3D打印,也叫做增材制造,是指从数字设计中创造三维立体模型[1],是一种集数字化软件和加工设备为一体的新技术,可以实现物体形状的人性化定制以及批量生产[2-3]。目前,3D打印技术已广泛应用于多个领域,包括生物医药[4]、建筑[5]、工业制造[6]、服装[7]以及食品[3]等。自引入食品领域以来,增材制造的概念引起了许多学者、制造商和消费者的关注。目前研究多聚焦于淀粉、果胶和蛋白质基质的食品3D打印材料[8],其中淀粉作为一种来源广泛、资源丰富的聚合碳水化合物,被广泛应用于食品生产、加工和销售。因其独特的糊化特性和流变特性,淀粉多被用作增稠剂和稳定剂应用于食品3D打印[8]。
然而随着3D技术的逐渐发展,当初始结构简单的打印产品已经不足以满足人们日益增长的期待时,比3D更复杂4D打印应运而生。4D打印的想法最早由麻省理工学院研究团队的TIBBITS教授[9]于2013年提出,是在3D打印基础上增添更丰富的变量,如微波、光和pH,诱导3D产品发生动态的可控和理想的演变,这种演变使其具有广阔的应用前景[10-11]。近年来,虽然有关4D打印的研究数量大幅增加,然而,食品4D打印的研究仍处于早期阶段,这些研究主要集中在3D打印产品的形状、颜色、营养和风味变化上[12]。而颜色是食品营销的主要元素之一,它主要通过食品的审美体现价值并吸引消费者,具有诱人颜色的食品会增加其吸引力并刺激消费者的食欲,而那些具有令人不愉快的颜色的食品则会起到相反作用。
虽然果蔬是重要的3D打印原料,但天然的果蔬原料很难直接打印,往往需要通过淀粉、蛋白质、食品添加剂等改善打印挤出性和支撑性,提升其打印性能。马铃薯粉作为最常见的高淀粉含量原料之一,常被用作3D打印材料[13]。马铃薯泥现在也被认为是营养丰富的即食食品市场的重要组成[14],GE等[15]以全马铃薯粉为原料,研究了不同配方对马铃薯泥的流变性状、微观结构和打印效果的影响,为马铃薯泥高效高精度打印的实施提供了理论和技术基础。
本文将水蜜桃浆与马铃薯粉、黄原胶、海藻酸钠复配成适合打印的凝胶体系,添加天然花青素和乳酸菌构建4D打印凝胶体系,以流变和质构特性、色泽变化和感官评价以及微生物等为主要指标,研究乳酸菌发酵诱导的水蜜桃浆凝胶体系自发变色和品质变化。通过乳酸菌发酵改变样品的pH,与花青素发生变色反应[16],产生诱人的粉红色或红色,吸引消费者消费,实现3D打印到4D打印的转变,同时丰富食品的4D打印品类,以期为推动食品4D打印技术发展提供理论和实践参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
马铃薯全粉(100目),正阳现代农业服务有限公司;乳酸菌发酵剂,安琪酵母股份有限公司;水蜜桃果浆,欧本食品商店;紫薯花青素,浙江一诺生物科技有限公司;白沙糖,杭州本地市场。
1.2 仪器与设备
CR-400色差仪,日本KONICA MINOLTA公司;SHINOVE-D1型3D打印机,杭州时印科技有限公司;流变仪,德国Haake Mars40;Testo 206 pH计,广州江冠机电设备有限公司;扫描电子显微镜TM-3000,上海日立分析仪器有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 3D打印凝胶体系的制备及打印参数设置
本实验首先进行液体溶液的配制,具体配方为每100 g去离子水中,添加0.5%(质量分数,下同)黄原胶,0.5%海藻酸钠,5%蔗糖,10%水蜜桃浓浆。将溶液搅拌均并充分溶解后分别与不同质量的马铃薯粉混合,配制成马铃薯粉分别为10%、15%、20%、25%和30%(质量分数)的打印油墨体系,加热打印油墨至80 ℃使马铃薯淀粉充分糊化后冷却至室温,添加1%(质量分数)发酵剂和0.1%(质量分数)紫薯花青素,并充分搅拌凝胶体系。所有需使用的器皿要进行高温和沸水消毒,凝胶体系配制过程要在无菌环境中进行。打印温度25 ℃,平板温度25 ℃,喷嘴直径为0.8 mm,层高为0.8 mm,打印速度为700 mm/min,打印体积流速为0.12 cm3/s,打印高度4.1 mm。本研究打印模型尺寸为32 mm × 30 mm × 35 mm的水蜜桃模型,填充比例为35%,模型与实际打印尺寸需小于0.5 mm。所有打印过程需尽可能保证无菌环境。打印完成后,直到下一步实验之前,样品都被保存在黑暗环境中。
1.3.2 3D打印凝胶体系流变性能测定
参考LIU等[17]方法并修改测定打印凝胶的流变学特性。使用的流变仪配备20 mm直径的不锈钢平板,测量间隙为1 mm,测量温度为25 ℃。
流动扫描测试中,以0.1～10 s-1的剪切速率测定样品的表观黏度(η)。以角频率10 rad/s,应变为0.01%～10%的条件下进行振幅扫描测试确定线性黏弹区。然后在0.1%应变下,1～100 rad/s角频率范围内进行流变学测试,测量打印凝胶的储能模量,损耗模量和复合模量。
1.3.3 打印凝胶体系的发酵
打印完成后的水蜜桃浆凝胶在37 ℃、黑暗、密闭条件下发酵12 h,每2 h取1次样。
1.3.4 质构分析
使用物性仪测定样品的硬度、弹性、回复性和胶着性。测试参数如下:探头类型为P/6,测前、测中和测试后速度均为1.0 mm/s,压缩应变40%,测试在室温[(25±1) ℃]下进行。测试至少重复3次。
1.3.5 色差测试
使用手持式色差仪测量打印样品的颜色,用L*, a*, b*和ΔE值来表示颜色。其中L*、a*、b*值分别表示亮度、红色和黄色的深浅,ΔE值表示随着发酵的进行,与初始色泽相比总色差的变化。平行测定不少于3次。
1.3.6 pH值测定
取不同发酵时间的打印样品2 g与8 mL蒸馏水混合并均质,使用pH计测定不同发酵时间打印样品pH值的变化。
1.3.7 微生物测定
本研究参考中国国家标准来测定样品中乳酸菌和霉菌的含量。霉菌的测定参考标准GB/T 4789.15—2016《食品微生物学检验 霉菌和酵母计数》。乳酸菌的测定参考标准GB/T 4789.35—2016《食品微生物学检验 乳酸菌检验》。
1.3.8 感官评价
参照翟红旭等[18]方法并稍作修改,以水蜜桃浆打印凝胶的结构、色泽、香气、酸度和口感为指标进行感官评价,评分标准如表1所示。
表1 感官评价标准
Table 1 Sensory evaluation criteria
因素评分标准评分/分结构(20分)层次分明、清晰,结构紧密完整18～20层次结构略有塌陷12～17层次断裂,结构不均匀,整体不成型0～12色泽(20分)颜色适中,光泽诱人18～20颜色偏红或偏紫,光泽偏亮或偏暗12～17颜色过红或过紫,光泽过于暗淡或明亮0～12香气(20分)桃香和发酵气味良好、适中18～20桃香偏淡或偏浓,发酵气味浓郁或偏少12～17香气不良,有异香 0～12酸度(20分)酸度适中18～20酸度偏高或偏低12～17酸度过高或过低0～12口感(20分)口感细腻,无明显颗粒感,软硬适中18～20口感偏硬或偏软,有轻微颗粒感12～17口感太硬或太软,颗粒感明显0～12
1.4 统计与分析
数据方差分析均采用IBM SPSS Statistics 26.0版进行。所有测量平行数量≥3次,检验样本平均值之间差异显著性(P <0.05)。绘图使用Origin 2021版软件。
2 结果与分析
2.1 不同马铃薯粉添加量对水蜜桃浆凝胶体系3D打印效果的影响
3D打印成型是4D打印的前提,但影响3D打印成型的关键因素其基础配方的流变性能和可打印性。凝胶体系的流动性能和支撑性较差时,都会导致打印的失败,如在打印过程中线条断裂、不连续和打印产品坍塌,失去模型原有特征等问题[19]。本研究首先采用水蜜桃模型探究凝胶体系的可打印型,研究不同马铃薯粉添加量对水蜜桃浆凝胶体系(不含花青素和乳酸菌)3D打印效果的影响,为后续4D打印提供打印凝胶体系配方。如图1所示,当马铃薯粉的添加量为10%时,凝胶体系的流动性能较好,但支撑性能较差,凝胶体系的线条无法支撑过多的物流堆积,使打印物变形严重,无法成型;随着马铃薯粉添加量的增加,凝胶体系流动性逐渐降低,但支撑性能增加,当马铃薯粉添加量为30%时,凝胶体系流动性过低,物料无法流畅连续挤出,线条断裂无法堆积,打印物不能成型;当马铃薯粉添加量为25%时,打印凝胶体系的流动性和支撑性能可以呈现完整的“桃子”模型,且打印物的稳定性较好,因此采用马铃薯粉添加量为25%进行后续4D研究。
图1 不同马铃薯粉含量对凝胶体系打印效果的影响
Fig.1 Effect of different potato flour contents on the printing effect of gel system
2.2 不同马铃薯粉含量对凝胶体系流变特性的影响
3D打印凝胶体系的流变特性与其打印特性密切相关,在食品3D打印过程中,合适的机械强度和支撑能力是凝胶体系打印成型的重要因素。而流变特性是衡量可打印性的一个重要指标,可以间接反映不同凝胶体系的挤出性能和支撑性能。因此进行黏度、储能模量、损耗模量和复合模量等流变学指标的测试是十分必要的。黏度和损耗模量主要影响物料的流动性能,而储能模量和复合模量则影响着物料的支撑性能[15]。黏度过大会使打印线条不连续、断裂,储能模量和复合模量过高则会导致油墨的流动性能变差,导致打印物偏离设计理论尺寸[17, 20]。但是,打印油墨黏度过低又会导致成分分离和喷嘴堵塞[21]。所以需要对水蜜桃浆凝胶体系的流变特性(储能模量、损耗模量和复合模量)进行表征(图2),选择合适的物料配方。结果表明,当马铃薯粉的添加量为10%～15%时,凝胶体系的黏度、储能模量和复合模量较低,这说明此比例的凝胶体系有着较高的流动性,但缺乏相应的支撑性;当马铃薯粉的添加量为30%时,凝胶体系的黏度、储能模量和复合模量较低,这说明此比例的凝胶体系有较好的支撑性能,但同时也表现出较差的流动性,这也导致了上述图1马铃薯粉的添加量为30%时的打印图片中,模型的打印不成形;当马铃薯粉的添加量为20%～25%时,此时的凝胶体系的储能模量、损耗模量和复合模量比较接近,凝胶体系的流动性和支撑性能综合考虑可以打印出完整的水蜜桃模型,可打印性能较好,但25%凝胶体系具备更好的支撑性能,打印过程中打印品质更稳定,模型的完整度更高。CHEN等[11]和陈晓欢[22]探究打印凝胶体系中乳酸菌的添加对打印凝胶体系和打印性能的影响,结果发现,乳酸菌的添加对打印凝胶体系的流变特性和打印性能没有显著影响,因此,本研究未考察色素和乳酸菌的添加对物料的流变特性的影响。
A-储能模量;B-损耗模量;C-复合模量;D-表观黏度
图2 不同马铃薯粉含量对凝胶体系流变特性的影响
Fig.2 Effect of different potato flour contents on the rheological properties of gel systems
2.3 发酵过程中水蜜桃浆凝胶体系颜色和pH值的变化
4D打印是在3D打印的基础上形成颜色、形状或营养的变化[10]。本研究使用含有乳酸菌的配方来打印32 mm×30 mm×35 mm的水蜜桃模型,然后进行发酵12 h处理。乳酸菌发酵诱导水蜜桃浆凝胶体系自发变色情况如图3所示。结果表明,在配方中加入乳酸菌后,随着发酵时间的延长(0～12 h),乳酸菌发酵产生乳酸,乳酸的大量产生使打印物pH值降低,水蜜桃浆凝胶体系中添加的紫薯花青素响应pH值变化,水蜜桃模型的颜色由紫逐渐变红[23]。
图3 乳酸菌发酵诱导水蜜桃浆凝胶体系的颜色变化实物图
Fig.3 Pictures of color changes in peach pulp gel system induced by lactic acid bacteria fermentation
通过对上述水蜜桃模型色差变化的测定,每2 h测定1次。测定结果如图4-A～图4-D所示,可以看出所有水蜜桃模型的a*值和b*值都在不断增加,a*值上升10.8,b*值上升6.7,L*值下降9.0,ΔE变化15.2,这也证明了水蜜桃浆凝胶体系发生了自发的颜色变化,随着发酵的进行,颜色由紫色转变为红色。这是因为凝胶体系中的花青素受到pH值的变化而发生了化学反应,使得花青素产生了颜色的变化[16, 23]。在凝胶体系中加入了乳酸菌,乳酸菌在适宜的生长条件,会随着时间延长呈现指数式增长,并在发酵时产生乳酸等代谢产物。乳酸的累积会改变凝胶体系的pH值,如图4-E所示,在发酵前后,凝胶体系的pH值由6.54降低至4.67,pH值的下降进而使花青素发生变色反应,并且这种变化会受到pH值的变化波动变得更加明显。
A-a*值;B-b*值;C-L*值;D-ΔE值;E-pH值
图4 发酵过程中水蜜桃浆凝胶体系颜色和pH值的变化
Fig.4 Changes in color and pH of peach pulp gel system during fermentation
注:不同字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.4 发酵过程中水蜜桃浆凝胶体系中乳酸菌和霉菌数量的变化
打印物的食用安全性十分重要,因此,需要对凝胶体系发酵过程中的微生物含量进行分析。除了验证乳酸菌的生长和代谢活动,食品中其他微生物的含量(如霉菌)也需要进行严格的把控。一般微生物的生长繁殖有一定规律性,典型的可分为延迟期、对数期、稳定期和衰亡期4个阶段[24],如表2所示,从发酵过程看,0～4 h初期阶段乳酸菌数量增长较为缓慢,4～10 h为乳酸菌生长的对数期,乳酸菌生长速度较快,而10～12 h,乳酸菌数量发生下降,可能原因是打印物内营养成分的消耗,造成部分乳酸菌的凋亡。
表2 发酵过程中水蜜桃浆凝胶体系中乳酸菌和霉菌数量的变化
Table 2 Changes in the number of lactic acid bacteria and molds in the gel system of peach pulp during fermentation process
注:测试数据用
表示;同列不同字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
发酵时间/h乳酸菌/(CFU/g)霉菌/(CFU/g)含水量/%0(6.17±0.17)×106 c8.33±4.99e58.74±0.79a2(6.77±0.25)×106 c6.33±1.25e57.84±0.29b4(7.23±0.09)×107 c12.67±3.30e57.33±0.26b6(9.53±0.21)×108 bc31.33±3.86bc56.77±0.11c8(11.00±0.22)×1010 a28.33±2.50cd55.45±0.21d10(13.10±0.24)×1010 a68.67±17.14b54.52±0.21e12(12.07±0.33)×109 ab157.33±22.20a53.51±0.11f
除了乳酸菌这类益生菌,还需要控制水蜜桃模型中的有害微生物数量,因为许多食品变质的重要原因就是霉菌数量超标,霉菌数量的超标会极大影响人们的生命健康安全,因此测量打印模型中的霉菌数量也是十分必要的,霉菌的数量虽然随着发酵时间的延长不断增长,到了12 h后甚至超过100 CFU/g,但受酸性环境的增强以及发酵的影响,霉菌生长总体较为缓慢。值得注意的是,乳酸菌在生长过程中还可产生乳酸菌素、抗生素和嗜酸菌素等抗菌物质,这些抗菌活性肽可以抑制其他有害微生物的生长繁殖,因此打印物中霉菌数量增长缓慢[25-26]。这与CHEN等[26]的研究结果相符。
2.5 发酵过程中水蜜桃浆凝胶体系质构的变化
食品的质构特性是打印产品可接受性的一个重要因素,质构分析可以通过测试模拟人们的感受来预测咀嚼过程中的可接受性,从而确定食物的咀嚼特性。图5为水蜜桃浆凝胶体系的质构特征,包括硬度、弹性、胶着性和回复性。硬度是指使样品变形所需的力,弹性表示样品抵抗形变的能力[27],而胶着性是指咀嚼半固体食品至可吞咽状态时所需的能量,回复性是影响咀嚼口感的重要因素[28]。发酵时间越长,模型的硬度、黏度、胶着性和回复性等指标变化越显著(P<0.05)。如图5所示,这些影响口感的质构特性的增加,一方面因为在发酵过程中乳酸菌生长所引起的质构变化[29],另一方面是在发酵所需的温度环境下和发酵过程中产生了大量的热量,这些热量导致模型中含水量下降,使得水蜜桃浆凝胶体系打印物的质构特性发生改变。
A-硬度;B-弹性;C-胶着性;D-回复性
图5 发酵过程中水蜜桃浆凝胶体系质构的变化
Fig.5 Changes in the texture of peach pulp gel system during fermentation process
2.6 感官评价
感官评价是影响产品销售量的重要指标之一,可以直接影响消费者的满意程度以及再消费的可能性。从表3中可以看出,随着发酵时间的延长,打印模型的感官评分呈现巨大的变化,尤其是发酵时间为8 h时的模型感官评分与其他发酵时间的感官评分呈现显著性的区别(P<0.05)。由表3可知,发酵对水蜜桃浆凝胶体系打印物的香气和口感具有较大的影响,当发酵到第8 h时,打印物的色泽、口感和香气的得分较高,综合评分最高。发酵时间过长,达到12 h时,从图3可以看出,打印物因为失水开始出现轻微细小的裂痕,这极大影响了打印物的感官评价。而当发酵时间不足时,一方面打印物的色泽变化不明显,另一方面口感和香气评价不高,导致综合评分不高;发酵时间过长使口感评分下降,可能是因为发酵产生大量乳酸导致口感偏酸,使得综合评分下降。
表3 发酵过程中水蜜桃浆凝胶体系感官品质的变化 单位:分
Table 3 Changes in sensory quality of peach pulp gel system during fermentation process
发酵时间/h结构分值色泽分值香气分值酸度分值口感分值总分011.4±2.1cd10.8±1.6c13.6±0.5b12.6±1.6c15.2±0.8c63.6±4.6e215.8±0.8a10.6±1.5c14.2±0.8b12.8±0.8c14.8±0.8c68.2±1.3cd414.4±1.2ab11.0±1.1c13.8±0.8b14.4±1.0b15.6±1.0bc70.4±3.0c615.6±1.0a13.8±0.8b16.2±0.8a15.4±1.2ab16.6±1.0ab78.8±2.5b816.1±0.9a16.4±1.0a16.6±0.5a16.8±0.8a17.8±0.8a84.6±1.7a1013.2±1.4bc16.2±1.0a16.4±1.0a15.6±0.8ab14.6±1.0c74.8±5.0b1210.6±1.5d15.2±1.2ab14.0±0.6b15.6±1.0ab10.4±1.0d65.8±3.5de
2.7 相关性分析
如图6所示,相关性分析结果表明,在发酵过程中,水蜜桃浆凝胶体系的色泽pH值与L*存在显著正相关(P<0.05),与a*值、b*值和ΔE存在显著负相关(P<0.05);发酵时间与pH值和L*值存在显著负相关(P<0.05),与a*、b*和ΔE值存在显著正相关(P<0.05),而感官评价与其他指标不存在显著关系。
图6 水蜜桃浆凝胶体系发酵时间、色泽、pH和感官评价之间的相关性分析
Fig.6 Correlation analysis of fermentation time, color, pH, and sensory evaluation of peach pulp gel system
注:SE表示感官评价(sensory evaluation)。
3 结论与讨论
本文将水蜜桃浆与马铃薯粉、黄原胶、海藻酸钠复配成适合打印的凝胶体系,添加天然花青素和乳酸菌发酵剂构建4D打印凝胶体系,通过乳酸菌发酵诱导凝胶体系色泽改变,制造了一种4D打印健康食品。当马铃薯粉的添加量为25%时,凝胶体系具有良好的流动性和支撑性能,打印效果最佳;花青素和乳酸菌的添加,使凝胶体系在发酵过程中,颜色实现了由紫到红的转变,这与乳酸菌的发酵和数量密切相关;质构特性包括硬度、弹性、胶着性和回复性都有所增加,有害微生物霉菌的生长变化相对乳酸菌较缓慢,这可能是因为受到乳酸菌发酵的影响。该研究为丰富食品自发变色的4D打印技术提供了一定的理论参考和依据。
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