明胶对酸奶3D打印性能的影响

王江东,帅晶晶,罗仕园,安建辉,2,3,邓伶俐,2,3*

1(湖北民族大学 生物科学与技术学院,湖北 恩施,445000) 2(生物资源保护与利用湖北省重点实验室(湖北民族大学),湖北 恩施,445000) 3(超轻弹性体材料绿色制造民委重点实验室(湖北民族大学),湖北 恩施,445000)

随着消费者对食品定制化和营养精确化的需求,通过食品3D打印来开发新产品已经成为一种行业趋势[1-2]。食品3D打印具有方便,快捷,形态可变以及营养配比可调等优点。早期应用于食品3D打印的体系有食品胶体[3]、巧克力等[4],其中巧克力3D打印已经大规模应用,市面上已有大量3D打印自助售卖机进行定制化打印。近年来食品3D打印体系逐渐扩展到多领域,如淀粉体系[5-6]、肉制品[7-8]、乳制品[9-10]。乳制品体系由于其营养价值高,所含蛋白通过热处理可形成交联网络结构,可作为潜在的3D打印材料。LIU等[10]研究了乳清分离蛋白对牛奶浓缩蛋白3D打印性能的影响,发现牛奶浓缩蛋白与乳清分离蛋白比例为5∶2时得到的复合凝胶具有最佳的3D打印性能。

研究表明向食品体系中添加一定量的食品胶体能够改善食品体系的3D打印性能,如卡拉胶、阿拉伯胶、魔芋胶、淀粉等[11-13]。明胶作为一种常用于3D打印的亲水胶体,可通过自身凝胶化使原料具有类似明胶的性质,从而改善样品的硬度、弹性和和咀嚼性,提高原料的3D打印性能。明胶由于其安全性高,生物相容性好被广泛应用于组织工程3D打印,其应用于食品3D打印的相关研究较少。食品3D打印的方式主要为热挤出型3D打印[14],市场上也已有多家公司生产针对食品行业的3D打印机,但是此类3D打印机单价相对较高,并且进料腔体在每次换样品后需要清理,加热挤出的方法不利于保持食品中某些物质的生物活性。

本研究以酸奶为原料,通过添加不同质量分数的明胶,探讨明胶对酸奶的流变特性、质构性质和3D打印性能的影响。通过红外光谱和低场核磁共振分析明胶与酸奶成分之间的相互作用,进而阐明明胶添加对酸奶3D打印性能的影响规律和机理,为酸奶应用到食品3D打印领域提供理论指导和工艺参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

风味酸牛奶(原味,450 g),蒙牛乳业(集团)股份有限公司；明胶,上海阿拉丁试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

Ender-3S 3D打印机,创想三维科技有限公司；AR2000流变仪、XTplus质构仪,美国TA公司；Nicolet iS5红外光谱仪,美国Thermal Electron公司；NMI20-060H-Ⅰ型低频核磁共振成像分析仪,苏州纽迈科技有限公司。

1.3 3D打印机改装

为了实现低成本食品3D打印,本课题组以普通3D打印机(Ender-3 s)为基础进行改装(图1)。将3D打印机的原喷头进行了拆除,利用外置的流量泵作为进料设备。在原喷头处固定鲁尔接头支架,以注射器作为进料容器,注射器连接3.2 mm规格鲁尔外旋接头,通过3 mm内径硅胶管输送样品至3.2 mm规格鲁尔内旋接头。鲁尔内旋接头连接普通点胶针头,通过连接不同规格点胶针头可实现不同的打印直径。通过本课题组改装的设备相比于现有市场上的食品3D打印机的优势在于：(1)成本低,普通实验室均可利用该方法进行简单的食品3D打印研究或教学；(2)进料与3D打印平台分离后避免了单一进料腔体的清洗,提高调试参数的效率。

图1 食品3D打印机改装示意图Fig.1 Modification of food 3D printing set-up

1.4 酸奶凝胶制备

选取市售的蒙牛原味酸牛奶为原料,添加质量分数为1%、1.25%、1.5%、1.75%的明胶,加热搅拌至明胶完全溶解后趁热灌装到50 mL注射器中并排去空气后静置过夜使其凝固。

1.5 流变性测试

选用40 mm的平板进行动态流变测定,设置温度为25 ℃,应变为2%,在1～100 Hz的频率范围内扫描分析。获得储能模量(storage modulus,G′)、损耗模量(loss modulus,G″)和损耗角正切值tanθ(G″/G′)作为频率的动态流变特性曲线。

1.6 质构测试

利用质构仪对添加了不同质量分数明胶的酸奶样品进行全质构分析。试验采用圆柱形探头(P/0.5R),压缩形变量为25%,然后用5 kg的测力传感器以1 mm/s的十字头速度减压。TPA测量由2个压缩/解压缩周期组成,以1 mm/s的速率间隔5 s。

1.7 红外光谱测试

将含明胶的酸奶冷冻干燥后,采用傅里叶变换衰减全反射法进行红外光谱扫描[15],扫描范围为：4 000～400 cm-1,分辨率：2 cm-1,累加32次,以空气为背景,每次扫描前扣除背景。

1.8 低场核磁共振

将样品置于低场NMR探头中恒温15 min,磁体温度保持在32 ℃。使用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列测试横向弛豫时间T2。仪器参数设置为采样频率200 kHz,90脉冲宽度18 μs,采样点数96 004,回波个数2 000～5 000,半回波时间0.1 ms,循环采样4次。采用纽迈公司的核磁共振分析应用软件采集数据并进行反演处理[16]。

1.9 3D打印参数优化

通过C4D软件建模,导出stl文件,用Cura软件读取模型后设置打印参数,打印速率50 mm/s,喷嘴直径选用20 G(内径0.6 mm),18 G(内径0.84 mm)和16 G(内径1.2 mm)点胶针头,导出gcode文件加载到3D打印机上执行。

1.10 数据分析

统计学分析使用t分布检验单因素方差分析(ANOVA one way),后续使用Tukey分析进行检验,分析软件为Origin 8.0。当P<0.05时,结果被认为具有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 流变性分析

在3D打印过程中,物料的流变特性会影响打印出料的连续性和层与层之间的贴合性。因此,食品物料的流变特性是衡量其是否适合3D打印的重要指标之一。图2为添加了不同质量分数明胶的酸奶体系的G′和G″随着振荡频率的变化图。G′表示材料的弹性行为,反映体系的机械强度,具有高机械强度的材料打印后会表现出极好的支撑能力,不易塌陷[17]。当G′>G″时,表现出固体的性质,反之则表现为液体的性质。未添加明胶的酸奶表现为液体状,添加了不同质量分数明胶后的酸奶呈现为凝胶状,倒置不会流动。当明胶质量分数为1%时(图2-a),在低频率时G′>G″,而在高频率时G′G″,表现出固体性质。同时,G′和G″也逐渐增加,说明明胶提高了体系的凝胶强度。添加明胶后,明胶分子与酸奶中的蛋白分子也可能发生了氢键作用,从而增加了体系的分子缠联。通过图2-e中tanθ的变化可以看出明胶质量分数>1%后,tanθ<1,说明其形成了稳定的凝胶结构。但是随着凝胶强度的增加其流动性也会降低,流动性太低的样品并不利于3D打印。LIU等[17]发现当土豆泥中添加2%的土豆淀粉后,其储能模量增加,能够得到较好的3D打印产品；而土豆淀粉增加到4%后,过高的储能模量的土豆泥挤出困难,反而降低了其3D打印效果。

a-明胶质量分数1%；b-明胶质量分数1.25%；c-明胶质量分数1.5%；d-明胶质量分数1.75%；e-tan θ值(G″/G′)图2 明胶质量分数对酸奶G′和G″及tan θ值(G″/G′)的影响Fig.2 The G′ and G″ of the yogurt that added with 1%,1.25%,1.5%,and 1.75% gelatin,and the tan θ value (G″/G′)

2.2 质构分析

表1为含不同明胶质量分数的酸奶样品的硬度、弹性、内聚性和回复性。在硬度和内聚性上样品之间没有表现出明显的差异,但是随着明胶质量分数的增加,酸奶样品的弹性和回复性随之增加。说明明胶分子在酸奶样品中溶解,体系中分子缠联程度增加,形成良好的凝胶网络结构。明胶质量分数为1.5%和1.75%时酸奶样品的弹性和回复性显著增加,有利于提升产品的3D打印性能和口感。

表1 含不同质量分数明胶的酸奶样品的硬度、弹性、 内聚性和回复性Table 1 The hardness,springiness,cohesiveness,and resilience of the yogurt that added with various mass fractions of gelatin

2.3 红外光谱分析

图3 明胶及含不同质量分数明胶的酸奶样品红外光谱图Fig.3 The FTIR spectra of the raw gelatin and the yogurt that added with various mass fractions of gelatin

表2为含不同明胶质量分数酸奶样品的红外特征峰相对强度,可以看出明胶添加比例为1.25%和1.5%时,其3 279 cm-1处的峰强度相对较低。由于明胶与酸奶体系中的蛋白和多糖发生了氢键相互作用,导致自由氨基和羟基的振动强度显著减弱[19]。

表2 含不同质量分数明胶的酸奶样品红外光谱特征峰相对强度 单位：%

2.4 低场核磁共振分析

图4为含不同明胶质量分数的酸奶样品的横向弛豫图谱和不同状态水分子的相对百分含量。低场核磁共振横向弛豫时间T2通常被分为3个区域,T21弛豫峰(0～10 ms)对应的是体系中与大分子紧密结合的结合水。T22(30～50 ms)对应的是与大分子结合不紧密但是又位于亲水基团附近的非结合水。T23(100～1 000 ms)对应自由水[17]。不同弛豫时间相对应的指数面积比是3种不同状态水的相对含量。如图4所示,随着明胶质量分数从1%增加到1.5%,其结合水比例从1.54%降低至0.77%,而非结合水的比例从1.53%升高至2.88%。从1.5%到1.75%的添加量各状态水的相对含量没有明显差异。WANG等[18]观察到随着鱼糜凝胶中NaCl含量的增加,T22弛豫峰所占比例也显著增加。明胶添加后体系中紧密结合水含量的降低以及非结合水含量的增加说明由于蛋白与蛋白的相互作用使得酸奶中球状蛋白的构象被打开,从而形成了更加致密的网络结构。FISZMAN等[19]研究发现明胶添加到酸奶中后明胶分子在酪蛋白胶束中形成了桥联作用,形成了双重网络结构,从而能够将水分子有效固定[20]。

图4 不同含量明胶的酸奶样品低场核磁共振横向 弛豫谱图及不同状态水分子含量Fig.4 The LF-NMR T2 relaxation curves of the yogurt that added with various mass fraction of gelatin and the ratios of water molecule at different mobility

2.5 3D打印优化分析

由图5可知,明胶质量分数为1%时,所打印出的3D模型难以维持打印形态,放置不久就有水分渗出。明胶质量分数为1.25%时形态稍有改善,但是打印出的表面较为粗糙。当明胶质量分数过高时,由于体系的流动性变差,表面的粗糙度显著增加。3D 打印食品的精度和质量取决于食品材料的性能,流动性过高或过低的材料都不利于打印成型,因此选用明胶质量分数为1.5%的体系进行打印参数的优化。

a-1%明胶;b-1.25%明胶;c-1.5%明胶;d-1.75%明胶图5 含不同质量分数明胶的酸奶样品3D打印样品图Fig.5 Picture of 3D printed yogurt withdifferent gelatin content

喷头直径大小决定了挤出物料的直径大小,因此喷头直径主要影响打印样品的表面精细程度和打印精度。喷头直径越小,样品的打印精度越高。图6为不同喷头直径条件及不同进料速率条件下打印样品的图片(打印速率50 mm/s)。随着喷头直径的变小,打印样品的表面越来越细腻光滑、打印精度也越高。当喷头直径为0.84 mm,进料速率为3.0 mL/min时,打印样品与目标模型的最接近。

图6 含1.5%明胶的酸奶样品在不同喷头直径和进料速率条件下打印样品图Fig.6 The picture of the yogurt with 1.5% gelatin after 3D printing at various nozzle diameter and feeding rate

如图7所示,针头直径为0.84 mm,打印速率为50 mm/s时,不同进料速率3D打印后的酸奶经过冻干仍能够保持其3D形态,并且具有较高的脆性,可以作为开发新型酸奶产品的一种思路。

图7 含1.5%明胶的酸奶样品3D打印后样品冻干照片Fig.7 The picture of thefreeze-dried 3D printed yogurt with 1.5% gelatin 注：针头直径0.84 mm,进料速率2.0～4.0 mL/min,打印速率50 mm/s

3 结论

本研究实现了低成本的食品3D打印机的改装,可用于常温条件下食品3D打印。通过向市售搅拌型酸奶中添加明胶增加了体系中分子链的缠联,提升了酸奶的凝胶强度,改善了酸奶的3D打印性能。其中明胶质量分数为1.5%时表现出最好的3D打印效果,在此基础上得到的最佳3D打印参数为:进料速率3 mL/min,喷头直径0.84 mm,打印速率50 mm/s。本文中改装的食品3D打印设备也还有很多局限,如进料与3D打印需要人工控制进行同步以及无法实现控温打印。为了丰富和拓宽3D打印酸奶的应用范围,未来的研究还应着眼于研究不同种类食品胶体对酸奶的3D打印性能以及加工性能的影响。