明膠對酸奶3D打印性能的影響

王江東,帥晶晶,羅仕園,安建輝,2,3,鄧伶俐,2,3*

1(湖北民族大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北 恩施,445000) 2(生物資源保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖北民族大學(xué)),湖北 恩施,445000) 3(超輕彈性體材料綠色制造民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖北民族大學(xué)),湖北 恩施,445000)

隨著消費(fèi)者對食品定制化和營養(yǎng)精確化的需求,通過食品3D打印來開發(fā)新產(chǎn)品已經(jīng)成為一種行業(yè)趨勢[1-2]。食品3D打印具有方便,快捷,形態(tài)可變以及營養(yǎng)配比可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。早期應(yīng)用于食品3D打印的體系有食品膠體[3]、巧克力等[4],其中巧克力3D打印已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用,市面上已有大量3D打印自助售賣機(jī)進(jìn)行定制化打印。近年來食品3D打印體系逐漸擴(kuò)展到多領(lǐng)域,如淀粉體系[5-6]、肉制品[7-8]、乳制品[9-10]。乳制品體系由于其營養(yǎng)價(jià)值高,所含蛋白通過熱處理可形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可作為潛在的3D打印材料。LIU等[10]研究了乳清分離蛋白對牛奶濃縮蛋白3D打印性能的影響,發(fā)現(xiàn)牛奶濃縮蛋白與乳清分離蛋白比例為5∶2時(shí)得到的復(fù)合凝膠具有最佳的3D打印性能。

研究表明向食品體系中添加一定量的食品膠體能夠改善食品體系的3D打印性能,如卡拉膠、阿拉伯膠、魔芋膠、淀粉等[11-13]。明膠作為一種常用于3D打印的親水膠體,可通過自身凝膠化使原料具有類似明膠的性質(zhì),從而改善樣品的硬度、彈性和和咀嚼性,提高原料的3D打印性能。明膠由于其安全性高,生物相容性好被廣泛應(yīng)用于組織工程3D打印,其應(yīng)用于食品3D打印的相關(guān)研究較少。食品3D打印的方式主要為熱擠出型3D打印[14],市場上也已有多家公司生產(chǎn)針對食品行業(yè)的3D打印機(jī),但是此類3D打印機(jī)單價(jià)相對較高,并且進(jìn)料腔體在每次換樣品后需要清理,加熱擠出的方法不利于保持食品中某些物質(zhì)的生物活性。

本研究以酸奶為原料,通過添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的明膠,探討明膠對酸奶的流變特性、質(zhì)構(gòu)性質(zhì)和3D打印性能的影響。通過紅外光譜和低場核磁共振分析明膠與酸奶成分之間的相互作用,進(jìn)而闡明明膠添加對酸奶3D打印性能的影響規(guī)律和機(jī)理,為酸奶應(yīng)用到食品3D打印領(lǐng)域提供理論指導(dǎo)和工藝參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

風(fēng)味酸牛奶(原味,450 g),蒙牛乳業(yè)(集團(tuán))股份有限公司；明膠,上海阿拉丁試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Ender-3S 3D打印機(jī),創(chuàng)想三維科技有限公司；AR2000流變儀、XTplus質(zhì)構(gòu)儀,美國TA公司；Nicolet iS5紅外光譜儀,美國Thermal Electron公司；NMI20-060H-Ⅰ型低頻核磁共振成像分析儀,蘇州紐邁科技有限公司。

1.3 3D打印機(jī)改裝

為了實(shí)現(xiàn)低成本食品3D打印,本課題組以普通3D打印機(jī)(Ender-3 s)為基礎(chǔ)進(jìn)行改裝(圖1)。將3D打印機(jī)的原噴頭進(jìn)行了拆除,利用外置的流量泵作為進(jìn)料設(shè)備。在原噴頭處固定魯爾接頭支架,以注射器作為進(jìn)料容器,注射器連接3.2 mm規(guī)格魯爾外旋接頭,通過3 mm內(nèi)徑硅膠管輸送樣品至3.2 mm規(guī)格魯爾內(nèi)旋接頭。魯爾內(nèi)旋接頭連接普通點(diǎn)膠針頭,通過連接不同規(guī)格點(diǎn)膠針頭可實(shí)現(xiàn)不同的打印直徑。通過本課題組改裝的設(shè)備相比于現(xiàn)有市場上的食品3D打印機(jī)的優(yōu)勢在于：(1)成本低,普通實(shí)驗(yàn)室均可利用該方法進(jìn)行簡單的食品3D打印研究或教學(xué)；(2)進(jìn)料與3D打印平臺分離后避免了單一進(jìn)料腔體的清洗,提高調(diào)試參數(shù)的效率。

圖1 食品3D打印機(jī)改裝示意圖Fig.1 Modification of food 3D printing set-up

1.4 酸奶凝膠制備

選取市售的蒙牛原味酸牛奶為原料,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、1.25%、1.5%、1.75%的明膠,加熱攪拌至明膠完全溶解后趁熱灌裝到50 mL注射器中并排去空氣后靜置過夜使其凝固。

1.5 流變性測試

選用40 mm的平板進(jìn)行動態(tài)流變測定,設(shè)置溫度為25 ℃,應(yīng)變?yōu)?%,在1～100 Hz的頻率范圍內(nèi)掃描分析。獲得儲能模量(storage modulus,G′)、損耗模量(loss modulus,G″)和損耗角正切值tanθ(G″/G′)作為頻率的動態(tài)流變特性曲線。

1.6 質(zhì)構(gòu)測試

利用質(zhì)構(gòu)儀對添加了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)明膠的酸奶樣品進(jìn)行全質(zhì)構(gòu)分析。試驗(yàn)采用圓柱形探頭(P/0.5R),壓縮形變量為25%,然后用5 kg的測力傳感器以1 mm/s的十字頭速度減壓。TPA測量由2個(gè)壓縮/解壓縮周期組成,以1 mm/s的速率間隔5 s。

1.7 紅外光譜測試

將含明膠的酸奶冷凍干燥后,采用傅里葉變換衰減全反射法進(jìn)行紅外光譜掃描[15],掃描范圍為：4 000～400 cm-1,分辨率：2 cm-1,累加32次,以空氣為背景,每次掃描前扣除背景。

1.8 低場核磁共振

將樣品置于低場NMR探頭中恒溫15 min,磁體溫度保持在32 ℃。使用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列測試橫向弛豫時(shí)間T2。儀器參數(shù)設(shè)置為采樣頻率200 kHz,90脈沖寬度18 μs,采樣點(diǎn)數(shù)96 004,回波個(gè)數(shù)2 000～5 000,半回波時(shí)間0.1 ms,循環(huán)采樣4次。采用紐邁公司的核磁共振分析應(yīng)用軟件采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行反演處理[16]。

1.9 3D打印參數(shù)優(yōu)化

通過C4D軟件建模,導(dǎo)出stl文件,用Cura軟件讀取模型后設(shè)置打印參數(shù),打印速率50 mm/s,噴嘴直徑選用20 G(內(nèi)徑0.6 mm),18 G(內(nèi)徑0.84 mm)和16 G(內(nèi)徑1.2 mm)點(diǎn)膠針頭,導(dǎo)出gcode文件加載到3D打印機(jī)上執(zhí)行。

1.10 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)學(xué)分析使用t分布檢驗(yàn)單因素方差分析(ANOVA one way),后續(xù)使用Tukey分析進(jìn)行檢驗(yàn),分析軟件為Origin 8.0。當(dāng)P<0.05時(shí),結(jié)果被認(rèn)為具有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 流變性分析

在3D打印過程中,物料的流變特性會影響打印出料的連續(xù)性和層與層之間的貼合性。因此,食品物料的流變特性是衡量其是否適合3D打印的重要指標(biāo)之一。圖2為添加了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)明膠的酸奶體系的G′和G″隨著振蕩頻率的變化圖。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)度的材料打印后會表現(xiàn)出極好的支撐能力,不易塌陷[17]。當(dāng)G′>G″時(shí),表現(xiàn)出固體的性質(zhì),反之則表現(xiàn)為液體的性質(zhì)。未添加明膠的酸奶表現(xiàn)為液體狀,添加了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)明膠后的酸奶呈現(xiàn)為凝膠狀,倒置不會流動。當(dāng)明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)(圖2-a),在低頻率時(shí)G′>G″,而在高頻率時(shí)G′G″,表現(xiàn)出固體性質(zhì)。同時(shí),G′和G″也逐漸增加,說明明膠提高了體系的凝膠強(qiáng)度。添加明膠后,明膠分子與酸奶中的蛋白分子也可能發(fā)生了氫鍵作用,從而增加了體系的分子纏聯(lián)。通過圖2-e中tanθ的變化可以看出明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)>1%后,tanθ<1,說明其形成了穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)。但是隨著凝膠強(qiáng)度的增加其流動性也會降低,流動性太低的樣品并不利于3D打印。LIU等[17]發(fā)現(xiàn)當(dāng)土豆泥中添加2%的土豆淀粉后,其儲能模量增加,能夠得到較好的3D打印產(chǎn)品；而土豆淀粉增加到4%后,過高的儲能模量的土豆泥擠出困難,反而降低了其3D打印效果。

a-明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%；b-明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.25%；c-明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%；d-明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.75%；e-tan θ值(G″/G′)圖2 明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)對酸奶G′和G″及tan θ值(G″/G′)的影響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 質(zhì)構(gòu)分析

表1為含不同明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酸奶樣品的硬度、彈性、內(nèi)聚性和回復(fù)性。在硬度和內(nèi)聚性上樣品之間沒有表現(xiàn)出明顯的差異,但是隨著明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,酸奶樣品的彈性和回復(fù)性隨之增加。說明明膠分子在酸奶樣品中溶解,體系中分子纏聯(lián)程度增加,形成良好的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%和1.75%時(shí)酸奶樣品的彈性和回復(fù)性顯著增加,有利于提升產(chǎn)品的3D打印性能和口感。

表1 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)明膠的酸奶樣品的硬度、彈性、 內(nèi)聚性和回復(fù)性Table 1 The hardness,springiness,cohesiveness,and resilience of the yogurt that added with various mass fractions of gelatin

2.3 紅外光譜分析

圖3 明膠及含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)明膠的酸奶樣品紅外光譜圖Fig.3 The FTIR spectra of the raw gelatin and the yogurt that added with various mass fractions of gelatin

表2為含不同明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)酸奶樣品的紅外特征峰相對強(qiáng)度,可以看出明膠添加比例為1.25%和1.5%時(shí),其3 279 cm-1處的峰強(qiáng)度相對較低。由于明膠與酸奶體系中的蛋白和多糖發(fā)生了氫鍵相互作用,導(dǎo)致自由氨基和羥基的振動強(qiáng)度顯著減弱[19]。

表2 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)明膠的酸奶樣品紅外光譜特征峰相對強(qiáng)度 單位：%

2.4 低場核磁共振分析

圖4為含不同明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酸奶樣品的橫向弛豫圖譜和不同狀態(tài)水分子的相對百分含量。低場核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2通常被分為3個(gè)區(qū)域,T21弛豫峰(0～10 ms)對應(yīng)的是體系中與大分子緊密結(jié)合的結(jié)合水。T22(30～50 ms)對應(yīng)的是與大分子結(jié)合不緊密但是又位于親水基團(tuán)附近的非結(jié)合水。T23(100～1 000 ms)對應(yīng)自由水[17]。不同弛豫時(shí)間相對應(yīng)的指數(shù)面積比是3種不同狀態(tài)水的相對含量。如圖4所示,隨著明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加到1.5%,其結(jié)合水比例從1.54%降低至0.77%,而非結(jié)合水的比例從1.53%升高至2.88%。從1.5%到1.75%的添加量各狀態(tài)水的相對含量沒有明顯差異。WANG等[18]觀察到隨著魚糜凝膠中NaCl含量的增加,T22弛豫峰所占比例也顯著增加。明膠添加后體系中緊密結(jié)合水含量的降低以及非結(jié)合水含量的增加說明由于蛋白與蛋白的相互作用使得酸奶中球狀蛋白的構(gòu)象被打開,從而形成了更加致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。FISZMAN等[19]研究發(fā)現(xiàn)明膠添加到酸奶中后明膠分子在酪蛋白膠束中形成了橋聯(lián)作用,形成了雙重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而能夠?qū)⑺肿佑行Ч潭╗20]。

圖4 不同含量明膠的酸奶樣品低場核磁共振橫向 弛豫譜圖及不同狀態(tài)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打印優(yōu)化分析

由圖5可知,明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),所打印出的3D模型難以維持打印形態(tài),放置不久就有水分滲出。明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25%時(shí)形態(tài)稍有改善,但是打印出的表面較為粗糙。當(dāng)明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí),由于體系的流動性變差,表面的粗糙度顯著增加。3D 打印食品的精度和質(zhì)量取決于食品材料的性能,流動性過高或過低的材料都不利于打印成型,因此選用明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的體系進(jìn)行打印參數(shù)的優(yōu)化。

a-1%明膠;b-1.25%明膠;c-1.5%明膠;d-1.75%明膠圖5 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)明膠的酸奶樣品3D打印樣品圖Fig.5 Picture of 3D printed yogurt withdifferent gelatin content

噴頭直徑大小決定了擠出物料的直徑大小,因此噴頭直徑主要影響打印樣品的表面精細(xì)程度和打印精度。噴頭直徑越小,樣品的打印精度越高。圖6為不同噴頭直徑條件及不同進(jìn)料速率條件下打印樣品的圖片(打印速率50 mm/s)。隨著噴頭直徑的變小,打印樣品的表面越來越細(xì)膩光滑、打印精度也越高。當(dāng)噴頭直徑為0.84 mm,進(jìn)料速率為3.0 mL/min時(shí),打印樣品與目標(biāo)模型的最接近。

圖6 含1.5%明膠的酸奶樣品在不同噴頭直徑和進(jìn)料速率條件下打印樣品圖Fig.6 The picture of the yogurt with 1.5% gelatin after 3D printing at various nozzle diameter and feeding rate

如圖7所示,針頭直徑為0.84 mm,打印速率為50 mm/s時(shí),不同進(jìn)料速率3D打印后的酸奶經(jīng)過凍干仍能夠保持其3D形態(tài),并且具有較高的脆性,可以作為開發(fā)新型酸奶產(chǎn)品的一種思路。

圖7 含1.5%明膠的酸奶樣品3D打印后樣品凍干照片F(xiàn)ig.7 The picture of thefreeze-dried 3D printed yogurt with 1.5% gelatin 注：針頭直徑0.84 mm,進(jìn)料速率2.0～4.0 mL/min,打印速率50 mm/s

3 結(jié)論

本研究實(shí)現(xiàn)了低成本的食品3D打印機(jī)的改裝,可用于常溫條件下食品3D打印。通過向市售攪拌型酸奶中添加明膠增加了體系中分子鏈的纏聯(lián),提升了酸奶的凝膠強(qiáng)度,改善了酸奶的3D打印性能。其中明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)表現(xiàn)出最好的3D打印效果,在此基礎(chǔ)上得到的最佳3D打印參數(shù)為:進(jìn)料速率3 mL/min,噴頭直徑0.84 mm,打印速率50 mm/s。本文中改裝的食品3D打印設(shè)備也還有很多局限,如進(jìn)料與3D打印需要人工控制進(jìn)行同步以及無法實(shí)現(xiàn)控溫打印。為了豐富和拓寬3D打印酸奶的應(yīng)用范圍,未來的研究還應(yīng)著眼于研究不同種類食品膠體對酸奶的3D打印性能以及加工性能的影響。