崔然然,韓晨瑞,孫慧娟,呂林祥,宋弋*

1(國家果蔬加工工程技術(shù)研究中心, 北京,100083)2(農(nóng)業(yè)部果蔬加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京,100083)3(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院, 北京,100083)

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù),其原理是通過逐層打印、堆積成形方式打印出預(yù)先設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)[1]。3D打印技術(shù)因其極強(qiáng)的可操作性而被廣泛應(yīng)用于航空航天[2]、醫(yī)學(xué)[3]、無人機(jī)[4]等各個領(lǐng)域。3D打印技術(shù)省去了模具的制造以及配件的拼接組合,節(jié)省了固定成本并簡化了操作流程[5],使其在小規(guī)模生產(chǎn)和個性化的定制方面更具經(jīng)濟(jì)性,極具也使得其在未來的工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展?jié)摿6]。正因如此,3D打印技術(shù)也被人們視為第4次工業(yè)革命的開始。

由于對產(chǎn)品可食用性的要求,超高溫、交聯(lián)劑等都不能應(yīng)用于食品3D打印過程中。食品3D打印材料的開發(fā)目前主要考慮3個方面的特性,即可打印性、應(yīng)用性和后處理性[7]。其中,應(yīng)用性和后處理性直接與產(chǎn)品的商用價值掛鉤,而食品材料的流變特性則直接決定了產(chǎn)品的可打印性,并影響著打印后樣品的形狀保真度和分辨度[8]。據(jù)此,食品3D打印材料現(xiàn)階段主要分為兩大類,即傳統(tǒng)食品材料和非傳統(tǒng)食品材料[9]。傳統(tǒng)食品材料包括巧克力、芝士、奶油等可直接用于3D打印的材料,以及需要添加一些添加劑來改善材料流變特性的果蔬泥、土豆泥等；非傳統(tǒng)食品材料則主要包括昆蟲、海草等,這些材料的開發(fā)有助于拓寬現(xiàn)有食品原料來源,為食品3D打印注入新的靈感。

山楂屬薔薇科,富含果膠、膳食纖維、礦物質(zhì)、維生素等,是優(yōu)質(zhì)的營養(yǎng)來源[10]。山楂中果膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為鮮重的6.4%[11],具有良好的凝膠和乳化特性[12],其儲能模量(G′)是市售果膠的3倍左右[13]。海藻酸鈉是一種天然多糖,具有良好的穩(wěn)定性、溶解性和安全性,在食品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,在Ca2+條件下可形成穩(wěn)定的熱不可逆凝膠。黃原膠具有良好的水溶性,與多種鹽類有很好的相容性,是一種高效的增稠劑。此外,黃原膠具有突出的假塑性,在高剪切下黏度顯著下降，有助于3D過程中樣品從噴嘴中擠出。魔芋膠則由于分子結(jié)構(gòu)平滑,在與其他增稠劑復(fù)配后通過次級鍵結(jié)合的方式產(chǎn)生協(xié)同作用,有益于凝膠結(jié)構(gòu)的改善[14]。因此,本研究以山楂為原料,研究海藻酸鈉、黃原膠和魔芋膠對山楂醬打印效果、質(zhì)構(gòu)及流變特性的影響,以期為食品3D打印材料的開發(fā)提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮的山楂果實(shí)(產(chǎn)地沂蒙山)；白砂糖(食品級),北京二商集團(tuán)；黃原膠、魔芋膠、海藻酸鈉,均為食品級,純度都為99%,南通添香生物工程有限公司；CaCl2、檸檬酸、乙醇、酚酞、NaOH、鹽酸,均為分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑北京有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SHINNOVE-S1多功能3D打印機(jī),中國杭州時印科技有限公司；JYL-C022E打漿機(jī),中國九陽股份有限公司；FE28 pH計(jì)、ME204E分析天平,瑞士METTLER TOLEDO集團(tuán)；T18高速勻漿機(jī),德國IKA；DR-A1阿貝折射儀,日本ATAGO公司；LLC TA質(zhì)構(gòu)儀,美國TA儀器有限公司；DHR-2流變儀、NMRC12-010V低場核磁共振分析儀,中國蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；S-4800FE掃描電子顯微鏡、CR21GII高速冷凍離心機(jī),日本日立股份有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 山楂醬的制備

挑選新鮮、無病蟲害的山楂果實(shí),參考CUEVAS-BERNARDINO等[12]的方法測定果膠的酯化度。清洗、去核、去梗后,加水沒過山楂,煮沸3 min,充分軟化,加入山楂質(zhì)量15.8%的水,趁熱打漿,60目的篩網(wǎng)過濾。在濾后的果漿中加入凝固劑CaCl2、白砂糖及增稠劑(分別為0.1%的黃原膠、魔芋膠、海藻酸鈉,不同比例以及添加量的復(fù)配增稠劑),隨后經(jīng)沸水浴加熱濃縮約10 min,并實(shí)時取出少量樣品用折光儀測定當(dāng)前樣品的可溶性固形物含量,直至加熱濃縮至(15±0.1)%時停止加熱,攪拌均勻,室溫冷卻。將濃縮后的醬在8 600 r/min下高剪切1 min,裝入50 mL離心管中,12 000 r/min下離心10 min,除去醬中的部分氣泡,即制得用于3D打印的山楂醬。

1.3.2 3D打印

打印模型為10 mm×10 mm×10 mm的正方體,打印參數(shù)為噴嘴高度1.2 mm、噴嘴直徑0.6 mm、打印速度30 mm/s、打印層高0.5 mm。每種山楂醬進(jìn)行3次打印,得到3個打印樣品。

1.3.3 流變學(xué)特性測試

分別對不同組的山楂醬樣品進(jìn)行剪切掃描和小振幅振蕩頻率掃描。在25 ℃下,剪切掃描的剪切速率范圍為0.1～100 s-1,用RheoWin 4 Data Manager(Rheology Software,Thermo Fisher Scientific)記錄樣品黏度隨剪切速率變化的數(shù)據(jù)。采用小振幅振蕩頻率掃描表征樣品的動態(tài)黏彈性特性。在25 ℃、0.1%的應(yīng)變下,振蕩頻率范圍為0.1～100 rad/s,分別記錄彈性模量(G′)、損耗模量(G″)和損耗正切(tanδ=G″/G′)。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)特性測試

采用TPA模式測定不同山楂醬的質(zhì)構(gòu)特性,物性分析儀設(shè)置為：TA5型探頭,TA-RT-KIT型夾具,目標(biāo)值4.0 mm,負(fù)載0.067 N,試驗(yàn)前速度5 mm/s,測試速度0.50 mm/s,循環(huán)次數(shù)2。

1.3.5 微觀結(jié)構(gòu)觀察

將不同組山楂醬打印的立方體冷凍干燥48 h,隨后將其從中間斷裂,表面噴金,在10.0 kV 的加速電壓下,利用掃描電子顯微鏡對立方體截面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

1.3.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Origin 2019對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析作圖,采用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素的方差分析,顯著性分析水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同增稠劑對山楂醬的影響

實(shí)驗(yàn)測定山楂原料的酯化度為65.31%,即果膠分子中有65.31%的羧基被甲酯化,因此確定果膠屬于高甲氧基果膠(酯化度>50%)。綜合考慮糖添加量對產(chǎn)品黏稠度及口感的影響,分別通過阿貝折射儀和pH計(jì)確定山楂醬的可溶性固形物含量為(15±0.1)%,pH為2.80。此外,添加1.6 g/kg的CaCl2可促進(jìn)不同果膠分子上的游離羧基通過Ca2+來形成果膠分子間的交聯(lián),增強(qiáng)凝膠網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度,從而有利于山楂醬從3D打印噴嘴中擠出后的成型過程[15]。

凝膠是一種介于固體和液體之間的物質(zhì),既具有固體的彈性又具有液體的黏性[16]。這也是山楂醬從打印噴嘴擠出后具有流動性，同時又能夠維持自身結(jié)構(gòu)支持性的原因。因此對山楂醬流變特性的分析,有助于預(yù)測和分析其打印效果。如圖1所示,各組山楂醬儲能模量(G′)和損耗模量(G″)都隨角頻率的增加而升高,且在整個頻率掃描過程中,G′始終高于G″。添加海藻酸鈉處理組的G′和G″高于其他各組,可能是由于Ca2+的存在，海藻酸鈉分子間形成了“蛋盒模型”[17],以及海藻酸鈉分子中β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸的羧基與山楂果膠中D-半乳糖醛酸的羧基可能通過Ca2+橋聯(lián),使得山楂醬的G′和G″得到了提高。相較于空白組,添加黃原膠或魔芋膠的處理組的G′和G″都有不同程度地降低,這可能是由于黃原膠和魔芋膠屬于非凝膠型增稠劑[18]。此外,黃原膠是由D-葡萄糖、D-甘露糖與D-葡萄糖醛酸、魔芋膠則是由D-甘露糖與D-葡萄糖組成,兩者羧基含量較少或不含羧基。所以黃原膠或魔芋膠與山楂中果膠之間主要依靠氫鍵的作用結(jié)合,而果膠分子與其他分子的氫鍵結(jié)合可能導(dǎo)致自身運(yùn)動受阻,從而抑制了果膠分子通過Ca2+交聯(lián)的過程,使得樣品的黏彈性有所下降。各組的tanδ也都隨角頻率的增加而下降,且整體趨勢基本相近。此外,各組的tanδ值都小于1,表明各樣品的黏彈性傾向于彈性,即表現(xiàn)為固體性質(zhì)[19],這有助于提升打印后樣品的自我支撐能力。由圖1-c可知,添加海藻酸鈉組樣品的tanδ低于其他各組,表明相對其他各組,添加海藻酸鈉組的樣品更傾向于固體。各組的黏度隨剪切速率變化的趨勢基本相同,都是隨剪切速率的提高,黏度呈現(xiàn)下降趨勢,說明樣品為非牛頓流體,具有剪切稀化的特性,有利于其從打印噴嘴處擠出。

a-儲能模量；b-損耗模量；c-tanδ；d-黏度圖1 不同增稠劑對山楂醬流變特性的影響Fig.1 Effects of different thickeners in rheological properties of hawthorn jam

由圖2-a可知,空白組樣品在打印過程中有明顯的拖絲現(xiàn)象,這可能是由于其黏附性較差,不能穩(wěn)定地沉積粘附在前一層已打印的結(jié)構(gòu)上,打印成型的立方體雖具有自我支撐的性質(zhì),但樣品發(fā)生一定程度的塌陷,立方體后方和左方可以觀察到明顯的彎折失真,各棱角都有不同程度的缺失。向樣品中添加黃原膠或魔芋膠后,打印效果有了明顯的提升(圖2-b、2-c)。打印過程中,添加了黃原膠或魔芋膠的處理組擠出連續(xù),無拖絲現(xiàn)象；打印出的立方體結(jié)構(gòu)完整,棱角分明,具有良好的自我支撐能力,但黃原膠組的立方體有輕微的塌陷現(xiàn)象(圖2-b),魔芋膠組則有輕微收縮(圖2-c),與之前的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)魔芋膠具有提高醬打印效果的報(bào)道一致[20]。而添加了海藻酸鈉的山楂醬,在打印時雖然擠出較連續(xù),但擠出脹大現(xiàn)象明顯[21],導(dǎo)致了其打印出的立方體塌陷變形,打印效果表現(xiàn)最差(圖2-d)。

a-空白；b-黃原膠；c-魔芋膠；d-海藻酸鈉圖2 增稠劑種類對3D打印產(chǎn)品影響的示意圖Fig.2 Images of 3D printing products with different thickeners

食品的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)決定了人們對食物的接受程度[22]。其中,硬度是指樣品達(dá)到一定程度變形所需的力,如果醬硬度過大,則會出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象,影響醬組織狀態(tài)[23]。內(nèi)聚性是指樣品內(nèi)部的收縮力,膠著性則是用于表示破碎半固體樣品時所需要的能量[24]。咀嚼性表示咀嚼固體樣品時所需要的能量,它能影響人們對食物的可接受性,尤其是對于老人等特殊人群,咀嚼性是首要考慮的要素之一[25]。

如表1所示,不同增稠劑3D打印樣品間硬度性差異不顯著(P>0.05),說明增稠劑的添加并不會影響樣品的硬度。當(dāng)添加了黃原膠后,樣品的內(nèi)聚性和咀嚼性顯著低于其他各組(P<0.05),而其他各組之間卻不存在顯著差異(P>0.05)。添加黃原膠的樣品膠著性顯著低于空白組(P<0.05),這可能是由于黃原膠的弱凝膠性,導(dǎo)致添加黃原膠后的山楂醬打印出的立方體的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)與其他各組相比有所下降[26]。

表1 不同增稠劑種類對3D打印樣品的質(zhì)構(gòu)特性影響Table 1 Effect of the different thickeners in the textural properties of 3D printed samples

鑒于以上結(jié)果,黃原膠和魔芋膠的添加都明顯提升山楂醬的打印效果,且在一定條件下,二者復(fù)配也可以得到凝膠,并隨著不同的添加比例,有著不同的協(xié)同增效作用[27]。因此,后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用黃原膠和魔芋膠作為復(fù)配增稠劑。

2.2 復(fù)配增稠劑比例對山楂醬的影響

由圖3可知,向山楂醬添加不同比例的黃原膠和魔芋膠后,各組的G′和G″隨角頻率的增加逐漸上升然后趨于穩(wěn)定,與空白組的趨勢基本相近。隨黃原膠的占比升高,G′和G″也表現(xiàn)出下降的趨勢。此外,黃原膠和魔芋膠的質(zhì)量比為9∶1時,G′和G″都明顯低于其他各組,導(dǎo)致其在打印過程中出現(xiàn)了斷層,且打印后的產(chǎn)品發(fā)生了塌陷。不同比例的復(fù)配增稠劑組和空白組的tanδ也都隨著角頻率的上升而呈下降趨勢,且tanδ始終小于1,表明樣品呈現(xiàn)出固體的性質(zhì)。各組的黏度與剪切速率之間呈負(fù)相關(guān),且趨勢基本相同,都表現(xiàn)出良好的剪切變稀的特性。

a-儲能模量；b-損耗模量；c-tanδ；d-黏度圖3 復(fù)配增稠劑比例對山楂醬流變特性的影響Fig.3 Effects of different compound ratio of thickener on rheological properties of hawthorn jam

空白組在打印過程中出現(xiàn)了斷絲,可能是由于過高G′導(dǎo)致擠出困難而斷絲,終打印出的立方體出現(xiàn)斷層(圖4-a)。在5∶5的質(zhì)量比下,打印初期由于拖絲嚴(yán)重,導(dǎo)致打印的立方體下寬上窄,但無斷層。黃原膠和魔芋膠質(zhì)量比分別為9∶1和3∶7的兩組打印效果類似,在打印中期出現(xiàn)斷絲,導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的斷層,立方體的下部還發(fā)生了一定程度的塌陷(圖4-d、4-e)。黃原膠和魔芋膠質(zhì)量比為3∶7組斷絲原因可能和空白組相同,由于G′值過高而斷絲；而9∶1組則可能是由于G″過低導(dǎo)致擠出不連續(xù)而斷絲。但當(dāng)黃原膠和魔芋膠質(zhì)量比為7∶3時,打印出的立方體各結(jié)構(gòu)表現(xiàn)清晰,無斷層,打印效果最佳。

a-空白；b-3∶7；c-5∶5；d-7∶3；e-9∶1圖4 復(fù)配增稠劑比例對3D打印產(chǎn)品影響的示意圖Fig.4 Images of 3D printing products with different compound ratio of thickener

由表2可知,添加了復(fù)配增稠劑的醬與空白組相比,在內(nèi)聚性、膠著性和咀嚼性上雖略有不同,但都無顯著差異(P>0.05),因此,可認(rèn)為不同增稠劑比例對樣品的質(zhì)構(gòu)特性影響并不突出。值得注意,黃原膠和魔芋膠之比分別為9∶1和3∶7組和空白組相較于其他各組硬度值偏高,其對應(yīng)在打印過程中也都有發(fā)生斷絲現(xiàn)象。

表2 復(fù)配增稠劑比例對3D打印樣品的質(zhì)構(gòu)特性影響Table 2 Effect of the different compound ratio of thickener in the textural properties of 3D printed samples

綜上所述,黃原膠與魔芋膠的添加質(zhì)量比例為7∶3時,具有最佳的打印效果,其各項(xiàng)質(zhì)構(gòu)特性與空白組間都不存在顯著差異。因此,選擇黃原膠與魔芋膠的質(zhì)量比例為7∶3進(jìn)行后續(xù)復(fù)配增稠劑實(shí)驗(yàn)比例。

2.3 復(fù)配增稠劑添加量對山楂醬的影響

不同添加量的復(fù)配增稠劑對樣品流變特性的影響如圖5所示。相較于空白組,其他處理組的G′和G″都呈現(xiàn)出不同程度的下降,且隨添加量的增加,G′和G″呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。當(dāng)復(fù)配增稠劑的添加量為0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),樣品具有最小的G′和G″,且具有最好的打印效果。各組的tanδ都隨角頻率的增加而呈下降趨勢,且始終小于1。各組黏度隨剪切速率的變化趨勢大體相近,都是呈現(xiàn)降低的趨勢,表現(xiàn)出剪切稀化的特性。

a-儲能模量；b-損耗模量；c-tanδ；d-黏度圖5 不同增稠劑添加量對山楂醬流變特性的影響Fig.5 Effects of different addition of thickener in rheological properties of hawthorn jam

由圖6可知,復(fù)配增稠劑的添加量為0.05%時,打印過程中發(fā)生了斷絲,導(dǎo)致立方體2個頂角缺失。添加量達(dá)到0.15%時,擠出時斷時續(xù),上表面呈顆粒狀,打印成型的立方體有較明顯的塌陷。添加量為0.1%時,醬從噴嘴中擠出連續(xù)、無斷絲現(xiàn)象,所打印出的立方體邊緣整齊、棱角分明、表面光滑、無任何塌陷和變型。綜上所述,最佳的復(fù)配增稠劑添加比例為0.1%。

由表3可知,僅當(dāng)復(fù)配增稠劑的添加量為0.05%時,樣品的內(nèi)聚性為1.250,顯著高于空白組(P<0.05),而各組在其他質(zhì)構(gòu)特性方面則差異不顯著(P>0.05)。因此可認(rèn)為復(fù)合增稠劑的添加對于山楂醬的質(zhì)構(gòu)特性的影響也不明顯,即使在添加了復(fù)配增稠劑后仍能基本維持原有山楂醬的質(zhì)感。

a-空白；b-0.05%；c-0.1%；d-0.15%圖6 復(fù)配增稠劑添加量對3D打印產(chǎn)品影響的示意圖Fig.6 Images of 3D printing products with different addition of compound thickener

表3 不同添加量對3D打印樣品質(zhì)構(gòu)的影響Table 3 Effect of different addition of thickener in the textural properties of 3D printed samples

綜上,只有當(dāng)山楂醬能夠連續(xù)從噴嘴中擠出并附著在先前的打印層上形成穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)[28],才能形成良好的打印效果。此外,增稠劑的添加對于山楂醬的流變性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在G′和G″的變化,適當(dāng)?shù)慕档涂瞻捉M的G′和G″有助于提高打印效果,但如果G′和G″值過低則會導(dǎo)致打印樣品失真、塌陷和斷層等現(xiàn)象的發(fā)生。增稠劑的添加對于tanδ雖略有影響,但tanδ始終<1,即各組樣品都表現(xiàn)為固體性質(zhì)；而增稠劑的添加對于黏度幾乎無影響,各組都表現(xiàn)出相似的趨勢和剪切稀化的特性。因此,根據(jù)以上打印效果,確定復(fù)配增稠劑黃原膠與魔芋膠的添加質(zhì)量比例為7∶3,添加量為0.1%。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)

山楂醬的凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是決定產(chǎn)品的持水力、強(qiáng)度和流變特性等諸多特性的重要因素[29]。添加了不同增稠劑、復(fù)配增稠劑(7∶3)和空白組打印后樣品的掃描電鏡圖像如圖7所示。相對于空白組的松散稀疏的凝膠網(wǎng)絡(luò),添加了黃原膠和魔芋膠后都使結(jié)構(gòu)更加致密。

a-空白；b-黃原膠；c-魔芋膠；d-海藻酸鈉；e-復(fù)配增稠劑圖7 不同增稠劑下冷凍干燥后3D打印產(chǎn)品的掃描電子顯微鏡圖Fig.7 SEM images of freeze-dried 3D printing product with different type of thickener

海藻酸鈉的添加使得凝膠內(nèi)部出現(xiàn)較大的空洞,可能是由于樣品內(nèi)部水分分布不均勻以及由于壁層較薄,使得冷凍干燥的過程中凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)水分的大量蒸發(fā),造成了凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞[30],這也是添加海藻酸鈉組3D打印樣品結(jié)構(gòu)失真的原因。由圖7-e可知,復(fù)配增稠劑組的凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密,而且相較于僅單獨(dú)添加黃原膠或魔芋膠組,凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也得到了增強(qiáng),這與先前得到的打印效果一致。

3 結(jié)論

海藻酸鈉的添加會導(dǎo)致山楂醬3D打印樣品的斷層和塌陷,而黃原膠和魔芋膠的添加有利于山楂醬打印效果的提升。當(dāng)黃原膠與魔芋膠質(zhì)量比例為7∶3,添加量為0.1%時,山楂醬具有最佳的打印效果。增稠劑種類、配比以及添加量對于打印后樣品的質(zhì)構(gòu)特性基本無太大影響,各組仍能保持原山楂醬的質(zhì)地。而G′和G″會受到增稠劑種類、配比及添加量的影響,通過添加增稠劑的方式,適當(dāng)降低空白組的G′和G″將有助于提高打印效果,但過低的G′和G″則會導(dǎo)致打印樣品失真、塌陷和斷層等現(xiàn)象的發(fā)生。