采用主成分分析抗凍劑對冷凍蝦肉糜3D可打印性的影響

潘燕墨，劉 陽，孫欽秀，劉書成,2※，魏 帥，夏秋瑜，吉宏武，施文正

（1. 廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院/廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省海洋食品工程技術(shù)研發(fā)中心/廣東省海洋生物制品工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/水產(chǎn)品深加工廣東普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湛江 524088；2. 大連工業(yè)大學(xué)海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，大連 116034；3. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306）

0 引 言

3D打印是一種以計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過分層制造和逐層疊加的原理完成對數(shù)字模型構(gòu)建的新興技術(shù)[1]，可以制造出傳統(tǒng)方法無法制作的幾何模型。3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航天航空、醫(yī)學(xué)、建筑、機(jī)械制造等相關(guān)領(lǐng)域[2]。近年來，3D打印技術(shù)在食品工業(yè)中也得到了廣泛應(yīng)用，例如3D打印巧克力[3]、餅干[4]、奶酪[5]、凝膠類食品[6]等。

蝦肉糜制品（蝦滑、蝦腸、蝦丸等）是對蝦精深加工產(chǎn)品之一，因富含蛋白質(zhì)、風(fēng)味好、口感佳而深受消費(fèi)者喜愛。蝦肉糜具有良好的流變學(xué)特性，其形成凝膠后還具有良好的質(zhì)構(gòu)特性，是一種適合于3D打印的食品原料。利用3D打印技術(shù)可以制造出多樣化的蝦肉糜制品，滿足消費(fèi)者對現(xiàn)代時尚食品的需求，同時提升產(chǎn)品的附加值。3D打印要求蝦肉糜具有一定的流變和質(zhì)構(gòu)特性使其易于從3D打印機(jī)噴頭擠出，并保持打印形狀穩(wěn)定。蝦肉糜在3D打印之前通常是以冷凍方式保存，冷凍容易使蝦肉糜蛋白質(zhì)發(fā)生冷凍變性而失去3D打印特性。蛋白質(zhì)變性也不利于3D打印后產(chǎn)品形成良好的彈性凝膠，影響3D打印產(chǎn)品熟化后的品質(zhì)。因此，如何改善冷凍蝦肉糜3D可打印性是蝦肉糜3D打印商品化急需解決的問題。向肉糜中添加抗凍劑可以有效地減緩蛋白質(zhì)的冷凍變性，并使肉糜具有較好的保水性，傳統(tǒng)使用的抗凍劑主要是糖類和磷酸鹽類[7-9]；海藻糖是一種新型抗凍劑，對水產(chǎn)品也具有很好的抗凍效果和保水性，而且海藻糖比磷酸鹽類抗凍劑更加有利于人體健康[10-13]；然而，抗凍劑種類及添加量對抑制蛋白質(zhì)冷凍變性的效果是有差異的。丁晨等[9]向秘魯魷魚魚糜中添加1%的海藻糖在-18 ℃凍藏6周，對蛋白質(zhì)特性的保護(hù)效果顯著優(yōu)于焦磷酸鈉。Osako等[11]比較了海藻糖、蔗糖、葡萄糖和山梨糖醇對竹莢魚魚糜的抗冷凍保護(hù)作用，添加5.0%～7.5%海藻糖對蛋白質(zhì)的抗凍效果與傳統(tǒng)糖類抗凍劑具有相同的效果。張靜雅等[12]將4%海藻糖+3%乳糖醇+1%蔗糖+2%山梨醇復(fù)配抗凍劑添加到鰱魚魚糜中，對蛋白質(zhì)特性的保護(hù)作用顯著優(yōu)于4%蔗糖和4%山梨醇混合的商業(yè)抗凍劑。黃建聯(lián)[13]用海藻糖、麥芽糖醇和山梨糖醇復(fù)配添加到鰱魚魚滑中，在凍藏過程中對蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性起到了很好的保護(hù)作用，延緩了蛋白質(zhì)冷凍變性。

綜上，為了探究冷凍蝦肉糜的蛋白質(zhì)易發(fā)生冷凍變性而失去3D可打印性的問題，本研究以添加不同抗凍劑的蝦肉糜為研究對象，對蝦肉糜冷凍貯藏過程中3D打印精確性和穩(wěn)定性、流變和質(zhì)構(gòu)特性的變化開展了試驗(yàn)研究，采用相關(guān)性和主成分分析蝦肉糜3D打印精確性和穩(wěn)定性與流變和質(zhì)構(gòu)特性之間的關(guān)系，研究結(jié)果可為冷凍蝦肉糜的3D打印應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

凡納濱對蝦（Litopenaeus vannamei）：規(guī)格為30～40尾/kg，購于廣東省湛江市霞山區(qū)水產(chǎn)品批發(fā)市場，?；钸\(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。食鹽：粵鹽，廣東省鹽業(yè)集團(tuán)有限公司，中國；蔗糖：河南省萬邦實(shí)業(yè)有限公司，中國；山梨糖醇：河南省萬邦實(shí)業(yè)有限公司，中國；多聚磷酸鹽：山東省源隆食品有限公司，中國；海藻糖：日本林源生化科技公司，日本；料酒：魯花，山東省魯花集團(tuán)有限公司，中國；味精：太太樂，上海市太太樂食品有限公司，中國；白砂糖：廣西省東亞扶南精糖有限公司，中國。

1.2 主要儀器與設(shè)備

高速斬拌機(jī)：GZB20型，廣州市汕寶食品廠機(jī)械部，中國；電子天平：UX2200H型，島津公司，日本；3D食品打印機(jī)：FOODBOT E1型，杭州時印科技有限公司，中國；高精確性數(shù)顯游標(biāo)卡尺：DL91150型，寧波得力集團(tuán)有限公司，中國；微單高清數(shù)碼相機(jī)：M200（15-45）型，佳能有限公司，日本；LED攝影棚燈箱：F60型，深圳旅行家科技有限公司，中國；模塊化高級流變儀：HAAKE MARS Ⅲ型，Thermo Fisher Scientific公司，美國；物性分析質(zhì)構(gòu)儀：TMS-Pro型，F(xiàn)TC公司，美國；高速冷凍離心機(jī)：3K-15型，Sigma公司，德國。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 蝦肉糜的制備

將新鮮凡納濱對蝦去頭、去殼、去腸腺，蝦仁用料理機(jī)絞碎處理5 min，將絞碎的蝦肉與冰水以1∶5的比例混合漂洗3次，然后將其包裹在3層紗布中進(jìn)行手動脫水制成蝦肉糜。將蝦肉糜分為5份，其中1份不添加抗凍劑作為對照（CK處理），其他4份以蝦肉糜質(zhì)量為基準(zhǔn)分別添加商業(yè)抗凍劑4%蔗糖+4%山梨糖醇+0.3%多聚磷酸鹽（SSP處理）、8%海藻糖（TH處理）、0.3%多聚磷酸鹽（PP處理）、8%海藻糖+0.3%多聚磷酸鹽（TP處理）。添加抗凍劑后分別用斬拌機(jī)斬拌5 min。將5份蝦肉糜放入-80 ℃超低溫冰箱中速凍2 h，使蝦肉糜中心溫度達(dá)到-20 ℃，然后將蝦肉糜轉(zhuǎn)移至-18 ℃冰箱中進(jìn)行凍藏。分別在貯藏第0、10、20、30、60和90 d取樣，流水解凍后添加蝦肉糜質(zhì)量3%的食鹽、3%的料酒、1%的味精和1%的白砂糖，用斬拌機(jī)斬拌2 min，然后分析蝦肉糜的持水性、流變和質(zhì)構(gòu)特性，并進(jìn)行3D打印測試其打印精確性和穩(wěn)定性。

1.3.2 蝦肉糜3D打印精確性和穩(wěn)定性

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的3D打印模型為邊長（Lm，mm）為20 mm的正方體，3D打印機(jī)噴頭直徑為1.20 mm，設(shè)置3D打印機(jī)料筒溫度為25 ℃，打印速度為30 mm/s，打印高度為2 mm，打印填充率為80%。打印完成后，立刻用游標(biāo)卡尺測量3D打印產(chǎn)品的平面邊長（Ls，mm）和高度（H0，mm），利用式（1）計(jì)算3D打印精確性（Pa，%）；將打印產(chǎn)品在室溫（25 ℃）下放置60 min，使用游標(biāo)卡尺測量打印產(chǎn)品的高度（H60，mm），利用式（2）計(jì)算3D打印的穩(wěn)定性（Ps，%）。同時，在LED燈箱中用數(shù)碼相機(jī)對3D打印產(chǎn)品進(jìn)行拍照，從外觀上評價(jià)其打印效果。

式中H0為3D打印產(chǎn)品放置0 min時高度，mm；H60為3D打印產(chǎn)品放置60 min時的高度，mm。

1.3.3 蝦肉糜流變特性的測定

參照Liu等[14]方法，采用HAAKE MARS模塊化高級流變儀測試蝦肉糜的流變特性。將樣品涂抹在直徑為20 mm的圓形樣品臺上，選擇P35Ti L轉(zhuǎn)子，設(shè)置轉(zhuǎn)子與樣品臺之間的間隙為1 mm，設(shè)定流變儀溫度為25 ℃，設(shè)置剪切速率范圍為0.1～100.0 s-1，測定靜態(tài)表觀黏度和剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化規(guī)律，并根據(jù)式（3）（Herschel-Bulkley模型）、式（4）和式（5）對剪切應(yīng)力和表觀黏度曲線進(jìn)行擬合。

式中σ為剪切應(yīng)力，Pa；σ0為屈服應(yīng)力，Pa；k為黏性常數(shù)；ε˙為剪切速率，s-1；ηα為表觀黏度，Pa·s；n為流態(tài)特性指數(shù)。

動態(tài)黏彈性是通過小振幅振蕩頻率掃描模式進(jìn)行測量，頻率設(shè)置為0.1～10.0 Hz。所有測量均在確定的黏彈性線性區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，應(yīng)變掃描為0.1%，記錄彈性模量（G′，Pa）和黏性模量（G″，Pa）隨振蕩頻率的變化。為了方便了解物料黏彈性的變化，將蝦肉糜的黏彈性進(jìn)行綜合分析，可以根據(jù)物料抗擠壓形變的綜合模量（G*，Pa）來進(jìn)行分析，根據(jù)式（6）進(jìn)行擬合[15]。

式中AF為流變單元之間的連接強(qiáng)度，為流變單元個數(shù)；ω為流變測試中頻率的大小，Hz。

1.3.4 蝦肉糜質(zhì)構(gòu)特性的測定

參照Liu等[16]的方法，采用TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀測試蝦肉糜的質(zhì)構(gòu)特性。取20 g蝦肉糜放置燒杯中，在溫度為25 ℃和濕度為40%～50%的條件下，對蝦肉糜的硬度（N）、彈性（mm）和黏附性（N·mm）等質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行質(zhì)構(gòu)剖面分析（Texture Profile Analysis, TPA）。質(zhì)構(gòu)儀選擇圓柱重型金屬探頭（FTC 38.1 mm Steel），測試參數(shù)設(shè)置：探頭上升到樣品表面的高度為30 mm，測試速度60 mm/min，壓縮變形50%，起始力為0.5 N。

1.3.5 蝦肉糜持水性的測定

參考Zhang等[17]的方法，采用離心法測定蝦肉糜的持水性（Water Holding Capacity，WHC，%）。稱取一定質(zhì)量的蝦肉糜（W1，g），在4 ℃下冷凍離心（10 000g，其中g(shù)為重力加速度9.80 m/s2）10 min，離心后用濾紙吸掉蝦肉糜表面水分，稱質(zhì)量（W2，g），WHC的計(jì)算如式（7）所示：

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

質(zhì)構(gòu)試驗(yàn)重復(fù)5次，其他試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，使用JMP統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和Tukey多重比較、擬合曲線、相關(guān)性和主成分分析，置信度為95%（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗凍劑對蝦肉糜3D打印精確性和穩(wěn)定性的影響

3D打印精確性和穩(wěn)定性是評估3D打印產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)[18]。蝦肉糜的3D打印效果如圖1所示。其中，CK處理的蝦肉糜經(jīng)凍藏后，3D打印線條粗糙，產(chǎn)品出現(xiàn)沉積坍塌，外觀效果差；添加抗凍劑的處理，蝦肉糜經(jīng)凍藏后3D打印產(chǎn)品的外觀均得到了改善。TP處理的3D打印線條細(xì)膩、產(chǎn)品沒有明顯的沉積塌陷，外觀效果好；SSP處理和TH處理在凍藏0～30 d能保持3D打印產(chǎn)品具有較好的外觀，然而在凍藏60～90 d時3D打印產(chǎn)品的層與層之間的融合性較差；PP處理在凍藏0～20 d也能保持3D打印產(chǎn)品具有較好的外觀，但凍藏30 d后3D打印時開始出現(xiàn)明顯的層與層之間連接斷裂、蝦肉糜塌陷等現(xiàn)象。

不同抗凍劑和凍藏天數(shù)對蝦肉糜3D打印精確性和穩(wěn)定性的影響如表1所示。隨著凍藏天數(shù)的延長，所有處理蝦肉糜的3D打印精確性和穩(wěn)定性均呈現(xiàn)下降趨勢（P＜0.05），其中CK處理下降最明顯，TP處理下降幅度最小。在凍藏90 d的情況下，CK處理的打印精確性由93.52%下降到83.33%（下降了10.90%），而TP處理的打印精確性僅下降了5.47%；CK處理的打印穩(wěn)定性由94.19%下降到90.48%（下降了3.94%），而TP處理的打印精確性僅下降了2.53%。因此，添加抗凍劑可以顯著提高蝦肉糜的3D打印精確性和穩(wěn)定性（P＜0.05）。在相同的凍藏天數(shù)，TP處理的3D打印精確性和穩(wěn)定性都顯著高于其他處理（P＜0.05），TP處理凍藏30 d后蝦肉糜仍具有較好的3D可打印性，打印精確性和穩(wěn)定性分別為96.64%和97.61%，凍藏90 d蝦肉糜的打印精確性和穩(wěn)定性仍然高達(dá)92.86%和96.32%；SSP處理與TH處理的3D打印精確性之間有較小的差異（P＜0.05），而二者的3D打印穩(wěn)定性之間無顯著差異（P＞0.05）；PP處理的3D打印精確性和穩(wěn)定性效果僅優(yōu)于CK處理（P＜0.05）。由表1可知，這些影響與3D打印產(chǎn)品外觀分析基本一致（圖1），因此添加抗凍劑（尤其是TP處理）可以有效改善冷凍蝦肉糜的3D打印適應(yīng)性。

表1 不同抗凍劑和凍藏天數(shù)對蝦肉糜3D打印精確性和穩(wěn)定性的影響Table 1 Effects of different cryoprotectants and frozen storage days on 3D printing accuracy and stability of shrimp surimi

2.2 抗凍劑對蝦肉糜流變特性的影響

3D打印食品對原材料有2個基本要求：一是原材料具有良好的流動性，容易從噴頭擠出；二是原材料具有良好的黏彈性，使打印時層與層之間易于融合，并且打印沉積到平臺后能較好地維持食品結(jié)構(gòu)和形狀。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[19-22]。由于測試數(shù)據(jù)較多，故僅以凍藏90 d為例展示抗凍劑對蝦肉糜流變學(xué)特性的影響（圖2）。采用Herschel-Bulkley模型（即式（3））對蝦肉糜剪切應(yīng)力進(jìn)行擬合（圖2a），擬合曲線的決定系數(shù)（coefficient of determination，R2）為0.999，屈服應(yīng)力σ0=0，流態(tài)特性指數(shù)n＜1，說明蝦肉糜是一種假塑性流體。然后，利用表觀黏度與剪切速率之間關(guān)系的式（5）對蝦肉糜表觀黏度進(jìn)行擬合（圖2b），擬合曲線的R2為0.999，求出每條擬合曲線的黏性常數(shù)k，所有處理的黏性常數(shù)k隨凍藏天數(shù)的變化如表2所示。

表2 不同抗凍劑和凍藏天數(shù)對蝦肉糜黏性常數(shù)和流變單元之間的連接強(qiáng)度的影響Table 2 Effects of different cryoprotectants and frozen storage days on viscosity constant and connection strength among rheological units of shrimp surimi

表觀黏度ηα是指在一定條件下相應(yīng)的剪切應(yīng)力與剪切速率的比值，是衡量流體流動性能的重要指標(biāo)，數(shù)值越小表示越容易流動[23]。由圖2b可知，隨著剪切速率的增加，各處理的蝦肉糜表觀黏度呈現(xiàn)下降趨勢（P＜0.05），在高速剪切應(yīng)力下存在剪切稀化現(xiàn)象[24]。肉糜的黏度是由肉糜中的蛋白質(zhì)分子間、蛋白質(zhì)分子與水分子間及與其他分子間的內(nèi)聚力和分子的擴(kuò)散而產(chǎn)生的阻滯其流動或變形的性質(zhì)[25]。肌原纖維蛋白和水是影響蝦肉糜黏度的主要成分，分子間相互作用與物料的剪切稀化密切相關(guān)。蝦肉糜是肌原纖維蛋白分子鏈與水的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體，靜止時分子彼此纏繞，當(dāng)受剪切應(yīng)力時纏繞的分子被解離，分子或質(zhì)點(diǎn)就會沿流動方向排列成線，減小了層間流動的剪切應(yīng)力，使表觀黏度降低，隨著剪切速率增加，分子排列越完善，黏度就越低，當(dāng)剪切速率大于某一數(shù)值后，分子排列完畢，表觀黏度則保持為常數(shù)[26]。

黏性常數(shù)k數(shù)值越大說明流體黏性越大，表明流體越難流動。由表2可知，對于同一處理，隨著凍藏天數(shù)的延長，蝦肉糜的黏性常數(shù)k顯著下降（P＜0.05），這與蝦肉糜中肌原纖維蛋白的冷凍變性密切相關(guān)。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子的變性（如疏水基團(tuán)暴露、分子聚集、蛋白質(zhì)降解等）均能使蛋白質(zhì)粘度降低[27-28]。在凍藏90 d的情況下，CK處理蝦肉糜的黏性常數(shù)k由423.89下降到203.39（下降了47.98%），而添加抗凍劑處理蝦肉糜的黏性常數(shù)k下降幅度均小于CK處理的（P＜0.05）。因此，添加抗凍劑能顯著延緩蝦肉糜黏性常數(shù)k的下降。由圖1可知，TP處理的3D打印效果最好，然而TP處理蝦肉糜的黏性常數(shù)k介于CK處理和其他處理之間。這是因?yàn)槲r肉糜靜止時本身具有較高的黏性常數(shù)k，不利于3D打??；當(dāng)蝦肉糜通過擠壓在一定剪切力作用下發(fā)生剪切稀化可以降低黏性常數(shù)k，有利于3D打印；但是當(dāng)黏性常數(shù)k過低，會造成3D打印產(chǎn)品的成型性較差。因此，在合適的剪切力作用下使蝦肉糜具有合適的黏性常數(shù)k對于3D打印是非常重要的。

凍藏90 d蝦肉糜彈性模量（G′）和黏性模量（G′′）的變化如圖2c和圖2d所示，其中根據(jù)G′值由大到小的順序各處理排序依次為TH、TP、SSP、PP、CK，根據(jù)G′′值由大到小的順序各處理排序依次為TP、TH、SSP、PP、CK。比較圖2c和圖2d可知，各處理蝦肉糜的G′遠(yuǎn)大于G″，表明蝦肉糜具有良好的彈性，具有形成彈性凝膠或者凝膠狀結(jié)構(gòu)的潛力[29-30]。蝦肉糜的G′和G″都隨施加頻率的增加而增加，這也說明蝦肉糜有剪切稀化現(xiàn)象，因?yàn)槲r肉糜內(nèi)部分子之間相互交聯(lián)，有著穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，施加過小的頻率，不會對肉糜內(nèi)分子鏈之間化學(xué)鍵以及三維結(jié)構(gòu)造成破壞，繼續(xù)施加頻率會對肉糜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)造成一定破壞，蛋白發(fā)生解鏈，延伸變長，導(dǎo)致流動性增加[31]。不同抗凍劑處理蝦肉糜的G′和G″存在一定的差異，這是因?yàn)椴煌箖鰟┑目箖鲂Ч嬖诓町?。肉糜的肌原纖維蛋白在凍藏過程中會發(fā)生變性，肽鏈解離，部分化學(xué)鍵斷裂，導(dǎo)致肌球蛋白分子之間又相互作用形成新的共價(jià)鍵，使肉糜內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，G′下降，黏度降低，流動性變大[32]。

采用物料抗擠壓形變的綜合模量表達(dá)式（即式（6））對G′和G′′進(jìn)行擬合（圖2c和圖2d），求得流變單元之間的連接強(qiáng)度（AF， Pa · s1/z）。AF的數(shù)值越大說明流變單元之間的連接強(qiáng)度越大，在一定程度上可以解釋3D打印層與層之間的融合程度以及凝膠強(qiáng)度。由表2可知，對于同一處理，隨著凍藏天數(shù)的延長，蝦肉糜的AF值顯著下降（P＜0.05）；在凍藏90 d的情況下，CK處理蝦肉糜的AF由3 934.10 Pa · s1/z下降到2 840.73 Pa · s1/z（下降了27.79%），而添加抗凍劑處理蝦肉糜的AF下降幅度均小于CK處理的（P＜0.05）。因此，添加抗凍劑的處理均能延緩蝦肉糜AF值的下降。添加了糖類抗凍劑（SSP、TH和TP處理）蝦肉糜的AF值顯著高于僅添加多聚磷酸鹽的PP處理（P＜0.05），這是由于糖類對水產(chǎn)蛋白的抗凍效果優(yōu)于多聚磷酸鹽[33]。結(jié)合圖1所示，合適的AF值有助于蝦肉糜3D打印擠出后層與層之間的融合并保持產(chǎn)品形狀。

2.3 抗凍劑對蝦肉糜質(zhì)構(gòu)特性的影響

3D打印食品需要原料具有合適的質(zhì)構(gòu)特性，使其保持原有設(shè)計(jì)形狀。硬度和彈性是評價(jià)肉糜類產(chǎn)品常用的品質(zhì)評價(jià)指標(biāo)，其中硬度是食品在受到咀嚼力時對變形的抵抗能力[34]，彈性是指食品撤銷外力作用后恢復(fù)形變的能力[35]。各處理凍藏過程中蝦肉糜質(zhì)構(gòu)特性的變化如表3所示。由表3可知，隨著凍藏天數(shù)的延長，各處理蝦肉糜的硬度和彈性均呈下降趨勢（P＜0.05），蝦肉糜硬度和彈性下降主要是因?yàn)樵趦霾仄陂g蝦肌原纖維蛋白發(fā)生了冷凍變性，蛋白質(zhì)分子與水分子間的結(jié)合力變?nèi)鮗36]。在凍藏90 d的情況下，CK處理蝦肉糜的硬度由1.08 N下降到0.71 N（下降了34.26%），而添加抗凍劑處理蝦肉糜的硬度下降幅度均小于CK處理的（P＜0.05）；CK處理蝦肉糜的彈性由3.05下降到2.21（下降了27.54%），而添加抗凍劑處理蝦肉糜的彈性下降幅度均小于CK處理的（P＜0.05）。因此，添加抗凍劑的處理可以顯著延緩蝦肉糜硬度和彈性的下降（P＜0.05）。在相同的凍藏天數(shù)，根據(jù)硬度值由大到小的順序各處理排序依次為TH、SSP、TP、PP、CK，根據(jù)彈性值由大到小的順序各處理排序依次為TH、TP、SSP、PP、CK。添加糖類抗凍劑抑制硬度和彈性下降的效果顯著優(yōu)于PP處理，這是因?yàn)樘穷悓Φ鞍踪|(zhì)的抗凍效果優(yōu)于多聚磷酸鹽，糖類分子中含有較多的羥基具有親水性，能增強(qiáng)蛋白質(zhì)與水的結(jié)合能力而有效抑制蛋白凝膠硬度和彈性的下降，而多聚磷酸鹽類主要通過螯合作用、提高離子強(qiáng)度等交聯(lián)部分已解離的蛋白質(zhì)，穩(wěn)定結(jié)合水的能力不如糖類[8]。

物料的黏附性影響3D打印層與層之間的融合，黏附性數(shù)值越大，說明分子間的作用力越大[37]。由表3可知，隨著凍藏天數(shù)的延長，各處理的蝦肉糜黏附性呈逐漸下降趨勢（P＜0.05）。這是由于蝦肉糜中肌原纖維蛋白的冷凍變性改變了分子間的相互作用力，使其黏附性下降[37]。在凍藏90 d的情況下，CK處理蝦肉糜的黏附性由2.33下降到1.87 N·mm（下降了19.74%），而添加抗凍劑處理蝦肉糜的黏附性下降幅度均小于CK處理的（P＜0.05）。因此，添加抗凍劑的處理可以顯著延緩蝦肉糜黏附性的下降（P＜0.05）。在相同的凍藏天數(shù)，根據(jù)黏附性值由大到小的順序各處理排序依次為TP、TH、SSP、PP、CK。這是因?yàn)樘穷惪箖鰟┛梢苑€(wěn)定蛋白質(zhì)分子間的氫鍵、疏水相互作用等而減輕蛋白質(zhì)的冷凍變性，多聚磷酸鹽可以穩(wěn)定蛋白質(zhì)分子間的離子鍵、氫鍵等而減輕蛋白質(zhì)的冷凍變性[8]。TP處理是海藻糖和多聚磷酸鹽的復(fù)配使用，更有助于穩(wěn)定維持蝦肉糜蛋白質(zhì)分子間的相互作用力，抑制蝦肉糜黏附性下降的效果最好。

表3 不同抗凍劑和凍藏天數(shù)對蝦肉糜質(zhì)構(gòu)特性的影響Table 3 Effects of different cryoprotectants and frozen storage days on texture of shrimp surimi

2.4 抗凍劑對蝦肉糜持水性的影響

持水性是指蛋白質(zhì)將水分保留在組織中而不丟失的能力，持水性越高，產(chǎn)品的彈性就越大[16]。凍藏后的蝦肉糜經(jīng)流水解凍后，色澤鮮亮，呈均勻柔滑的糜狀，無明顯的流水損失，與新鮮蝦肉糜基本保持同樣的組織狀態(tài)。各處理凍藏過程中蝦肉糜持水性的變化如表4所示。由表4可知，隨著凍藏天數(shù)的延長，各處理的蝦肉糜持水性呈下降趨勢（P＜0.05）；在凍藏90 d的情況下，CK處理蝦肉糜的持水性由88.30%下降到79.58%（下降了9.88%），而添加抗凍劑處理蝦肉糜的持水性下降幅度均小于CK處理的（P＜0.05）。因此，添加抗凍劑的處理可以顯著延緩蝦肉糜持水性的下降（P＜0.05）。在相同的凍藏天數(shù)，根據(jù)持水性值由大到小的順序各處理排序依次為TP、TH、SSP、PP、CK。凍藏過程中持水性下降是因?yàn)榧≡w維蛋白變性導(dǎo)致其與水分子的結(jié)合能力變?nèi)鮗38]。添加抗凍劑可以穩(wěn)定蛋白質(zhì)與水分子間的作用力而減緩蝦肉糜持水性的下降[8]。對于肉糜類產(chǎn)品，肉糜材料具有高持水性的特征對于維持3D打印產(chǎn)品好的質(zhì)構(gòu)特性具有重要作用。

表4 抗凍劑和凍藏天數(shù)對蝦肉糜持水性的影響Table 4 Effects of different cryoprotectants and frozen storage days on Water Holding Capacity of shrimp surimi

2.5 相關(guān)性和主成分分析

相關(guān)性分析是主成分分析的前提。對蝦肉糜的彈性、硬度、黏附性、持水性和3D打印精確性和穩(wěn)定性等指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表5所示。由表5可知，這些變量之間均呈顯著正相關(guān)性（P＜0.05)；打印精確性與蝦肉糜流變單元之間的連接強(qiáng)度、彈性、黏附性和持水性的相關(guān)程度較高（相關(guān)系數(shù)r≥0.80），而與黏性常數(shù)和硬度的相關(guān)程度較低；打印穩(wěn)定性與蝦肉糜流變單元之間的連接強(qiáng)度、彈性和黏附性的相關(guān)程度較高（相關(guān)系數(shù)r≥0.80），而與黏性常數(shù)、硬度和持水性的相關(guān)程度較低；打印精確性與打印穩(wěn)定性之間的相關(guān)性高達(dá)0.97，這說明打印精確性與打印穩(wěn)定性之間關(guān)系密切，改善蝦肉糜的3D打印適應(yīng)性必須同時考慮這2個指標(biāo)。

表5 冷凍貯藏期間蝦肉糜各指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of various indicators of shrimp surimi during frozen storage

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）是采用降維方法由一組測量變量中得到少數(shù)幾個相互獨(dú)立的線性組合（主成分），使用主成分來捕獲原始變量中盡可能多的變異性[39-40]。將3D打印精確性和穩(wěn)定性以及蝦肉糜的黏附性、彈性、硬度和持水性等數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如圖3所示。

主成分分析的載荷圖如圖3a所示，載荷是指變量與主成分之間的相關(guān)系數(shù)，由載荷圖可以分析變量的重要性和相關(guān)性。變量的載荷越大，表示該變量越重要；變量之間的距離越接近，表示變量之間有較強(qiáng)的相關(guān)性[41]。由圖3a可知，第一主成分的貢獻(xiàn)率為88.48%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為7.36%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)95.84%（理論要求貢獻(xiàn)率大于85%，主成分能夠代表原始變量大部分信息[41]），說明這2個主成分能夠較大程度地反映測量指標(biāo)的原始信息，符合PCA分析要求。對于第一主成分，蝦肉糜的彈性、硬度、黏附性、黏性常數(shù)k、AF值、持水性、3D打印精確性和穩(wěn)定性都具有較高的載荷，說明第一主成分的貢獻(xiàn)率高。將第一主成分定義為“蝦肉糜的3D可打印性”，這些變量對于蝦肉糜的3D可打印性都很重要，且與蝦肉糜的3D可打印性均呈正相關(guān)。第二主成分的貢獻(xiàn)率較低，本研究不做分析。另外，這些變量之間的距離比較近，說明3D打印精確性和穩(wěn)定性與蝦肉糜的彈性、硬度、黏附性、黏性常數(shù)k、AF值、持水性等密切相關(guān)。

主成分分析的得分圖如圖3b所示，得分越高，蝦肉糜的3D可打印性（第一主成分）越好。如果樣本之間聚集在一起，說明這些樣本之間差異性?。蝗绻麡颖局g距離越遠(yuǎn)，說明樣本之間差異性越大[41]。由圖3b可知，隨著凍藏天數(shù)的延長，各處理的得分越來越低，說明蝦肉糜經(jīng)過凍藏是不利于3D打印的；CK處理凍藏10 d、SSP處理凍藏30 d、TH處理凍藏30 d、PP處理凍藏10 d、TP處理凍藏30 d，蝦肉糜的3D可打印性的得分仍是正值，再延長時間，得分變?yōu)樨?fù)值。在正值得分中得分由大到小依次為TP-30 d、PP-10 d、TH-30 d、SSP-30 d、CK-10 d，說明TP處理凍藏30 d蝦肉糜仍然具有很好的3D可打印性。蝦肉糜經(jīng)過速凍和凍藏處理肌原纖維蛋白容易發(fā)生冷凍變性，使其彈性、硬度、黏附性、持水性降低，導(dǎo)致其3D打印精確性和穩(wěn)定性降低。添加抗凍劑在一定程度上可以抑制肌原纖維蛋白的冷凍變性，使蝦肉糜在凍藏一定時間后仍然具有一定的可打印性。在本試驗(yàn)中，TP處理凍藏30 d蝦肉糜仍然具有較好的3D打印效果。

3 結(jié) 論

基于相關(guān)性和主成分分析研究了抗凍劑和凍藏期間對蝦肉糜3D可打印性的影響，結(jié)論如下：

1）隨著凍藏天數(shù)的延長，所有處理蝦肉糜的3D打印精確性和穩(wěn)定性、黏性常數(shù)、流變單元之間的連接強(qiáng)度、硬度、彈性、黏附性、持水性等均呈下降趨勢；添加抗凍劑的處理可以減緩蝦肉糜這些指標(biāo)的下降，從而提高其3D可打印性。

2）在試驗(yàn)范圍內(nèi)，3D打印精確性和穩(wěn)定性與蝦肉糜的黏性常數(shù)、流變單元之間的連接強(qiáng)度、彈性、硬度、黏附性、持水性等呈正相關(guān)，合適的流變和質(zhì)構(gòu)參數(shù)是蝦肉糜3D打印成功的關(guān)鍵。

3）8%海藻糖+0.3%多聚磷酸鹽（即TP處理）抑制蝦肉糜肌原纖維蛋白冷凍變性的效果最好，凍藏30 d蝦肉糜仍然具有較好的3D可打印性，凍藏30 d后打印精確性和穩(wěn)定性分別為96.64%和97.61%。