魔芋膠對(duì)藍(lán)莓凝膠體系3D打印特性的影響

王 浩，譚 暢，陳 靜，徐家鑫，李冬男，孟憲軍

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽 110866）

3D打印技術(shù)又名增材制造技術(shù)，其原理是：“分層制造，逐層疊加”[1]。在過去10 年中，3D打印技術(shù)為工程、醫(yī)學(xué)、航空航天、藝術(shù)、教育等領(lǐng)域發(fā)展開辟了新的思路[2-3]。在食品行業(yè)，目前3D打印材料主要有面團(tuán)、巧克力、奶酪、土豆泥等[4-5]，不僅可以用于開發(fā)具有個(gè)性化形狀和紋理的食物，而且能夠根據(jù)不同人群的飲食需求對(duì)食物進(jìn)行營養(yǎng)優(yōu)化，便捷地制造出健康食品（如低糖、鹽和高維生素的食物）[6]。因此，3D打印技術(shù)在食品創(chuàng)新領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿7]。目前，由于3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍小、材料支撐性能差和樣品造型簡單等缺點(diǎn)制約了其在食品行業(yè)的快速發(fā)展，因此打印材料的開發(fā)成為亟待解決的重要問題之一[8]。食品3D打印以擠出成型方式為主，為了獲得良好的打印制品，可以通過調(diào)節(jié)打印材料的擠出性能、凝膠強(qiáng)度、成型性和延展性來滿足打印工藝對(duì)材料的要求[9]。

科學(xué)研究表明，長期食用富含植物多酚的食物可以預(yù)防癌癥、心血管疾病、糖尿病、骨質(zhì)疏松癥和神經(jīng)退行性疾病等非傳染性疾病[10]。藍(lán)莓因酚類化合物含量較高而被廣泛關(guān)注[11]。另外，藍(lán)莓中的果膠含量豐富，約是普通蘋果或香蕉的1～3 倍[12]。果膠作為植物多糖，在食品（作為膠凝劑、乳化劑和穩(wěn)定劑）和藥物（作為抗腫瘤、抗氧化劑、抗糖尿病和抗癌）中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，果膠可以形成結(jié)腸靶向輸送水凝膠，也可以作為膳食纖維的一部分，降低人體低密度脂蛋白膽固醇的攝入，進(jìn)而影響腸道微生物群代謝[13]。魔芋膠是一種活性多糖，含熱量較低，食用后能夠起到降脂減肥、潤腸通便等作用，是一種健康的功能性食品原料。魔芋膠與其他穩(wěn)定劑復(fù)配后，能夠形成較好的協(xié)同作用，有效地改善體系的結(jié)構(gòu)和性能[14-17]。

由于水果中含水量高，碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)含量低，傳統(tǒng)意義上其不適用于3D打印，向果漿中添加膠體的優(yōu)點(diǎn)在于使用少量膠體就能調(diào)節(jié)食品混合物的流變性質(zhì)。目前很少有關(guān)于把果漿凝膠作為3D打印材料的研究報(bào)道。本研究以藍(lán)莓果漿為主體，通過添加果膠和魔芋膠調(diào)節(jié)藍(lán)莓果漿的凝膠特性和物理性質(zhì)，探討果膠與魔芋膠的質(zhì)量比對(duì)藍(lán)莓凝膠體系3D打印性能的影響，為利用3D打印技術(shù)開發(fā)食品提供技術(shù)參考，為數(shù)字化食品設(shè)計(jì)和營養(yǎng)控制提供解決方案。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

藍(lán)莓凍果（品種為北陸）購自遼寧省沈陽市棋盤山市場；藍(lán)莓果膠（食品級(jí)，純度99%，高甲氧基果膠）廣州西楚生物科技有限公司；魔芋膠（食品級(jí)，純度99%，白色粉末） 美國Space-Time Thickening Agent有限公司；蔗糖為市售。

1.2 儀器與設(shè)備

WBL25B36型料理機(jī) 美的集團(tuán)有限公司；3D食品打印機(jī)（帶濾網(wǎng)） 杭州時(shí)印科技有限公司；DHR-1混合型流變儀 美國TA儀器有限公司；TENSOR 27型傅里葉變換紅外光譜儀 德國Brucker公司；CT3 10K型質(zhì)構(gòu)儀 美國Brookfield公司；S-4800型臺(tái)式掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司；SCIENTZ-10N型冷凍干燥機(jī)寧波新芝生物技術(shù)股份有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；JA2003型電子天平 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；游標(biāo)卡尺 杭州工具量具有限公司；SHZ-D（III）循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品準(zhǔn)備

1.3.1.1 藍(lán)莓果漿的制備

藍(lán)莓在室溫條件下解凍、打漿，經(jīng)過21×32 目的紗布抽濾，分離出液體果漿，置于燒杯中，用保鮮膜封口，并在4 ℃冷藏條件下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.1.2 打印材料的制作

將藍(lán)莓果膠、魔芋膠、蔗糖分別按照質(zhì)量比4∶0∶1、4∶1∶1、4∶2∶1、4∶3∶1、4∶4∶1稱取混合，置于250 mL的燒杯中，攪拌均勻后，加入22.5 g（體積為20 mL，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.89%）的藍(lán)莓果漿溶液，在室溫下攪拌混勻，用保鮮膜封口，于4 ℃放置30 min形成凝膠。

1.3.1.3 打印材料的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定

參考GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》測(cè)定水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。稱取5 g試樣在105 ℃的干燥箱中烘干至恒質(zhì)量，計(jì)算水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。試驗(yàn)重復(fù)3 次。

1.3.2 3D打印

圖1 3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及3D打印模型示意圖Fig. 1 Schematic diagram of 3D printer structure and 3D printing model

使用螺桿擠出式3D打印機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)（圖1）。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪呴L為17.5 mm的正方體，設(shè)置相關(guān)打印參數(shù)如下：噴嘴高度為1 mm，噴嘴移動(dòng)速率為30 mm/s、噴嘴內(nèi)徑尺寸為0.84 mm、打印層高為0.7 mm，每種材料打印3 個(gè)樣品。打印后的樣品用燒杯罩上，防止水分蒸發(fā)，1 h內(nèi)完成指標(biāo)測(cè)定。

1.3.3 3D結(jié)構(gòu)測(cè)定

使用游標(biāo)卡尺和刻度尺分別測(cè)量打印的樣品上邊長度、下邊長度、高度。打印偏差量計(jì)算如下式[18]所示。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定

對(duì)打印后正方體樣品的中心位置進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測(cè)定。探頭型號(hào)P/0.5、測(cè)試前速率5 mm/s、測(cè)試速率1 mm/s、測(cè)試后速率5 mm/s、停留時(shí)間0 s、出發(fā)點(diǎn)負(fù)荷0.07 N、壓縮形變量45%，循環(huán)測(cè)試兩次，獲得質(zhì)構(gòu)特性曲線，記錄硬度、黏性、彈性[19-20]。

1.3.5 流變特性測(cè)定

流變儀上板選用直徑為40 mm的平板，板間隙設(shè)置為1 000 μm，振動(dòng)模式下測(cè)定樣品的動(dòng)態(tài)黏彈區(qū)間。將藍(lán)莓凝膠置于底板上，刮掉多余的材料，將硅油涂抹在樣品邊緣，減少測(cè)量過程中水分損失。測(cè)量前平衡5 min以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。動(dòng)態(tài)流變測(cè)定：設(shè)置溫度為25 ℃、應(yīng)變?yōu)?%，在1～100 rad/s的頻率范圍內(nèi)掃描分析。獲得儲(chǔ)能模量（G’）、損耗模量（G’’）和損耗角正切值tan θ（G’’/G’）作為頻率的動(dòng)態(tài)流變特性曲線[21]。靜態(tài)流變測(cè)定：設(shè)置溫度為25 ℃，剪切速率掃描范圍1～100 s-1，獲得應(yīng)力、黏度作為剪切速率的靜態(tài)流變特性曲線[22]。

1.3.6 掃描電子顯微鏡測(cè)定

用掃描電子顯微鏡在20 kV的加速電壓下獲取樣品的顯微照片。測(cè)定前，先將打印材料冷凍干燥，然后將其固定在樣品座上并鍍金，從材料各自的橫斷面和縱切面的不同方向放大，選擇放大倍數(shù)為1 500 倍的掃描電子顯微鏡圖觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)。選擇最具代表性的顯微照片對(duì)樣品進(jìn)行分析[23]。

1.3.7 傅里葉變換紅外光譜測(cè)定

在傅里葉變換紅外光譜檢測(cè)之前，先將打印材料冷凍干燥，用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行檢測(cè)。將冷凍干燥材料制成細(xì)粉，并與KBr粉末（1∶100，V/V）充分混合，以KBr空白壓片作對(duì)照，在波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1的室溫條件下進(jìn)行掃描，獲得樣品的紅外光譜[21]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，用Microsoft Excel 2010、OriginPro 8軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；并用SPSS軟件進(jìn)行單因素方差分析，P＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品3D結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

適合3D打印的食品材料除了容易擠壓外，且應(yīng)具有一定的內(nèi)部支撐和外觀保持性能。經(jīng)過噴嘴擠壓的凝膠材料在噴嘴釋放后直徑略大于噴嘴直徑，導(dǎo)致樣品邊長大于目標(biāo)設(shè)定值[24]。在適宜的打印條件下，可以通過觀察擠出絲的形狀來直觀評(píng)估打印效果[25]。理想的凝膠體系可以從噴嘴均勻擠出，且表面光滑[26]；在魔芋膠添加量較少的情況下，擠出絲表現(xiàn)類似液體的特性，擠出不均勻并伴有流量過快的現(xiàn)象。當(dāng)魔芋膠過多時(shí)，會(huì)觀察到整條擠出絲上有不同程度的裂縫，不適合作為打印材料[27]。模型尺寸偏差量如圖2所示。只添加果膠的打印材料具有較高的流動(dòng)性，由于自身質(zhì)量產(chǎn)生的壓力，使得打印樣品與模型的相似度極低，樣品變形嚴(yán)重。魔芋膠的添加顯著改善了樣品形變趨勢(shì)，果膠與魔芋膠質(zhì)量比為4∶2時(shí)樣品與模型的相似度達(dá)到89.82%，偏差量最小，打印精度最高。同時(shí)，魔芋膠使藍(lán)莓凝膠打印過程出料連續(xù)，打印樣品表面光滑，成形性提升。當(dāng)質(zhì)量比增加到4∶3以后，打印過程出料不連續(xù)，樣品打印層斷裂，偏差較大。這有可能是魔芋膠的加入使體系中的大分子數(shù)量增多，分子間交聯(lián)作用增強(qiáng)，形成的螺旋結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，組分不易分散所造成的[28]。

圖2 不同果膠-魔芋膠質(zhì)量比的3D打印樣品偏差量及打印模型Fig. 2 Size deviations of 3D printed samples with different pectin-to-konjac gum mass ratios

2.2 樣品質(zhì)構(gòu)特性分析結(jié)果

質(zhì)構(gòu)特性主要決定食物的可接受程度。對(duì)于有特殊需求的人來說，質(zhì)構(gòu)特性是重要的指標(biāo)之一。其中，硬度是指食品材料達(dá)到一定變形程度所需要的力；彈性是指食品材料在變形后恢復(fù)到原來形狀的能力；黏性是指凝膠型材料內(nèi)部的黏附能力[29]。因?yàn)槟z體具有黏彈性，通過3D打印機(jī)噴嘴擠壓的凝膠體系會(huì)恢復(fù)到其先前的狀態(tài)，擠出的直徑要比預(yù)設(shè)值大，導(dǎo)致3D打印樣品的精度降低，尤其是高彈性的材料出現(xiàn)這種現(xiàn)象更加明顯；凝膠體系在可以打印的同時(shí)，擠出后必須能立即黏到前一層上[30]。可以通過測(cè)定樣品的硬度和黏彈性來反映打印材料的堆積程度和打印樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，打印樣品具有合適的質(zhì)構(gòu)特性才能精確地還原模型，獲得高分辨率的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)[20]。魔芋膠對(duì)打印材料質(zhì)構(gòu)特性的影響如圖3所示。魔芋膠的存在使打印樣品的硬度、彈性和黏性均有不同程度的提高，樣品外觀形態(tài)保持能力有所改善。隨著魔芋膠含量的增加，打印樣品硬度逐漸變大，彈性呈先增加后下降的趨勢(shì)，黏性逐漸增加。這說明較低的魔芋膠含量有利于魔芋膠吸水膨脹并促進(jìn)體系形成凝膠；魔芋膠含量較高時(shí)，凝膠中的大分子相互交聯(lián)、纏繞，影響體系的流動(dòng)性，導(dǎo)致打印性能下降[31]。

圖3 不同果膠-魔芋膠質(zhì)量比的3D打印樣品質(zhì)構(gòu)特性Fig. 3 Textural characteristics of 3D printed samples with different pectin-to-konjac gum mass ratios

2.3 流變特性分析結(jié)果

2.3.1 動(dòng)態(tài)流變分析結(jié)果

G’表示材料的彈性行為，反映體系的機(jī)械強(qiáng)度，具有高機(jī)械強(qiáng)度的材料打印后會(huì)表現(xiàn)出極好的支撐能力，不易塌陷[32-33]。G’’表示樣品的黏性行為，即材料在發(fā)生形變時(shí)，由于黏性形變而消耗的能量大小[18]。如圖4A、B所示，G’和G’’均對(duì)角頻率呈一定的依賴性，所有材料的G’均高于G’’，說明打印材料在該頻率掃描范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為彈性，是具有一定強(qiáng)度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凝膠[34]。魔芋膠的添加顯著提高了體系的黏彈性，這是因?yàn)槟в竽z與果膠分子之間的相互作用縮小了體系的空隙，提高了凝膠強(qiáng)度[35]。隨著魔芋膠含量的增加，藍(lán)莓凝膠的黏彈性呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)。當(dāng)果膠與魔芋膠質(zhì)量比為4∶2時(shí)，藍(lán)莓凝膠的G’’、G’及兩者差值均達(dá)到最大，此時(shí)樣品形成了穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)，成型性較好，更適合打印。

tan θ＜1，說明材料主要表現(xiàn)為彈性行為，意味著材料更類似于固體，流動(dòng)性較差[36]；tan θ＞1說明材料更多表現(xiàn)為黏性行為，意味著材料更類似于液體[37]。圖4C中顯示了不同魔芋膠含量的打印材料損耗角正切值的變化。隨著魔芋膠含量的增加，樣品損耗角正切值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，樣品流動(dòng)性變差，向固體形式轉(zhuǎn)變，在打印時(shí)易出現(xiàn)材料斷裂和擠出困難等現(xiàn)象。

圖4 不同果膠-魔芋膠質(zhì)量比的3D打印材料動(dòng)態(tài)流變特性Fig. 4 Dynamic rheological characteristics of pectin and konjac gel mixtures with different mass ratios

2.3.2 靜態(tài)流變分析結(jié)果

如圖5所示，應(yīng)力是影響打印材料出料的重要因素。材料應(yīng)力越小，表明打印后樣品保持形狀的性能越差；應(yīng)力越大說明打印材料越硬，3D打印時(shí)擠出越困難，果膠與魔芋膠質(zhì)量比大于4∶2的樣品應(yīng)力顯著增加，材料擠出困難，不適合打印。材料的黏度既要足夠低，可以很容易地從細(xì)噴嘴擠出；又要足夠高，可以支撐隨后沉積的材料[30]。魔芋膠的加入顯著增加了打印材料的黏度，在相同剪切速率下，隨著魔芋膠含量的增加，材料黏度提高。未施加剪切速率的情況下，果膠-魔芋膠質(zhì)量比為4∶2的凝膠體系黏度是376.057 Pa·s，此時(shí)的打印樣品表面光滑，還原精度最高；魔芋膠的添加比例增大，凝膠體系的黏度顯著增加，在4∶3時(shí)達(dá)到876.206 Pa·s，此時(shí)擠出絲上有不同程度的裂縫，不適合作為打印材料。當(dāng)剪切速率在1～30 s-1范圍內(nèi)，隨著剪切速率的增大，黏度顯著下降；當(dāng)剪切速率大于40 s-1時(shí)，曲線趨于平緩，黏度變化較小，這是由于在剪切應(yīng)力的作用下破壞了各組分間的相互作用，出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象，表明打印材料轉(zhuǎn)變?yōu)榧偎苄粤黧w。這有利于保證打印后樣品的形狀，也有利于改善打印過程中出現(xiàn)的斷條現(xiàn)象[15]。

圖5 不同果膠-魔芋膠質(zhì)量比的3D打印材料靜態(tài)流變特性Fig. 5 Static rheological properties of pectin and konjac gel mixtures with different mass ratios

2.4 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

圖6 不同果膠-魔芋膠質(zhì)量比的3D打印材料掃描電子顯微鏡圖Fig. 6 Scanning electron micrographs of pectin and konjac gel mixtures with different mass ratios

凝膠體系的水分含量與打印樣品的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，隨著魔芋膠的增加，水分含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。從圖6可以看出，只添加果膠的打印材料其孔隙結(jié)構(gòu)大小不一，流動(dòng)性強(qiáng)，體系的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（73.6±1.3）%，打印后樣品立即出現(xiàn)坍塌、打印精度低等問題。隨著魔芋膠添加量的增加，打印材料結(jié)構(gòu)逐漸細(xì)密，斷面區(qū)域更加平整，打印材料孔隙變小。由圖7可知，樣品中果膠和魔芋膠質(zhì)量比為4∶2時(shí)，表現(xiàn)出平整的結(jié)構(gòu)和較為光滑的打印表面，并可長時(shí)間保持結(jié)構(gòu)，不發(fā)生坍塌變形，此時(shí)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到（68.45±0.70）%。果膠和魔芋膠質(zhì)量比小于4∶4的打印樣品表面粗糙程度增大，打印過程中出料不均勻，樣品變形嚴(yán)重，表面有裂紋，這可能是魔芋膠過量未充分膨脹，分子鏈伸展不充分造成的[38]。

圖7 不同果膠-魔芋膠質(zhì)量比的3D打印樣品Fig. 7 3D printed samples with different pectin-to-konjac gum mass ratios

2.5 傅里葉變換紅外光譜分析結(jié)果

圖8 不同果膠-魔芋膠質(zhì)量比的3D打印材料傅里葉變換紅外光譜圖Fig. 8 Fourier transform infrared spectra of pectin and konjac gel mixtures with different mass ratios

果膠和魔芋膠在溶于水后，其大分子會(huì)與水分子產(chǎn)生氫鍵等作用力，形成一種水溶性膠體。由圖8可知，不同果膠-魔芋膠質(zhì)量比樣品的曲線具有相似的傅里葉變換紅外光譜，這表明魔芋膠添加后打印材料沒有產(chǎn)生新的官能團(tuán)。所有凝膠樣品的光譜在3 350 cm-1附近出現(xiàn)寬帶，這是由于羥基復(fù)雜振動(dòng)拉伸產(chǎn)生的，與分子內(nèi)和分子間氫鍵有關(guān)，2 940 cm-1附近出現(xiàn)寬帶是烷烴“—C—H”鍵伸縮振動(dòng)引起的。隨著魔芋膠添加量的增加，吸收峰向短波數(shù)方向輕微偏移，說明體系內(nèi)部形成了更強(qiáng)的氫鍵，樣品具有更大的變形阻力和更好的自支撐性能，更有利于3D打印樣品成型。圖中1 720 cm-1的特征性吸收峰表明凝膠中乙酰羰基“CH3—CO—”和羰基“C＝O”的存在。1 250 cm-1處的峰是芳香酸振動(dòng)引起的，1 050 cm-1處出現(xiàn)一個(gè)明顯的吸收峰，代表分子中“—CH2—OH”的伸縮振動(dòng)[38]，這兩處的透光率沒有受到魔芋膠添加的影響而產(chǎn)生明顯變化。

3 結(jié) 論

魔芋膠對(duì)藍(lán)莓凝膠體系的3D打印效果、質(zhì)構(gòu)特性、流變性能及微觀結(jié)構(gòu)均有明顯影響。與目標(biāo)模型相比，低魔芋膠添加量的打印樣品在每個(gè)方向都偏差較大，但表面結(jié)構(gòu)光滑，這可能是由于其相比果膠具有良好的吸水膨脹性，使凝膠體系更易塑型。魔芋膠添加過多的打印樣品具有好的支撐能力，但打印樣品表面粗糙、易變形，這是因?yàn)榈蛅an θ的打印材料容易發(fā)生斷線和擠壓困難等問題。添加適量魔芋膠的打印樣品（20 mL藍(lán)莓果漿中加入4 g果膠、2 g魔芋膠、1 g蔗糖）具有光滑的表面結(jié)構(gòu)和最佳的3D打印效果，能夠在室溫環(huán)境下長時(shí)間存放不發(fā)生坍塌，此時(shí)凝膠體系的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（68.45±0.70）%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，果膠-魔芋膠質(zhì)量比小于4∶2的凝膠體系不適合打印精度較高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的3D模型；質(zhì)量比大于4∶2的凝膠體系不適合作打印材料；質(zhì)量比為4∶2的凝膠體系打印效果較好，能夠較高程度地還原設(shè)計(jì)模型（圖9）。在今后的研究中，可以利用相關(guān)技術(shù)手段對(duì)材料進(jìn)行改性，驗(yàn)證和拓寬3D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域應(yīng)用的范圍，以滿足市場對(duì)個(gè)性化食品的需求。

圖9 果膠-魔芋膠最佳配比（質(zhì)量比4∶2）3D打印樣品Fig. 9 3D printed samples with optimal pectin-to-konjac gum mass ratio of 4:2