明胶对鸡肉糜3D打印成型稳定性的影响

杨耿涵，韩 瑜，陶 阳，朱筱玉，徐幸莲

（南京农业大学食品科学技术学院，肉品加工与质量控制教育部重点实验室，江苏高校肉类生产与加工质量安全控制协同创新中心，江苏 南京 210095）

食品3D打印是一种根据“分层制造，逐层叠加”原理将虚拟的数字模型转换为三维实体的快速成型技术。近年来，食品3D打印的发展给食品行业带来了巨大的机遇和挑战：通过打印趣味形状，改变食物的质地和营养构成，能为不同人群提供定制化餐食，提高消费者的进食体验；但由于食品原料种类繁多，性质复杂，目前关于食品3D打印的研究仍需重点关注食品原料的3D打印特性。鸡肉是我国肉类消费的一大品类，在营养膳食金字塔中扮演着重要的一环，将鸡肉材料可3D打印化将有力推进个性化营养的实现。此外，鸡肉直接用于3D打印也具有巨大的市场潜力。目前市场上主要鸡肉产品千篇一律的形状逐渐失去了对消费者的吸引力，而可定制化形状的3D打印鸡肉产品更能激发消费者的购买欲望。

食品的3D打印需要原料具有良好的流变性以实现物料的挤出和成型。然而，大部分肉类原料并不适用于3D打印，需要添加合适的加工助剂提高肉类的可打印性。Dick等研究黄原胶和瓜尔胶及其复配对熟猪肉糜3D打印的影响发现，黄原胶引发了三糖侧链与葡萄糖主链间的缔合，降低了黏度损失，瓜尔胶使水分子与半乳糖侧链发生交联，引起体系黏度增加；与对照组相比，实验组显著提高了原料的黏度、储能模量（’）和损耗模量（″），改善了肉糜的3D打印效果。Yu Wanying等评估白鲢-海参复合鱼糜制品的3D打印性能，结果表明，添加-卡拉胶使复合材料的表观黏度增大，损耗角正切值降低，从而获得成型性、持水性和机械强度优良的鱼糜制品。Kim等使用同轴挤压3D打印制备鱼糜基仿蟹肉，使用土豆淀粉作为黏合剂涂抹于产品表面，保持了产品在打印过程中的形态，样品凝胶强度得到增强，并获得了真实的纤维质地。

鸡肉糜在进行3D打印时表现出较差的成型效果，无法在短时间内保持良好的形状稳定性。明胶是一种来源于动物骨、皮等组织中的胶原蛋白，其应用于肉制品中能够改善产品的胶凝特性，在食品领域被广泛用作胶凝剂、增稠剂、黏合剂等，能够有效提高鸡肉糜3D打印的成型稳定性。目前，少有关于使用明胶改善鸡肉糜3D打印特性的研究报道。基于此，本实验以鸡胸肉糜为主要原料，研究明胶对鸡肉糜流变特性、质构特性、水分分布和微观结构的影响，并以添加4%明胶组为原料制备鸡肉糜3D打印制品，对产品蒸煮品质进行评价，以期实现具有复杂结构产品的3D打印，为未来肉制品的生产应用提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

冰鲜鸡胸肉（水分质量分数（76.77±0.18）%，蛋白质量分数（21.40±0.59）%，粗脂肪质量分数（0.58±0.10）%）、精制食用盐（NaCl纯度＞99%）购自南京苏果超市。

明胶（药用级，胶强度240 g Bloom） 上海阿拉丁生化科技有限公司；2.5%戊二醛固定液（电镜专用）上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

FSE-2食品3D打印机 博力迈三维打印科技有限公司；JR18G-300绞肉机、SDD2001搅拌机、SZ26B5蒸锅苏泊尔生活电器有限公司；MCR 301流变仪 德国Anton Paar公司；TA-XT Plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司；PQ001低场核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）成像分析仪 上海纽迈电子科技有限公司；SU8100扫描电子显微镜 日本Hitachi公司；WK2102电磁炉 美的集团有限公司；AUY120型电子分析天平 日本Shimadzu公司；数显游标卡尺 晶思达贸易有限公司。

1.3 方法

1.3.1 鸡肉糜凝胶制备

分别称取肉质量20%的水和0%、2%、4%、6%、8%的明胶置于烧杯中，在40 ℃水浴中搅拌混匀并静置1 h备用。去除新鲜鸡胸肉表皮及肉眼可见的结缔组织和脂肪，均匀切成小块，添加肉质量2.5%的NaCl，放入绞肉机中绞碎2 min，然后倒入制备好的明胶溶液搅拌2 min。为保证原料充分混合，将肉糜刮起再复搅1 min。制备好的鸡肉糜在4 ℃下过夜保存以形成凝胶，12 h后用于3D打印。

1.3.2 模型设计和参数设置

构建一个实心圆柱体（=15 mm，=10 mm），用于凝胶强度、蒸煮损失和质构特性测定；构建一个长、宽、高为37.52 mm×25.00 mm×31.65 mm的几何形状，填充密度设为0%，以获得空心结构，用于其他指标测定。

3D打印参数设置如下：喷嘴直径1.3 mm，喷嘴高度1.1 mm，首层高度1.3 mm，丝径9.8 mm，喷嘴温度28.0 ℃，流量100%，壳体厚度3 层。

1.3.3 肉糜原料流变特性测定

参照Wu Fan等的方法测定肉糜原料的表观黏度，以获得表观黏度曲线。选取直径25 mm的平板，间隙设置为1 mm，剪切速率扫描范围0.1～100 s，测试温度28 ℃，记录表观黏度随剪切速率增加的变化。参照Xu Yujuan等的方法测定鸡肉糜凝胶动态流变性。选用PP50探头，平板间距1 mm，应变设置为1%，测试温度28 ℃，在角频率0.1～100 rad/s内进行动态频率扫描。测量前，样品在平台上静置1 min以达到设定温度。所有测试均在线性黏弹性区域内进行。

1.3.4 坍塌率测定

使用数显游标卡尺，分别于打印后0 min和30 min测定空心几何形状顶部塌陷最严重的点至底部平面的垂直距离。塌陷率按式（1）计算：

式中：为样品测定值/mm；为模型预设值/mm。

1.3.5 凝胶强度测定

打印后的样品立即用于凝胶强度测定，凝胶强度定义为打破凝胶所需的初始力，具体参数如下：采用Return to Start模式，探头型号P5，测前速率1 mm/s，测试速率1 mm/s，测后速率5 mm/s，触发类型自动，触发力5 g，穿刺距离5 mm，测定温度25 ℃。

1.3.6 LF-NMR分析

根据Han Minyi等的方法稍加修改，使用LF-NMR仪分析水分分布和迁移信息。切取2 g打印样品，用保鲜膜包好，然后放入腔体中进行测量。具体参数设置如下：采样频率200 kHz，重复扫描等待时间4 000 ms，回波时间0.35 ms，回波个数7 000，重复扫描次数16。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）序列测定横向弛豫时间（）并计算峰面积（）。

1.3.7 凝胶微观结构观察

用扫描电子显微镜观察鸡肉糜凝胶的微观结构。从打印样品中切取1 mm×1 mm×1 mm的小块，加入体积分数2.5%戊二醛溶液中，25 ℃静置2 h，然后分别用不同质量分数乙醇溶液进行梯度脱水。冷冻干燥后，将样品固定在铜板上，喷金处理。在放大1 500 倍和20 kV加速电压下，获得样品的显微图像。

1.3.8 蒸煮品质评价

选择明胶添加量4%，以传统模具成型鸡肉糜制品（MS组）作为对比，对3D打印鸡肉糜制品（3DP组）的蒸煮品质进行评价。切取与3DP样品相同质量的鸡肉糜凝胶，压制成相同形状（=15 mm，=10 mm的实心圆柱体）制得MS样品。

1.3.8.1 蒸煮损失率测定

参照魏心如等的方法并稍作修改。将样品放入蒸锅中，分别在1 800 W下蒸制和煮制5 min。蒸煮后，用滤纸擦拭样品表面，室温静置5 min后称质量。蒸煮损失率按式（2）计算：

式中：为蒸煮前样品质量/g；为蒸煮后样品质量/g。

1.3.8.2 质构特性分析

参照王希希等的方法并作适当修改，用质构仪采用TPA模式测定不同处理条件下样品的硬度、弹性、凝聚力、咀嚼性和回复力。参数设置为：探头型号P50，测前速率1 mm/s，测试速率1 mm/s，测后速率5 mm/s，压缩比40%，触发类型自动，触发力5 g。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 流变特性分析

2.1.1 明胶对鸡肉糜凝胶表观黏度的影响

图1 不同明胶添加量下鸡肉糜凝胶的表观黏度曲线Fig. 1 Apparent viscosity curves of chicken meat gels added with different gelatin concentrations

由图1可以看出，当剪切速率在0.1～1 s范围内，鸡肉糜凝胶表观黏度显著下降；当剪切速率从1 s继续增大至10 s时，表观黏度下降速率逐渐变慢，曲线趋于平缓；当剪切速率继续增大，黏度趋于0 Pa·s，鸡肉糜凝胶越来越接近牛顿流体。整体上，表观黏度随着剪切速率的增加不断下降，说明鸡肉糜凝胶具有剪切稀化行为，且添加不同用量明胶的鸡肉糜凝胶均具有相似的剪切变稀现象。具有剪切稀化行为的原料适合应用于食品3D打印，因为物料在挤出过程中受到剪切力作用，剪切稀化行为有利于物料挤出，这在Yang Fanli等的研究中已被验证。随着明胶添加量的增加，鸡肉糜凝胶在低剪切速率下黏度越大。在低剪切速率下，黏度与物料挤出前的流动性相关，黏度越大，物料流动性越差。随明胶添加量的增大物料的黏度显著增大，鸡肉糜凝胶的回缩性在一定范围内得到改善，减少物料因重力作用而从喷嘴中流出。但过大的黏度也会阻碍打印物料的正常挤出。

2.1.2 明胶对鸡肉糜凝胶动态流变特性的影响

通过体系’和″表征不同明胶添加量下鸡肉糜凝胶的动态流变特性，反映物料在平台上的支撑能力。’对角频率具有依赖性，表示凝胶网络为混乱无序的结构，而结构交联有序强凝胶的’则不会随角频率的增大而变化。由图2A可以看出，0%明胶组的’呈角频率依赖性。随着明胶添加量的增加，’的角频率依赖性逐渐减弱，且’也相应增加，说明添加明胶增强了物料的胶凝性，及鸡肉糜凝胶的机械强度，有利于打印后的物体保持形状。结合图2A、B可知，随明胶添加量的增加，鸡肉糜凝胶’和″均呈上升趋势，且各组’始终大于″，说明鸡肉糜凝胶表现出更多的弹性，形成了稳定的强凝胶弹性结构。这种弹性结构在外力作用下能够保持相对稳定，有利于3D打印沉积过程中层与层之间的堆叠成型。

图2 不同明胶添加量下鸡肉糜凝胶的动态流变曲线Fig. 2 Dynamic rheological curves of chicken meat gels added with different gelatin concentrations

2.2 打印成型效果分析

图3 不同明胶添加量下鸡肉糜凝胶的3D打印效果Fig. 3 Appearance of 3D printed chicken gels added with different gelatin concentrations

结合图3和表1可知，打印后0 min和30 min的高度随明胶添加量的增加而逐渐接近模型预设高度（31.65 mm），说明明胶的添加提高了3D打印鸡肉糜凝胶的成型稳定性。明胶主要通过以下两方面增强体系的机械强度：一方面，小部分明胶分子通过氢键与肌原纤维蛋白交联，提高了鸡肉糜凝胶的胶凝特性；另一方面，明胶分子均匀分散在肌原纤维蛋白凝胶体系中，通过自身胶凝化填充凝胶网络结构，这也是明胶改善鸡肉糜凝胶特性的主要方式。当明胶添加量达到4%以上时，模型的塌陷程度无显著性差异（＞0.05），成型精度也随之下降。这是因为添加过量明胶（6%和8%）时，水分添加量较少会导致部分明胶颗粒无法吸水溶胀，已溶解的明胶分子也会因黏度过大而形成明胶聚集物，难以与鸡肉糜充分混合，制备得到的鸡肉糜浆料不够均匀、细腻，导致在3D打印挤出过程中频频断线，打印后30 min形状的塌陷程度进一步加剧（图3）。添加8%明胶塌陷率最低（1.80%），但其成型精度显著变低。

表1 不同明胶添加量对打印形状塌陷程度的影响Table 1 Effects of different gelatin concentrations on the collapse degree of printed shape

2.3 明胶对3D打印鸡肉糜凝胶凝胶强度的影响

图4 不同明胶添加量下3D打印鸡肉糜凝胶样品的凝胶强度Fig. 4 Gel strength of 3D printed samples added with different gelatin concentrations

如图4所示，随明胶添加量的增加，打印样品的凝胶强度显著提升。在与鸡肉糜凝胶混合时，螺旋状明胶分子渗透到肌原纤维蛋白网络中，与其他无序的明胶分子或鸡肉中部分展开的肌球蛋白交联，填充凝胶网络，使凝胶结构更加致密，从而增强整个体系的凝胶强度。翁武银等研究明胶蛋白对鲢鱼鱼糜凝胶性质的影响发现，高分子明胶蛋白通过氢键与鱼糜蛋白结合提高凝胶强度，这与本实验的结果一致。

2.4 明胶对3D打印鸡肉糜凝胶水分状态分布的影响

图5 不同明胶添加量下3D打印鸡肉糜凝胶的水分分布Fig. 5 Relaxation time T2 spectra of chicken meat gels added with different concentrations of gelatin

表2 不同明胶添加量下3D打印鸡肉糜凝胶的T2和A2Table 2 LF-NMR spin-spin relaxation time (T2) and peak area (A2) of chicken meat gels added with different gelatin concentrations

如图5所示，3D打印鸡肉糜凝胶的3种弛豫峰集中在1～10（）、10～100（）、100～1 000 ms（），分别代表结合水、不易流动水和自由水。水分越短，说明其流动性越差；峰面积越小，说明该状态水分含量越少。结合表2可知，各组和没有显著差异（＞0.05），说明明胶的添加并没有影响鸡肉糜凝胶体系中结合水的分布。当明胶添加量为2%～4%时，和均较未添加明胶时有所降低，但无显著差异（＞0.05），在打印过程中表现为流动性下降。流动性的适当降低有利于获得更好的支撑能力。当明胶添加量超过4%时，和明显延长，减小，增大，表明此时体系中的水分随明胶添加量的增加逐渐从不易流动水向自由水转移。可能原因是过量的明胶分子形成的明胶聚集物从肌原纤维蛋白凝胶网络中吸收水分，导致鸡肉糜凝胶体系流动性持续下降，使原料挤出变得困难。这些明胶聚集物还容易堵塞打印喷嘴，影响3D打印的连续性，使打印样品的精度明显下降。

2.5 明胶对3D打印鸡肉糜凝胶微观结构的影响

由图6可知，不同明胶添加量下鸡肉糜凝胶微观结构明显不同。不添加明胶的鸡肉糜凝胶网络结构松散，表面布满断面和孔洞，体系流动性强，使打印后形状更容易塌陷。添加2%和4%明胶使体系凝胶网络结构变得紧密。明胶分子渗透进肌原纤维蛋白网络中，通过自凝胶化对凝胶网络起到填充作用，孔洞数量明显减少，体系流动性减弱，形成具有较高机械强度的凝胶，提高了打印形状的成型稳定性。Dick等研究3D打印猪肉制品也发现，添加6%瓜尔胶能够为猪肌原纤维蛋白凝胶网络提供一个稳定的结构。然而，添加6%和8%明胶的鸡肉糜凝胶网络逐渐崩塌。虽然通过明胶分子的自身凝胶化降低了鸡肉糜凝胶的流动性，提高了体系的成型稳定性，但过高的明胶添加量也破坏了打印样品的成型精度。根据上述水分分布的结果推测，可能是肉糜受到吸水膨胀的明胶颗粒挤压，鸡肉糜凝胶网络被破坏，形成坚硬且无序的结构，使鸡肉糜凝胶的挤出受阻。

图6 不同明胶添加量下3D打印鸡肉糜凝胶的微观结构Fig. 6 Microstructure of chicken meat gels added with different concentrations of gelatin

2.6 3D打印鸡肉糜制品蒸煮品质评价

2.6.1 3D打印对鸡肉糜制品蒸煮损失率的影响

图7 不同处理条件下鸡肉糜制品的蒸煮损失Fig. 7 Cooking loss of chicken meat products prepared by mold forming or 3D printing

由图7可知，蒸制和煮制3DP样品的蒸煮损失均显著高于MS样品（＜0.05）。Liu等研究发现，在3D打印挤出过程中，纤维状肉类材料容易发生肉汁分离现象。当肉糜通过喷嘴尖端时，喷嘴内部的压力对肉糜凝胶产生一定剪切效应，肉糜内部颗粒间的黏合被破坏，这使得肉中物质变得非常容易流失。在蒸煮时，肉蛋白变性展开，活性基团暴露，蛋白分子间相互交联结合，导致凝胶网络内部空间缩小，加快了肉中水、蛋白质等营养物质的流失，导致产品干质量下降。此外，煮制会对肉糜内部结构造成更大的破坏，导致更大的蒸煮损失，破坏打印样品的几何形状。

2.6.2 3D打印对鸡肉糜制品质构特性的影响

表3 不同处理条件下鸡肉糜制品的质构特性Table 3 Structure characteristics of chicken meat products prepared by mold forming or 3D printing

如表3所示，蒸煮前，3DP样品的凝聚力显著低于MS样品（＜0.05）。这是因为3DP样品层与层之间仅通过自身重力进行堆叠，肉中蛋白质没有足够的接触面相互黏合，蛋白分子间的结合程度较低。而MS样品经模具压制，内部密度较3DP样品大，蛋白之间的交联作用更强，因而表现出更大的凝聚力。煮制后，3DP样品的硬度、凝聚力和咀嚼性均较MS样品大（＜0.05），可能是3DP样品更为有序的内部结构在经煮制后获得了更强的支撑能力。蒸制后，3DP和MS样品的硬度、凝聚力和咀嚼性没有显著差异（＞0.05）。蒸煮后3DP样品的回复力显著大于MS样品（＜0.05）。回复力反映样品的回弹能力，较大的回复力说明3DP样品在承受外力后能够较快地恢复原有形态，不易坍塌变形。

3 结 论

结果表明，明胶能够显著提高3D打印鸡肉糜制品的成型稳定性。在实验研究范围内，随明胶添加量的增加，鸡肉糜的表观黏度、’、″和凝胶强度大幅增加，体系中不易流动水逐渐向自由水转移，鸡肉糜的回缩性和支撑能力得到改善。然而，过量添加明胶（6%～8%）会导致鸡肉糜初始黏度过大，凝胶网络结构遭到破坏，物料挤出受阻，打印样品表面变得粗糙。添加4%明胶的鸡肉糜能够打印出具有良好成型精度和稳定性的制品。将其与模具成型制品对比，添加4%明胶的鸡肉糜3D打印制品蒸煮损失较高，在煮制后具有更大的硬度、凝聚力、咀嚼性和回复力，不易坍塌变形。