鲟鱼重组鱼排3D打印特性的研究

金铮,于婉莹,赵文宇,刘宇轩,祁立波,白帆,董秀萍*

1(大连工业大学 食品学院,食品交叉科学研究院,辽宁 大连,116034)2(国家海洋食品工程技术研究中心, 海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心,辽宁省海产品精深加工产业共性技术创新平台, 辽宁 大连,116034)3(衢州鲟龙水产食品科技开发有限公司,浙江 衢州,324004)

鲟鱼是世界上现有淡水鱼类中体形较大、寿命较长的一种鱼类,是我国的名特优珍品。在我国境内野生的鲟鱼有8种,分别为史氏鲟、达氏鳇、库页岛鲟、中华鲟、达氏鲟、白鲟、裸腹鲟和西伯利亚鲟[1]。随市场需求增加,我国鲟鱼养殖业不断发展,形成了较为完整的产业链,成为世界鲟鱼养殖产量第一国[2]。目前我国鲟鱼加工产品主要以冰鲜鲟鱼、速冻鲟鱼片、速冻鲟鱼丸为主[3]。鲟鱼鱼肉较厚、无肌间刺、营养价值高、肉质细腻且风味鲜美[4]。对鲟鱼进行加工和利用能够为鲟鱼的精深加工提供新的发展方向,这对鲟鱼资源的高效利用具有很大意义。

鸭肉具有低脂肪、低胆固醇和高蛋白的优势[5],其含有人体所需的所有必需氨基酸及B族维生素,是一种营养价值高的肉类。山药在中国被认为是一种药食同源性原料[6],其含有维生素、淀粉酶、胆碱、黏液汁酶以及薯蓣皂苷等多种营养成分。有研究表明山药与鸭肉具有良好的营养协同作用,能够降低胆固醇。目前有关山药与鸭肉复合食品的加工研究较少,刘巍[7]研发了一种山药鸭肉羹的配方及制作方法;周存六等[8]将山药粉作为脂类物质的替代品添加到鸭肉中,制备山药鸭肉丸。因此,将鸭肉、山药与鲟鱼肉进行复配,可实现鱼排的营养重组。随着经济社会不断发展,营养定制化、个性化及特膳食品的发展得到广泛重视。3D打印技术作为一种快速成型技术,通过连续放置多层材料来创建物理对象的过程,通常由三维数字模型辅助[9]。能更好的实现重组成型过程中营养定制与复配,并赋予产品新颖的模拟鱼排外观。

本研究以鲟鱼肉为原料,添加鸭肉、山药进行复配,以实现营养协同,同时改善制品的质地及口感。结合3D打印技术制备重组鱼排制品,探究复配物料打印特性、重组制品品质及理化特性的变化,筛选适宜的复配比例,以发挥原料的营养优势,得到品质优良的3D打印定制鱼排。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

杂交鲟鱼(Acipenserbaerii×Acipenserschrenckii,AB×AS),雌性,质量约为40～50 kg/条,衢州鲟龙水产食品科技开发有限公司,采用-18 ℃冷链运输至实验室,-20 ℃条件下储存;冷冻鸭胸肉,莱芜市新希望六和食品有限公司,-20 ℃储存;山药,山东壹亩地瓜农业科技有限公司。实验所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

UltraScan PRO测色仪,美国HunterLab公司;TA.XTPLUZX质构仪,美国Stable Micro Systems公司;Discovery HR-1流变仪,美国TA仪器有限公司;FOOD-B2鱼肉3D打印机,长兴时印科技有限公司;CR22N高速冷冻离心机,日本日立公司;MesoMR23-060V-1核磁共振成像分析仪,上海纽迈电子科技有限公司;JSM-7800F热场发射扫描电镜,日本电子株式会社。

1.3 试验方法

1.3.1 鲟鱼肉预处理

取冷冻鲟鱼,流水解冻,剔除鱼皮、鲟鱼骨、脂肪及红肉并切成形状约为5 cm×5 cm×3 cm的鱼块。鱼块经绞肉机初步绞碎,后经斩拌机慢档低速空擂3 min,密封分装,置于-20 ℃冰柜储存备用。

1.3.2 鸭肉预处理

将冷冻鸭胸肉流水解冻后剔除筋膜,切成小块,鸭肉经绞肉机初步绞碎,后经斩拌机慢档低速空擂3 min,密封分装,置于-20 ℃冰箱储存备用。

1.3.3 山药预处理

取新鲜山药若干,洗净去皮,切成小块,放入斩拌机采用慢档低速斩拌,共斩拌3 min,整理装袋,备用。

1.3.4 鲟鱼、鸭肉与山药复配材料的制备

将预处理的鲟鱼肉、鸭肉和山药按不同比例(g∶g)混合,添加预先溶解的NaCl溶液,置于斩拌机慢速低档斩拌3 min并通过40目筛去除肉质中的筋膜,取过筛后的复配材料装于真空密封袋内,并在4 ℃下储存备用。复配材料配方如表1所示。

表1 鲟鱼、鸭肉与山药复配材料配方 单位:%

1.3.5 鲟鱼重组鱼排制备方法

将复配材料灌入3D打印机料筒,参照DICK等[10]筛选出的3D打印条件,采用1.2 mm喷嘴,打印喷嘴移动速率为20 mm/s、挤出速度为15 mm/s,采用1 mm层高,50%填充密度,直线填充模式,打印温度为25 ℃,选取自行设计的stl格式下的“鱼排”图形进行打印,尺寸如图1所示。打印后的样品采用180 ℃空气油炸4 min进行熟化,正反两面各熟化2 min。

图1 重组鱼排3D打印模型Fig.1 3D printed model of reconstituted fish fillet

1.3.6 质构特性的测定

1.3.6.1 剪切力的测定

参照邓丽等[11]的方法,稍作修改,将熟化后样品切成1.5 cm×1.5 cm的小块,每组样品取5个平行,选用A/EBC型号刀头,测前、测试速度为1.0 mm/s、测后速度为10 mm/s,测试距离为15 mm,将测试结果取平均值。

1.3.6.2 全质构分析(texture profile analysis,TPA)测试

参照WANG等[12]的方法,将熟化后样品切成1.5 cm×1.5 cm的小块,每组样品取5个平行,在物性测试仪的TPA模式下评估样品的质构特性。测试条件:选取P/50探头,测前、测试速度1 mm/s,测后速度10 mm/s,对每个样品进行两次连续压缩,设定压缩比30%,触发力5 g,将测试结果取平均值。

1.3.7 色泽的测定

利用测色仪进行测定,以仪器白板为标准,每组分别随机测定3次,测量熟化后样品表面及内部的L*、a*、b*,结果取平均值。其中,L*为亮度值;a*为红绿值;b*为黄蓝值。

1.3.8 流变特性的测定

参照LIU等[13]的方法,用混合流变仪分别测定5种复配材料的表观黏度和黏弹性特征。用直径为40 mm的钢制测试夹具在25 ℃的温度下进行测试。

表观黏度:采用剪切扫描模式,剪切速率在0.1～100 s-1,每组样品重复3次。

动态黏弹性特征:采用振荡模式进行测定,所有测试均在应变为1.0%的线性黏弹性区域内进行,记录储能模量(G′)、损耗模量(G″)和损耗正切(tanδ),扫描频率在0.1～100 rad/s,每组样品重复3次。

1.3.9 持水力及熟化损失

参照黄颖等[14]的方法测定熟化损失率。准确称量熟化前3D打印样品的质量,将经熟化后的样品冷却至室温,擦去表面的水分并称量,根据测得的重量差计算蒸煮损失率,每组样品重复3次,结果取平均值。计算如公式(1)所示:

式中:m1,熟化前3D打印样品的质量,g;m2,熟化后样品的质量,g。

将熟化后样品经吸水纸包裹后在4 ℃下以转速8 000 r/min离心10 min, 取出样品,按公式(2)计算持水率。

式中:m′1,离心前样品的质量,g;m′2,离心后后样品的质量,g。

1.3.10 水分分布

参照PAN等[15]的方法稍作修改,样品在室温条件下恒温 30 min后,转入核磁管,采用CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脉冲序列进行自旋-自旋弛豫时间T2的测定。参数设定:P90=28 μs,P180=56 μs,TW=5 000.00 ms,RG1=10.00,DRG1=3.00,PRG=1.00,NS=8.00,NECH=6 000.00。每组样品重复3次。

1.3.11 微观结构

参照叶韬等[16]的方法,稍作修改。将熟化后的样品切成宽1 cm×1 cm×1 cm的小方块,加入体积分数为2.5%的戊二醛溶液固定24 h,去除固定液后,置于50%、70%、90%的乙醇进行梯度脱水,每个梯度脱水15 min,将脱水后样品进行冷冻干燥,最后送入热场扫描电镜中观察截断面的网络结构并拍照。

1.3.12 感官评定

随机选择20名食品专业人员进行感官评定,从外观状态、气味、内部组织状态、弹性、滋味5个方面对重组鱼排进行喜好度的综合评价,评定标准如表2所示,每项指标满分为20分。

表2 重组鱼排的感官评定标准Table 2 Sensory evaluation criteria of recombinant fish fillets

1.3.13 数据处理

色泽、流变特性、持水力、熟化损失及水分分布结果取3次平行,质构特性结果取5次平行,结果均以平均值±标准偏差表示。采用SPSS 22.0分析数据间的显著性(P<0.05表示差异显著)。Origin 8.5用于数据分析和制图。

2 结果与分析

2.1 3D打印效果

本文模拟鱼体外观建立新型重组鱼排模型,并结合3D打印技术实现鱼排重组打印。通过观察打印过程中复配物料的连续性、均匀性及鱼排形状稳定性可考察复配比例对重组鱼排打印品质的影响[17]。由图2可以看出纯鲟鱼鱼排存在断料现象且熟化后此现象较明显,随着山药比例的增大,鸭肉比例的减小,复配材料更加顺滑,具有良好的打印适性,打印过程中基本不存在断料现象,重组鱼排表面光滑平整且打印精度高。当山药与鸭肉复配比例小于3∶7时,经熟化后的重组鱼排基本没有发生形态的改变,立体结构能够与预设鱼排图形保持一致。当山药与鸭肉复配比例达到5∶5时,熟化后样品结构出现塌陷。这一现象可能是由于山药含量的增加使样品体系中的总含水量升高,山药中的淀粉与水分子结合不足以支撑其三维结构,从而造成塌陷。这与冯蕾等[18]发现山药粉含量增加,打印过程中层与层之间产生缝隙,打印效果不佳的现象一致。

a-3D打印模型;b-纯鲟鱼鱼排;c-山药与鸭肉复配比例1∶9; d-山药与鸭肉复配比例2∶8;e-山药与鸭肉复配比例3∶7; f-山药与鸭肉复配比例4∶6;g-山药与鸭肉复配比例5∶5图2 不同山药与鸭肉复配比例下3D打印重组鱼排Fig.2 3D printing reconstituted fish fillets at different compound ratios of yam and duck meat

2.2 流变特性

表观黏度可以反映复配材料的顺滑程度及物料挤出时的连续性。如图3所示,在0～30 s-1的剪切速率区间,山药和鸭肉的添加降低了鲟鱼的表观黏度,且随着复配材料中山药比例的增加,其表观黏度显著下降。当剪切速率达至100 s-1时,曲线平缓,物料向牛顿流体转变,这表明重组鱼排复配材料具有剪切稀化的特性,说明其在打印过程中可以顺利挤出[19]。在相同的剪切速率下,复配材料中山药比例的增加,复配材料表观黏度降低,这主要是因为山药中含有黏性蛋白,山药比例的增大使得复配物料更加顺滑,从喷嘴中顺利挤出[20]。当山药与鸭肉复配比例低于3∶7时,层与层之间沉积不足,出现分层现象。而当山药与鸭肉复配比例达到5∶5时,打印后则出现结构塌陷,二者打印精度均有所下降,影响产品品质。因此,当山药与鸭肉复配比例为3∶7～4∶6时,复配物料表观黏度适宜,可实现精确打印。

图3 不同山药与鸭肉复配比例下物料表观黏度的变化Fig.3 Changes of apparent viscosity of reconstituted fish fillets under different compound ratios of yam and duck meat

储能模量(G′)可以反映材料的弹性特征,可量化为固体特性及机械强度,损耗模量(G″)则反映材料的黏性特征,即材料在发生形变时,由于黏性形变而消耗的能量大小[21],二者可作为评价打印过程中流体特性的另一指标。图4显示在0.1～100 rad/s的频率扫描过程中,山药和鸭肉的添加能够降低鲟鱼的G′和G″,且复配材料的G′始终高于G″,说明在该频率扫描范围内复配物料主要表现为弹性特征,样品均具有以固体特性为主的结构。G′的增长速率要高于G″,表明山药的添加会在一定程度上会增大复配材料的流动性,使流体特征更加明显,这不利于支撑和维持打印后自身的立体形态[22]。Tanδ为G″与G′的比率,是用于评估黏弹性的特征参数,复配材料的tanδ低于1,表明其更像固体的性质。适当的山药添加比例下,能够使其与鱼肉鸭肉体系产生协同作用,表现出的固体特征足以支撑和维持打印后自身的立体形态。当山药与鸭肉比例达到3∶7～4∶6时,复配材料更适合打印,重组鱼排成型性较好。当复配比达到5∶5时,材料机械性能下降,虽能实现打印过程,但成品自支持力下降,这与打印后制品的塌陷有一致性。

图4 不同山药与鸭肉复配比例下物料黏弹性的变化Fig.4 Changes of viscoelasticity of reconstituted fish fillets under different compound ratios of yam and duck meat

2.3 质构特性

嫩度常用于评价肉类产品的品质,可通过剪切模式测定,以剪切力值表示,在感官上通常表现为柔软程度、多汁性和易咀嚼性[23];TPA测试可以通过模拟口腔咀嚼过程来评价样品的感官特性,较为直观的反映产品的食用品质[24]。通过综合比较重组鱼排的剪切力、硬度、弹性、黏聚性、咀嚼性及回复性多个指标,拟反映重组鱼排的食用品质。从表3及图5结果可知,纯鲟鱼鱼排具有较高的剪切力和硬度,分别为858.90 g和721.11 g,山药和鸭肉的添加显著降低了鱼排的剪切力,且随着复配材料中山药比例的增大,鸭肉比例的减小,重组鱼排的剪切力由605.66 g下降至365.96 g,硬度由549.47 g降至238.62 g,说明增加山药在重组鱼排中的复配比例,具有提高鱼排嫩度的效果。然而鱼排的嫩度过大,则会组织松散,品质下降。重组鱼排形成凝胶的主要成分为鲟鱼肉及鸭肉中的盐溶性蛋白,随着鸭肉比例不断减小,复合体系中总盐溶性蛋白含量相对降低,因此制品的质构特性也随之变化。高翔等[25]同样发现山药的添加能够提高鲢鱼鱼糜制品的品质,随着山药的过量添加,会使体系中鱼糜凝胶体系中盐溶性蛋白含量相对降低,从而伴随着质构特性的下降。

图5 不同山药与鸭肉复配比例下重组鱼排的嫩度变化Fig.5 Tenderness change of reconstituted fish fillets under different compound ratios of yam and duck meat 注:不同小写字母代表差异显著(P<0.05)。

表3 不同山药与鸭肉复配比例下重组鱼排的TPA变化Table 3 TPA change of recombinant fish fillets under different compound ratio of yam and duck meat

2.4 色泽

色泽能够最直观的反映重组鱼排的外观品质,影响消费者的接受程度。本研究通过测定重组鱼排外部及内部色泽的变化,分析不同山药与鸭肉复配比例对鱼排品质的影响。如表4所示,山药的添加能够有效的提高鱼排内外部的亮度。随着复配材料中山药比例的增大,鸭肉比例的减少,重组鱼排的内部L*值呈现平稳上升的趋势,外部色泽变化趋势与内部一致。因新鲜山药中含有淀粉,其糊化后可增强鱼排的透明质感,从而改善重组鱼排的亮度[26]。纯鲟鱼鱼排内外部均具有较低的a*和b*值,说明添加山药和鸭肉能够增强鱼排的色度,但随着鸭肉添加量的减少,重组鱼排内部a*与b*值均呈现一定程度的下降。研究表明,在加热过程中,鸭肉中的亚铁肌红蛋白被氧化成高铁肌红蛋白,会造成a*值显著下降,且热处理过程中维生素E、色氨酸等营养素损失也会使肉色度下降[27]。因此鸭肉与山药的比例是导致重组鱼排内部色泽发生显著变化的重要原因。对比重组鱼排内外色泽差异发现,外部L*值低于内部,a*与b*值均高于内部,这是由于空气油炸的熟化方式,使重组鱼排表层在加热过程中直接暴露在空气中,发生氧化褐变及焦糖化,并形成表皮硬壳,造成鱼排内外部的色泽差异[28]。

表4 不同山药与鸭肉复配比例下重组鱼排的颜色变化Table 4 Color change of reconstituted fish fillets under different compound ratio of yam and duck meat

2.5 熟化损失及持水力

熟化损失可用于评判重组鱼排的在加工过程中的品质保持能力,反映其熟化过程中水分、蛋白质等物质损失程度[29],如图6所示,山药和鸭肉的添加能够显著减小熟化损失,但3D打印重组鱼排的熟化损失随着山药与鸭肉比例的变化无明显变化趋势,当鸭肉与山药比例达到5∶5时,熟化损失出现小幅上升,这证明山药与鸭肉的复配比例对重组鱼排的熟化损失不会造成明显的影响,但二者的添加能够在加工过程中很好的保持鱼排的品质。

持水力能够在一定程度上反映重组鱼排的内部三维网络结构质量,主要取决于蛋白质与水的相互作用能力[30],由体系中蛋白质与水分子作用位点的种类和数量决定[31]。图6显示山药和鸭肉的加入显著升高了鱼排的持水能力,且在山药与鸭肉比例由1∶9变为5∶5的过程中,重组鱼排的持水力由51.15%变为48.87%,持水力降低了2.28%。在整体复合体系中,一方面,鸭肉相对含量的减少,整体蛋白质总量减少,使蛋白质与水的相互作用减少,形成的三维网络结构越加松散,造成持水力的下降,这与剪切力及硬度下降的结果相一致。另一方面,山药相对含量的增大,体系中的淀粉能够与水分子结合膨胀并填充于蛋白质网络空隙中。这可能是造成熟化损失没有显著变化的主要原因。综合熟化损失及持水力,证明山药比例的增大,鸭肉比例的下降会使重组鱼排的综合保水能力下降。

图6 不同山药与鸭肉复配比例下重组鱼排的 持水力及熟化损失变化Fig.6 Changes of water holding capacity and ripening loss of reconstituted fish fillets under different compound ratios of yam and duck meat 注:不同大小写字母代表差异显著,P<0.05。

2.6 水分分布

低场核磁共振横向弛豫时间T2可以反映水分在复合体系中的分布情况及迁移过程,用于评判肉类制品熟化损失及持水力,从而反映重组鱼排品质[32]。重组鱼排的水分种类及分布如图7所示,可以看出样品在T21(1～10 ms)、T22(10～200 ms)和T23(300～1 100 ms)存在4个峰,即存在3种水分类型,代表结合水、固定水和游离水[33]。弛豫时间小,说明重组鱼排与水的结合程度高,反之则说明其与水结合程度低。由图7可以看出,鸭肉和山药的添加使得鱼排的T2b和T21向较长的弛豫时间迁移,说明鸭肉和山药的添加使得复配鱼排的水分流动性增强,易失去更多水分,但随着鸭肉和山药复配比改变,T21无明显变化。随着山药比例的增大,鸭肉比例的减小,弛豫时间均向较高的方向偏移,表明复配重组鱼排对水分的束缚能力减弱,这与重组鱼排内部结构紧密程度的减弱有关[31]。固定水及游离水的比例和状态可以反映样品的持水力[34]。纯鱼排的T21的峰面积显著高于添加鸭肉和山药的复配鱼排,表明纯鱼排中结合水含量较高,束缚的水分子较多,具有较高的持水力,这与持水力检测结果一致,但随着山药比例的增大,T22的峰面积呈下降趋势,说明不易流动水比例减少,重组鱼排截留在网络结构中的水分减少,持水力降低。同时,山药比例的增大会使体系中自由水的比例增大,T23的峰面积呈上升趋势,在加工过程中游离水容易损失,可能造成熟化损失的增加。

图7 不同山药与鸭肉复配比例对重组鱼排弛豫 时间T2的变化Fig.7 Changes of relaxation time T2 of reconstituted fish fillets under different compound ratios of yam and duck

2.7 微观结构

图8显示了不同山药与鸭肉复配比例对重组鱼排制品微观结构的影响,纯鲟鱼鱼排内部结构均能够形成致密三维网络结构,没有较大的空洞。复配鱼排中孔隙变小但依旧结构紧密,重组制品中的网络交联主要依靠鱼肉及鸭肉中的蛋白交联产生,由疏水相互作用和氢键构成。随着复配材料中山药比例的增大,鸭肉比例的减小,复合体系中鱼肉与鸭肉中的肌原纤维蛋白相互作用减少,两种蛋白质之间的网络交联诱导减少,形成三维网络结构变得松散[35]。然而,山药比例的增加能够填补部分由于交联减少产生的网络空隙,从而使重组鱼排内部结构出现粗糙不均匀的现象。因此,山药与鸭肉复配比例的变化,使重组鱼排复合体系的内部网络结构质量下降,这与重组鱼排质构及水分变化的结果一致。

2.8 感官评定

根据感官评定结果,计算重组鱼排各项感官评价指标得分平均值,绘制雷达图。如图9所示,纯鲟鱼鱼排各感官指标得分均较低,得分均为9～12分,而不同山药鸭肉复配比下,各项感官指标平均得分均为10～20分,多数为15～20分,少数为10～15分,重组鱼排整体感官品质良好,具有较高的接受度。其中,当山药与鸭肉复配比低于3∶7时,各项感官评分偏低,这与鱼排嫩度不足,以及打印后鱼排内部出现分层,结构松散的现象一致。当复配比为3∶7～4∶6时,各项的感官评分升高,结果相近,这与鱼排嫩度上升,打印组织结构较为均匀,紧密性较好的现象相一致。继续增大山药与鸭肉的复配比,会造成产品接受度降低。因此,综合打印效果、质构特性、感官特性等角度,重组鱼排制品的适宜山药与鸭肉复配比范围为3∶7～4∶6。

a-纯鲟鱼鱼排;b-山药与鸭肉复配比例1∶9;c-山药与鸭肉复配 比例2∶8;e-山药与鸭肉复配比例3∶7;e-山药与鸭肉 复配比例4∶6;f-山药与鸭肉复配比例5∶5图8 不同复配比例对重组鱼排制品微观结构的影响Fig.8 Changes of microstructure of recombinant fish fillets under different compound ratios of yam and duck

图9 不同复配比例对重组鱼排制品感官品质的影响Fig.9 Changes of sensory quality of recombinant fish fillets under different compound ratios of yam and duck

3 结论

本文通过测定不同鸭肉与山药复配比例的鲟鱼重组鱼排质构特性、理化特性及3D打印性能的变化,同时借助感官评定,以考察复配比例对重组鱼排品质的影响。研究结果表明,山药与鸭肉复配比的增大能够在一定程度上提升重组鱼排制品的打印品质。随复配材料中山药比例的增大,复配材料黏度逐渐降低,当山药与鸭肉复配比例低于3∶7时,3D打印制品能够保持模拟鱼排的形状,但熟化后内部组织结构出现明显分层现象。当复配材料中山药与鸭肉复配比增大至3∶7～4∶6时,重组鱼排的打印效果良好,同时其嫩度显著提升,综合感官接受度高,然而,继续增大复配则会导致制品品质的下降。以上结果表明,在鸭肉与山药复配比例为3∶7～4∶6时,可实现鲟鱼重组鱼排的加工。将鲟鱼肉、鸭肉及山药进行复配,鸭肉与鱼肉完善了蛋白质的种类,实现均衡营养,同时,山药与鸭肉具有协同功效,实现了药食同源的作用。因此,实现鲟鱼重组鱼排的加工,旨在提高鲟鱼制品的营养价值及品质,同时为鲟鱼加工制品开拓新的方向,促进其多样化发展,这对鲟鱼产业的发展具有重大意义。