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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。目前市场上主要鸡肉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打印鸡肉产品更能激发消费者的购买欲望。
南京农业大学食品科学技术学院，肉品加工与质量控制教育部重点实验室，江苏高校肉类生产与加工质量安全控制协同创新中心的杨耿涵、韩 瑜、徐幸莲*等以鸡胸肉糜为主要原料，研究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，对产品蒸煮品质进行评价，以期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。
01
流变特性分析
明胶对鸡肉糜凝胶表观黏度的影响
由图1可以看出，当剪切速率在0.1～1 s-1范围内，鸡肉糜凝胶表观黏度显著下降；当剪切速率从1 s-1继续增大至10 s-1时，表观黏度下降速率逐渐变慢，曲线趋于平缓；当剪切速率继续增大，黏度趋于0 Pa·s，鸡肉糜凝胶越来越接近牛顿流体。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均具有相似的剪切变稀现象。
明胶对鸡肉糜凝胶动态流变特性的影响
由图2A可以看出，0%明胶组的G’呈角频率依赖性。随着明胶添加量的增加，G’的角频率依赖性逐渐减弱，且G’也相应增加，说明添加明胶增强了物料的胶凝性，及鸡肉糜凝胶的机械强度，有利于打印后的物体保持形状。结合图2A、B可知，随明胶添加量的增加，鸡肉糜凝胶G’和G″均呈上升趋势，且各组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。
02
打印成型效果分析
结合图3和表1可知，打印后0 min和30 min的高度随明胶添加量的增加而逐渐接近模型预设高度（31.65 mm），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增强体系的机械强度：一方面，小部分明胶分子通过氢键与肌原纤维蛋白交联，提高了鸡肉糜凝胶的胶凝特性；另一方面，明胶分子均匀分散在肌原纤维蛋白凝胶体系中，通过自身胶凝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方式。当明胶添加量达到4%以上时，模型的塌陷程度无显著性差异（P＞0.05），成型精度也随之下降。
03
明胶对3D打印鸡肉糜凝胶凝胶强度的影响
如图4所示，随明胶添加量的增加，打印样品的凝胶强度显著提升。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网络中，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。
04
明胶对3D打印鸡肉糜凝胶水分状态分布的影响
如图5所示，3D打印鸡肉糜凝胶的3种弛豫峰集中在1～10（T21）、10～100（T22）、100～1 000 ms（T23），分别代表结合水、不易流动水和自由水。水分T2越短，说明其流动性越差；峰面积越小，说明该状态水分含量越少。结合表2可知，各组T21和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分布。当明胶添加量为2%～4%时，T2和A2均较未添加明胶时有所降低，但无显著差异（P＞0.05），在打印过程中表现为流动性下降。
05
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明显不同。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，使打印后形状更容易塌陷。添加2%和4%明胶使体系凝胶网络结构变得紧密。明胶分子渗透进肌原纤维蛋白网络中，通过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。
06
3D打印鸡肉糜制品蒸煮品质评价
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3DP样品的蒸煮损失均显著高于MS样品（P＜0.05）。Liu等研究发现，在3D打印挤出过程中，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，喷嘴内部的压力对肉糜凝胶产生一定剪切效应，肉糜内部颗粒间的黏合被破坏，这使得肉中物质变得非常容易流失。在蒸煮时，肉蛋白变性展开，活性基团暴露，蛋白分子间相互交联结合，导致凝胶网络内部空间缩小，加快了肉中水、蛋白质等营养物质的流失，导致产品干质量下降。
3D打印对鸡肉糜制品质构特性的影响
如表3所示，蒸煮前，3DP样品的凝聚力显著低于MS样品（P＜0.05）。这是因为3DP样品层与层之间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样品经模具压制，内部密度较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。煮制后，3DP样品的硬度、凝聚力和咀嚼性均较MS样品大（P＜0.05），可能是3DP样品更为有序的内部结构在经煮制后获得了更强的支撑能力。
结 论
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，随明胶添加量的增加，鸡肉糜的表观黏度、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，过量添加明胶（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打印制品蒸煮损失较高，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。
本文《明胶对鸡肉糜3D打印成型稳定性的影响》来源于《食品科学》2022年43卷12期51-57页，作者：杨耿涵，韩瑜，陶阳，朱筱玉，徐幸莲。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20210719-210。
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