TG 酶對再制奶酪3D 打印特性的影響

鄧亦秋，杜黎丹，董欣琳，呂欣，李玲，，肖功年，*

（1 浙江科技學院生物與化學工程學院 杭州310023 2 浙江省市場局乳及乳制品監(jiān)管重點實驗室 杭州310006 3 西北農(nóng)林科技大學食品科學與工程學院 陜西楊凌 712100）

3D 打印技術(shù)作為一項新興的先進技術(shù)被廣泛應用于各行業(yè)，其突出的個性化風味營養(yǎng)定制優(yōu)勢，日益受到食品科研界的關(guān)注[1-2]。由3D 打印制作的食品口感、滋味與原材料高度相似，且可以創(chuàng)造出各種獨特、精美的外形，能夠按照各年齡層消費者的口感喜好或營養(yǎng)需求進行特別定制[3]。近年來，國內(nèi)外科研者對食品3D 打印技術(shù)進行了研究，如Tian等[4]探索保溫溫度對3D 打印中蜂蠟-卡拉膠-黃原膠混合凝膠體系力學和結(jié)構(gòu)性能的影響，為新型混合凝膠體系在3D 打印中的開發(fā)和應用提供了一種研究方法。Chen等[5]研究了以蛋清、豌豆蛋白和結(jié)冷膠為主要原料，利用3D 打印技術(shù)制備適合特定人群的人造牛排。食品3D 打印為個性化健康飲食提供了技術(shù)支撐，在未來食品工業(yè)中有著良好的發(fā)展前景[6]。

奶酪又被稱為“奶黃金”，是種類最為豐富的乳制品之一[7-8]。根據(jù)近40 年在消費升級下城鎮(zhèn)居民家庭奶酪消費的分析顯示，我國以奶酪為主的干乳制品占總?cè)橹破返南M比重逐年提升[9]。消費層次從追求數(shù)量向質(zhì)量發(fā)展，消費者從解決溫飽向注重營養(yǎng)豐富轉(zhuǎn)變，國內(nèi)奶酪市場已走進黃金發(fā)展階段，然而仍無法與發(fā)達國家相比[10]。2020年，相比于奶酪消費量高出幾十倍的西方國家，中國人均奶酪的年消費量僅0.2 kg[11]。這主要是由于國內(nèi)消費者對西式奶酪風味接受度較低等原因，導致奶酪生產(chǎn)、消費占比較低。對奶酪進行再制，改善其風味，是拓寬奶酪國內(nèi)市場的主要方式。3D 打印技術(shù)的利用，有利于推進個性化風味及營養(yǎng)的實現(xiàn)，增加奶酪產(chǎn)品的吸引力。然而，大部分奶酪原料本身或再制后并不適用于3D 打印，需通過改善其流變特性、質(zhì)構(gòu)特性等來提高奶酪的適印性。

谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（TG 酶）作為食品加工中常用的增稠劑，可通過蛋白多肽鏈上的?；D(zhuǎn)移反應促進蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)，形成緊密的網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)[12-13]。目前，利用TG 酶來改善食品質(zhì)構(gòu)及流變特性的相關(guān)研究已有很多，且在魚肉制品、乳制品、植物蛋白制品等多種食品中得到應用[14]。然而，鮮見有關(guān)使用TG 酶來改善再制奶酪3D 打印特性的研究報道。本試驗以市售奶油、奶酪為主要原料，利用TG 酶改良再制奶酪，開發(fā)適宜3D 打印的再制奶酪體系，探究TG 酶對再制奶酪3D 打印特性的影響規(guī)，為3D 打印再制奶酪的生產(chǎn)應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

奶油、奶酪（蛋白質(zhì)15%、脂肪57%、碳水化合物1%、鈉14%），食品級，上海恒天然商貿(mào)有限公司；TG 酶，食品級，合肥博美生物科技有限公司；乳化鹽（多聚磷酸鈉、焦磷酸鈉），食品級，浙江諾一生物科技有限公司；其它常規(guī)實驗室試劑均為分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

V70 IR Spertrometer 傅里葉變換紅外光譜儀，德國布魯克公司；MCR 301 旋轉(zhuǎn)流變儀，德國Anton Paar 公司；DSC-60 差示掃描量熱儀，日本島津公司；SU1510 掃描電子顯微鏡，日本日立公司；DL91200 數(shù)顯游標卡尺，上海得力有限公司；HH-6 數(shù)顯恒溫水浴鍋，國華電器有限公司；FOODBOT-S2 食品3D 打印機，杭州時印有限科技公司等。

1.3 試驗方法

1.3.1 再制奶酪的制備 稱取50 g 奶油、奶酪樣品，加入質(zhì)量分數(shù)為1.5%的焦磷酸鈉、聚磷酸鈉（體積比1∶1）乳化鹽及25%的蒸餾水放置于80℃的恒溫水浴鍋中加熱融化20 min，均質(zhì)至外觀均勻無顆粒感，冷卻至室溫再分別添加不同含量的TG 酶（0%，0.02%，0.04%，0.06%，0.08%），置于55 ℃恒溫水浴鍋中30 min 后，85 ℃滅菌30 min，最后冷卻灌裝，-4 ℃冰箱內(nèi)儲藏24 h，用于樣品檢測分析。

1.3.2 模型及參數(shù)設(shè)置 通過食品3D 打印機圖庫構(gòu)建一個空心長方體，長寬高為30 mm×30 mm×15 mm 的幾何形狀。3D 打印機參數(shù)設(shè)置如下：噴嘴直徑0.8 mm、噴嘴溫度25 ℃、填充率為10%，打印速率為標準。

1.3.3 流變特性分析 測定不同TG 酶添加量對奶酪樣品流變特性的影響，得到表觀黏度曲線，用于分析再制奶酪3D 打印的適印性。選取直徑40 mm 的平板，間隙設(shè)置為1 mm，剪切速率掃描范圍0.1～100 s-1，測試溫度25 ℃，記錄表觀黏度隨剪切速率增加的變化。在角頻率0.1～100 rad/s 內(nèi)進行動態(tài)頻率掃描。測量前，樣品先從-4 ℃冰箱內(nèi)取出在平臺上靜置1 min 以達到設(shè)置溫度[15-16]。

1.3.4 3D 打印成型效果 根據(jù)預設(shè)置的模型及參數(shù)得到不同TG 酶添加量的再制奶酪3D 打印樣品，用數(shù)顯游標卡尺（分辨力0.01、測量精度≤±0.03）測量樣品的高度h1（打印0 min 后的高度）、h2（打印45 min 后的高度），計算樣品坍塌率。

1.3.5 熱力學特性分析（DSC）測定不同TG 酶添加量對奶酪樣品熱力學特性的影響，計算蛋白質(zhì)變性溫度、焓變值等。稱取5～10 mg 的奶酪樣品于鋁制坩堝中，用壓樣機將坩堝密封后用于試驗上樣。樣品在30 ℃平衡5 min，以5 ℃/min 的速度升溫至150 ℃，每個樣品測定時均放置空坩堝作為空白對照。氮氣作為保護氣體，計算奶酪凝塊的相變起始溫度（To）、峰值溫度（Tp）、終止溫度（Tc）和焓變（ΔH）[17-18]。

1.3.6 傅里葉變換紅外光譜分析（FT-IR）將不同TG 酶添加量的奶酪樣品放置于-80 ℃冰箱內(nèi)冷凍24 h，取出進行真空冷凍干燥，凍干完成的奶酪樣品研磨成粉末，與KBr 按照適當比例（體積比1∶100）混合，室溫下測定其紅外光譜[19]。

1.3.7 微觀結(jié)構(gòu)分析（SEM）采用掃描電子顯微鏡觀察再制奶酪的微觀結(jié)構(gòu)，從打印好的奶酪樣品中切取2～5 g 的凝塊，加入體積分數(shù)2.5%戊二醛及pH 為7.4 的磷酸緩沖溶液中，25 ℃靜置2 h，然后分別用70%，80%，90%，100%質(zhì)量分數(shù)的乙醇進行梯度脫水10 min，真空冷凍干燥后，將樣品固定在銅板上，進行噴金處理。在1 000 倍的放大倍數(shù)和15 kV 的加速電壓下，得到奶酪樣品的微觀結(jié)構(gòu)照片[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

整理試驗數(shù)據(jù)，采用origin 9.1 進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 流變特性

2.1.1 TG 酶對再制奶酪表觀黏度的影響 不同TG 酶添加量的再制奶酪表觀黏度曲線如圖1 所示。再制奶酪樣品的表觀黏度均隨著剪切速率的增加而逐漸下降，說明不同TG 酶添加量的再制奶酪都表現(xiàn)出類似的剪切變稀現(xiàn)象，具有剪切變稀性，滿足食品3D 適印性。

圖1 不同TG 酶添加量再制奶酪的表觀黏度曲線Fig.1 Apparent viscosity curve of processed cheese with different TG addition

當剪切速率1～10 s-1范圍內(nèi)，再制奶酪的表觀黏度下降明顯；當剪切速率從10 s-1繼續(xù)增加到40 s-1時，表觀黏度的下降速率逐漸變慢，曲線局部趨于平緩；當剪切速率仍然繼續(xù)增大，表觀黏度無限接近于0 Pa·s，即此時再制奶酪無限接近于牛頓流體[21]。且由于TG 酶的加入，相對于未添加TG 酶的再制奶酪樣品的表觀黏度均有所增加。當TG 酶添加量為0.04%時，表觀黏度最大。當TG 酶添加量繼續(xù)增加時（0.06%，0.08%），物料中蛋白質(zhì)交聯(lián)過度，黏度下降。物料的黏度對其3D 打印特性及產(chǎn)品的穩(wěn)定性有重要影響。

2.1.2 TG 酶對再制奶酪動態(tài)流變特性的影響 不同TG 酶添加量對再制奶酪動態(tài)流變特性結(jié)果如圖2a、2b 所示，通常儲能模量G′也稱彈性模量，表達了物料彈性的大小，損耗模量G″也稱黏性模量，表達了物料黏性的大小。

圖2 不同TG 酶添加量再制奶酪的動態(tài)流變曲線Fig.2 Dynamic rheological curves of processed cheese with different TG addition

由圖2a 可知，隨著TG 酶含量的增加，再制奶酪G′呈上升趨勢，說明TG 酶的加入提高了物料的彈性。由圖2b 可知，隨著TG 酶含量的增加，再制奶酪G″呈先上升后下降的趨勢，在TG 酶添加量為0.04%時最大，這也圖1 中表觀黏度隨剪切速率增加的變化原因相一致。且在所有的樣品組中G′始終大于G″，說明再制奶酪表現(xiàn)出更多的彈性，形成了穩(wěn)定的蛋白交聯(lián)彈性結(jié)構(gòu)。而這種彈性結(jié)構(gòu)在外力作用下能夠保持相對穩(wěn)定，有利于食品3D 打印在沉積打印平臺上時各層之間的抗形變能力。

2.2 打印成型效果分析

根據(jù)試驗方法中3D 打印再制奶酪預設(shè)置的打印參數(shù)及模型，打印樣品是長寬高約為30 mm×30 mm×15 mm 的空心長方體，不同TG 酶添加量對再制奶酪的3D 打印成型效果如圖3 所示。

圖3 不同TG 酶添加量下的打印效果Fig.3 Printing effect under different TG enzyme addition

可以看出，打印0 min 和打印45 min 后高度隨著TG 酶添加量的增加而越來越接近預設(shè)置的模型高度，整體外形越來越接近預設(shè)值的空心長方體形狀，說明TG 酶的添加提高了3D 打印再制奶酪的成型穩(wěn)定性。

當TG 酶添加量為0.04%時，3D 打印成型效果最佳，可以很好擠出成型，且各層之間堆疊緊密，未出現(xiàn)明顯塌陷，表面光滑，打印45 min 后樣品高度視覺上無明顯偏差，抗形變能力良好，能較好的維持樣品最初打印形態(tài)。當TG 酶添加量為0.02%時，打印樣品與預設(shè)值模型存在一定的差異，這是因為物料硬度、彈性不足，下層的塌陷和細絲之間的中間距離導致上層的細絲由于缺乏支撐而塌陷，打印45 min 樣品高度也明顯降低，抗形變能力較差。當TG 酶添加量為0.06%，0.08%時，因蛋白質(zhì)交聯(lián)過度，導致物料彈性增加過度，黏度下降，而成型效果不佳、外形較粗糙，可以觀察到雖然打印0 min 與45 min 后樣品高度無明顯變化，但其外形均出現(xiàn)塌陷和缺口，導致空心長方體不完整，細絲擠出時延展性較差，出現(xiàn)斷線的現(xiàn)象，使局部上層受到下層的影響，從而導致奶酪成型效果不佳、外形較粗糙。這也驗證了2.1.2 節(jié)中流變特性的結(jié)果。

表1 為不同TG 酶添加量對再制奶酪3D 打印坍塌程度的數(shù)據(jù)分析。坍塌率a 為打印0 min 高度與模型高度差的絕對值占模型高度的百分比；坍塌率b 為打印45 min 后高度與模型高度差的絕對值占模型高度的百分比。

表1 不同TG 酶添加量對再制奶酪3D 打印坍塌程度的影響Table 1 Effects of different TG enzyme additions on the degree of collapse of 3D printing of reconstituted cheese

由結(jié)合圖3 和表1 可知，不同TG 酶添加量的3D 打印樣品坍塌率差異顯著，TG 酶的加入能夠改善其坍塌率，從而使打印樣品的抗形變能力得到提高。當TG 酶添加量為0.04%時，打印45 min 前后坍塌率最?。?.26%，0.33%），3D 打印成型效果最佳；TG 酶添加量為0.02%時，打印45 min 前后坍塌率最大（8.86%，16.53%），導致樣品成型效果最差；隨著TG 酶添加量的增加，因再制奶酪凝膠體系交聯(lián)過度，使得樣品的坍塌率相比于TG 酶添加量為0.04%時有所增加，樣品成型效果偏差。

2.3 熱力學特性

不同TG 酶添加量的再制奶酪熱分析如圖4a～4e 所示，a～e 分別代表TG 酶添加量為0%，0.02%，0.04%，0.06%，0.08%的再制奶酪。

圖4 TG 酶對再制奶酪DSC 變化影響的熱分析Fig.4 Thermal analysis of the effect of TG enzyme on DSC of processed cheese

可以看到曲線中出現(xiàn)的吸收峰，是由于蛋白質(zhì)加熱處理發(fā)生變性所導致[22]。而隨著TG 酶的添加出現(xiàn)了新的小吸收峰，說明在此出峰溫度下有一穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)存在，可認為是由于TG 酶的加入對再制奶酪的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)起到一定的修飾作用，這也與已報道的芝麻分離蛋白會對奶酪蛋白質(zhì)凝膠體系起修飾作用的原理相同[23]。如圖4a，且結(jié)合表2 可知，當未添加TG 酶時，無新小吸收峰出現(xiàn)，且所需峰值溫度（Tp1）較高；當添加TG 酶為0.02%～0.08%時，均出現(xiàn)了新的小吸收峰，且隨著TG 酶添加量的增加，新的吸收峰峰值溫度（Tp2）逐漸降低。

表2 TG 酶對再制奶酪DSC 變化的熱分析數(shù)據(jù)Table 2 Thermal analysis data of DSC changes of processed cheese by TG enzyme

表2 為不同TG 酶添加量的熱分析數(shù)據(jù)。表中峰值溫度Tp為蛋白質(zhì)變性溫度，焓變值ΔH 正比于曲線面積，為放熱量，可通過蛋白質(zhì)熱變性、焓變值來判斷再制奶酪的熱穩(wěn)定性。隨著TG 酶添加量的增加，起始溫度T0、峰值溫度Tp總體呈下降的趨勢，焓變值ΔH 在未添加TG 酶的基礎(chǔ)上均增加，說明TG 酶的加入在一定程度上提高了再制奶酪的熱穩(wěn)定性。當TG 酶添加量為0.08%時，焓變值最小。

2.4 傅里葉變換紅外光譜分析

傅里葉變換紅外光譜可以檢測氫鍵存在并可間接比較其強度，其波數(shù)越低表明成分之間的相互作用越強[24]。

不同TG 酶添加量的再制奶酪的傅里葉變換紅外光譜如圖5 所示，所有樣品在紅外譜圖中都具有相同的特征峰，說明添加TG 酶后沒有產(chǎn)生新的官能團。在3 297～3 405 cm-1周圍出現(xiàn)的吸收峰是由于分子締合羥基振動產(chǎn)生的。未添加TG酶時，樣品紅外吸收光譜在羥基振動處吸收峰波數(shù)最大，為3 405 cm-1。隨著TG 酶添加量增加向較短波數(shù)偏移，當TG 酶添加量為0.08%時，樣品紅外吸收光譜在羥基振動處吸收峰波數(shù)達最小為3 297 cm-1。說明TG 酶加入使氫鍵強度變強，3D打印的再制奶酪樣品能維持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖5 不同TG 酶添加量再制奶酪的紅外吸收光譜Fig.5 Infrared absorption spectra of reconstituted cheese with different TG enzyme addition

2.5 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖6a～6e 顯示了TG 酶添加量依次為0%，0.02%，0.04%，0.06%和0.08%的再制奶酪的掃描電鏡圖。可以看出，在不同TG 酶添加量下再制奶酪的微觀結(jié)構(gòu)差異顯著。

圖6 不同TG 酶添加量再制奶酪的微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of reconstituted cheese with different TG enzyme addition

如圖6a 所示，未添加TG 酶的再制奶酪凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)松散，表面褶皺和空洞比較明顯，導致持水力差而變得不穩(wěn)定[25]，使得3D 打印后的成品形狀容易出現(xiàn)塌陷的現(xiàn)象。而隨著TG 酶的添加，奶酪樣品蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸變得緊密。當TG 酶添加量為0.02%，0.04%時，樣品的微觀結(jié)構(gòu)仍呈現(xiàn)一定的球狀顆粒感，與未添加TG 酶的樣品相比，出現(xiàn)了一定的蛋白質(zhì)交聯(lián)性，樣品結(jié)構(gòu)更加平整、致密；當TG 酶添加量為0.06%，0.08%時，奶酪的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)緊密的片狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與未添加TG 酶的奶酪有顯著差異。說明TG 酶的加入起到交聯(lián)蛋白質(zhì)的作用，形成較高機械強度的奶酪凝膠體系，提高了樣品打印形狀的成型穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本研究探索了再制奶酪的3D 打印制備，并利用TG 酶來改善其打印特性。利用旋轉(zhuǎn)流變儀、差示掃描量熱儀、掃描電鏡等對各組分進行3D 打印適宜性及成型穩(wěn)定性對比分析，證實了TG 酶能夠顯著提高3D 打印再制奶酪的成型穩(wěn)定性等。1）在本研究條件下，0.04% TG 酶的添加量最適宜于再制奶酪3D 打印，且3D 打印45 min 前后樣品的坍塌率最小（0.26%，0.33%）；2）在食品安全范圍內(nèi)，隨著TG 酶的添加量增加至0.04%時，再制奶酪的黏度、G′及氫鍵強度等均有所增加；3）當TG酶添加量為0.06%，0.08%時，過量的添加TG 酶使蛋白交聯(lián)過度，導致再制奶酪黏度等反而下降，打印樣品表面變得粗糙。由本研究結(jié)果可知，適度添加TG 酶能有效改善再制奶酪的3D 打印特性，提高打印產(chǎn)品成型穩(wěn)定性，這能夠為再制奶酪的制備提供新思路。