3D打印是一种新型快速成型技术，其原理是通过分层制造和逐层叠加的原理完成对数字模型的构建[1]。3D打印技术已广泛应用于医学、机械制造、航天航空、建筑等相关领域[2]。近年来，为满足消费者对食品营养和外观的需求，3D打印技术也广泛应用在食品加工行业中。尽管3D打印技术具有巨大的优势，但其在食品加工行业中的研究和应用才刚刚开始，目前只有3D打印巧克力在市场上得到了商业化推广[3]，而其他原料的开发还需进一步的研究。
虾肉糜产品是对虾精深加工的高附加值产品之一，并因其营养丰富且口感佳而深受广大消费者的欢迎。然而，目前虾肉糜产品的形状相对单一，这限制了其发展和销售。虾肉糜具有良好的流变学特性，其形成凝胶后还具有良好的质构特性，是一种适合于3D打印的食品原料。从原料的角度来看，虾肉糜适合3D打印[4-5]，但是前期研究发现纯虾肉糜在打印过程中容易出现断丝、沉积塌陷等现象，这可能是由于虾肉糜的水分含量较高，导致其黏弹性和支撑性差，进而影响3D打印适应性。小麦是世界上种植最广泛的谷物之一，淀粉作为小麦籽粒的组成成分[6]，小麦淀粉是一种重要的食品配料，由于其在色泽和价格上占有优势，因此在食品加工行业用量日益增加[7]。淀粉是肉糜产品生产中常用的配料之一[8]，添加淀粉不仅增加肉糜保水性和产品的弹性，而且还增加了产量并降低了生产成本。因此，向虾肉糜中添加小麦淀粉能够改善虾肉糜的3D打印特性。然而，小麦淀粉添加量对虾肉糜的物料特性的影响是有差异的。本研究以不同小麦淀粉添加量的虾肉糜为研究对象，研究虾肉糜3D打印精确性和稳定性、流变学、质构等的变化，筛选适合虾肉糜3D打印的小麦淀粉的添加量，以期为虾肉糜的3D打印应用提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)，规格为30～40尾/kg，广东省湛江市霞山区水产品批发市场，保活运至实验室；食盐，广东省盐业集团有限公司；小麦淀粉，河南省良润全谷物食品有限公司；料酒，山东省鲁花集团有限公司；味精，上海市太太乐食品有限公司；白砂糖，广西省东亚扶南精糖有限公司。
1.2 仪器与设备
GZB20型高速斩拌机，广州市汕宝食品厂机械部；UX2200H电子天平，日本岛津公司；FOODBOT E1型3D食品打印机，杭州时印科技有限公司；DL91150型高精确性数显游标卡尺，宁波得力集团有限公司；M200(15-45)型微单高清数码相机，佳能有限公司；F60型LED摄影棚灯箱，深圳旅行家科技有限公司；HAAKE MARS Ⅲ型模块化高级流变仪，美国Thermo Fisher Scientific公司；TMS-Pro型物性分析质构仪，美国FTC公司；NMI20-060H-I型低频核磁共振成像分析仪，苏州纽迈分析仪器股份有限公司；3K-15型高速冷冻离心机，德国Sigma公司。
1.3 试验方法
1.3.1 虾肉糜的制备
将新鲜凡纳滨对虾去头、去壳、去肠腺等常规前处理，虾仁用斩拌机绞碎处理5 min，将绞碎的虾肉与冰水以质量比1∶5混合漂洗3次，然后将其包裹在3层纱布中进行手动脱水并添加虾肉糜质量3%的食盐盐擂2 min制成虾肉糜。将虾肉糜分为4等份，其中3份以虾肉糜质量为基准分别添加3%、6%和9%(质量分数，下同)的小麦淀粉再次擂溃2 min，另一部分不添加任何淀粉的虾肉糜作为对照组。最后，将4份虾肉糜添加虾肉糜质量3%的料酒、1%的味精和1%的白砂糖，用斩拌机斩拌2 min，然后分析虾肉糜的持水性、水分分布特性、流变学和质构特性，并进行3D打印测试其打印精确性和稳定性。
1.3.2 虾肉糜3D打印精确性和稳定性
本试验设计的3D打印模型为边长Lm=20 mm的正方体，3D打印机喷头直径为1.20 mm，打印参数设置如下(前期试验确定的最优参数)：3D打印机料筒温度为25 ℃，打印速度30 mm/s，打印高度为2 mm，打印填充率为80%。打印完成后，用游标卡尺测量打印产品的平面边长Ls和高度H0 min，用公式(1)计算3D打印精确性；将打印产品在室温(25 ℃)下放置60 min，用游标卡尺测量打印产品的高度H60 min，用公式(2)计算3D打印的稳定性。同时，在LED灯箱中用数码相机对3D打印产品进行拍照，从外观上评价其打印效果，计算如公式(1)、公式(2)所示：
打印精确性
(1)
打印稳定性
(2)
式中：Ls为打印产品平面边长，mm；Lm为设计三维模型的边长，mm；H0 min为打印产品放置0 min时高度，mm；H60 min为打印产品放置60 min时的高度，mm。
1.3.3 虾肉糜流变特性的测定
参照LIU等[9]的方法对虾肉糜流变特性进行测试。温度设定为25 ℃，采用转子型号P35Ti L，平板直径为20 mm，两平板之间的间隙设置为1 mm，将剪切速率范围设置为0.1～100 s-1，测定静态表观黏度随剪切速率的变化规律。
动态黏弹性是通过小振幅振荡频率扫描模式进行测量，频率设置为0.1～10 Hz，所有测量均在确定的黏弹性线性区域内进行，应变扫描为0.1%，记录弹性模量(G′)和黏性模量(G″)随振荡频率的变化情况。
1.3.4 虾肉糜质构特性的测定
取20 g制备好的虾肉糜(未熟制)放置烧杯中，在25 ℃、湿度为40%～50%条件下，采用质构剖面分析(texture profile analysis，TPA)法测定虾肉糜的硬度、弹性和黏附性等质构特性。仪器用1 kg称重传感器校准，测试探头型号为FTC 38.1 mm Steel。测试参数为：探头上升到样品表面的高度为30 mm，测试速度60 mm/min，压缩变形50%，起始力为0.5 N。
1.3.5 虾肉糜水分分布的测定
虾肉糜水分状态(T2)采用低场核磁共振仪(low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)测定，该仪器的谐振频率和磁场强度分别设为22.6 MHz和0.47 T。检测过程中，先将10 g左右的样品放入直径为35 mm的培养皿内，采用Caar-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脉冲序列对样品进行扫描，得到横向弛豫时间T2，将迭代次数设置为105，并将获得的曲线反演为T2。
1.3.6 虾肉糜持水性的测定
参考ZHANG等[10]的方法，采用离心法测定虾肉糜的持水性(water holding capacity，WHC)，称取一定质量的虾肉糜(W1，g)，在4 ℃下冷冻离心(10 000×g)10 min，离心后用滤纸吸掉虾肉糜表面水分，称重(W2，g)，WHC的计算如公式(3)所示：
(3)
1.3.7 数据处理
质构实验重复5次，其他实验重复3次，结果用平均值±标准差表示，使用JMP统计软件对数据进行方差分析和Tukey多重，置信度为95%(P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 小麦淀粉对虾肉糜3D打印精确性和稳定性的影响
3D打印精确性和稳定性是评估3D打印产品质量的重要指标[11]。不同小麦淀粉添加量的虾肉糜3D打印效果如图1-a所示，3D打印精确性和稳定性见图1-b。图1-a展示了在打印放置0 min和60 min后的3D打印产品效果图，可以观察到打印产品静置60 min 后显示出不同程度的塌陷。由图1-a可知，对照组(未添加小麦淀粉)的3D打印虾肉糜在打印过程中断丝、沉积塌陷和外观效果最差，这可能是由于虾肉糜的高水分含量和低黏弹性所致[5]。添加少量(3%)小麦淀粉可提高虾肉糜的打印精确性，但仍然存在打印物料流出不均和打印产品的层与层之间的融合性较差、线条生硬等现象。添加适量(6%)小麦淀粉有效改善虾肉糜的3D打印适应性，其打印线条细腻、产品没有明显的沉积塌陷等现象，打印产品外观精美、效果最好。这可能是由于淀粉具有很强的凝胶结合能力，具有一定程度的吸水和膨胀特性，从而提高了虾肉糜的支撑性和黏弹性[8]，进而改善了虾肉糜3D打印产品层与层之间的融合性。但是，当添加过多(9%)的小麦淀粉时，样品的打印效果会变差，这可能是由于添加过多的小麦淀粉引起虾肉糜的硬度及弹性过大，使物料的流动性下降，增大了物料与料筒之间的摩擦力，导致样品突然流出或难以从喷头中挤出，甚至堵塞喷头造成打印精确性下降。
由图1-b可以看出，随着小麦淀粉添加量的增加，虾肉糜3D打印精确性呈现先上升后下降的趋势(P<0.05)；随着小麦淀粉添加量的增加，虾肉糜3D打印稳定性呈现逐渐上升的趋势(P<0.05)。添加6%小麦淀粉与添加9%小麦淀粉的3D打印精确性之间有较小的差异(P<0.05)，而二者的3D打印稳定性之间无显著差异(P>0.05)，这与图1-a的3D打印产品外观分析基本一致。因此，添加6%小麦淀粉可以有效改善虾肉糜的3D打印适应性。
a-对产品外观的影响；b-对精确性和稳定性的影响
图1 小麦淀粉对虾肉糜3D打印产品外观、精确性和稳定性 的影响
Fig.1 Effect of wheat starch on 3D printed product appearance, printing accuracy and stability of shrimp surimi 注：不同小写字母表示有差异性显著(P<0.05)(下同)
2.2 小麦淀粉对虾肉糜流变特性的影响
3D打印食品对原材料有2个基本要求：(1)原材料具有良好的流动性，容易从喷头挤出；(2)原材料具有良好的黏弹性，使打印层与层之间易于融合，并且打印沉积到平台后能较好地维持食品结构和形状。在3D打印过程中，物料的流变特性会影响打印出料的连续性和层与层之间的贴合性。因此，食品物料的流变特性是衡量其是否适合3D打印的重要指标之一[12-15]。虾肉糜的表观黏度曲线如图2-a所示，随着剪切速率的增加，各处理组虾肉糜的表观黏度呈现下降趋势，表观黏度随剪切速率的增加而降低，在低剪切速率下具有较高的表观黏度，在高速剪切应力下存在剪切稀化现象[16]，表明虾肉糜为剪切变稀的假塑性流体。前期的研究结果表明3D打印的食品原料应是具有剪切稀化现象的假塑性流体，以使样品易于挤压和成型[17]。另外，随着小麦淀粉添加量的增加表观黏度逐渐增加，这可能是由于淀粉颗粒在虾肉糜擂溃过程中吸收了水分并膨胀，最终形成了更致密的网络结构[9]。结合3D打印产品的外观图(图1-a)可以观察到，合适的表观黏度有助于虾肉糜3D打印原料顺利从喷头中挤出并增加层与层之间的贴合性，添加6%的小麦淀粉有利于虾肉糜顺利从喷头挤出，并改善虾肉糜的3D打印适应性。
图2-b是虾肉糜G′和G″的变化。鉴于虾肉糜的黏弹性，比较图中G′和G″的大小，在线性黏弹性区域虾肉糜的G′远大于G″，表明虾肉糜具有良好的弹性，具有形成弹性凝胶或者凝胶状结构的潜力[5, 18]。虾肉糜的G′和G″都随频率的增加而增加，这也说明虾肉糜具有剪切稀化现象，因为虾肉糜内部分子之间相互交联，结构稳定，频率过小，不会对肉糜内分子链之间化学键及三维结构造成破坏，频率增加会对肉糜内部的结构造成一定破坏，导致流动性增加[19]。所有样品的G′和G″的变化是相似的，随着振荡频率的增加，G′和G″都逐渐增加，导致物料的内部摩擦增加。此外，在任何振荡频率下，G′和G″都随着小麦淀粉添加量的增加而逐渐增加。其中虾肉糜的G′增大趋势更为明显，添加9%的小麦淀粉的G′最高，这可能是因为小麦淀粉的添加不仅提高了虾肉糜蛋白质之间的相互作用，还提高了蛋白质与淀粉分子之间的相互交联作用。结合图1-a的结果，可以看出纯虾肉糜的G′和G″太小，使其在打印过程中容易出现断丝和沉积塌陷等现象。添加小麦淀粉增加了样品的G′和G″，合适的G′和G″有助于虾肉糜3D打印挤出后层与层之间的融合并保持产品形状[5]，添加6%小麦淀粉可以改善虾肉糜的G′和G″，从而改善了虾肉糜的3D打印适应性。
a-对虾肉糜表观黏度的影响；b-对虾肉糜弹性模量(G′) 和黏性模量(G″)的影响
图2 小麦淀粉对虾肉糜流变特性的影响
Fig.2 Effect of wheat starch on the rheological properties of shrimp surimi
2.3 小麦淀粉对虾肉糜质构特性的影响
质构特性影响物料的支撑性，从而影响3D打印产品保持其形状的能力。在本研究中测量了样品的硬度、弹性和黏附性，三者是影响虾肉糜3D打印适应性的重要质构特性指标。硬度是食品在受到咀嚼力时对变形的抵抗能力[20]，由图3-a可知，随着小麦淀粉添加量的增加，各处理组虾肉糜的硬度呈上升趋势(P<0.05)，未添加小麦淀粉的对照组的虾肉糜硬度为0.72 N，而添加6%和9%的虾肉糜硬度分别高达0.86和0.97 N，这可能与小麦淀粉的吸水性有关，淀粉可以通过吸收水分而膨胀，从而稳定虾肉糜内部的蛋白质网络结构并增加其硬度。除此之外，样品的高持水性也有助于提高样品的硬度[21]。弹性是指食品撤销外力作用后恢复形变的能力[22]，由图3-b 可知，随着小麦淀粉添加量的增加，各处理组虾肉糜的弹性呈上升趋势(P<0.05)，添加6%和9%的小麦淀粉的弹性分别为3.78和5.07 mm，比未添加小麦淀粉的对照组(1.98 mm)分别高1倍和1.5倍以上。这可能是因为在擂溃过程中，小麦淀粉与虾肉糜中的水和蛋白质形成淀粉-蛋白质-水复合网络结构，并与多糖交联形成更大更复杂的网络结构，从而增加了虾肉糜的弹性[23]。黏附性是指移动附着在口腔的食品材料所需要的力[24]，由图3-c可知，随着小麦淀粉添加量的增加，各处理组虾肉糜的黏附性呈上升趋势(P<0.05)，这是由于淀粉本身具有一定的黏性，并且小麦淀粉颗粒吸水后体积逐渐增大，填充在虾肉糜网络结构中，膨胀的淀粉颗粒对虾肉糜产生一定挤压，从而增加了虾肉糜的黏附性[25-26]。结合3D打印效果，可以得出结论，适宜的硬度、弹性和黏附性有利于虾肉糜的挤出成型和层与层之间的贴合，添加适量的小麦淀粉可以使虾肉糜的硬度、弹性和黏附性处于适宜的状态，添加过量小麦淀粉会使虾肉糜因硬度、弹性和黏附性过大而堵塞喷头和打印过程断丝。因此，添加6%小麦淀粉可以改善虾肉糜的质构特性，从而改善了虾肉糜的3D打印适应性。
2.4 小麦淀粉对虾肉糜水分分布的影响
低场核磁共振分析是一种新型的无损检测方法，可以反映食物中水分的分布状态和组成变化[27]。水分的分布状态与物料的结构特性和流变特性密切相关，并直接影响3D打印产品的效果[17]。如图4-a所示，在虾肉糜的LF-NMR曲线中观察到2个峰，T2b(0～10 ms)和T21(10～100 ms)分别对应结合水和不易流动水，弛豫时间T2可以反映水分的结合状态和自由移动程度，T2越短，说明水分与底物结合越紧密；图4-b显示了不同添加量小麦淀粉的虾肉糜对结合水和不易流动水振幅峰面积比A2的影响，弛豫峰的面积A2反映各种状态水分群的相对含量[22, 28]。
由图4-a和图4-b可知，随着小麦淀粉添加量的增加，样品的T2向左移动(短弛豫时间方向)，A21逐渐减小，而A2b逐渐增大。这些结果表明，淀粉的添加增加了虾鱼糜结合水的能力。这主要是因为淀粉分子包含大量亲水基团，可以促进淀粉与水的氢键结合，增加结合水的稳定性，从而使T2b和T21左移[29]。该结果与持水性的结果相对应，添加小麦淀粉提升了虾肉糜结合水的能力，从而改善了虾肉糜的持水性，进而提高了虾肉糜3D打印产品的稳定性。结合3D打印效果，可以得出结论:虾肉糜适宜的结合水的能力有利于维持样品的稳定性和堆叠性，添加6%小麦淀粉可以改善虾肉糜的结合水的能力，从而改善虾肉糜的打印效果。
a-对虾肉糜硬度的影响；b-对虾肉糜弹性的影响；c-对虾肉糜黏附性的影响
图3 小麦淀粉对虾肉糜质构特性的影响
Fig.3 Effect of wheat starch on texture of shrimp surimi
a-对虾肉糜水分驰豫时间T2的影响； b-对虾肉糜不同状态水分子的相对含量的影响
图4 小麦淀粉对虾肉糜水分分布的影响
Fig.4 Effect of wheat starch on water distribution of shrimp surimi
2.5 小麦淀粉对虾肉糜持水性的影响
持水性影响物料的支撑性，从而影响3D打印的稳定性。由图5可知，随着小麦淀粉添加量的增加，各处理组虾肉糜的持水性呈上升趋势(P<0.05)。当小麦淀粉的添加量为6%时，虾肉糜的持水性高达89.42%，显著高于未添加小麦淀粉的对照组(84.88%)(P<0.05)，这可能是因为小麦淀粉具有极强的吸水能力。持水性反映了虾肉糜中蛋白质和水分子的结合状态以及网络结构的强度。通常，具有良好持水性的虾肉糜具有较高的弹性和硬度，并且内部水分不容易流失[30]，这与质构特性的结果相对应。虾肉糜的持水性间接反映了虾肉糜微观网络结构的稳定性。持水性越高，虾肉糜的网络结构与水和淀粉的结合能力越强，即空间网络结构就越密集且越均匀[31]。小麦淀粉的添加增加了虾肉糜的持水性，添加适量的小麦淀粉使虾肉糜具有良好的持水性，改善了虾肉糜在3D打印过程中出现沉积塌陷等现象，然而添加过量的小麦淀粉尽管有较大的持水性，但虾肉糜的流动性降低，不易从打印喷头中挤出，打印过程中堵塞喷头或断丝。结合3D打印效果表明，适宜的持水性有利于虾肉糜维持其打印稳定性。因此，添加6%的小麦淀粉可以改善虾肉糜的持水性，进而改善虾肉糜的3D打印适应性。
图5 小麦淀粉对虾肉糜持水性的影响
Fig.5 Effect of wheat starch on water holding capacity of shrimp surimi
3 结论
添加小麦淀粉可以有效提高虾肉糜的3D打印精确性和稳定性。添加适量(6%,质量分数)小麦淀粉可以有效改善虾糜的3D打印适应性，过高或者过低量小麦淀粉添加不能取得较好效果，添加6%的小麦淀粉的虾肉糜具有最高的打印精确性和稳定性。此外，添加6%的小麦淀粉适当增加了虾肉糜的G′、G″和表观黏度，这使得虾肉糜从打印喷头中轻松挤出，改善堆叠性能并解决了样品打印过程中断丝的问题。另外，添加6%的小麦淀粉可以提高虾肉糜的硬度、黏附性和弹性，从而增加了样品的支撑性，有助于样品保持其原始形状；水分分析结果表明，添加6%的小麦淀粉增加了样品结合水的结合能力并提高了虾肉糜的持水性。总之，向虾肉糜中添加6%的小麦淀粉可以有效改善其3D打印适应性。
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