及1%味精继续擂溃2 min，将处理完成的样品均分为13等份，将其中12份虾肉糜分别添加KC、KG、XG、CU(1%、2%和3%)擂溃2 min，不添加任何食用胶的虾肉糜为对照组，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

参照潘燕墨等[10]的方法进行打印精确性及稳定性的分析。为了确保打印过程中更高的挤压成功率，本试验均使用直径1.20 mm的喷头进行打印，设计打印模型边长(Lm)20 mm。打印后通过LED摄影棚灯箱中的数码相机拍照记录样品成型效果，并测量其高度(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，数值越接近证明打印成型效果越好。打印精确性和稳定性按公式(1)、公式(2)计算。

(1)

(2)

式中：Ls代表成品边长(最底层与最高层边长的均值)，mm；Lm代表预设边长，mm；H0 min代表打印结束后静置0 min时样品的高度，mm；H60 min代表打印结束后静置60 min时样品的高度，mm。

1.3.3 虾肉糜流变特性的测定

参考PAN等[11]的方法进行流变特性测试。温度设定为25 ℃，平板直径20 mm，间隙1 mm。在0.1～100 s-1的剪切速率范围内进行了静态表观黏度的变化规律分析。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′)和黏性模量(G″)随振荡频率的变化情况。

1.3.4 虾肉糜质构特性的测定

参照潘燕墨等[12]的方法，测定打印样品的质构特性，包括硬度、黏附性以及弹性。

1.3.5 虾肉糜水分分布的测定

参考LIU等[13]的方法测试。采用低场核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance, LF-NMR)仪测定，共振频率22.6 MHz，磁场强度0.47 T。将大约10 g虾肉糜小心放置于直径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

称取样品(m1，g)在4 ℃下离心(10 000×g，10 min)，离心完全后，样品再一次称质量(m2，g)，按公式(3)计算持水性：

(3)

1.3.7 数据分析

本试验共处理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±标准差的形式来表示，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 结果与分析

2.1 食用胶对虾肉糜3D打印精确性及稳定性的影响

考察3D打印产品的打印精确性和打印稳定性是评价其产品质量的重要方式[13]。添加了不同种类及添加量的虾肉糜打印成型效果如图1、图2所示，未添加食用胶的对照组线条生硬粗糙，层与层间堆积松散，底部结构坍塌，这可能与虾肉糜的高水分含量和低黏弹性有关[9]。

图1 添加不同种类及添加量食用胶的3D打印虾肉糜外观照片(0 min)Fig.1 Photos of shrimp surimi with different types and additive amounts of edible gum at 0 min of 3D printing

图2 添加不同种类及添加量食用胶的3D打印虾肉糜外观照片(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都能提高样品的打印精确性和打印稳定性，这可能是因为食用胶等亲水性的胶体具有一定程度的吸水和膨胀特性，同时形成稳定的网络结构，在提高体系黏弹性的同时提高承载力，保证了良好的挤出特性和稳定性[9]。就添加量而言，添加2% KC、KG、CU的虾肉糜达到最佳的打印精确性；继续添加则样品打印精确性都有不同程度的下降，这是由于添加过多的食用胶引起虾肉糜的硬度及凝胶强度的显著增加，胶体具有明显的固体特征，导致挤出过程中胶体破裂而无法使样品成型。添加2%的食用胶能够较好改善3D打印的适应性，其中添加2%CU的样品表现出最佳的打印效果，打印精确性达到了98.23%，与对照组相比提升了8.92%，且打印稳定性高达96.54%，与对照组相比提升了4.64%，底部没有出现明显的挤压而造成直径增大的现象，说明添加2%的CU可以改善样品的打印适应性，同时提升样品的承载力。CU是一种线性水不溶性多糖，具有热不可逆的高强度凝胶性能、强亲水性和冻融稳定性，故与其他食用胶相比，在2～5 ℃制备条件下可以更好地改善虾肉糜3D打印适应性。

表1 不同种类及添加量食用胶对3D打印虾肉糜打印精确性及稳定性的影响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的样品与对照组相比，打印时不容易从喷头中挤出，出料不均，且容易堵塞喷头；打印线条生硬、断丝，层与层之间融合度不好；表现出严重的塌陷，与所设计的模型相差最大，打印精确性和稳定性都低于未添加食用胶的对照组。CU的结构特性决定了其具有较突出的打印精确性和稳定性；KC与KG具有良好的凝胶性，使其打印精确性和稳定性较好，但KG由于黏度高，分子质量高，相比于KC具有更好的保水性、增稠性、凝胶蛋白等优点，所以打印效果更好；与其他3种亲水胶体相比，XG是一种胞外杂多糖，具有羧基和羟基等许多官能团，这些基团可以被修饰或功能化，以增强物理化学性质，导致XG具有极强的亲水性，外层可能吸水膨胀成胶团，从而阻止水分进入里层，导致塌陷无法成型，同时XG的加入可能过度增加了虾肉糜的固体性质，表现为其弹性、硬度、持水性提高程度最大。但是打印精确性和打印稳定性的结果显示，并不是高硬度、高弹性就能取得最优的打印效果，反而固体性质和流体性质相补充，相互协调，才能取得较好的打印效果。

2.2 食用胶对虾肉糜流变特性的影响

食品物料的流变特性影响食品的打印适应性，对实现食品3D打印至关重要。食品物料的流变特性是成功建立高级三维结构的关键因素[4]。影响挤出性能的物理性质包括表观黏度和黏性模量(G″)，承载和保持的能力包括弹性模量(G′)、弹性、硬度和黏附性等。因此，首先需要测定虾肉糜的表观黏度以及G′和G″。

由图3可知，食用胶-虾肉糜体系具有剪切稀化的特征，体系的表观黏度在剪切速率不断增加的条件下呈现不断下降的趋势，这表明食用胶-虾肉糜体系是一种极具代表性的假塑性流体(n<1)，高速剪切应力的作用下虾肉糜中蛋白质分子会在流体流动的方向上发生结构的定向、拉伸、变形、分散等现象，随着高速剪切应力的作用，蛋白质分子间的互相交联反应不断减弱，流体的流动性增加，表现为其流动阻力减小，表观黏度下降[14]。

图3 不同种类及添加量食用胶对虾肉糜表观黏度的影响Fig.3 Apparent viscosity of shrimp surimi with different types and added amounts of edible gum

研究者们发现具有剪切稀化特性的食品物料会更加适用于3D打印技术，使得物料易于挤压和成型[15]。在剪切速率保持稳定状态的情况下，各组打印产品的表观黏度随食用胶添加量的增加而提高，这可能是因为食用胶具有吸水性，添加食用胶有助于蛋白质与胶体形成致密的三维网络结构。食用胶的种类会影响虾肉糜的表观黏度，添加CU的3D打印虾肉糜样品表观黏度增加幅度最显著。这可能是因为CU具有良好的乳化性，一定程度上降低油水两相界面张力，极大促进虾肉糜中蛋白-油脂体系的稳定存在，获得适合的打印样品黏度。

不同种类、添加量食用胶对虾肉糜动态流变特性的影响如图4所示，在黏弹性线性区域内，食用胶-虾肉糜体系的G′﹥G″，说明样品具有更多的弹性性质和类似固体的特征。此外，不同种类的食用胶添加均有助于提高体系的G′和G″，体系的G′和G″随着食用胶添加量的增大而提高。其中体系的G′增大趋势更为明显，这可能是因为食用胶的添加一方面提高了样品蛋白质聚集体之间的相互作用；另一方面促进蛋白质分子与胶体分子之间的聚集交联。除此之外，胶体分子之间的相互作用提高了整体的交联程度，使得体系G′更为显著地增大[16]。材料的表观黏度和G″影响挤出性能，而G′越大，打印样品的形状越稳定[17]。结合打印精确性和打印稳定性的结果分析，样品具有较高的G″易于从喷头处挤出，较高的G′可以提高样品的承载力。XG的G′最高，而G″最低，结合打印效果，说明XG的添加造成样品的弹性特征过于明显，缺乏良好的流体性质，从而造成打印后无法保持具有流畅线条的稳定立体结构；KG和KC表现相反，G′过低，打印样品的下方均发生过度挤压而变形的现象；添加2% CU的黏弹性质比较适合用于3D打印，CU的添加能使虾肉糜具有合适的黏弹特征，在保证样品能够顺利被挤出喷头的基础上还能保持良好的结构及打印稳定性。黄梦莎[18]在研究亲水胶体对糙米体系的3D打印效果及其动态流变行为时发现，黄原胶与瓜尔胶复配使用，其G′和G″在试验中并不是最大，但表现出了最好的打印效果，即对于不同的物料，都有一定适应于3D打印的模量范围，说明只有其相关的理化性质处于合适范围内，才有可能提高产品的打印效果。

a-弹性模量G′；b-黏性模量G″图4 不同种类及添加量食用胶对虾肉糜黏弹性模量的影响Fig.4 Storage modulus (G′) and loss modulus (G″) of shrimp surimi with different types and added amounts of edible gum

2.3 食用胶对虾肉糜质构特性的影响

质构特性可以用于评价物料打印可行性和肉糜品质。不同种类食用胶的添加能够影响虾肉糜体系的质构特性，包括硬度、黏附性以及弹性特征，3个指标能科学地体现样品的质构性质。不同种类食用胶及其添加量对虾肉糜质构参数的影响及方差分析结果如表2所示，所有虾肉糜的硬度在食用胶添加量增加的情况下也逐渐增加(P<0.05)。不添加食用胶的对照组的硬度为0.78 N，而添加3% KC、KG、XG和CU组的硬度分别为1.40、1.90、1.98、1.51 N，这可能是因为食用胶吸水膨胀有助于稳定蛋白结构，使其硬度增加[5]。在食用胶添加量相同的虾肉糜中，XG组的硬度最高，其次是KG、KC和CU组(P<0.05)，这与持水性的结果相对应。与3D打印效果相联系，说明高硬度有利于保持产品的原始形状，从而提高产品的打印稳定性。尽管添加3%食用胶的样品硬度最高，但硬度较高导致挤出困难，以致于挤出后由于结构被破坏，难以恢复而导致断丝。因此，添加2%食用胶的虾肉糜具有适宜的硬度和更好的打印效果。样品的黏附性随着食用胶添加量的增加而逐渐增加(P<0.05)，比较加入相同质量食用胶的样品，CU组的黏附性显着高于其他组，其次是KC、KG和XG组(P<0.05)。添加3% CU组的黏附性为4.38 N·mm，比对照组的1.85 N·mm高2.53 N·mm。这可能是因为CU是以β-1,3-糖苷键构成的水不溶性葡聚糖形成的大分子物质，具有良好的流动性、溶解性、凝胶性，且可以改善产品的稳定性，并有增稠作用等，因此可以增加虾肉糜的黏附性。同样，样品的弹性随着食用胶添加量的增加而逐渐增加(P<0.05)，添加3% KC、KG、XG和CU组的弹性分别为5.09、4.74、6.13和5.48 mm，是对照组虾肉糜弹性(2.29 mm)的2倍多。这可能是因为食用胶与虾肉糜中的蛋白在擂溃过程中充分混合，蛋白分子和胶体分子在水分和机械作用力下充分展开，发生键的形成、分子嵌合，同时蛋白分子与胶体分子形成的网络相互交织，强化了虾肉糜蛋白本身形成的网络结构，形成更加致密、稳定的三维网状结构，因此弹性增加[19]。总之，结合3D打印成型效果，适宜的物料硬度、黏附性和弹性进行打印有助于物料挤出和稳定成型，以获得更好的3D打印产品。

表2 不同种类及添加量食用胶对虾肉糜质构特性的影响Table 2 Effects of different types and added amounts of edible gum on the texture profile of shrimp surimi

2.4 食用胶对虾肉糜水分分布的影响

LF-NMR为一种先进无损的食品检测方法，反映了水的物理和化学性质，提供水的分布、流动性和相互作用等信息[20]。水分分布的变化直接影响虾肉糜的微观结构，从而影响物料的打印成型效果[21]。如图5所示，可以观察到2个峰，分别为T2b(0～10 ms)和T21(10～100 ms)，T2b表示与肌原纤维蛋白结构紧密结合的结合水，T21代表固定在肌原纤维或肌动球蛋白网络中的不易流动水。

图5 不同种类及添加量食用胶对虾肉糜弛豫时间的影响Fig.5 LF-NMR signal for shrimp surimi with different types and added amounts of edible gum

表3显示了弛豫时间T2的变化，以及相应的峰面积比A2的关系。弛豫时间T2可以作为表面水分自由度大小的依据，T2越短，说明样品中的水流动性越差，结合更紧密；而弛豫峰面积A2与流变学性质有很强的相关性，表示水分子迁移的变化量[22]。加入同种食用胶的虾肉糜，在添加量逐渐增加的情况下，T2缩短，A21也随之减小，而A2b随之增大。该规律反映了食用胶提高了虾肉糜与水结合的能力。这可能是因为大量食用胶分子的亲水基团与水分子之间形成了比较稳定的氢键，阻止了水分移动，样品持水性随之增强，在亲水性胶体作用下虾肉糜形成均匀且致密的凝胶网络结构，束缚水分于其中，增强虾肉糜结合水的能力[8]。

表3 不同种类及添加量食用胶对虾肉糜水分状态分布的影响Table 3 Effects of different types and added amounts of edible gum on the water state distributions of shrimp surimi

从图5中可以看出，T2随着食用胶含量的增加而降低。这表明部分结合水变成不易流动水，表明水分子和蛋白质等大分子之间的交互变得更加紧密和随着食用胶的增加形成了更密集的网络结构，导致表观黏度增加(图3)、G′(图4-a)、硬度和弹性(表2)明显增加，从而影响其挤出特性。对于添加3%食用胶的虾肉糜样品，T2b所对应的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)，同时，A21也随之减小。说明样品中水与大分子成分的结合强度较强，而产生不易流动水的范围较小，同样也说明添加KG、XG、CU的虾肉糜结合水的能力稍高于添加KC的虾肉糜，也许是因为KC具有较强的泌水性[23]。

总之，食用胶能够有效提高虾肉糜的保水特性，也有助于增强打印产品质量的稳定性和挤出特性。结合3D打印的效果图，说明适当提高虾肉糜结合水的能力能够有助其进行打印。

2.5 食用胶对虾肉糜持水性的影响

持水性是评价肉糜水分性能中的重要参数，反映了虾肉糜束缚或保留水分的能力，表现为在受到外界压力的挤压时，内部保留的水分不易外渗而造成流失。由表4可以看出，食用胶添加比例增加虾肉糜的持水性也随之显著提高，这可能是由于食用胶都有很强的吸水性能，在虾肉糜充分擂溃的同时，分子内和分子间存在的相互作用力，与虾肉糜蛋白形成了复杂的凝胶网络结构，阻止了水分子的移动，因此显著提高了虾肉糜的持水性[24]。对于添加量相同的食用胶，XG的增强作用最为显著(P<0.05)，添加了3% KC、KG、XG、CU食用胶的虾肉糜的持水性相对于未添加食用胶的对照组分别提高了约4.93%、5.87%、6.94%、5.74%，可能是因为XG具有很强的亲水作用，XG的添加增加了虾肉糜的持水力，CU在4种食用胶中表现出适宜的持水性。赵春波等[25]发现CU的加入能够提高低盐乳化肠的持水性，其原因是CU能限制肉糜凝胶中水分子的运动，形成致密的三维网状结构。将该研究结果与3D打印产品成型效果相结合，说明适宜的持水性有助于维持虾肉糜打印产品的形状及结构。

表4 不同种类食用胶添加量对虾肉糜持水性的影响Table 4 Effects of different types of added amounts edible gum on the water holding capacity of shrimp surimi

3 结论

本文研究了不同种类、添加量食用胶对虾肉糜物理特性及其3D打印适应性的影响。结果表明，食用胶的种类和添加量对虾肉糜3D打印特性均有影响，只有添加合适比例的(2%)食用胶才能最大程度上提高3D打印虾肉糜的打印可行性；而对于相同食用胶添加量，添加CU的样品具有较高的打印精确性和稳定性。添加2% CU可以适当增加虾肉糜的持水性、硬度、黏附性、弹性、G′、G″和表观黏度，使样品易于从喷嘴中挤出，获得流畅的打印线条并保证样品具有足够的支撑能力保持良好形状。总之，向虾肉糜中添加2%可得然胶可以提高其3D打印适应性。