3D打印技术又称增材制造技术,其原理是通过逐层打印、堆积成形的方式打印预先设计的结构[1],近年来,食品行业呈现形式多样化和营养个性化的发展趋势,3D打印凭借其灵活性,为个性化定制食品提供了重要方法。根据打印原理,3D打印可分为熔融挤出、选择性激光烧结、喷墨打印和黏结成型等技术[2]。其中,挤出式3D打印因操作简便、易于清洗、成本低廉、生产过程卫生安全,并能利用多种复合食品材料进行打印,成为目前应用最广泛的技术。
大豆分离蛋白(soybean protein isolate,SPI)中蛋白质含量在90%以上,氨基酸种类有近20种,并含有人体必需氨基酸,其氨基酸组成在基因结构上与人体最为相似,因此具有很高的营养价值[3]。SPI由于优良的凝胶性,可以被制作成蛋白质凝胶并应用于3D打印,但是单一大豆分离蛋白凝胶存在结构松散、不易成型、成品率低、保水性差等问题[4]。大量研究发现,通过添加凝胶剂对SPI的凝胶特性进行改良,可以增加其在食品加工中的应用。望运滔等[5]以SPI、魔芋胶和卡拉胶为基料,探讨了魔芋胶与卡拉胶不同质量比例混合对SPI乳液在热处理后形成凝胶的特性,研究发现,当魔芋胶与卡拉胶的质量比达到4∶8时,制备的凝胶展现出最优的凝胶强度和最佳的黏弹性。
明胶作为一种天然的水溶性可降解高分子材料,来源于天然聚合物胶原蛋白[6],具有极高的蛋白质含量,可以促进人体消化,还可以有效缓解心血管和脑血管疾病症状、减少人体血象异常。LIU等[7]发现,在蛋白质中加入明胶,能显著增强凝胶的硬度、弹性和黏性,使其更适用于3D打印。马铃薯淀粉作为一种葡萄糖分子聚合而成的天然多糖,除了作为食品外,也有广泛的用途,通常作为增稠剂、膨化剂、填充剂等使用。雷仪灿[8]以SPI为基础,考察了马铃薯淀粉对SPI凝胶特性的影响。发现马铃薯淀粉能有效提升SPI凝胶的硬度。
目前,明胶与马铃薯复配对SPI凝胶特性的影响还未见报道,因此本文以SPI、明胶和马铃薯淀粉为研究对象,考查明胶与马铃薯淀粉复配对SPI凝胶特性的影响,以期为提升热诱导SPI凝胶产品的品质提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
SPI(蛋白质含量≥90%),山东禹王生态食业有限公司;马铃薯淀粉,繁峙县懿康土特产有限公司;明胶,商水县富源明胶有限公司,以上均为食品级材料;KBr(纯度≥99.9%,化学分析级),天津市科密欧化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
1/1000 JY2002电子天平,上海精密科学仪器有限公司;Ad500s分散均质机,上海昂尼仪器仪表有限公司;HH-4水浴锅,常州天瑞仪器有限公司;DHG-9420A电热鼓风干燥箱,上海一横科学仪器有限公司;NMI20-015V-I低场核磁共振成像分析仪,上海纽迈电子科技有限公司;SMS TA.XT Express Enhanced食品物性分析仪,英国稳定微系统有限公司;VECTOR33傅里叶变换中远红外光谱仪,德国Bruker公司;DHR-2流变仪,美国TA公司;TM3030Plus台式扫描电镜,日本日立高新技术公司。
1.3 实验方法
1.3.1 SPI凝胶复配体系的制备
以纯SPI为空白对照组,SPI质量浓度为11 g/100 mL,以不同质量比(1∶8、2∶8、3∶8、4∶8、5∶8、6∶8、7∶8、8∶8,g∶g)的明胶与马铃薯淀粉为变量,明胶与马铃薯淀粉混合物质量浓度为7 g/100 mL。为了使凝胶更均匀,先将马铃薯淀粉与SPI混合均匀,再与热熔后的明胶与水混合。将称量好的样品充分搅拌,然后使用转子均质机以8 500 r/min均质5 min,均质好的样品放入水浴锅,90 ℃下加热20 min,加热完的样品冷却至25 ℃室温备用。
1.3.2 复配凝胶水分分布测定
参照田海娟等[9]的方法,稍作修改,使用低场核磁共振成像分析仪对9组凝胶进行水分分布的测定,每个样品平行测定3次。
1.3.3 复配凝胶质构特性测定
参考陈嵘嵘等[10]的方法,稍作修改。采用P/0.5探头,9组等质量凝胶均使用100 mL烧杯进行质构测试。测前测后速度均为2 mm/s,测试速度1 mm/s,压缩率50%,停留时间5 s,触发力10 g,记录硬度、胶黏性、弹性、黏聚性、咀嚼性和恢复力。
1.3.4 复配凝胶流变测定
参考岑培倩[11]的方法,稍作修改,使用流变仪对9组样品静态流变性质进行稳态剪切扫描和动态流变学测定。
1.3.5 复配凝胶傅立叶红外光谱分析
参考张佳璇等[12]的方法,稍作修改,将冷冻干燥48 h后的复合凝胶(1 mg)与KBr粉末按1∶100(质量比)混合,在玛瑙研钵中充分研细并压片,置于傅里叶变换红外光谱仪中,在4 000～400 cm-1波长范围内进行扫描。
1.3.6 复配凝胶扫描电镜分析
先将样品进行冻干处理,冻干后取大小一致的样品,用喷金仪喷金后,再置于扫描电子显微镜观察样品的微观形态。
1.3.7 复配凝胶体系的3D打印分析
1.3.7.1 打印参数的设置
使用挤出型3D打印机进行打印。物料水浴加热后趁热装筒,尽量使筒内无气泡与空气混入。装筒后冷却至室温。打印参数为:速度15 mm/s,填充率50%,距离底板高度-1.6 mm,针头1.2 mm,打印温度25 ℃。打印模型参数:直径为2.5 cm,高为1.5 cm的圆柱体。
1.3.7.2 打印精确度
参考潘泓杉[13]的方法,在此基础上稍作调整。通过游标卡尺平行测定3次打印成品的高与直径精确度,打印精确度(J)按公式(1)计算:
(1)
式中:L1,打印后样品实际测量的高度(直径),mm;L0,模型设置的理论高度(直径),mm;J,打印精确度,也是高度(直径)的精确度,%;L1与L0均使用平行测试后的平均值。
1.3.7.3 打印效果评价
使用游标卡尺对打印成品的高与直径进行了平行测量,测量时间点为打印完成后即刻(0 h)。此外,在0和1 h对产品进行图像记录。每组样品均进行3次平行测量,以确保数据的可靠性和可重复性。
1.4 数据处理
本次试验使用了Excel、Origin、SPSS 26、OMNIC软件进行数据处理与分析。每组试验均进行3次平行操作。
2 结果与分析
2.1 凝胶水分分布分析
水分流动性对蛋白质稳定热诱导凝胶的三维网络结构中的水分及复合物质量起着重要作用。水的分布与食品原料的物理特性密切相关,其中自由水含量与样品流变性质显著相关[14]。由图1可知,在SPI凝胶的T2弛豫时间分布图中,可以观察到3个显著的峰。第一个峰在0.1～1.0 ms,代表了与蛋白质分子之间相互作用最为紧密、结合最为牢固的水分子;第二个峰值在1.0～10.0 ms,是构成蛋白质凝胶网络结构的水分子,被认为是不易流动水;而第三个峰值则为蛋白质凝胶的网孔空间中存在的水分子,这些水分子具有最高的流动性,是蛋白样品凝胶过程中未束缚进网络结构的水,附着于蛋白凝胶的表面。这3个峰分别对应于T21、T22和T23,其中T23为主要的峰值[15]。与空白对照组相比,在质量比为1∶8～6∶8,随着比例的增加,凝胶自由水比例逐渐变少,不易流动水占比逐渐增加,明胶与马铃薯淀粉比例为6∶8时,不易流动水占比最高,为2.48%,说明添加明胶和马铃薯淀粉后,凝胶中的一部分自由水可能会变成不易流动水,被凝胶束缚在网络结构中的结合水结合的更加紧密,凝胶保水性上升,这表明添加明胶和马铃薯淀粉后形成了更致密的网络结构。
图1 明胶与马铃薯淀粉复配对SPI凝胶体系水分分布的影响
Fig.1 Effect of combination of gelatin and potato starch on water distribution in SPI gel system
2.2 质构分析
如表1所示,在3D打印过程中,打印油墨的质构特征,可直接影响打印产品的加工性能和质量。硬度是质构特性中反映食物口感的主要参数之一,代表着咀嚼时咬断食物所需要的力,且可以反映材料的挤出特性和3D打印样品保持形状的能力。在SPI含量为11%时,添加了明胶和马铃薯淀粉的复配凝胶在硬度上均低于纯SPI凝胶,在1∶8～6∶8时,随着明胶与马铃薯淀粉比例的增加,硬度逐渐降低,6∶8时,硬度达到最低,这可能是加了明胶和马铃薯淀粉,蛋白质间作用力减弱,从而使SPI凝胶硬度下降;内聚性表示样品内的黏附力以及样品微观结构的紧密程度,复配凝胶的内聚性普遍降低,表明其内部结构更紧密,有利于打印时保持结构完整,这与王瑞雪[16]的研究结果一致;咀嚼性表示将半固体样品分解成可吞咽的稳定状态所需的力[17],与纯SPI凝胶相比,复配凝胶的咀嚼性普遍下降,6∶8、7∶8和8∶8比例间咀嚼性无显著差异;复配凝胶间的恢复力区别不大且均比对照组低,这可能是因为添加了明胶和马铃薯淀粉,引起水凝胶收缩,在一定程度上影响了其恢复力。上述结果表明,以SPI为凝胶基质,添加明胶和马铃薯淀粉可以降低凝胶的硬度、内聚性和咀嚼性,从而得到具有柔软质地的复合凝胶。闵聪[18]研究了绿豆淀粉对亚麻籽蛋白凝胶的影响,结果表明,复合凝胶的强度低于纯蛋白凝胶,得到具有柔软质地的复合凝胶,与本文结论一致。
表1 明胶与马铃薯淀粉复配对SPI凝胶强度的影响
Table 1 Effect of compounding gelatin and potato starch on SPI gel strength
质量比/(g∶g)硬度/(N/cm2)弹性/(N/cm2)内聚性黏性/(N/cm2)咀嚼性恢复力0114.64±9.49a1.40±0.005a0.85±0.02a83.14±5.18a116.38±6.92a0.63±0.001a1∶898.15±3.74b0.98±0.003b0.65±0.01b60.23±0.69b58.59±1.67b0.14±0.013b2∶887.28±5.65c0.97±0.02bc0.59±0.02c49.29±0.89c47.09±0.91c0.10±0.006c3∶879.12±1.94cd0.97±0.018bc0.59±0.03c48.41±1.07c45.53±1.04cd0.055±0.009d4∶873.15±1.98de0.97±0.006bc0.57±0.01cd46.71±4.86cd41.00±0.81cde0.057±0.003d5∶867.11±6.57e0.96±0.026bc0.53±0.04de40.50±0.97ef39.34±0.78de0.063±0.002d6∶866.57±2.10e0.95±0.014c0.51±0.02e36.47±4.82f35.08±5.51e0.063±0.008d7∶879.91±9.79cd0.93±0.008d0.54±0.03cde41.16±1.01ef40.45±1.09de0.065±0.001d8∶883.83±2.84c0.92±0.004d0.56±0.03cde43.05±1.43de41.00±0.81cde0.066±0.006d
注:小写字母表示各组间显著性差异(P<0.05)(下同)。
2.3 流变特性分析
如图2显示了复配凝胶的静态流变特性,应力是打印材料的一个重要特性,因为它能反映打印结构保持稳定的能力[19]。不同比例SPI凝胶的剪切应力随着剪切速率的增加而增大,其中,纯SPI凝胶的应力(图2-a)最小,说明纯SPI凝胶的流动性强,不易成型,添加了明胶与马铃薯淀粉的凝胶应力都增大,说明添加明胶与马铃薯淀粉后,复配SPI流动性降低,更容易成型。凝胶的剪切变稀特性与物料是否能从喷嘴顺利挤出同样存在密切关联,从图2-b中可以看出,添加了明胶和马铃薯淀粉的凝胶黏度均比对照组高,随着剪切速率的增大,黏度均不断下降,表明了体系的剪切稀释特性(假塑性),这主要是由于剪切破坏了溶液中大分子的缠结网络结构,从而降低了流体动力阻力的缘故[20]。与纯SPI相比,添加明胶和马铃薯淀粉后的凝胶体系均能提高剪切黏度,在1.6～2.5 s-1后,整体趋于稳定,该性质使其具有较好的挤出成型性,有利于后续的3D打印过程。
a-应力;b-黏度
图2 明胶与马铃薯淀粉复配对SPI凝胶静态流变的影响
Fig.2 Effect of gelatin and potato starch on static rheology of SPI gel
3D打印过程中,材料将同时承受压力和剪切力的影响。材料的流变属性能够在一定程度上反映3D打印形状的保持能力[21]。图3为不同配方SPI凝胶复配体系的动态流变分析图,图3-a为弹性模量(G′),图3-b为储能模量(G″),可以看出,相比于对照组,随着明胶与马铃薯淀粉比例的增加,样品的G′和G″也呈增加趋势,且样品的G′均大于G″,说明所有样品主要体现为弹性,复配凝胶拥有更好的弹性行为,有利于打印制品保持自身的形状。李建刚等[22]将小米淀粉添加至大豆分离蛋白中,复合凝胶黏度、储能模量和损耗模量均增加,与本文的研究结果相似。
a-弹性模量(G′);b-储能模量(G″)
图3 明胶与马铃薯淀粉复配对SPI凝胶动态流变的影响
Fig.3 Effect of gelatin and potato starch combination on dynamic rheology of SPI gel
2.4 红外光谱分析
对不同配方的SPI凝胶进行傅里叶红外光谱测定,结果如图4所示。
图4 明胶与马铃薯淀粉复配对SPI凝胶红外光谱的影响
Fig.4 Effect of compound pairing of gelatin and potato starch on SPI gel infrared spectrum
测试的范围为4 000～400 cm-1,傅里叶红外光谱可以反映样品的分子结构和相互作用,不同波长的峰与多糖和蛋白质之间形成的官能团有关。由图4可知,所有样品的光谱均有相似的峰形,添加明胶和马铃薯淀粉后并未观察到新峰的出现,说明经复配后,说明共价相互作用较小,凝胶中没有产生新的官能团。在3 600～3 100 cm-1范围内普遍出现宽峰,该峰主要由—OH和—CH的伸缩振动引起,可表明样品中广泛存在氢键的作用[23],在3 295 cm-1处较强的吸收峰被认为是—OH的伸缩振动引起的[24],随着明胶与马铃薯淀粉比例的增加,—OH的吸收峰均发生略微红移,表明SPI与明胶和马铃薯淀粉之间形成了氢键,增强了分子间的相互作用力。酰胺I区(1 700～1 600 cm-1)和酰胺Ⅱ区(1 600～1 500 cm-1)的吸收峰主要由C
O和C—N伸缩振动或N—H弯曲振动引起[25],各处理组在此均有相似吸收峰,这表明CO、C—N或N—H键可能在维持SPI凝胶体系的三维结构中起重要作用。
2.5 微观结构分析
扫描电子显微镜能够直观地展示蛋白质凝胶的微观三维网格结构。如图5所示,纯SPI样品具有较大的多孔结构,结构杂乱无序,孔洞无规则,明胶与马铃薯淀粉质量比在1∶8～6∶8范围内,随着明胶与马铃薯淀粉的质量比增加,复配凝胶孔径逐渐减小,比例为6∶8时,凝胶孔隙分布呈现出最高的均匀性,并且凝胶网络结构展现出更为紧密的交织特性,说明明胶和马铃薯淀粉的存在可以减弱分子间或分子内的空间位阻效应,这可能是因为它们与SPI分子相互缠绕形成互穿聚合物凝胶网络,从而形成了结构稳定的凝胶[26]。综上,可以通过调节明胶与马铃薯淀粉的比例改善SPI凝胶性能。
a-0;b-1∶8;c-2∶8;d-3∶8;e-4∶8;f-5∶8;g-6∶8;h-7∶8;i-8∶8
图5 明胶与马铃薯淀粉复配对SPI凝胶微观结构的影响(×100)
Fig.5 Effect of compound pairing of gelatin and potato starch on microstructure of SPI gel(×100)
2.6 打印精度与打印效果分析
本研究采用游标卡尺对刚打印完成的样品进行了精确测量,打印模型为直径25 mm、高度15 mm的圆柱体。如表2所示,随着明胶与马铃薯淀粉质量比的增加,高度精度和直径精度逐渐增加,当明胶与马铃薯淀粉质量比为6∶8时,打印精度最好,与设定模型最吻合,高度打印精确度99.93%,直径打印精确度99.92%。
表2 明胶与马铃薯淀粉复配对SPI凝胶打印精度的影响
Table 2 Effect of compounding gelatin and potato starch on SPI gel printing accuracy
质量比/(g∶g)0 h1 h高/mm直径/mm高/mm直径/mm高度精度/%直径精度/%014.19±0.21e23.80±0.32d12.88±0.07e23.34±0.2cd94.2994.961∶815.37±0.06a24.12±0.19d14.73±0.16cd23.04±0.48d97.59 96.352∶815.29±0.17ab24.14±0.18d15.07±0.21a23.58±0.3c98.1196.443∶815.24±0.21abc24.52±0.19c15.23±0.08a24.19±0.08b98.4298.044∶815.18±0.10abcd25.46±0.14a14.52±0.23d23.55±0.09c98.8198.195∶815.11±0.05bcd24.71±0.29bc14.79±0.10bc23.69±0.34c99.2798.836∶815.01±0.08cd25.02±0.02b14.99±0.11ab24.71±0.03a99.9399.927∶815.06±0.04bcd24.91±0.13b14.64±0.22cd24.19±0.19b99.6099.648∶814.92±0.20d24.71±0.08bc15.11±0.11a25.05±0.04a99.4698.83
如图6所示,纯SPI凝胶塌陷严重,打印效果最差,原因是凝胶流动性过强,与2.3节流变结论一致;当明胶与马铃薯淀粉的配比为1∶8时,经过1 h的静置,样品形变显著,打印产品的稳定性受到影响;当配比调整为2∶8和3∶8时,样品出现明显上下粗、中间细的情况,出现这样的状态是因为在挤出后凝胶有收缩的趋势,由于底部与托盘接触难以改变形状,最上层挤出后时间较短未完成收缩,故而形成上下粗中间细的状态,打印效果一般;明胶与马铃薯淀粉的配比为4∶8和5∶8时,上下较宽而中间较窄的现象有所改善,尽管挤出线条还不够均匀,表面存在明显的颗粒状结构,但整体打印效果较好;当混合比例调整至6∶8时,打印产品表面平滑,每层线条清晰可见,最贴合设计模型,静置后无明显塌陷,打印效果最佳,出现这样的状态是因为硬度和内聚性最低,黏度适中,在打印过程中流动性好,不易断条,易挤出成型;当比例进一步增至7∶8和8∶8时,虽然挤出的线条在均匀性上有所提升,但出现了断条现象,导致打印层之间出现空隙,静置1 h后,产品并未出现明显的塌陷,但打印效果相较于6∶8(g∶g)时有所下降。
a-0;b-1∶8;c-2∶8;d-3∶8;e-4∶8;f-5∶8;g-6∶8;h-7∶8;i-8∶8
图6 明胶与马铃薯淀粉复配对SPI凝胶3D打印效果的影响
Fig.6 Effect of compounding gelatin and potato starch on SPI gel 3D printing effect
3 结论
本文研究了不同比例的明胶和马铃薯淀粉对SPI凝胶体系和3D打印适应性的影响。结果表明,明胶与马铃薯淀粉的添加提高了凝胶的不易流动水比例;添加了明胶和马铃薯淀粉后,凝胶的应力、黏度以及样品的G′和G″均升高,且样品的G′均大于G″,有利于挤出成型和保持形状;傅里叶红外光谱结果显示,添加明胶和马铃薯淀粉后并未观察到新峰的出现,说明凝胶中没有产生新的官能团;明胶和马铃薯淀粉质量比在1∶8～6∶8范围内,随着比例的增加,凝胶的硬度、内聚性随着比例增加逐渐降低,凝胶内部孔隙结构逐渐变得均匀,网状结构更致密,提高了打印形状的完整度,通过优化明胶与马铃薯淀粉配方比例,确定明胶与马铃薯淀粉质量比为6∶8时,打印产品线条分明,成型性强,打印效果最好。综上,明胶和马铃薯淀粉的添加可以改善SPI的凝胶性质和3D打印适应性。
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