明膠-葡萄皮紅色素基可食性油墨的制備及應用

劉維維，馬良,2，張宇昊,2*，王洪霞,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(西南大學,發光分析和分子傳感教育部重點實驗室，重慶，400715)

油墨對于傳遞信息、裝潢包裝、提升產品價值等方面有舉足輕重的作用。目前, 我國油墨行業呈現多元化的發展態勢，傳統油墨因含有香烴溶劑和揮發性有機化合物廣受爭議，在號召發展低碳經濟、推廣綠色環保、倡導可持續發展的今天，環保油墨正日益成為油墨業和印刷業的共識。環保型油墨是對已有的油墨進行優化處理、對其中的污染和有害部分進行替換的一種達到環保要求的油墨。其中，可食性油墨尤為突出，其制備主要涉及連接料、色料、助劑等成分。

明膠作為膠原(來源于豬、牛、魚)部分水解得到的蛋白[1-2]，具有可食性、分散性、生物相容性、可降解性、成膜性、表面活性等優良理化性質，在食品中應用廣泛，如澄清劑(飲料)、乳化劑(乳制品)、穩定劑(冰淇淋)、改良劑(肉制品)、成膜劑(糖衣)、增稠劑(罐頭)等。在食品制造中，明膠因其優良的性質可應用于3D打印中[3-5]；同時因其在水溶液中具有一定黏度、成膜性、負載性[6-7]，明膠水溶液可以作為連接料分散色素、制備油墨、促進油墨2D印刷[8]。明膠在水中具有三維螺旋結構，明膠鏈之間相互交叉并與空隙間的水形成三維網絡結構[9]，干燥后有利于形成光滑的墨膜。中國葡萄產業快速發展，如今已經成為世界葡萄生產大國[10]；葡萄的出皮率在 20%～25%，其色素提取與綜合利用已成為企業和研究者們常探索的問題，葡萄皮提取物(葡萄皮紅色素)主要含有花色苷和黃酮等物質，成品為紅紫色且有葡萄香味。

目前，國內在明膠-色素提取物基可食性油墨方面的研究報道較少，相關實際應用也不夠成熟。因此，本文提出制備一種明膠-葡萄皮紅色素基可食性油墨，采用高速球磨法制備油墨，采用紅外光譜儀和差示掃描量熱儀分析油墨的結構和特點，并考察分析油墨的流變性和印刷潛力，為其在食品工業及印刷行業中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

明膠 (分析純)，Aladdin上海阿拉丁生化科技股份有限公司；葡萄皮紅色素，實驗室自提；蔗糖(分子質量342.29 Da)，成都市科龍化工試劑廠；純水，分析純。

1.2 儀器與設備

JA3003B型電子天平，上海精天電子儀器有限公司；HH-4數顯恒溫攪拌水浴鍋，上海新諾儀器設備有限公司；立式半圓形行星球磨機，長沙天創粉末科技有限公司；FD-1A-50型真空冷凍干燥儀，北京博伊康實驗儀器有限公司；Spectrun100紅外光譜儀、差示掃描量熱儀，美國PerkinElmer公司；UltraScan PRO測色儀，美國Hunter Lab公司；Mastersizer 3000激光粒度儀，英國馬爾文儀器公司；SU3500掃描電子顯微鏡，日本日立；MCR302型流變儀，奧地利安東帕公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

采用馬海燕等[11]的1%鹽酸甲醇法提取葡萄皮紅色素；將明膠加入純水中，在常溫下靜置60 min使明膠吸水溶脹，后水浴加熱，機械攪拌均勻(400 r/min，0.5 h)，制備得到7%(質量分數)的明膠溶液(標為GE)。將不同質量的葡萄皮紅色素粉末加入50 mL的明膠溶液中機械攪拌(400 r/min，0.5 h)，隨后加入添加劑蔗糖(0.4%，質量分數)，高速球磨(450 r/min，球磨2 h)使其復合充分。根據油墨中葡萄皮紅色素的含量(6%、10%、14%、18%和22%)，將樣品分別標為GE-MA1、GE-MA2、GE-MA3、GE-MA4和GE-MA5。

1.3.2 傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR)

取1～2 mg干燥樣品覆蓋于紅外光譜儀檢測孔上進行FTIR測定。掃描范圍4 000～500 cm-1，分辨率 4 cm-1，掃描次數32次。

1.3.3 色差

利用Ultra Scan PRO色差儀對油墨樣品進行色差測定(由于GE-MA5產生了沉淀，黏附于底部，為了使色差準確，搖勻后統一對底部樣品進行了色差測試)，分別記錄L、a、b值。在與顏色感覺一致的均勻顏色空間內，2個顏色樣品之間的色差表示為其坐標點之間的距離，計算如公式(1)[12]所示：

(1)

式中：ΔE代表顏色差，ΔL，Δa和Δb分別是2個樣品的坐標值之差。

1.3.4 粒徑

采用Mastersizer3000激光粒度儀測定樣品的粒徑，將樣品放于振蕩器搖床表面，在170 r/min速度下處理30 min。隨后采用吸管吸取樣品(上層溶液)加入裝有純水的燒杯中(至質量分數為0.1 g/kg)，置于粒度儀測試區域，待遮光度顯示 8%～20%時進行測定。色素折射率1.351，水折射率1.333，攪拌速度2 400 r/min，遮光度范圍 8%～20%。重復測定3次，取平均值。

1.3.5 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)

將油墨樣品進行冷凍干燥，隨后對樣品表面噴金60 s，在10 kV 高真空模式下，對其表面形貌進行表征記錄。

1.3.6 差示掃描量熱儀(differential scanning calorimetry，DSC)

稱取 3～4 mg 的粉末樣品加入密封的鋁坩堝中，在掃描溫度25～180 ℃、掃描速率10 ℃/min條件下利用DSC探究油墨的熱穩定性質，每個樣品平行測試4次。

1.3.7 流變特性

使用安東帕流變儀探究樣品的流變性，采用CP-25錐板(直徑25 mm)、BC 12.7探頭、間距0.106 mm，測定油墨的黏度、三階段觸變性。

剪切速率掃描：在25 ℃下，利用剪切速率0.01～100 s-1探究油墨黏度行為，同時用Power-law模型對黏度數據進行擬合,如公式(2)所示。

ηa=kγn-1

(2)

式中：ηa為表觀黏度，Pa·s；γ表示剪切速率，s-1；k表示稠度系數，Pa·sn；n為流體行為指數。

三階段觸變性測試(3 interval thixotropy test，3ITT)：在25 ℃下，樣品先在1 s-1的恒定剪切速率下預剪切30 s。隨后，第一階段，通過剪切速率0.1 s-1對樣品剪切40 s；第二階段，利用剪切速率300 s-1對樣品剪切10 s；第三階段，采用剪切速率0.1 s-1對樣品剪切80 s。

1.3.8 印刷感觀評分

取適量樣品在A4紙上進行同一圖案或不同圖案的絲網印刷，對印刷效果進行感官品質評定，挑選10人為評定小組對成品進行評分，滿分為10分取平均值為最終感官評定得分。評分標準見表1。

表1 印刷效果感官評分標準表

1.3.9 數據分析與處理

采用Microsoft Excel進行數據整理；采用Origin pro 2018進行圖片繪制、數據擬合和誤差分析；所有樣品平行實驗 3 次。

2 結果與分析

2.1 FTIR分析

圖1 油墨紅外光譜

2.2 色差分析

圖2-a為基于不同色素濃度的油墨樣品，肉眼可見明膠溶液幾乎澄清透明，色素添加后，溶液變紅；隨著濃度的增加，紅色加深。在CIE Lab色差體系中，L代表亮度，a代表紅綠度(正值代表顏色偏紅，負值代表顏色偏綠)，b代表黃藍度(正值代表顏色偏黃，負值代表顏色偏藍)。由圖2-b～圖2-d可以看出，隨著色素濃度的增加，L值和a值在增大，b值為負值且在減小, 可以看出色素濃度對油墨顏色有一定影響，增加色素濃度會使油墨亮度增加且偏紅和偏藍。由色差公式[12]計算出色差值(以GE-MA1為基準)，油墨的ΔE值分別為1.57、2.92、5.26和8.24，根據人們對色差系統分析的定義可知[16]，當ΔE<1.5時，不易被人眼察覺；當ΔE>3時，會有相當顯著的差異，因此色素濃度越高，色差越明顯。測試結果也為后續可能的實際可食性油墨生產提供一定顏色借鑒和對比數據。

a-油墨樣品；b-油墨L值；c-油墨a值；d-油墨b值

2.3 粒徑分析

如圖3所示，隨著葡萄皮紅色素濃度的提高，尤其是色素含量達18%(質量分數)時，其粒徑顆粒增加至75.5 μm 左右，粒徑明顯變大，即GE-MA4的D(3, 2)最大；隨著濃度繼續增加，GE-MA5的粒徑無法測定。這是由于當色素添加量較少時，色素與明膠復合分散于溶液中，包覆的色素含量較少，致使復合物粒徑較小；但是隨著色素含量的增加，色素之間相互碰撞發生聚集，從而導致復合物的粒徑逐漸變大；當色素高于一定比例時(GE-MA5的色素含量高達22%)，色素聚集過大，在重力作用下沉淀，測得粒徑降低，這與蔣天艷等[17]的研究結果類似，但測試中發現振蕩器搖床處理后，依然有部分沉淀附著于底部，因此其粒徑測定無意義，故不作圖展示。

圖3 明膠-葡萄皮紅色素基油墨D(3, 2)粒徑圖

2.4 SEM分析

為進一步直觀地了解色素對明膠基油墨的影響，采用SEM觀測油墨的微觀形貌。由圖4-a和圖4-b可以看出，GE的SEM形貌相對平整，GE-MA1色素含量最低，其SEM圖表面光滑整潔；隨著葡萄皮紅色素含量的增加，色素負載量增加，表面逐漸變得粗糙，出現了褶皺現象，無明顯凹坑、凸起和斷痕(圖4-c、圖4-e)，形成了均勻穩定的體系；當葡萄皮紅色素添加量增加到22%時(圖4-f)，表面出現明顯缺陷，表面凹凸不平，負載結構較差。

a-GE；b-GE-MA1；c-GE-MA2；d-GE-MA3；e-GE-MA4；f-GE-MA5

2.5 DSC分析

對明膠體系而言，當溫度升高到某一特定值時會引起明膠受熱變性[18]，尤其是明膠中的三股螺旋結構因受熱轉變成無規則線圈結構，從而引起焓的變化。熔融轉變溫度(Tm)及熱焓值(ΔH)的變化能反映出油墨熱穩定性及其明膠螺旋結構的改變。根據上述分析，對油墨樣品進行 DSC分析。結果如圖5和表2所示，GE-MA1、GE-MA2、GE-MA3和GE-MA5的Tm和ΔH均低于GE-MA4，說明GE-MA4的熱穩定性最高。表明當明膠和色素配比最佳時，能夠明顯地改善油墨熱熔解的起始溫度，提高油墨的熱穩定性。這可能是由于GE-MA4充分地負載了色素，并形成穩定的包覆結構(SEM的微觀形貌觀測)，色素中的酚類物質與明膠蛋白形成了酚類化合物-蛋白長鏈復合體，需要更高的溫度才能打破其結構，油墨熱穩定性也會隨之增強，不易受熱而分解[19]；GE-MA1、GE-MA2、GE-MA3中色素含量太少，酚類化合物-蛋白復合體較短，包覆結構比較松散，而GE-MA5中色素含量太高，色素聚集沉淀，酚類化合物-蛋白復合體結構較弱，因此熱穩定性較差。GE-MA4的ΔH最高，說明其發生相變所需的熱量高[18]，進一步證明其熱穩定性好。

圖5 油墨DSC分析

表2 不同油墨樣品的熱穩定性參數

2.6 油墨流變學

2.6.1 速率掃描

GE-MA4和GE-MA5熱穩定性較高，因此其被選擇探究流變學性質。圖6為油墨速率掃描結過，當剪切速率由0.01 s-1增加至100 s-1時，樣品的黏度隨著剪切速率的增加而降低，表現出不同程度的剪切稀化現象，屬于假塑性流體[20]。剪切速率的增加，促進分子鏈的有序化，向施加的應力方向發展。冪律模型擬合結果見表3，GE、GE-MA4和GE-MA5的流體行為指數(n)分別為0.312 32±0.041 5、0.697 78±0.033 7 和0.219 67±0.015 61(均小于1)，驗證了剪切變稀的性質[21]，該性質可以使得油墨在受到印刷剪切力時，黏度迅速降低，有利于油墨透過絲網孔并成功印刷在承印物上。

圖6 不同剪切速率下油墨黏度

表3 油墨的Power-law模擬參數

2.6.2 3ITT測試

為了進一步探究油墨的印刷潛力，對油墨進行了3ITT測試，結果如圖7-a所示，總體而言，加入色素后的油墨，黏度明顯高于GE，主要歸因于GE與色素發生了相互作用(如氫鍵)，增強了GE分子鏈長度；同時GE-MA4中，在3ITT的第一階段(0.1 s-1)，油墨黏度較高；第二階段，剪切速率增大為300 s-1，高剪切速率減少分子鏈的纏結，促使樣品黏度迅速降低[22-23]，呈現剪切變稀的特性；第三階段，剪切速率回到0.1 s-1，油墨黏度恢復到一定程度，油墨結構已重新建立。GE-MA4 的恢復率最高(圖7-b)，達88.7%，樣品易恢復到高黏度，觸變性最好[23]。在印刷時，黏度迅速降低，有利于油墨成功透過絲網孔并印刷在基材上；當油墨印刷在承印物表面后，黏度迅速恢復，穩定性高且不易流動，容易得到高精度的印刷產品。

a-3ITT測試曲線；b-黏度恢復率

2.7 絲網印刷

絲網印刷是常用的印刷方式[24-25]，油墨印刷效果如圖8-a～圖8-e所示，GE-MA5油墨內部色素分布不均勻，底部有沉淀，在印刷過程中，其沉淀易堵住網孔，因此油墨無法順利地透過網孔印刷在承印物上，印刷品顏色因此較淺且模糊不清。表5展示了可食性油墨印刷的視覺效果評分結果，各項指標(外觀、清晰度、完整度、顆粒度、整潔度)有所差異，可以看出GE-MA4總體評價最高，印刷效果最好，其表現與前文粒徑、DSC、SEM、黏度、3ITT結果相一致。本研究同時設計了其他圖案，GE-MA4的印刷效果均良好。

表4 油墨3ITT測試中的黏度 單位：mPa·s

a-GE-MA1；b-GE-MA2；c-GE-MA3；d-GE-MA4；e-GE-MA5；f-GE-MA4；g-GE-MA4；h-GE2-MA4

表5 油墨印刷效果視覺評分結果

3 結論

本文以明膠為連接料、葡萄皮紅色素為色料制備明膠基可食性油墨，對油墨性質進行了研究分析，并進一步對該油墨進行特定絲網印刷。色素對油墨的粒徑、熱穩定性、流變性有明顯的影響，其中當色素含量為18%時(即可食性油墨GE-MA4)，油墨具有較高的粒徑、優異的熱穩定性、剪切稀化特性、良好的觸變性，同時其具有優于其他樣品的印刷適性和印刷效果，無拉絲、暈染現象，色彩柔和自然，具有一定的裝飾效果，可較好地實現原稿再現。該類可食性油墨解決了傳統油墨的安全性問題，能滿足絲網印刷的要求，符合環保可降解油墨的要求，印刷于包裝表明能提高產品檔次，同時也為食品裝飾印刷提供了一個新方向。在未來的研究中，應進一步探究更安全環保、高效節能的天然色素提取方式(如利用乙醇溶液替代甲醇溶液，用檸檬酸替代鹽酸等)，且進一步優化pH、溫度、離子濃度對明膠-天然色素基油墨的影響，以期研制性能優異且易于大規模應用的可食性墨水。