复合膜对草莓3D 打印产品保鲜效果的影响

张琦，尹泽希，翟红旭，李冬男，李斌，孙希云

（沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳 110866）

草莓（Fragaria×ananassaDuch.）是多年生草本植物，属于蔷薇科草莓属[1]。2019 年，我国草莓耕地面积达到1.25×109平方米，总产量327.6 万t。2020 年全球草莓产值为1 400 万美元，中国草莓产值50 亿美元[2]。草莓植株规模不断扩大，新品种、新技术、新产品、新模式的推广使用越来越受欢迎[1]。草莓富含多种营养物质，如糖、维生素、矿物质、类胡萝卜素、酚类物质和其他抗氧化剂[3]。随着草莓产量不断增加，也越来越受人们欢迎，但存在需要深加工解决其销售有限和储存困难等问题。在我国有15%～20%的草莓用于产品深加工[4]。食品3D 打印技术是食品工业的一项创新技术，将其与草莓结合起来，为食品的定制化和个性化营养设计提供了较大的机会[5]。同时3D 打印食品一般为即食产品，具有难以储存缺点，但对于3D 打印食品贮藏期问题相关研究较少。而一些生物聚合物薄膜和涂料具有多功能性、无毒性、抗菌活性、抗氧化活性、生物相容性和生物降解性等特点，可有效地用于食品保鲜，延长食品货架期并确保其安全性。因此，利用涂膜保鲜延长草莓3D 打印产品的货架期，能够在一定程度上填补3D 打印食品贮藏期的研究空白。

壳聚糖的化学名为β-（1-4）-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖[6]。壳聚糖制成的涂层和薄膜对气体（O2和CO2）具有选择渗透性，并具有优异的机械性能[7]。单独用多糖制备的膜和涂料与多种聚合物共混制备的聚合物膜相比，存在耐水性差、力学性能差等缺点，不适合应用于膜和涂料。酚类物质普遍存在于植物系统中，由于其高抗氧化性，因此是人类饮食和营养的重要组成部分[8-10]。葡萄籽提取物（grape seed extract，GSE）是葡萄汁和葡萄酒工业的天然副产物，含有生物活性低聚原花青素。GSE 因其具有抗氧化、抗炎和抗菌等健康益处而引起了广泛关注[11]。GSE 是具有抗病毒活性的天然化合物[12]，富含多酚和其他具有抗氧化特性的化学物质，可以有效减少氧化应激[13]。有研究将GSE 与卡拉胶一起用作食品包装薄膜的抗菌剂[14]。Ca2+具有保存细胞壁和细胞膜的结构、调控离子环境和酶活性等功能[15]。还可保持3D 打印产品的硬度，减少生理失调从而延缓衰老、降低腐烂率[16]。

本研究将氯化钙、葡萄籽提取物和壳聚糖复配制成保鲜剂，以腐烂指数、失重率、硬度、总酚含量和抗氧化能力为主要测量指标，研究不同配方的保鲜剂在储藏期间对草莓3D 打印产品品质的影响，选出最佳保鲜剂配方，以期为延长草莓3D 打印产品货架期提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

草莓冻果（九九草莓）：丹东益农食品有限公司；黄原胶、K-卡拉胶、氯化钙、葡萄籽提取物、壳聚糖（均为食品级）：浙江一诺生物科技有限公司；无水乙醇、氯化钾、醋酸钠、碳酸钠、过硫酸钾（均为分析纯）：沈阳西陇化工有限公司；1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl radical，DPPH）：南京草本源生物科技有限公司；2，2′-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸[2，2′-azino-bis（3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid，ABTS]：沈阳鑫脉科技有限公司；福林酚（分析纯）：上海麦克林生化科技有限公司。

1.2 仪器与设备

食品3D 打印机（096SYS20090）：杭州时印科技有限公司；旋涡振荡器（VORTEX3）：德国IKA 公司；紫外-可见分光光度计（UV-1800）：江苏茶明智能科技有限公司；pH 计（RIVAN-PH2200）：无锡锐文自动化仪表有限公司；冷冻干燥机（SCIENTZ-10N）：宁波新芝生物科技股份有限公司；榨汁机（JYL-Y912）：九阳股份有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 草莓3D 打印产品的制备

将冷冻草莓于室温下自然解冻，用榨汁机打浆后过滤出果浆，存放于冰箱冷藏条件下备用；将40 g 草莓浆置于100 mL 烧杯中，向其中加入2 g 黄原胶、3 g K-卡拉胶，混匀后用保鲜膜封口放入90 ℃水浴锅中，水浴30 min；将打印模型设置为边长15 mm 的正方体，使用挤出式食品3D 打印机（打印参数：喷嘴高度为1 mm，喷嘴移动速率为30 mm/s、喷嘴内径为0.84 mm、打印层高为0.7 mm）进行打印。试验重复3 次，用烧杯扣住打印后的样品，1 h 内完成各项指标测定。

1.3.2 最佳复合膜复配组合的筛选试验设计

选用氯化钙、葡萄籽提取物及壳聚糖作为复合膜配方的基础组分，不同浓度设计试验处理如表1 所示。

表1 复配保鲜剂最优组合配方的筛选试验设计Table 1 Screening test design of the optimal formula of compound preservatives

1.3.3 草莓3D 打印产品覆膜处理

将草莓3D 打印产品分别浸涂在不同配比的复合膜中，置于温度为20 ℃，湿度为60% 的培养箱内，直至3D 打印样品表面的液体完全风干，在室温阴凉处贮藏，于第3、5、7、9、11 天分别测定相关指标。每组试验重复3 次。

1.4 指标测定

1.4.1 腐烂指数的测定

按草莓3D 打印样品的表面腐烂面积大小将果实腐烂程度划分为5 级。

0 级：无腐烂；1 级：腐烂的面积小于样品总面积的25%；2 级：腐烂的面积占样品总面积的25%～50%；3 级：腐烂的面积占样品总面积的50%～75%；4 级：腐烂的面积大于样品总面积的75%。

腐烂指数按以下公式计算。

式中：X为腐烂指数，%；S1为腐烂级数；n1为该级别样品个数；S为最高腐烂级数；n为样品总数。

1.4.2 失重率的测定

分别测定样品涂抹前质量及测定时样品的质量，按下式计算失重率。

式中：Q为失重率，%；m0为涂膜后样品的初始质量，g；m1为测定时样品的质量，g。

1.4.3 硬度的测定

将样品放置在质构仪平台中央，使用TA10 型号的探头，测试前速率、测试速率、测试后速率分别设为5、1、5 mm/s，停留时间、出发点负荷、压缩形变量分别设为0 s、0.07 N、45%，所有试验均在室温（25±1）℃下进行[17]。

1.4.4 总酚含量的测定

采用福林酚法测定总酚含量[18]。称取捣碎的草莓3D 打印冻干样品1.00 g 和4 mL 70%乙醇溶液于离心管中，30 ℃避光超声30 min 后，在转速为8 000 r/min 条件下离心15 min，取上层清液。取提取液100 μL、蒸馏水400 μL、福林酚试剂100 μL 于离心管中，涡旋混匀后静置避光5 min。加入1 mL Na2CO3（7%）溶液和0.8 mL 的蒸馏水，混匀后静置避光60 min。于760 nm处测定吸光值。标准曲线方程为y=0.002 2x+0.069 7，R²=0.998 6。总酚含量根据如下公式进行计算。

式中：X1为样品中总酚含量，mg GAE/g DW；ρ为通过标准方程计算得到的质量浓度，μg/mL；V为待测液的体积，mL；N为样品稀释倍数；m为样品质量，g。

1.4.5 抗氧化能力的测定

1.4.5.1 DPPH 自由基清除能力

称取4 mg DPPH 粉末溶解于乙醇中定容至50 mL容量瓶得到DPPH 工作液。试验组为500 μL 样品溶液和500 μL DPPH 工作液；空白组为500 μL 样品溶液和500 μL 空白溶液（乙醇溶液）；对照组为500 μL DPPH 工作液和500 μL 空白溶液，充分混匀后静置避光反应30 min，以空白溶液和无水乙醇混合液空白调零，然后于517 nm 处测定吸光值，DPPH 自由基清除率计算公式如下。

式中：P为DPPH 自由基清除率，%；A1为样品与DPPH 吸光值；A1′为样品与乙醇吸光值；A0为空白溶液与DPPH 吸光值；A0′为空白溶液与乙醇吸光值。

1.4.5.2 ABTS+自由基清除能力

将ABTS 储备液（7.4 mmol/L）0.2 mL 与K2S2O8储备液（2.6 mmol/L）0.2 mL 混合静置避光12 h，用无水乙醇稀释混合液使其在734 nm 处吸光值为0.70±0.02。将500 μL 样品提取液与500 μL ABTS 储备液充分混匀后，室温静置避光反应10 min，于734 nm 处测定吸光值，并按照如下公式计算清除率。

式中：Ai为ABTS+自由基清除率，%；A0为ABTS 储备液与空白溶液反应吸光值；A为ABTS 储备液与样品溶液反应吸光值。

1.5 数据分析

使用SPSS 17.0 软件进行数据处理及显著性差异分析，其中P＜0.05 表示差异显著，P＜0.01 表示差异极显著；使用Design-Expert 13.0 软件处理分析响应面试验；使用Origin 9.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 草莓3D 打印的制备

图1 为草莓3D 打印产品的效果图。

图1 草莓3D 打印产品Fig.1 Strawberry 3D printed products

由图1 可知，草莓3D 打印产品较好地还原了模型正方体，打印准确性较高，与模型相差不大；打印体系支撑能力较好，可以维持比较好的形态。

2.2 不同复配组合保鲜剂处理对草莓3D 打印产品腐烂指数的影响

腐烂指数是评价食品品质最直观的一个指标，可以直接看出食品的可接受程度。图2 为不同组合的保鲜剂处理的草莓3D 打印产品的腐烂指数。

图2 不同保鲜剂组合处理对草莓3D 打印产品腐烂指数的影响Fig.2 Effect of different preservative combinations on decay index of strawberry 3D printed products

由图2 可知，随着贮藏时间的延长，产品的腐烂指数也直线上升。第5 天时腐烂幅度显著上升，其中组合1 和5 的腐烂指数在5 d 时增长速率最快，相较3 d都增加了10%左右。综合来看，组合4 的腐烂指数最低，由3 d 时的0%增长至贮藏11 d 的17.5%；其次为组合3，贮藏11 d 时腐烂指数为27.5%；贮藏效果最差的为组合2，贮藏11 d 时腐烂指数为63.3%。结果表明，未涂膜产品腐烂得更快，涂膜处理对草莓3D 打印产品的保鲜效果较为理想，能够延长产品的保鲜期。研究表明壳聚糖复配的保鲜剂可以作为保护果蔬免受病原体感染的机械屏障，同时可以抑制许多致病细菌和真菌的生长，有助于减少贮藏期间的腐烂[19]。

2.3 不同复配组合保鲜剂处理对草莓3D 打印产品失重率的影响

失重率是衡量保鲜效果的一项重要指标，代表了样品的鲜度和水分损失程度。不同保鲜剂组合处理的草莓3D 打印产品失重率如图3 所示。

图3 不同保鲜剂组合处理对草莓3D 打印产品失重率的影响Fig.3 Effect of different preservative combinations on the weight loss of strawberry 3D printed products

由图3 可知，随着贮藏时间的延长，3D 打印产品质量逐渐下降，失重率逐渐上升，可能是由于贮藏期间3D 打印产品的水分含量逐渐降低，产品质量逐渐减小，且未涂膜的样品质量损失最大。从图中可以看出组合2 的失重率最高，在11 d 达到了5.63%，对比3 d时失重率增加了4.30%；其次为组合1，3 d 时失重率为1.27%，11 d 时失重率为5.29%；组合4 的失重率最小，失重率由3 d 的0.35%显著增加（P＜0.05）到11 d 2.96%，只增加了2.61%，较好保留了3D 打印产品质量，降低了产品的水分损失和氧化反应速率，保持了3D 打印产品的良好形态[20]。

2.4 不同复配组合保鲜剂处理对草莓3D 打印产品硬度的影响

3D 打印产品的硬度是检测产品品质的一项重要指标，其反映了产品的质量结构以及感官品质，能够很好的衡量产品品质的高低。图4 是不同保鲜剂组合处理对草莓3D 打印产品的硬度的影响。

图4 不同保鲜剂组合处理对草莓3D 打印产品硬度的影响Fig.4 Effect of different preservative combinations on the hardness of strawberry 3D printed products

由图4 可知，贮藏时间延长到11 d，产品的硬度均逐渐增大，可能是由于随着贮藏时间的延长，产品的水分不断流失，水分含量逐渐减小，导致硬度逐渐增大。涂膜处理可以有效抑制样品的硬化，样品经11 d 的贮藏，在7 个不同组合的保鲜剂中，组合4 的产品硬度增加速率最慢，0 ～11 d 的增长量最小为0.63 N；组合2的硬度最大且其增长量也最大，为1.51 N，说明组合2作为保鲜剂涂膜效果最差。据研究，壳聚糖与其他化合物复合后，通过对O2和CO2的选择性透过，从而降低产品硬度的变化[21]。

2.5 不同复配组合保鲜剂处理对草莓3D 打印产品总酚含量的影响

总酚具有清除自由基、抗氧化防衰老的作用，因此，总酚在食品中通常代表食品的营养价值，总酚含量越高说明食品的营养价值越高。图5 为不同保鲜剂组合处理对草莓3D 打印产品的总酚含量的影响。

图5 不同保鲜剂组合处理对草莓3D 打印产品总酚含量的影响Fig.5 Effect of different preservative combinations on total phenol of strawberry 3D printed products

由图5 可知，从第3 天开始随着贮藏时间的延长，产品的总酚含量逐渐降低，使用组合4 涂膜的产品相对于其他组合来说变化速率最缓慢，从0～11 d 总酚含量降低了25.56%；组合3、5、6、7 次之，降低了25.99%～29.96%；组合1 和2 效果最差，分别降低了31.72%和33.49%。说明贮藏时间是造成酚类物质降低的主要原因之一，贮藏时间越久，总酚含量越低。

2.6 不同复配组合保鲜剂处理对草莓3D 打印产品抗氧化能力的影响

本试验选择两种考察抗氧化能力的方法（DPPH自由基清除率、ABTS+自由基清除率），通过这两种方法的大体趋势，筛选最具有抗氧化能力的保鲜剂组合。

2.6.1 DPPH 自由基清除能力

图6 为不同保鲜剂组合处理对草莓3D 打印产品DPPH 自由基清除率的影响。

图6 不同保鲜剂组合处理对草莓3D 打印产品DPPH 自由基清除率的影响Fig.6 Effect of different preservative combinations on DPPH clearance of strawberry 3D printed products

由图6 可知，随着贮藏时间的延长，不同保鲜剂处理的样品DPPH 自由基清除能力有不同程度的下降，大体呈现相同的趋势。贮藏11 d 时，DPPH 自由基清除率仅为40.04%～48.64%，这可能是由于长时间贮藏，使抗氧化性成分（如多酚、花色苷和L-抗坏血酸）大量损失[22]。结果显示组合4 处理的样品保持了较高的DPPH 自由基清除能力，而组合2 处理下的DPPH 自由基清除能力下降最为明显。

2.6.2 ABTS+自由基清除率

图7 为不同保鲜剂组合处理对草莓3D 打印产品ABTS+自由基清除率的影响。

图7 不同保鲜剂组合处理对草莓3D 打印产品ABTS+自由基清除率的影响Fig.7 Effect of different preservative combinations on ABTS+clearance of strawberry 3D printed products

由图7 可知，除了组合5，其他保鲜剂3 d 和5 d 的ABTS+自由基清除率差异不显著（P＞0.05），从第7 天开始，除了组合4 及对照组，其他保鲜剂的ABTS+自由基清除率显著性降低（P＜0.05）。在11 d 时各保鲜剂组的ABTS+自由基清除率为35.58%～39.06%，比较几种不同保鲜剂组的影响，发现组合4 处理的样品保持了较高的ABTS+自由基清除率，仅降低了6.74%；其次为组合3 下降了6.85%；而组合2 处理下的ABTS+自由基清除率下降最为明显，下降了8.08%。

3 结论

选择氯化钙、葡萄籽提取物和壳聚糖3 种化合物混合，通过改变不同的浓度，探究不同组合的保鲜剂对草莓3D 打印产品品质的影响。结果显示经过11 d 的贮藏产品品质发生了不同程度的变化，表现为腐烂指数、失重率和硬度显著上升；总酚含量和抗氧化能力显著下降。组合4（氯化钙浓度0.5%、葡萄籽提取物浓度0.5%、壳聚糖浓度1.5%）的理化指标相比于其他组合的保鲜剂来说变化幅度最小，可以更好地保留草莓的营养物质以及保持3D 打印产品的物理性质。在长时间的贮藏过程中，产品品质在逐渐下降，保鲜剂的使用在延长草莓3D 打印产品贮藏期方面有很大优势。