明膠-葡萄皮紅色素基可食性油墨的制備及應(yīng)用

劉維維，馬良,2，張宇昊,2*，王洪霞,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(西南大學(xué),發(fā)光分析和分子傳感教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400715)

油墨對于傳遞信息、裝潢包裝、提升產(chǎn)品價值等方面有舉足輕重的作用。目前, 我國油墨行業(yè)呈現(xiàn)多元化的發(fā)展態(tài)勢，傳統(tǒng)油墨因含有香烴溶劑和揮發(fā)性有機(jī)化合物廣受爭議，在號召發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、推廣綠色環(huán)保、倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的今天，環(huán)保油墨正日益成為油墨業(yè)和印刷業(yè)的共識。環(huán)保型油墨是對已有的油墨進(jìn)行優(yōu)化處理、對其中的污染和有害部分進(jìn)行替換的一種達(dá)到環(huán)保要求的油墨。其中，可食性油墨尤為突出，其制備主要涉及連接料、色料、助劑等成分。

明膠作為膠原(來源于豬、牛、魚)部分水解得到的蛋白[1-2]，具有可食性、分散性、生物相容性、可降解性、成膜性、表面活性等優(yōu)良理化性質(zhì)，在食品中應(yīng)用廣泛，如澄清劑(飲料)、乳化劑(乳制品)、穩(wěn)定劑(冰淇淋)、改良劑(肉制品)、成膜劑(糖衣)、增稠劑(罐頭)等。在食品制造中，明膠因其優(yōu)良的性質(zhì)可應(yīng)用于3D打印中[3-5]；同時因其在水溶液中具有一定黏度、成膜性、負(fù)載性[6-7]，明膠水溶液可以作為連接料分散色素、制備油墨、促進(jìn)油墨2D印刷[8]。明膠在水中具有三維螺旋結(jié)構(gòu)，明膠鏈之間相互交叉并與空隙間的水形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9]，干燥后有利于形成光滑的墨膜。中國葡萄產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，如今已經(jīng)成為世界葡萄生產(chǎn)大國[10]；葡萄的出皮率在 20%～25%，其色素提取與綜合利用已成為企業(yè)和研究者們常探索的問題，葡萄皮提取物(葡萄皮紅色素)主要含有花色苷和黃酮等物質(zhì)，成品為紅紫色且有葡萄香味。

目前，國內(nèi)在明膠-色素提取物基可食性油墨方面的研究報道較少，相關(guān)實(shí)際應(yīng)用也不夠成熟。因此，本文提出制備一種明膠-葡萄皮紅色素基可食性油墨，采用高速球磨法制備油墨，采用紅外光譜儀和差示掃描量熱儀分析油墨的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，并考察分析油墨的流變性和印刷潛力，為其在食品工業(yè)及印刷行業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

明膠 (分析純)，Aladdin上海阿拉丁生化科技股份有限公司；葡萄皮紅色素，實(shí)驗(yàn)室自提；蔗糖(分子質(zhì)量342.29 Da)，成都市科龍化工試劑廠；純水，分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

JA3003B型電子天平，上海精天電子儀器有限公司；HH-4數(shù)顯恒溫攪拌水浴鍋，上海新諾儀器設(shè)備有限公司；立式半圓形行星球磨機(jī)，長沙天創(chuàng)粉末科技有限公司；FD-1A-50型真空冷凍干燥儀，北京博伊康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；Spectrun100紅外光譜儀、差示掃描量熱儀，美國PerkinElmer公司；UltraScan PRO測色儀，美國Hunter Lab公司；Mastersizer 3000激光粒度儀，英國馬爾文儀器公司；SU3500掃描電子顯微鏡，日本日立；MCR302型流變儀，奧地利安東帕公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

采用馬海燕等[11]的1%鹽酸甲醇法提取葡萄皮紅色素；將明膠加入純水中，在常溫下靜置60 min使明膠吸水溶脹，后水浴加熱，機(jī)械攪拌均勻(400 r/min，0.5 h)，制備得到7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的明膠溶液(標(biāo)為GE)。將不同質(zhì)量的葡萄皮紅色素粉末加入50 mL的明膠溶液中機(jī)械攪拌(400 r/min，0.5 h)，隨后加入添加劑蔗糖(0.4%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))，高速球磨(450 r/min，球磨2 h)使其復(fù)合充分。根據(jù)油墨中葡萄皮紅色素的含量(6%、10%、14%、18%和22%)，將樣品分別標(biāo)為GE-MA1、GE-MA2、GE-MA3、GE-MA4和GE-MA5。

1.3.2 傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR)

取1～2 mg干燥樣品覆蓋于紅外光譜儀檢測孔上進(jìn)行FTIR測定。掃描范圍4 000～500 cm-1，分辨率 4 cm-1，掃描次數(shù)32次。

1.3.3 色差

利用Ultra Scan PRO色差儀對油墨樣品進(jìn)行色差測定(由于GE-MA5產(chǎn)生了沉淀，黏附于底部，為了使色差準(zhǔn)確，搖勻后統(tǒng)一對底部樣品進(jìn)行了色差測試)，分別記錄L、a、b值。在與顏色感覺一致的均勻顏色空間內(nèi)，2個顏色樣品之間的色差表示為其坐標(biāo)點(diǎn)之間的距離，計(jì)算如公式(1)[12]所示：

(1)

式中：ΔE代表顏色差，ΔL，Δa和Δb分別是2個樣品的坐標(biāo)值之差。

1.3.4 粒徑

采用Mastersizer3000激光粒度儀測定樣品的粒徑，將樣品放于振蕩器搖床表面，在170 r/min速度下處理30 min。隨后采用吸管吸取樣品(上層溶液)加入裝有純水的燒杯中(至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 g/kg)，置于粒度儀測試區(qū)域，待遮光度顯示 8%～20%時進(jìn)行測定。色素折射率1.351，水折射率1.333，攪拌速度2 400 r/min，遮光度范圍 8%～20%。重復(fù)測定3次，取平均值。

1.3.5 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)

將油墨樣品進(jìn)行冷凍干燥，隨后對樣品表面噴金60 s，在10 kV 高真空模式下，對其表面形貌進(jìn)行表征記錄。

1.3.6 差示掃描量熱儀(differential scanning calorimetry，DSC)

稱取 3～4 mg 的粉末樣品加入密封的鋁坩堝中，在掃描溫度25～180 ℃、掃描速率10 ℃/min條件下利用DSC探究油墨的熱穩(wěn)定性質(zhì)，每個樣品平行測試4次。

1.3.7 流變特性

使用安東帕流變儀探究樣品的流變性，采用CP-25錐板(直徑25 mm)、BC 12.7探頭、間距0.106 mm，測定油墨的黏度、三階段觸變性。

剪切速率掃描：在25 ℃下，利用剪切速率0.01～100 s-1探究油墨黏度行為，同時用Power-law模型對黏度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,如公式(2)所示。

ηa=kγn-1

(2)

式中：ηa為表觀黏度，Pa·s；γ表示剪切速率，s-1；k表示稠度系數(shù)，Pa·sn；n為流體行為指數(shù)。

三階段觸變性測試(3 interval thixotropy test，3ITT)：在25 ℃下，樣品先在1 s-1的恒定剪切速率下預(yù)剪切30 s。隨后，第一階段，通過剪切速率0.1 s-1對樣品剪切40 s；第二階段，利用剪切速率300 s-1對樣品剪切10 s；第三階段，采用剪切速率0.1 s-1對樣品剪切80 s。

1.3.8 印刷感觀評分

取適量樣品在A4紙上進(jìn)行同一圖案或不同圖案的絲網(wǎng)印刷，對印刷效果進(jìn)行感官品質(zhì)評定，挑選10人為評定小組對成品進(jìn)行評分，滿分為10分取平均值為最終感官評定得分。評分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 印刷效果感官評分標(biāo)準(zhǔn)表

1.3.9 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；采用Origin pro 2018進(jìn)行圖片繪制、數(shù)據(jù)擬合和誤差分析；所有樣品平行實(shí)驗(yàn) 3 次。

2 結(jié)果與分析

2.1 FTIR分析

圖1 油墨紅外光譜

2.2 色差分析

圖2-a為基于不同色素濃度的油墨樣品，肉眼可見明膠溶液幾乎澄清透明，色素添加后，溶液變紅；隨著濃度的增加，紅色加深。在CIE Lab色差體系中，L代表亮度，a代表紅綠度(正值代表顏色偏紅，負(fù)值代表顏色偏綠)，b代表黃藍(lán)度(正值代表顏色偏黃，負(fù)值代表顏色偏藍(lán))。由圖2-b～圖2-d可以看出，隨著色素濃度的增加，L值和a值在增大，b值為負(fù)值且在減小, 可以看出色素濃度對油墨顏色有一定影響，增加色素濃度會使油墨亮度增加且偏紅和偏藍(lán)。由色差公式[12]計(jì)算出色差值(以GE-MA1為基準(zhǔn))，油墨的ΔE值分別為1.57、2.92、5.26和8.24，根據(jù)人們對色差系統(tǒng)分析的定義可知[16]，當(dāng)ΔE<1.5時，不易被人眼察覺；當(dāng)ΔE>3時，會有相當(dāng)顯著的差異，因此色素濃度越高，色差越明顯。測試結(jié)果也為后續(xù)可能的實(shí)際可食性油墨生產(chǎn)提供一定顏色借鑒和對比數(shù)據(jù)。

a-油墨樣品；b-油墨L值；c-油墨a值；d-油墨b值

2.3 粒徑分析

如圖3所示，隨著葡萄皮紅色素濃度的提高，尤其是色素含量達(dá)18%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，其粒徑顆粒增加至75.5 μm 左右，粒徑明顯變大，即GE-MA4的D(3, 2)最大；隨著濃度繼續(xù)增加，GE-MA5的粒徑無法測定。這是由于當(dāng)色素添加量較少時，色素與明膠復(fù)合分散于溶液中，包覆的色素含量較少，致使復(fù)合物粒徑較??；但是隨著色素含量的增加，色素之間相互碰撞發(fā)生聚集，從而導(dǎo)致復(fù)合物的粒徑逐漸變大；當(dāng)色素高于一定比例時(GE-MA5的色素含量高達(dá)22%)，色素聚集過大，在重力作用下沉淀，測得粒徑降低，這與蔣天艷等[17]的研究結(jié)果類似，但測試中發(fā)現(xiàn)振蕩器搖床處理后，依然有部分沉淀附著于底部，因此其粒徑測定無意義，故不作圖展示。

圖3 明膠-葡萄皮紅色素基油墨D(3, 2)粒徑圖

2.4 SEM分析

為進(jìn)一步直觀地了解色素對明膠基油墨的影響，采用SEM觀測油墨的微觀形貌。由圖4-a和圖4-b可以看出，GE的SEM形貌相對平整，GE-MA1色素含量最低，其SEM圖表面光滑整潔；隨著葡萄皮紅色素含量的增加，色素負(fù)載量增加，表面逐漸變得粗糙，出現(xiàn)了褶皺現(xiàn)象，無明顯凹坑、凸起和斷痕(圖4-c、圖4-e)，形成了均勻穩(wěn)定的體系；當(dāng)葡萄皮紅色素添加量增加到22%時(圖4-f)，表面出現(xiàn)明顯缺陷，表面凹凸不平，負(fù)載結(jié)構(gòu)較差。

a-GE；b-GE-MA1；c-GE-MA2；d-GE-MA3；e-GE-MA4；f-GE-MA5

2.5 DSC分析

對明膠體系而言，當(dāng)溫度升高到某一特定值時會引起明膠受熱變性[18]，尤其是明膠中的三股螺旋結(jié)構(gòu)因受熱轉(zhuǎn)變成無規(guī)則線圈結(jié)構(gòu)，從而引起焓的變化。熔融轉(zhuǎn)變溫度(Tm)及熱焓值(ΔH)的變化能反映出油墨熱穩(wěn)定性及其明膠螺旋結(jié)構(gòu)的改變。根據(jù)上述分析，對油墨樣品進(jìn)行 DSC分析。結(jié)果如圖5和表2所示，GE-MA1、GE-MA2、GE-MA3和GE-MA5的Tm和ΔH均低于GE-MA4，說明GE-MA4的熱穩(wěn)定性最高。表明當(dāng)明膠和色素配比最佳時，能夠明顯地改善油墨熱熔解的起始溫度，提高油墨的熱穩(wěn)定性。這可能是由于GE-MA4充分地負(fù)載了色素，并形成穩(wěn)定的包覆結(jié)構(gòu)(SEM的微觀形貌觀測)，色素中的酚類物質(zhì)與明膠蛋白形成了酚類化合物-蛋白長鏈復(fù)合體，需要更高的溫度才能打破其結(jié)構(gòu)，油墨熱穩(wěn)定性也會隨之增強(qiáng)，不易受熱而分解[19]；GE-MA1、GE-MA2、GE-MA3中色素含量太少，酚類化合物-蛋白復(fù)合體較短，包覆結(jié)構(gòu)比較松散，而GE-MA5中色素含量太高，色素聚集沉淀，酚類化合物-蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)較弱，因此熱穩(wěn)定性較差。GE-MA4的ΔH最高，說明其發(fā)生相變所需的熱量高[18]，進(jìn)一步證明其熱穩(wěn)定性好。

圖5 油墨DSC分析

表2 不同油墨樣品的熱穩(wěn)定性參數(shù)

2.6 油墨流變學(xué)

2.6.1 速率掃描

GE-MA4和GE-MA5熱穩(wěn)定性較高，因此其被選擇探究流變學(xué)性質(zhì)。圖6為油墨速率掃描結(jié)過，當(dāng)剪切速率由0.01 s-1增加至100 s-1時，樣品的黏度隨著剪切速率的增加而降低，表現(xiàn)出不同程度的剪切稀化現(xiàn)象，屬于假塑性流體[20]。剪切速率的增加，促進(jìn)分子鏈的有序化，向施加的應(yīng)力方向發(fā)展。冪律模型擬合結(jié)果見表3，GE、GE-MA4和GE-MA5的流體行為指數(shù)(n)分別為0.312 32±0.041 5、0.697 78±0.033 7 和0.219 67±0.015 61(均小于1)，驗(yàn)證了剪切變稀的性質(zhì)[21]，該性質(zhì)可以使得油墨在受到印刷剪切力時，黏度迅速降低，有利于油墨透過絲網(wǎng)孔并成功印刷在承印物上。

圖6 不同剪切速率下油墨黏度

表3 油墨的Power-law模擬參數(shù)

2.6.2 3ITT測試

為了進(jìn)一步探究油墨的印刷潛力，對油墨進(jìn)行了3ITT測試，結(jié)果如圖7-a所示，總體而言，加入色素后的油墨，黏度明顯高于GE，主要?dú)w因于GE與色素發(fā)生了相互作用(如氫鍵)，增強(qiáng)了GE分子鏈長度；同時GE-MA4中，在3ITT的第一階段(0.1 s-1)，油墨黏度較高；第二階段，剪切速率增大為300 s-1，高剪切速率減少分子鏈的纏結(jié)，促使樣品黏度迅速降低[22-23]，呈現(xiàn)剪切變稀的特性；第三階段，剪切速率回到0.1 s-1，油墨黏度恢復(fù)到一定程度，油墨結(jié)構(gòu)已重新建立。GE-MA4 的恢復(fù)率最高(圖7-b)，達(dá)88.7%，樣品易恢復(fù)到高黏度，觸變性最好[23]。在印刷時，黏度迅速降低，有利于油墨成功透過絲網(wǎng)孔并印刷在基材上；當(dāng)油墨印刷在承印物表面后，黏度迅速恢復(fù)，穩(wěn)定性高且不易流動，容易得到高精度的印刷產(chǎn)品。

a-3ITT測試曲線；b-黏度恢復(fù)率

2.7 絲網(wǎng)印刷

絲網(wǎng)印刷是常用的印刷方式[24-25]，油墨印刷效果如圖8-a～圖8-e所示，GE-MA5油墨內(nèi)部色素分布不均勻，底部有沉淀，在印刷過程中，其沉淀易堵住網(wǎng)孔，因此油墨無法順利地透過網(wǎng)孔印刷在承印物上，印刷品顏色因此較淺且模糊不清。表5展示了可食性油墨印刷的視覺效果評分結(jié)果，各項(xiàng)指標(biāo)(外觀、清晰度、完整度、顆粒度、整潔度)有所差異，可以看出GE-MA4總體評價最高，印刷效果最好，其表現(xiàn)與前文粒徑、DSC、SEM、黏度、3ITT結(jié)果相一致。本研究同時設(shè)計(jì)了其他圖案，GE-MA4的印刷效果均良好。

表4 油墨3ITT測試中的黏度 單位：mPa·s

a-GE-MA1；b-GE-MA2；c-GE-MA3；d-GE-MA4；e-GE-MA5；f-GE-MA4；g-GE-MA4；h-GE2-MA4

表5 油墨印刷效果視覺評分結(jié)果

3 結(jié)論

本文以明膠為連接料、葡萄皮紅色素為色料制備明膠基可食性油墨，對油墨性質(zhì)進(jìn)行了研究分析，并進(jìn)一步對該油墨進(jìn)行特定絲網(wǎng)印刷。色素對油墨的粒徑、熱穩(wěn)定性、流變性有明顯的影響，其中當(dāng)色素含量為18%時(即可食性油墨GE-MA4)，油墨具有較高的粒徑、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、剪切稀化特性、良好的觸變性，同時其具有優(yōu)于其他樣品的印刷適性和印刷效果，無拉絲、暈染現(xiàn)象，色彩柔和自然，具有一定的裝飾效果，可較好地實(shí)現(xiàn)原稿再現(xiàn)。該類可食性油墨解決了傳統(tǒng)油墨的安全性問題，能滿足絲網(wǎng)印刷的要求，符合環(huán)保可降解油墨的要求，印刷于包裝表明能提高產(chǎn)品檔次，同時也為食品裝飾印刷提供了一個新方向。在未來的研究中，應(yīng)進(jìn)一步探究更安全環(huán)保、高效節(jié)能的天然色素提取方式(如利用乙醇溶液替代甲醇溶液，用檸檬酸替代鹽酸等)，且進(jìn)一步優(yōu)化pH、溫度、離子濃度對明膠-天然色素基油墨的影響，以期研制性能優(yōu)異且易于大規(guī)模應(yīng)用的可食性墨水。