王嵬,楊領(lǐng),李學鵬,勵建榮,儀淑敏,謝晶,王轟,勞敏軍
1.渤海大學實驗中心,錦州 121013; 2.渤海大學食品科學與工程學院/遼寧省食品安全重點實驗室/生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,錦州 121013;3.上海海洋大學食品學院,上海 201306; 4.蓬萊京魯漁業(yè)有限公司,煙臺 264010;5.浙江興業(yè)集團有限公司,舟山 316101
谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(transglutiminase,TG酶)根據(jù)來源不同可分為組織谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶和微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶,被稱為“21世紀超級黏合劑”,可通過催化蛋白多肽鏈上的酰基轉(zhuǎn)移反應,來促進蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)形成一種致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),又稱為凝膠結(jié)構(gòu)[1]。
目前,關(guān)于利用TG酶來改善凝膠特性的研究有很多。郝鳳霞等[2]研究了不同添加量的TG酶對肉燕品質(zhì)的影響,研究表明分別在肉燕中添加0、0.25%、0.50%、0.75%的TG酶后,隨著TG酶添加量上升,樣品的感官評定和相關(guān)性質(zhì)都得到改善;程琳麗等[3]以羅非魚為原料,通過添加不同含量的TG酶,研究其保水性的變化,研究表明經(jīng)過TG酶處理過的羅非魚在浸泡后增重率均大于6.5%,當TG酶的添加量為0.6%時增重率最高為8.04%,解凍率最低為3.4%,相比于其他組保水率最高。Dong等[4]研究了TG酶對馬鮫魚3D打印效果的影響,表明當TG酶添加量為0.2%、0.3%時,馬鮫魚魚糜的表觀黏度較符合3D打印,隨著TG酶添加量的上升,馬鮫魚魚糜的硬度、黏附性逐漸升高。
本研究從表觀黏度和流變特性(輸送難易程度)、打印效果(外觀形貌、定型性)、魚糜制品特性3個方面分析了TG酶對金線魚魚糜3D打印特性的影響,以期為蛋白凝膠體系的3D打印提供參考。
金線魚魚糜(AA級),青島錦燦食品有限公司;TG酶(酶活 120 U/g),泰興市東盛食品科技有限公司;尿素、β-巰基乙醇,分析純,國藥集團化學試劑有限公司;質(zhì)量分數(shù)25%戊二醛,分析純,天津市福晨化學試劑廠;磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉和無水乙醇,分析純,天津市風船化學試劑科技有限公司。
UMC5斬拌混合乳化多功能一體機,德國Stephan機械有限公司;BiofugeStratos型高速冷凍離心機,賽默飛世爾科技(中國)有限公司;MCR302 流變儀,奧地利Anton Paar公司;UV-2550紫外可見光分光光度計,島津儀器(蘇州)有限公司;TA.XT.Plus型質(zhì)構(gòu)儀,英國Stable Micro System公司;FJ200-SH數(shù)顯高速分散均質(zhì)機,上海標本模型廠;FSE23D打印機,昆山博力邁3D打印科技有限公司;INMI20型核磁共振成像,上海紐邁電子科技有限公司。
1)魚糜漿料的制備及3D打印參數(shù)。將魚糜從-20 ℃冰箱中取出,靜水解凍。解凍后將魚糜切成長方體狀(長約10 cm,寬約5 cm,高約5 cm),放入斬拌混合乳化多功能一體機中,0.06 MPa真空度條件下斬拌3 min,加入質(zhì)量分數(shù)1.5%的NaCl溶液繼續(xù)在0.06 MPa真空度條件下斬拌3 min,調(diào)節(jié)水分含量至80%,并添加TG酶(0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%),在0.06 MPa真空度條件下斬拌3 min;斬拌過程中溫度始終低于10 ℃,將魚糜取出存放至蒸煮袋中。3D打印之后將樣品放置在4 ℃條件下保存12 h后備用。
設(shè)定打印參數(shù)為:噴嘴直徑為1.5 mm,層高值為1.5 mm,打印高度為5 mm,打印速率為30 mm/s,打印溫度在35~45 ℃,出料速率在0.003 cm3/s。打印后不需加熱。
2)凝膠強度的測定[5]。樣品前處理:將樣品切為直徑2.5 cm、高2.5 cm的圓柱體,于室溫下放置30 min后,于TA-XT plus型物性分析儀上利用凝膠強度分析模式進行測定。每組樣品(TG酶添加量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%),做10次平行試驗。
參數(shù):探頭型號P/5S(球形探頭直徑5 mm),測定速率1 mm/s,穿刺距離15 mm,觸發(fā)力10 g。
3)質(zhì)構(gòu)的測定。樣品前處理同本文“1.3 2)”。采用TPA模式測定參數(shù)設(shè)定:探頭型號P/50,測定速率 1 mm/s,形變程度 30%,壓力為5 g,以此來測得打印材料的質(zhì)構(gòu)特性。
4)表觀黏度和靜態(tài)剪切流變的測定。樣品前處理同本文“1.3 2)” 。表觀黏度參數(shù)設(shè)定:時間設(shè)置為60 s,溫度為25 ℃,固定剪切速率為 1 s-1,平板直徑為 20 mm,間隙為1 mm;以此來測定打印材料的表觀黏度,每個樣品做5次平行,取平均值。靜態(tài)剪切流變的測定:設(shè)定溫度為25 ℃,采用直徑為20 mm平板,在1 mm的間隙下和0.1~150 s-1掃描范圍的剪切速率對靜態(tài)剪切流變曲線進行測定。通過 Herschel-Bulkley的數(shù)學模型對數(shù)據(jù)進行整合計算,方程為:
τ=τ0+Kγn
(1)
公式(1)中剪切應力(τ)、屈服應力(τ0)、剪切速率(γ)、指流動指數(shù)(n)、稠度系數(shù)(K)是衡量材料非牛頓流體性質(zhì)的重要條件。
5)動態(tài)剪切流變的測定。樣品前處理同本文“1.3 2)”。將處理后的樣品置于室溫中穩(wěn)定30 min后進行測定,設(shè)定溫度25 ℃,采用直徑為40 mm的平板,間隙為1 mm,應變設(shè)置為0.2%,將掃描頻率設(shè)置為0.1~10 Hz,在此參數(shù)下對樣品進行動態(tài)流變曲線的測定。
6)持水性的測定[5]。樣品前處理同本文“1.3 2)”。將樣品切成5 mm薄片,準確稱量m1,用3層濾紙包好后將樣品放入50 mL離心管中,在4 ℃條件下5 000 r/min離心15 min后取出,精確稱質(zhì)量m2。每組樣品做4次平行試驗。持水性的計算公式如下。
持水性=m2/m1×100%
(2)
式(2)中,m1為樣品離心前質(zhì)量;m2為樣品離心后質(zhì)量。
7) 凝膠水分分布狀態(tài)分析[5]。樣品前處理同本文“1.3 2)”。樣品放置于室溫下30 min后,制成高30 mm、直徑10 mm的圓柱體放入核磁管,采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脈沖序列進行自旋-自旋弛豫時間(T2)的測定。
參數(shù)設(shè)定:SW=100 kHz,SFI=22 MHz,P90=14 μs,τ=150 μs,TR=2 000 ms,Echocnt=4 000,NS=8。
8)打印效果。將樣品放入打印機料斗,利用Host軟件進行參數(shù)設(shè)定并進行打印。
每個指標進行6組平行試驗,利用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)分析處理,利用Origin 2018軟件作圖。
由圖1可知,隨TG酶添加量的增加,樣品的凝膠強度和破斷力呈先上升后下降的趨勢,對于魚糜凝膠的破斷距離無顯著性影響(P>0.05);在TG酶添加量為0.2%時,凝膠強度最高為475.59 g·mm,較對照組凝膠強度(278.32 g·mm)提高了70.88%。
不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Different lowercases indicate significant differences (P<0.05).The same as below.
在3D打印中,材料本身的性質(zhì)決定了樣品的最終打印效果。如表1所示,隨TG酶添加量的上升,魚糜的硬度、膠著度、咀嚼度呈上升趨勢;彈性、黏聚性隨TG酶添加量的上升而逐漸增加,在TG酶添加量為0.2%時開始下降(P>0.05)。在TG酶添加量為0.4%時硬度最高,膠著度和咀嚼度在TG酶添加量為0時最低;彈性、黏聚性和漿料與凝膠強度的研究相符合(在TG酶添加量為0.2%時最高),因為TG酶催化了蛋白內(nèi)酰基的轉(zhuǎn)移,使?jié){料內(nèi)部的共價交聯(lián)增強,促進了分子的聚集,提高了漿料的凝膠強度。隨著TG酶添加量逐漸上升,漿料的固體性質(zhì)越強,其原因是TG酶促進了蛋白質(zhì)之間的交聯(lián),在TG酶添加量過高時,魚糜內(nèi)部的共價鍵飽合形成,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加緊致。
表1 TG酶添加量對金線魚魚糜質(zhì)構(gòu)特性的影響 Table 1 Effects of different additive of TGase on the texture of Nemipterus virgatus surimi
由圖2可知,漿料的持水性隨著TG酶添加量的增加,呈先上升再下降的趨勢,在TG酶添加量為0.2%時達到最高,相比于對照組提高了9.72%,表明添加一定量的TG酶可以改善漿料內(nèi)部凝膠系統(tǒng)的持水性。
圖2 不同TG酶添加量對金線魚魚糜持水性的影響
由圖3和表2可以看出,TG酶對于漿料內(nèi)部的T21單分子層水并無顯著性影響,漿料的T22結(jié)合水含量均高于對照組,可能是由于TG酶促進漿料內(nèi)部的大分子聚集體增多,與之結(jié)合的水分占比上升;T23不易流動水的占比呈先上升后下降的趨勢,和本文“2.3”持水性的研究結(jié)果相符合,在TG酶添加量為0.2%時,T23不易流動水的占比為最高,相比于對照組提高了3.19%。
圖3 不同TG酶添加量對金線魚魚糜弛豫時間的影響
表2 TG酶添加量對金線魚魚糜水分分布的影響 Table 2 Effects of different additive of TGase on the moisture distribution of Nemipterus virgatus surimi
由圖4可見,魚糜漿料在恒定剪切速率的條件下,表觀黏度隨著TG酶添加量的上升而上升,在添加量為0.4%時達到最高。由表3可見,隨著TG酶的添加量上升,魚糜漿料的屈服應力顯著增加。
圖4 不同TG酶添加量對金線魚魚糜表觀黏度的影響
由圖5可見,魚糜漿料的彈性模量(G′)均高于損耗模量(G″),表明樣品被施加一定剪切力后,其穩(wěn)定性不會遭到破壞,有利于FDM3D打印中的樣品沉積成型。隨著TG酶添加量的上升,金線魚魚糜凝膠系統(tǒng)的彈性模量(G′)呈上升趨勢,而損耗模量(G″)和損失正切(tanδ)先上升至TG酶添加量為0.2%時達到最高再下降。彈性模量(G′)表達了魚糜漿料的彈性,如圖5A所示,隨著TG酶添加量的上升,魚糜漿料的彈性越來越高;在3D打印過程中漿料的彈性越大,其流動性越差。而損耗模量(G″)表達了魚糜漿料的黏性。如圖5B所示,魚糜漿料在添加TG酶后,損耗模量(G″)變大,且在TG酶添加量為0.2%時,樣品的損耗模量(G″)最大。
如圖5C所示,全部魚糜漿料的損失正切(tanδ)小于1,表明漿料存在一定的剛性且具有類固體特征;而漿料損失正切(tanδ)的變化趨勢與損耗模量(G″)的變化趨勢一致,表明添加0.2%的TG酶有助于減小漿料內(nèi)部的損耗模量,TG酶催化蛋白疏水基團的交聯(lián),提高了漿料的黏度,其損失正切(tanδ)較高說明漿料呈黏性特質(zhì)且對漿料的流動性無不良影響。
表3 TG酶添加量對金線魚魚糜Herschel-Bulkley參數(shù)的影響 Table 3 Effects of different additive of TGase on the Herschel-Bulkley parameters of Nemipterus virgatus surimi
如圖6所示,在TG酶添加量為0時,可以看出魚糜絲在打印過程中有較多的斷裂,樣品的表面有多處凹陷,層與層之間的結(jié)合度較低,階梯化現(xiàn)象較為嚴重。隨著TG酶添加量的上升,魚糜漿料的表觀黏度和凝膠強度有所改善。樣品表面的塌陷情況基本消失,階梯化現(xiàn)象在TG酶添加量為0.3%和0.4%的樣品中較為嚴重,與TG酶添加量為0.1%的相比,添加量為0.2%時表面的魚糜絲相互之間契合度較高,表面更加完整光滑,打印復原模型的程度較高。綜上,在TG酶添加量為0.2%時,3D打印效果最佳。
圖5 不同TG酶添加量對金線魚魚糜流變特性的影響
圖6 不同TG酶添加量對金線魚魚糜3D打印效果的影響
在魚糜3D打印的過程中,螺旋桿不斷地旋轉(zhuǎn)將物料向外擠壓,而物料在被擠壓的同時會因為螺桿旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的一系列剪切力發(fā)生剪切稀化,這種現(xiàn)象是指隨著螺桿剪應率的不斷升高,漿料的黏度逐漸減小,在此過程中魚糜抵抗其他應力作用的平衡應力降低[6],在此過程中,溫度有所升高,可能會導致蛋白質(zhì)變性,使得魚糜與螺旋桿以及噴嘴之間的阻力增大,導致了魚糜的流動性減弱,降低了打印的精度和效果。凝膠強度是衡量魚糜品質(zhì)的重要指標[7]。在3D打印過程中,魚糜內(nèi)部的肌球蛋白雙螺旋解開,并發(fā)生交聯(lián)形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(凝膠結(jié)構(gòu));網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加了魚糜的體積,減少了魚糜和螺旋桿和噴嘴之間的一系列剪切力。物料分子的聚集程度高可以減少剪切稀化對打印的影響[8-9]。因為魚糜絲是通過自身重力和流體力學的作用在成型板上進行沉積成型,魚糜內(nèi)部凝膠結(jié)構(gòu)的形成減少了魚糜絲在成型過程中損耗的勢能,因此,樣品在沉積過程中不易發(fā)生塌陷[6]。樣品凝膠強度隨TG酶添加量變化的原因可能是由于魚糜絲在打印過程中受熱,蛋白質(zhì)大分子熱運動加劇,蛋白上的雙螺旋結(jié)構(gòu)延展開,并在TG酶的催化作用下蛋白質(zhì)上的殘基(如Gln殘基和Lys殘基)進行交聯(lián),從而提高了凝膠強度,這與Sakamoto等[10]的研究相符;而隨著TG酶添加量的增大,凝膠強度開始下降,這是因為蛋白基團交聯(lián)時所需要的共價鍵數(shù)目具有飽和性,當TG酶的含量過大時,過度的交聯(lián)在一定程度上破壞了凝膠結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,導致凝膠強度下降。
硬度表示魚糜漿料在受到外力發(fā)生形變時對外力的抵抗能力[11]。在3D打印的過程中,物料的硬度越大,與螺旋桿和噴嘴之間的剪切力就越大,樣品擠出的流暢性減小,剪切稀化的現(xiàn)象越嚴重,物料的黏度就越低。在TG酶添加量為0.4%時硬度最高,表明TG酶對于樣品的硬度有升高的作用,其原因可能是TG酶促進了魚糜內(nèi)部的蛋白質(zhì)共價交聯(lián),使魚糜內(nèi)部的大分子數(shù)量上升,這種大分子一般是由共價鍵相連的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),同時在TG酶添加量增大時,魚糜內(nèi)部的共價鍵數(shù)量上升,魚糜漿料內(nèi)部的共價鍵數(shù)目增加使內(nèi)部的大分子聚集趨于穩(wěn)定,因此,物料的硬度上升[12]。在物料斗內(nèi)魚糜漿料被螺旋桿不斷地施加剪切力,漿料的膠著度和咀嚼度越高,螺旋桿在螺旋擠壓的過程中的阻力越大,造成機器的損耗和魚糜漿料勢能的損失也越大。樣品的膠著度和咀嚼度在TG酶添加量為0時最低,其原因可能是魚糜漿料內(nèi)的蛋白質(zhì)分子在進行斬拌后雙螺旋被打開,使物料呈現(xiàn)出一種溶膠狀態(tài),在這種狀態(tài)下的魚糜漿料具有較好的流動性,其剪切應力和剪切應變率呈非線性關(guān)系[13],而在添加TG酶后這些蛋白質(zhì)殘基被交聯(lián)形成大的分子聚集體,漿料內(nèi)的共價鍵增多增強了魚糜的非牛頓流體特性,在斬拌機內(nèi)剪切應力不斷施加的過程中,漿料自身的勢能損失下降,使膠著度和咀嚼性提高,漿料的黏性特質(zhì)增強。如表1所示,彈性和黏聚性和漿料與凝膠強度的研究相符合(在TG酶添加量為0.2%時最高),因為TG酶催化了蛋白內(nèi)?;霓D(zhuǎn)移,使?jié){料內(nèi)部的共價交聯(lián)增強,促進了分子的聚集,提高了漿料的凝膠強度。隨著TG酶添加量逐漸增大,漿料的固體性質(zhì)越強,其原因是TG酶促進了蛋白之間的交聯(lián),在TG酶添加量過高時,魚糜內(nèi)部的共價鍵飽合形成,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加緊致。
持水性是指魚糜凝膠在受到一定外力影響時,凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對水分束縛能力的大小[11],是衡量漿料內(nèi)部凝膠特性品質(zhì)的重要物理指標之一。在3D打印過程中,適當提高漿料的凝膠強度可以有效減緩剪切稀化的現(xiàn)象,而凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性決定了漿料的沉積成型效果。漿料在打印時,蛋白在剪切力的影響下開始延展,內(nèi)部的蛋白疏水基團暴露,凝膠內(nèi)部的部分水分會被釋放出來,降低了持水性,提高了漿料的損耗模量,導致漿料的非牛頓流體特性被影響,改變了漿料的剪應率線性關(guān)系,使?jié){料的黏度大大降低,不利于樣品的成型。樣品持水性隨TG酶添加量變化的原因可能TG酶與二硫鍵之間的相互作用,可以催化氨基與γ-羧基酰胺之間的交聯(lián)[14],增強了凝膠結(jié)構(gòu)對水的束縛力,同時使蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊湊,減少了被束縛的水分,提高了漿料的持水性。隨著TG酶添加量的增大,在達到共價鍵飽合之后,蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密緊湊,水分子不易進入凝膠系統(tǒng),導致漿料的持水性開始下降。
樣品內(nèi)部水分分布隨TG酶添加量變化的原因推測是,漿料內(nèi)部有大量的肌原纖維蛋白,在蛋白表面有較多的極性親水基團與水分相結(jié)合,在斬拌的過程中蛋白逐漸展開,更多的疏水基團暴露出來,一部分水分因為疏水基團的作用,逐漸在魚糜內(nèi)部游離,此時漿料呈現(xiàn)一種溶膠狀態(tài),伴隨著TG酶添加量的上升,TG酶上的γ-酰胺基和肌原纖維蛋白上的賴氨酸殘基(ε-氨基),形成一種賴氨酸異肽鍵,促進蛋白質(zhì)分子的交聯(lián),使蛋白質(zhì)分子發(fā)生交聯(lián)[15]。蛋白質(zhì)分子交聯(lián)后,一部分游離水被包裹住,使不易流動水的占比上升。而當TG酶的添加量大于0.2%時,T23的占比開始下降,分析其原因可能是,TG酶的添加量越大,其催化作用也越強,漿料內(nèi)部的共價鍵也越多,導致了凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加緊湊,無法填充更多的水分,使不易流動水的占比下降。隨著TG酶添加量增大,T24游離水呈先下降后上升的趨勢,與T23的變化趨勢相反,這與Ahmad等[16]的研究相符,說明魚糜內(nèi)部一部分的游離水轉(zhuǎn)化為不易流動水,同時游離水的占比過高,導致漿料的黏度下降,不利于3D打印的成型。
在3D打印中,由于螺旋桿和噴嘴對魚糜漿料不斷地施加剪切力,魚糜內(nèi)部的蛋白質(zhì)分子會趨于向流動的方向逐漸延展開,此時由于蛋白被拉伸和延展,在這過程中漿料勢能不斷損失,影響了共價鍵的形成,使殘基之間不易發(fā)生交聯(lián),所以魚糜漿料的流動性增加,凝膠強度和黏度降低,不利于樣品成型。表觀黏度隨TG酶添加量變化的原因可能是蛋白質(zhì)雙鏈在解旋之后,在TG酶催化的作用下,相互交聯(lián)形成一種較為穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)之間的共價鍵較為穩(wěn)定,在非酶的作用下不易斷裂,所以增強了魚糜漿料的表觀黏度[17],使魚糜漿料的剪切稀化現(xiàn)象得到緩解,在進行剪切魚糜時所需要的剪切應力增大。
隨著TG酶的添加量增大,魚糜漿料的屈服應力顯著增加,推測其原因是蛋白在被施加剪切應力斬拌的過程中,被拉伸的蛋白上的疏水基團充分暴露,在TG酶的催化作用下促進了蛋白質(zhì)分子之間的交聯(lián),使表觀黏度上升,在恒定速率下剪切應力上升,漿料的固化性增強。隨著TG酶添加量增大,漿料的流動性減弱,稠度上升,表明TG酶促進了漿料內(nèi)部蛋白的交聯(lián)共價鍵的數(shù)量上升,這種TG酶催化形成的共價鍵較為穩(wěn)定,黏連性較強,降低了流動性,提高了黏度。
隨著TG酶添加量的上升,魚糜漿料的彈性性能越來越高,推測其原因是由于TG酶的催化作用使分子的聚集程度變強,使魚糜漿料的共價鍵數(shù)量上升,提高了分子之間的穩(wěn)定性,與Folk[18]的研究相符。
TG酶是一種特殊的酰基供體,通過自身的谷氨酰胺殘基的γ-酰胺基與蛋白質(zhì)中的賴氨酸殘基結(jié)合,形成一種賴氨酸異肽鍵,促進了蛋白質(zhì)的交聯(lián)[4],漿料內(nèi)部形成了更多的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使金線魚魚糜絲在打印中不易發(fā)生斷條的現(xiàn)象,減少了樣品在沉積成型過程中的塌陷,大大提高了樣品的精度。TG酶使?jié){料內(nèi)部產(chǎn)生了更多的共價鍵,大分子聚集體之間的穩(wěn)定性增強,漿料的黏度上升,使魚糜絲的擠出更加舒暢。隨著TG酶添加量增大,階梯化現(xiàn)象在TG酶添加量為0.3%和0.4%的樣品中較為嚴重,推測其原因可能是過高添加量的TG酶提高了魚糜漿料的屈服應力,在屈服應力較大時不利于樣品的擠出,導致樣品沉積過程中階梯化現(xiàn)象加劇[19]。與TG酶添加量0.1%的相比,添加量為0.2%時表面的魚糜絲相互之間契合度較高,表面更加完整光滑,打印復原模型的程度較高。綜上,在TG酶添加量為0.2%時,打印效果最佳。