明胶对鸡肉糜3D打印成型稳定性的影响

　　摘要：采用流变扫描、凝胶强度、核磁共振、扫描电镜等，探究明胶对鸡肉糜3D打印成型稳定性的影响。结果表明，不同明胶添加量（0%、2%、4%、6%、8%，以肉质量计）的鸡肉糜均表现出剪切稀化行为，具备3D打印可行性。明胶增强了体系的黏度和凝胶强度，提高了鸡肉糜3D打印成型稳定性，但过高的明胶添加量会影响物料的挤出，降低打印样品的形状精度。当明胶添加量为4%时，样品表现出良好的精度和成型稳定性，此时打印后形状塌陷率为2.46%。对添加4%明胶的3D打印样品进行蒸煮品质评价，发现3D打印会使样品的蒸煮损失增大，但质构特性得到适当改善。

　　关键词：3D打印；鸡肉糜；明胶；成型稳定性

　　食品3D打印是一种根据“分层制造，逐层叠加”原理将虚拟的数字模型转换为三维实体的快速成型技术。近年来，食品3D打印的发展给食品行业带来了巨大的机遇和挑战：通过打印趣味形状，改变食物的质地和营养构成，能为不同人群提供定制化餐食，提高消费者的进食体验；但由于食品原料种类繁多，性质复杂，目前关于食品3D打印的研究仍需重点关注食品原料的3D打印特性。鸡肉是我国肉类消费的一大品类，在营养膳食金字塔中扮演着重要的一环，将鸡肉材料可3D打印化将有力推进个性化营养的实现。此外，鸡肉直接用于3D打印也具有巨大的市场潜力。目前市场上主要的鸡肉产品大多是一些鸡肉肠、鸡肉丸等，这类产品千篇一律的形状逐渐失去了对消费者的吸引力，而可定制化形状的3D打印鸡肉产品更加能激起消费者的购买欲望。

　　食品的3D打印需要原料具有良好的流变性以实现物料的挤出和成型。然而，大部分肉类原料并不适用于3D打印，需要添加合适的加工助剂来提高肉类的可打印性。Dick等在研究黄原胶和瓜尔胶及其复配对熟猪肉糜3D打印影响的研究中发现，黄原胶引发了三糖侧链与葡萄糖主链间的缔合，降低了黏度损失，瓜尔胶使水分子与半乳糖侧链发生交联，引起体系黏度增加。与对照组相比，实验组显著提高了原料的黏度、储能模量和损耗模量，改善了肉糜的3D打印效果。Yu等评估了白鲢-海参复合鱼糜制品的3D打印性能，结果表明，添加κ-卡拉胶使复合材料的表观黏度增大，损耗角正切降低，从而获得成型性、持水性和机械强度优良的鱼糜制品。在Kim等使用同轴挤压3D打印制备鱼糜基仿蟹肉的研究中，他们使用土豆淀粉作为黏合剂涂抹于产品外表面，保持了产品在印刷过程中的形态，样品凝胶强度得到增强，并获得了真实的纤维质地。

　　鸡肉糜在进行3D打印时表现出较差的成型效果，无法在短时间内保持良好的形状稳定性。明胶是一种来源于动物骨、皮等结缔组织中的胶原蛋白，其应用于肉制品中能够改善产品的胶凝特性，在食品领域被广泛用作胶凝剂、增稠剂、黏合剂等，能够有效提高鸡肉糜3D打印的成型稳定性。目前很少有关于使用明胶来改善鸡肉糜3D打印特性的研究报道。基于此，本实验以鸡胸肉糜为主要原料，研究了明胶对鸡肉糜流变特性、质构特性、水分分布和微观结构的影响，并以添加4%明胶组为原料制备鸡肉糜3D打印制品，对其蒸煮品质进行评价，以期能够实现具有复杂结构产品的3D打印，为未来肉制品的生产应用提供参考和依据。

　　1  材料与方法

　　冰鲜鸡胸肉（水分含量（76.77±0.18）%，蛋白质含量（21.40±0.59）%，粗脂肪含量（0.58±0.10）%）；精制食用盐 （NaCl纯度＞99%）。

　　明胶（药用级胶强度～240gBloom）；2.5%戊二醛固定液（电镜专用）。

　　1.2  仪器与设备

　　FSE-2食品3D打印机；JR18G-300绞肉机、SDD2001搅拌机、

　　SZ26B5蒸锅；MCR301流变仪；TA-XT Plus质构仪；PQ001型核磁共振 （NMR）成像分析仪；SU8100扫描电子显微镜；WK2102电磁炉；AUY120型电子分析天平；数显游标卡尺。

　　1.3  方法

　　1.3.1  鸡肉糜凝胶制备

　　称取占肉质量20%的水和0%、2%、4%、6%、8%的明胶置于烧杯中，在40℃水浴中搅拌混匀并静置1h备用。去除新鲜鸡胸肉表皮及肉眼可见的结缔组织和脂肪，均匀切成小块，添加占肉重2.5%的NaCl，放入绞肉机中绞碎2min，然后倒入提前制备好的明胶溶液搅拌2min。为保证原料充分混合，将肉糜刮起再复搅1min。制备好的鸡肉糜在4℃下过夜保存以形成凝胶，12h后用于3D打印。

　　1.3.2  模型设计和参数设置

　　构建一个实心圆柱体（r=15mm，h=10mm），用于凝胶强度、蒸煮损失和全质构测定；构建一个长宽高为37.52mm×25.00mm×31.65mm的几何形状，填充密度设为0%，以获得空心结构，用于其他指标的测定。

　　3D打印参数设置如下：喷嘴直径1.3mm、喷嘴高度1.1mm、首层高度1.3mm、丝径9.8mm、喷嘴温度28.0℃、流量100%、壳体厚度3层。

　　1.3.3  肉糜原料流变特性测定

　　参照Wu等的方法测定肉糜原料的表观黏度，以获得表观黏度曲线。选取直径25mm的平板，间隙设置为1mm，剪切速率扫描范围0.1～100s-1，测试温度28℃，记录表观黏度随剪切速率增加的变化。参照Xu等的方法对鸡肉糜凝胶动态流变进行测定。选用 PP50探头，平板间距1mm，应变设置为1%，测试温度28℃，在角频率0.1～100 rad/s内进行动态频率扫描。测量前，样品先在平台上静置1min以达到设定温度。所有测量均在线性黏弹性区域（LVR）内进行。

　　1.3.4  坍塌率测量

　　使用数显游标卡尺测定空心几何形状顶部塌陷最严重的点到底部平面的垂直距离，分别测定打印0min后和打印30min后的测量值。塌陷率按式（1）计算。

　　  （1）

　　式中：H1表示样品测量值/mm；H0表示模型预设值/mm。

　　1.3.5  凝胶强度测定

　　打印后的样品立即用于凝胶强度的测定，将凝胶强度定义为打破凝胶所需的初始力，具体参数如下：采用return to start模式，探头型号P5，测前速率1mm/s，测试速率1mm/s，测后速率5mm/s，触发类型自动，触发力5g，穿刺距离5mm，测定温度25℃。

　　1.3.6  低场核磁共振 （LF-NMR）

　　根据 Han等的方法稍加修改，使用低场核磁共振仪分析水分子的分布和水在凝胶中的迁移信息。从打印好的样品中切取2g肉样，用保鲜膜包好，然后放入腔体中进行测量。具体参数设置如下：SW=200kHz，TW=4000ms，TE=0.35，NECH=7000，NS=16。采用CarrPurcell-Meiboom-Gill（CPMG）序列测定横向弛豫时间（T2）。

　　1.3.7  扫描电子显微镜（SEM）

　　用扫描电子显微镜观察鸡肉糜凝胶的微观结构。从打印好的样品中切取1mm×1mm×1mm的小块，加入体积分数2.5%戊二醛中，25℃静置2h，然后分别用不同质量分数的乙醇进行梯度脱水。冷冻干燥后，将样品固定在铜板上，喷金处理。在1500倍的放大倍数和20kV的加速电压下，获得样品的显微照片。

　　1.3.8  蒸煮品质评价

　　以传统模具成型（MS）鸡肉糜制品作为对比，对3D打印（3DP）鸡肉糜制品的蒸煮品质进行评价。切取与3DP样品相同质量的鸡肉糜凝胶，压制成相同形状（r=15mm，h=10mm的实心圆柱体）制得MS样品。

　　1.3.8.1  蒸煮损失率测定

　　蒸煮损失率的测定参照魏心如等的方法并稍作修改。首先将水煮沸，然后将样品放入蒸锅中，分别在1800W功率下蒸制和煮制5min。蒸煮后，用滤纸擦拭样品表面，并在室温静置5min后称重。蒸煮损失率按式（2）计算。

　　  （2）

　　式中：m0表示蒸煮前样品质量，g；m1表示蒸煮后样品质量，g。

　　1.3.8.2 全质构测定（TPA）

　　参照王希希等的方法并作适当修改，在质构仪的TPA模式下完成测量，得到不同处理条件下样品的硬度、弹性、凝聚力、咀嚼性和回复力。参数设置为：探头型号P50，测前速率1mm/s，测试速率1mm/s，测后速率5mm/s，压缩比40%，触发类型自动，触发力5g。

　　1.4  数据处理

　　所有样品重复测定3次，实验数据均以平均值±标准差表示。采用SPSS（22.0,IBM,USA）进行单因素方差分析（ANOVA），以比较各组之间的统计分析。利用Duncan 检验比较各个均值之间的差异，P＜0.05表示差异显著。

　　2  结果与分析

　　2.1.1  明胶对鸡肉糜凝胶表观黏度的影响

图1  不同明胶添加量下鸡肉糜凝胶的表观黏度曲线

　　由图1可以看出，当剪切速率在0.1～1s-1范围内，鸡肉糜凝胶的表观黏度显著下降；当剪切速率从1s-1继续增大至10s-1时，黏度的下降速率逐渐变慢，曲线趋于平缓；当剪切速率继续增大，黏度逐渐趋于0Pa·s，鸡肉糜凝胶越来越接近于牛顿流体。整体上，表观黏度随着剪切速率的增加不断下降，说明鸡肉糜凝胶具有剪切稀化行为且添加不同用量明胶的鸡肉糜凝胶都具有类似的剪切变稀的现象。具有剪切稀化行为的原料适合应用于食品3D打印中，因为物料在挤出过程中会受到剪切力的作用，有利于物料的挤出，这在Yang等的研究中已经被验证。随着明胶用量增多，鸡肉糜凝胶在低剪切速率下的黏度越大。低剪切速率下的黏度与物料挤出前的流动性相关，黏度越大，物料流动性越差。明胶添加量的增大使物料的黏度显著增大，在一定范围内改善了鸡肉糜凝胶的回缩性，抑制物料因重力作用而从喷嘴中流出。但过大的黏度反而会阻碍打印的正常挤出。

　　2.1.2 明胶对鸡肉糜凝胶动态流变特性的影响

　　通过动态流变测定得到体系的储能模量 （G′） 和损耗模量 （G?），用来表征不同明胶添加量下鸡肉糜凝胶的动态流变特性，以反映物料在平台上的支撑能力。对角频率具有依赖性的G′表示凝胶网络具有混乱无序的结构，而结构交联有序的强凝胶则表现出对角频率的独立性，其G′不会随频率的增加而变化。由图2a可以看出，0%明胶组的G′呈现出对角频率的依赖性。随着明胶添加量的增加，G′对角频率的依赖性逐渐减弱，且获得更大的G′值，说明添加明胶增强了物料的胶凝性，使鸡肉糜具有更强的机械强度，有利于打印后的物体保持形状。结合图2（a-b），随着明胶的添加，鸡肉糜凝胶G′和 G?都呈上升趋势，且在所有的组别中G′始终大于G?，说明鸡肉糜凝胶表现出更多的弹性，形成了稳定的强凝胶弹性结构。这种弹性结构在外力作用下能够保持相对稳定，有利于3D打印沉积过程中层与层之间的堆叠成型。

　　2.2  打印成型效果分析

图3  不同明胶添加量下的打印效果

　　注：塌陷率1为打印0min 高度与模型高度差的绝对值占模型高度的百分比；塌陷率2为打印30min后高度与模型高度差的绝对值占模型高度的百分比；同列字母不同，表示差异显著（P＜0.05）。

　　结合图3和表1可知，打印0min和打印30min后高度随着明胶添加量的增加而逐渐接近模型预设高度，说明明胶的添加提高了3D打印鸡肉糜凝胶的成型稳定性。明胶主要通过以下两方面来增强体系的机械强度：一方面是小部分明胶分子通过氢键与肌原纤维蛋白进行交联，提高了鸡肉糜凝胶的胶凝特性；另一方面则是明胶分子均匀分散在肌原纤维蛋白凝胶体系中，通过自身凝胶化填充凝胶网络结构，这也是明胶改善鸡肉糜凝胶特性的主要手段。通过计算塌陷率得出，当明胶添加量达到4%以上时，模型的塌陷程度并没有显著性差异（P＞0.05），成型精度也随之下降。这是因为水添加量较少，过量的明胶会导致部分明胶颗粒无法吸水溶胀，已溶解的明胶分子也会因为黏度过大而形成明胶聚集物，难以与鸡肉糜充分混合。制备得到的鸡肉糜浆料不够均匀、细腻，导致在3D打印挤出过程中频频断线，这在图3添加6%和8%明胶组别的打印图片中能够清楚看出。打印30min后形状的塌陷程度进一步恶化，明胶的添加显著改善了这一现象。添加8%明胶的组别具有最低的塌陷率（1.80%），但其成型精度显著变低。

　　2.3  明胶对3D打印鸡肉糜凝胶凝胶强度的影响

　　字母不同，表示差异显著（P＜0.05）。下同。

图4  不同明胶添加量下打印样品的凝胶强度

　　不同明胶添加量对打印样品凝胶强度的影响如图4所示。随着明胶添加量的增加，打印样品的凝胶强度显著提升。明胶主要是通过自身凝胶化填充进肌原纤维蛋白网络中，并与蛋白质分子相互作用，提升体系的凝胶强度。在与鸡肉糜凝胶混合时，螺旋状明胶分子渗透到肌原纤维蛋白中，与其他无序的明胶分子或鸡肉中部分展开的肌球蛋白交联，填充了凝胶网络，使凝胶结构更加致密，从而增强整个体系的凝胶强度。翁武银等在研究明胶蛋白对鲢鱼鱼糜凝胶性质的影响中也发现，高分子明胶蛋白可以通过氢键与鱼糜蛋白结合提高凝胶强度，这与本实验的结果相吻合。

　　2.4  明胶对3D打印鸡肉糜凝胶水分状态分布的影响

图5  不同明胶添加量下鸡肉糜凝胶的水分分布

　　注：表中不同字母（a-c）表示具有显著性差异（P＜0.05）。

　　多指数拟合后不同明胶添加量下3D打印鸡肉糜凝胶体系的NMR T2测量值分布如图5所示。鸡肉糜凝胶的3种弛豫峰集中在1～10ms （T21）；10～100ms（T22）；100～1000ms （T23），分别代表结合水、不易流动水和自由水。水分的弛豫时间越短，说明其流动性越差，峰面积越小，说明该水分的含量越少。结合表2可知，各组T21的弛豫时间和峰面积A21没有显著差异 （P＞0.05），说明明胶的添加并没有影响鸡肉糜凝胶体系中结合水的状态分布。方差分析显示，当明胶添加量为 2%～4%时，T2 弛豫时间和峰面积均有所降低，但没有显著差异（P＞0.05），在打印过程中表现为流动性的下降。根据打印结果，显然流动性的适当降低有利于获得更好的支撑能力。当明胶添加量超过4%时，T22 和T23的弛豫时间明显增加，A22减少，A23增多，表明此时体系中的水分随着明胶添加量的增加逐渐从不易流动水向自由水转移。可能原因是因为过量的明胶分子形成的明胶聚集物从肌原纤维蛋白凝胶网络中吸收水分，导致保水性劣变，鸡肉糜凝胶体系流动性持续下降，使原料的挤出变得困难。这些明胶聚集物还容易堵塞打印喷嘴，影响3D打印的连续性，使打印样品的精度明显下降。

　　2.5  明胶对3D打印鸡肉糜凝胶微观结构的影响

　　由图6可知，不同明胶添加量下鸡肉糜凝胶微观结构差异显著。不添加明胶的鸡肉糜凝胶网络结构松散，表面布满断面和孔洞，体系流动性强，这使打印后的形状更加容易塌陷。添加2%和4%明胶能够使体系凝胶网络结构变得更加紧密。明胶分子渗透进肌原纤维蛋白中自凝胶化，对凝胶网络起到填充作用，孔洞数量明显减少，体系流动性减弱，形成具有较高机械强度的凝胶，提高了打印形状的成型稳定性。Dick等在3D打印猪肉制品的研究中也发现，添加6%瓜尔胶能够为猪肌原纤维蛋白凝胶网络提供一个稳定的结构。然而，由图6（d-e）可以看出，添加6%和8%明胶的鸡肉糜凝胶网络逐渐崩塌。虽然通过明胶分子的自身凝胶化降低了鸡肉糜凝胶的流动性，提高了体系的成型稳定性，但过高的明胶添加量也破坏了打印样品的成型精度。根据上述水分状态分布的结果推测，可能原因是肉糜受到吸水膨胀的明胶颗粒的挤压，破坏了鸡肉糜凝胶网络，形成坚硬且无序的结构，使鸡肉糜凝胶的挤出受阻。

　　2.6  3D打印鸡肉糜制品蒸煮品质评价

　　2.6.1  3D打印对鸡肉糜制品蒸煮损失率的影响

　　由图7可知，蒸制和煮制的3DP样品都比MS样品具有更大的蒸煮损失（P＜0.05）。这一现象可以通过Liu等的研究来说明，在3D打印的挤出过程中，纤维状肉类材料容易发生肉汁分离现象。当肉糜通过喷嘴尖端时，喷嘴内部的压力会对肉糜凝胶产生一定的剪切效应，肉糜内部颗粒之间的黏合被打破，这使得肉中物质变得非常容易流失。在进行蒸煮时，肉蛋白变性展开，活性基团暴露，蛋白质分子间相互交联结合，导致凝胶网络内部空间缩小，加快了肉中大量的水、蛋白质等营养物质的流失，导致产品干重的下降。此外，煮制会对肉糜内部结构造成更大的破坏，导致更大的蒸煮损失，破坏打印样品的几何形状。

　　2.6.2  3D打印对鸡肉糜制品质构特性的影响

　　注：表中不同字母（a-c）表示具有显著性差异（P＜0.05）。

　　如表3所示，蒸煮前，3DP样品具有比MS样品更低的凝聚力 （P＜0.05）。这是因为3DP样品层与层之间仅仅通过自身重力进行堆叠，肉中蛋白质没有足够的接触面相互黏合，蛋白分子间的结合程度较低。而MS样品经过模具的压制，内部密度比3DP样品大，蛋白之间的交联作用更强，因而表现出更大的凝聚力。煮制样品中，3DP处理具有比MS更大硬度、凝聚力和咀嚼性 （P＜0.05），可能原因是3DP样品更为有序的内部结构在经过煮制后获得更强的支撑能力。蒸制样品中，3DP样品和MS样品的硬度、凝聚力和咀嚼性没有显著差异 （P＞0.05）。回复力的数据显示，蒸煮后3DP样品的回复力值显著大于 MS 样品（P＜0.05）。回复力反映样品的回弹能力，较大的回复力说明3DP样品在承受外力后能够较快地恢复原有形态，不易坍塌变形。

　　3  结论

　　本研究结果表明，明胶能够显著提高3D打印鸡肉糜制品的成型稳定性。在实验研究范围内，随着明胶添加量的增加，鸡肉糜的黏度、G′、G?和凝胶强度大幅增加，体系中不易流动水逐渐向自由水转移，鸡肉糜的回缩性和支撑能力得到改善。然而，明胶过量添加（6%～8%）会导致鸡肉糜初始黏度过大，凝胶网络结构遭到破坏，物料挤出受阻，打印样品表面变得粗糙。添加4%明胶的鸡肉糜能够打印出具有良好成型精度和稳定性的制品。将其与模具成型制品对比，添加4%明胶的鸡肉糜3D打印制品蒸煮损失更多，在煮制后具有更大的硬度、凝聚力、咀嚼性和回复力，不易坍塌变形。