交聯(lián)淀粉對蝦肉糜3D打印效果的影響及機(jī)制

黃煜欽，孫欽秀，2，劉 陽，魏 帥，王澤富，韓宗元，夏秋瑜，夏 文，吉宏武，劉書成

（1.廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院/廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省海洋生物制品工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省海洋食品工程技術(shù)研發(fā)中心/廣東省水產(chǎn)預(yù)制食品加工與品質(zhì)控制工程技術(shù)研究中心，廣東 湛江 524088；2.大連工業(yè)大學(xué)海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，遼寧 大連 116034）

食品3D 打印這種新型食品智能加工技術(shù)超越了傳統(tǒng)的食品生產(chǎn)方法，具有構(gòu)型復(fù)雜、快速成型、個(gè)性化定制、可實(shí)施低成本小批量生產(chǎn)、綠色節(jié)能等優(yōu)勢[1]。課題組前期從表觀黏度和凝膠復(fù)合模量分析認(rèn)為，蝦肉糜是一種適合3D 打印的食品物料，但單純使用蝦肉糜進(jìn)行3D 打印會(huì)出現(xiàn)打印斷絲、產(chǎn)品塌陷等問題[2]。在蝦肉糜中添加淀粉（如馬鈴薯淀粉、玉米淀粉、小麥淀粉和交聯(lián)淀粉等）可以改善其3D 打印效果，其中交聯(lián)淀粉因其高度交聯(lián)性和抑制淀粉顆粒膨脹的能力，對蝦肉糜3D 打印效果的改善最佳[3]，然而關(guān)于交聯(lián)淀粉改善蝦肉糜3D打印效果的機(jī)制研究尚未見報(bào)道。

蝦肉糜的大分子物質(zhì)主要是肌原纖維蛋白[4]，與淀粉這種多糖類大分子相互作用后，驅(qū)使混合體系出現(xiàn)共溶、絡(luò)合或相分離等相行為。在不同相行為作用下，共混體系將形成特有的相態(tài)結(jié)構(gòu)，相態(tài)結(jié)構(gòu)直接決定了體系的物性學(xué)特性[5]。本研究通過借鑒高分子材料共混體系的相行為理論，解析蝦肉糜-交聯(lián)淀粉共混體系的流變學(xué)特性、微觀結(jié)構(gòu)、分子間作用力對3D 可打印性的影響規(guī)律，以期闡明交聯(lián)淀粉改善蝦肉糜3D 打印效果的機(jī)制，為調(diào)控3D打印蝦肉糜高品質(zhì)產(chǎn)品提供理論依據(jù)，為開發(fā)新型肉糜制品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

凡納濱對蝦（Litopenaeus vannamei），廣東省湛江市霞山水產(chǎn)品批發(fā)市場；交聯(lián)淀粉，河南鴻達(dá)生物科技有限公司；食鹽，廣東省廣鹽集團(tuán)有限公司；10×磷酸鹽緩沖液（0.1 mol/L、pH 7.4）緩沖溶液，北京酷萊搏科技有限公司；總巰基測試試劑盒、考馬斯亮藍(lán)蛋白測定試劑盒，北京索萊寶科技有限公司；溴酚藍(lán)，上海麥克林生化科技有限公司；氯化鈉、脲、戊二醛、無水乙醇、氯仿等試劑均為分析純，中國醫(yī)藥集團(tuán)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

高速均質(zhì)機(jī)（T18），德國IKA 公司；3D 食品打印機(jī)（FOODBOT E1），杭州時(shí)印科技有限公司；冷凍高速離心機(jī)（3-30ks），德國sigma 公司；掃描電子顯微鏡（JSM-7610FPlus），日本電子JEOL 公司；拉曼光譜儀（XperRam S），韓國Nanobase公司；模塊化高級流變儀（HAAKE MARS Ⅲ），賽默飛世爾科技有限公司；全自動(dòng)酶標(biāo)儀（Varioskan Flash），美國賽默飛世爾科技有限公司；高速斬拌機(jī)（GZB20），廣州汕寶食品廠。

1.3 方法

1.3.1 制備蝦肉糜 新鮮凡納濱對蝦清洗干凈，去頭、殼和蝦腸，使用高速斬拌機(jī)斬拌蝦肉5 min，加入冰水（蝦肉與冰水質(zhì)量比為1∶5）后漂洗3次，使用紗布包裹漂洗后的蝦肉進(jìn)行手動(dòng)脫水，調(diào)節(jié)蝦肉水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%。按照蝦肉質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%加入食鹽，擂潰2 min，獲得蝦肉糜。整個(gè)制備過程需在2～5 ℃下操作。

1.3.2 制備蝦肉糜-交聯(lián)淀粉共混體系 按照圖1 稱取相應(yīng)質(zhì)量的蝦肉糜和交聯(lián)淀粉（81 個(gè)樣品），混合后分別在4 ℃下擂潰2 min，組成系列質(zhì)量比的蝦肉糜-交聯(lián)淀粉共混體系，以純蝦肉糜（100 g）和交聯(lián)淀粉（100 g）作為對照。樣品在4 ℃放置12 h，觀察共混體系的宏觀狀態(tài)變化并繪制相圖。

圖1 蝦肉糜-交聯(lián)淀粉共混體系制備Fig.1 Preparation of shrimp surimi and cross-linked starch blend system

1.3.3 測定共混體系的流變特性 靜態(tài)表觀黏度測定：參照PAN 等[3]的方法測試共混體系流變特性。在（25.0±0.1）℃下，將樣品置于直徑為20 mm平行板（間隙1.0 mm）上，選取轉(zhuǎn)子型號為P35 Ti L，設(shè)置剪切速率范圍為0.1～100 s-1，測定共混體系的靜態(tài)表觀黏度。

動(dòng)態(tài)振蕩頻率掃描：在線性黏彈性范圍內(nèi)，在頻率范圍為0.1～10 Hz 條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)振蕩頻率掃描，Rheo Win 4 數(shù)據(jù)管理器記錄和計(jì)算儲(chǔ)能模量(G＇)、損耗模量(G＇＇)和復(fù)合模量(G*)。

1.3.4 測定共混體系的微觀結(jié)構(gòu) 參照TANG 等[6]的方法，將蝦肉糜樣品切成小塊（3 cm×3 cm×3 cm），加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%的戊二醛溶液，4 ℃固定12 h，用乙醇（體積分?jǐn)?shù)30%～100%）以體積分?jǐn)?shù)10%為梯度進(jìn)行脫水。樣品脫水后除去乙醇溶液，放入無水乙醇-氯仿混合溶液（體積比1∶1）中浸泡15 min。將樣品冷凍干燥，黏在導(dǎo)電膠上噴金，使用掃描電子顯微鏡觀察共混體系放大2 000 倍后的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.5 共混體系的拉曼成像

1.3.5.1 拉曼光譜掃描 采用拉曼光譜儀分別對純蝦肉糜和交聯(lián)淀粉樣品掃描，掃描條件為：激發(fā)波長532 nm，功率120 mW，曝光時(shí)間5 s，累計(jì)掃描3次。

1.3.5.2 拉曼Mapping 成像 采用XperRAM S 共聚焦拉曼成像系統(tǒng)對共混體系進(jìn)行拉曼Mapping 成像。測試參數(shù)為：激發(fā)源532 nm 激光器，物鏡40倍，數(shù)值孔徑（NA）=0.75，以476 cm-1為掃描中心峰位進(jìn)行掃描，掃描步長1.2 μm，曝光時(shí)間5 s。

1.3.6 測定共混體系的離子鍵和氫鍵 參照LI 等[7]的方法測定共混體系的離子鍵和氫鍵含量，方法略作修改。首先配置三種試劑S1（0.05 mol/L NaCl），S2（0.6 mol/L NaCl）和S3（0.6 mol/L NaCl+1.5 mol/L尿素）。準(zhǔn)確稱取樣品5 g，分別加入25 mL上述三種試劑，均質(zhì)后4 ℃振蕩1 h，以10 000 r/min離心15 min取上清液。采用考馬斯亮藍(lán)法分別測定溶解于S1、S2、S3溶液中的蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度（mg/mL）。S2蛋白質(zhì)含量與S1蛋白質(zhì)含量的差值代表離子鍵含量，S3與S2蛋白質(zhì)含量的差值代表氫鍵含量。

1.3.7 測定共混體系的表面疏水性 參照LYU 等[8]的方法，測定共混體系的表面疏水性。取3 g樣品加入30 mL 磷酸鹽緩沖液（0.1 mol/L，pH 7.4），勻漿后于4 ℃10 000 r/min 離心15 min 取上清液。采用考馬斯亮藍(lán)法測定上清液蛋白濃度，并取1 mL樣品稀釋液（1 mg/mL）加入200 μL溴酚藍(lán)溶液（1 mg/mL），以磷酸鹽緩沖液（0.1 mol/L，pH 7.4）作空白。樣品混勻后室溫震蕩15 min，10 000 r/min 離心15 min，取0.5 mL上清液加入4.5 mL蒸餾水稀釋，在595 nm處測量其光密度。樣品對溴酚藍(lán)的結(jié)合量（μg/mg）即為其表面疏水性，計(jì)算公式（1）如下：

式中：D0，空白光密度；D，樣品光密度。

1.3.8 測定共混體系的總巰基含量 采用試劑盒方法測定總巰基含量。樣品稀釋液同1.3.7 節(jié)方法制得，取樣品稀釋液和標(biāo)準(zhǔn)品各10 μL，分別先后加入150 μL Tris-甘氨酸溶液（86 mmol/L，pH 8.0）和20μL 10 mmol/L 5,5'-二硫代雙（2-硝基苯甲酸）溶液進(jìn)行反應(yīng)。以不加顯色劑的待測樣品為對照組，以緩沖溶液為空白，室溫下靜置5 min，酶標(biāo)儀測定溶液在412 nm 波長光密度。根據(jù)公式計(jì)算樣品的總巰基質(zhì)量摩爾濃度（μmol/g)，計(jì)算公式（2）如下：

式中：D測定，測定樣品光密度；D對照，對照組光密度；D標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)品光密度；D空白，空白組光密度。

1.3.9 測定3D 打印精確性和打印穩(wěn)定性 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)共混體系的3D 打印模型為正方體（邊長20 mm），3D打印參數(shù)設(shè)置如下：噴頭直徑為1.2 mm，打印高度為2 mm，打印速度為30 mm/s。完成打印后，使用游標(biāo)卡尺對產(chǎn)品的邊長及高度進(jìn)行測量，打印精確性和打印穩(wěn)定性根據(jù)公式（3）和公式（4）進(jìn)行計(jì)算以評估3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量。

式中：Ls，打印產(chǎn)品實(shí)際邊長，mm；Lm，打印模型的設(shè)置邊長，mm；H0，打印產(chǎn)品放置0 min 時(shí)高度，mm；H60，打印產(chǎn)品放置60 min時(shí)高度，mm。

1.3.10 數(shù)據(jù)處理 所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3 次，結(jié)果表示為平均值± 標(biāo)準(zhǔn)差，采用JMP Pro 13進(jìn)行單因素方差分析和Tukey HSD多重比較，置信水平為95%。

2 結(jié)果與分析

2.1 交聯(lián)淀粉與蝦肉糜共混體系相圖

共混體系在4 ℃放置12 h后，其外觀出現(xiàn)團(tuán)狀、糜狀、粉狀三種狀態(tài)（圖2(A)）。根據(jù)共混體系宏觀狀態(tài)變化，繪制相圖（圖2(B)）。從圖2(B)可知，隨著蝦肉糜與交聯(lián)淀粉質(zhì)量比逐漸減小，共混體系從團(tuán)狀過渡到糜狀，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榉蹱睿f明體系中相態(tài)行為變化與兩相聚合物的質(zhì)量比例密切相關(guān)。NI等[9]研究表明，蛋白質(zhì)與多糖體系具有熱力學(xué)不相容性，其內(nèi)部兩種大分子質(zhì)量比例的改變會(huì)使體系的相行為發(fā)生變化。根據(jù)觀察到三種宏觀狀態(tài)（圖2(A)），從相圖2(B)的對角線上選取蝦肉糜與交聯(lián)淀粉添加質(zhì)量比例為100∶0、90∶10、80∶20、70∶30、60∶40、50∶50、40∶60、20∶80、0∶100的共混體系進(jìn)行后續(xù)研究。

圖2 蝦肉糜-交聯(lián)淀粉共混體系Fig.2 Phase diagram of shrimp surimi and cross-linked starch blend systems

2.2 交聯(lián)淀粉與蝦肉糜共混體系的3D可打印性

從圖3(A)可知，純蝦肉糜3D 打印時(shí)出現(xiàn)出料不均及塌陷現(xiàn)象，主要是因?yàn)槲r肉糜自身水分含量高且黏彈性較差[2]。向蝦肉糜中添加適量交聯(lián)淀粉后，共混體系的3D打印效果顯著改善（P＜0.05），其中當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比為80∶20時(shí)共混體系的3D 打印效果最佳，外觀致密緊湊，形狀最穩(wěn)定且沒有塌陷。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉質(zhì)量比小于50∶50 時(shí)，蝦肉糜黏稠度過大且樣品逐漸變?yōu)榉蹱畈荒軓牧贤矓D出，無法進(jìn)行打印。

從圖3(B)可知，添加適量交聯(lián)淀粉能顯著改善蝦肉糜的3D 打印精確性和穩(wěn)定性（P＜0.05），這是由于交聯(lián)淀粉顆粒在擂潰作用下，與蝦肉糜結(jié)合的同時(shí)，吸收水分使淀粉顆粒膨脹與蝦肉糜形成更為緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[10]，提高了蝦肉糜的黏彈性和流動(dòng)性，使其具有更好的支撐力[3]。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比為80∶20時(shí)，蝦肉糜的3D 打印精確性和穩(wěn)定性均達(dá)到最大值，分別為94.78%和97.2%。當(dāng)共混體系中繼續(xù)增加交聯(lián)淀粉質(zhì)量（蝦肉糜∶交聯(lián)淀粉=70∶30、60∶40）時(shí)，3D 打印成品雖具有一定的支撐性，但外觀發(fā)生變形（正方體變?yōu)樘菪危以诖蛴∵^程中出現(xiàn)出料不均等問題。這可能是因?yàn)榻宦?lián)淀粉添加量過大，交聯(lián)淀粉與蝦肉糜共同成為體系連續(xù)相時(shí)，二者形成交織互鎖狀態(tài)，增加了體系整體黏稠程度[11]，導(dǎo)致共混體系的黏稠度增加、流動(dòng)性降低，使其無法順利從打印噴頭擠出，打印效果變差[10]。因此共混體系中蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比為80∶20時(shí)，3D打印效果最佳。

圖3 蝦肉糜-交聯(lián)淀粉共混體系的3D打印效果評價(jià)Fig.3 Evaluation of 3D printing effect of shrimp surimi and cross-linked starch blend systems

2.3 交聯(lián)淀粉與蝦肉糜共混體系的流變特性

擠壓型3D 食品打印對物料有兩個(gè)基本要求：一是材料應(yīng)具備一定的流動(dòng)性使其容易從打印機(jī)噴頭擠出；二是材料應(yīng)具備較好的黏彈性使其打印后能維持結(jié)構(gòu)（自支撐能力）[10]。課題組前期用Her‐schel-Bulkley 模型對物料表觀黏度進(jìn)行擬合和用弱凝膠模型對復(fù)合模量進(jìn)行擬合，獲得的稠度系數(shù)值（K）和流變單元之間相互作用強(qiáng)度（AF）可評價(jià)食物材料的3D可打印性[12,13]。

2.3.1 交聯(lián)淀粉與蝦肉糜共混體系的表觀黏度 旋轉(zhuǎn)剪切測試可獲得共混體系的表觀黏度隨剪切速率的變化[2]。從圖4(A)可知，共混體系表觀黏度隨著剪切速率的增加急劇下降，表明共混體系是具有剪切稀化特性的假塑性流體[13]。采用Herschel-Bulkley模型（公式4）對圖4(A)的表觀黏度曲線進(jìn)行擬合，求得公式（4）中的系數(shù)K即為共混體系的稠度系數(shù)（見表1）。

其中，τ是剪切應(yīng)力，Pa；是剪切速率，s?1；K是稠度系數(shù)，Pa·s；n是流動(dòng)指數(shù)。

從表1 可知，純蝦肉糜的稠度系數(shù)K值偏小，易于流動(dòng)能從3D 打印機(jī)噴頭擠出，但3D 打印后產(chǎn)品自支撐能力較弱，易于塌陷。向蝦肉糜中添加交聯(lián)淀粉后，共混體系的K值均顯著增加（P＜0.05），說明添加適量交聯(lián)淀粉能提高共混體系的黏稠度，因?yàn)榻宦?lián)淀粉顆粒吸水膨脹使蝦肉糜內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，有利于物料打印后的自支撐成型[12]。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比大于50∶50 時(shí)，共混體系的K值隨著交聯(lián)淀粉質(zhì)量的增加而增加（P＜0.05），且能易于流動(dòng)從打印機(jī)噴頭擠出。在蝦肉糜與交聯(lián)淀粉質(zhì)量比為50∶50時(shí)共混體系的K值達(dá)到最大，顯著高于其他比例混合體系（P＜0.05）；再繼續(xù)增加交聯(lián)淀粉的質(zhì)量，蝦肉糜與交聯(lián)淀粉質(zhì)量比小于50∶50時(shí)K值下降，物料的流動(dòng)性降低，不易從打印機(jī)噴頭擠出。這是因?yàn)榻宦?lián)淀粉比例增大，交聯(lián)淀粉與蝦肉糜結(jié)合形成的互鎖結(jié)構(gòu)解散，且水分減少，共混體系黏稠度相對最大值有所減小、且流動(dòng)性降低[11]。但共混體系黏稠度過高，會(huì)降低物料的流動(dòng)性，從而使物料不易從3D打印機(jī)噴頭流暢擠出[14]，故合適的K值使物料更具3D 打印可行性。由圖3 可知，當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比為80∶20時(shí)共混體系的3D打印效果最佳。

2.3.2 交聯(lián)淀粉與蝦肉糜共混體系的復(fù)合模量 復(fù)合模量（G*）反映物料的黏彈性變化和抗壓變形能力。圖4(B)可知，隨著頻率的增加，蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的共混體系復(fù)合模量先顯著上升而后趨于平緩，表明共混體系具有固態(tài)行為和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，符合弱凝膠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。利用弱凝膠模型（公式5）將圖4(B)的振蕩頻率掃描曲線進(jìn)行冪函數(shù)擬合[13]，求得公式（5）中的系數(shù)AF即為樣品內(nèi)部流變單元之間相互作用強(qiáng)度（表1）。

圖4 蝦肉糜與交聯(lián)淀粉共混體系的流變特性Fig.4 Rheological properties of shrimp surimi and cross-linked starch blend systems

其中，AF為樣品內(nèi)部流變單元之間相互作用強(qiáng)度，Pa·s；z為樣品內(nèi)部流變單元的數(shù)量；f為頻率，Hz；G*為樣品的復(fù)合模量，Pa。

從表1 可知，純蝦肉糜的AF值偏小，3D 打印后產(chǎn)品自支撐能力較弱，易于塌陷。向蝦肉糜中添加交聯(lián)淀粉后，AF值均顯著增加（P＜0.05），這有利于增強(qiáng)物料打印后的自支撐能力[12]。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比大于50∶50 時(shí)，AF值隨著交聯(lián)淀粉質(zhì)量的增加而增加。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比小于80∶20 而大于50∶50 時(shí)，過高的AF值雖增加了物料的自支撐能力，但共混體系轉(zhuǎn)化成硬凝膠狀態(tài)，物料無法從打印機(jī)噴頭流暢擠出。在蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比為50∶50 時(shí)AF值達(dá)到最大，顯著高于其他比例（P＜0.05），再繼續(xù)增加交聯(lián)淀粉的質(zhì)量，共混體系呈現(xiàn)粉狀，失去流動(dòng)性和粘結(jié)性，無法進(jìn)行打印[14]。因此，適宜的AF值更有利于物料的3D打印。課題組前期研究表明，當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉混合的AF值處于3 000～10 000 Pa·s時(shí)，物料是適合于3D打印的[15]。

表1 共混體系弱凝膠模型及Herschel-Bulkley模型的擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters of the weak gel model and the Herschel-Bulkley model in the blend systems

2.4 交聯(lián)淀粉與蝦肉糜共混體系的微觀結(jié)構(gòu)

純蝦肉糜（圖5(A)）表面平整致密，無明顯的凸起和孔隙。純交聯(lián)淀粉顆粒（圖5(I)）結(jié)構(gòu)完整，外觀光滑。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉質(zhì)量比為90∶10（圖5(B)）和80∶20（圖5(C)）時(shí)，共混體系為連續(xù)相，蝦肉糜將交聯(lián)淀粉顆粒包裹于肉糜內(nèi)部，二者結(jié)合較為緊密，蝦肉糜表面凹凸不平。周鳳超等[16]發(fā)現(xiàn)添加淀粉后，因其具有一定的膨潤作用能對蛋白質(zhì)的流動(dòng)性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，會(huì)改變蛋白質(zhì)凝膠的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉質(zhì)量比為70∶30、60∶40、50∶50（圖5(D、E、F)）時(shí)，共混體系形成蝦肉糜和交聯(lián)淀粉雙連續(xù)相，蝦肉糜依然包裹交聯(lián)淀粉，但由于交聯(lián)淀粉增多，其與蝦肉糜在體系內(nèi)發(fā)生交織互鎖而逐漸形成聚集狀態(tài)[11]，穿插在蝦肉糜內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉質(zhì)量比為40∶60、20∶80（圖5(G、H)）時(shí)，交聯(lián)淀粉顆粒逐漸暴露于蝦肉糜表面，并隨著交聯(lián)淀粉含量增多，交聯(lián)淀粉與蝦肉糜之間的縫隙逐步增大，淀粉表面的蝦肉糜附著物越來越少，直至交聯(lián)淀粉呈現(xiàn)分散狀態(tài)。因此，蝦肉糜和交聯(lián)淀粉的共混體系內(nèi)部可能存在三種狀態(tài)：（1）交聯(lián)淀粉被包裹在蝦肉糜內(nèi)部，結(jié)合緊密，形成單一均相體系；（2）交聯(lián)淀粉穿插在蝦肉糜內(nèi)部，二者形成互穿狀態(tài)，形成雙相體系；（3）少量蝦肉糜附著在淀粉表面，共同分散在體系內(nèi)，形成分散相。為驗(yàn)證共混體系的三種狀態(tài)，本研究采用共聚焦拉曼光譜技術(shù)對共混體系中兩相之間的作用進(jìn)行無損分析[17]。

圖5 蝦肉糜與交聯(lián)淀粉共混體系的掃描電鏡Fig.5 SEM images of shrimp surimi and cross-linked starch blend systems

2.5 交聯(lián)淀粉與蝦肉糜共混體系的拉曼Mapping成像

2.5.1 拉曼光譜掃描 拉曼光譜技術(shù)是根據(jù)待測物吸收峰推斷分子結(jié)構(gòu)的變化[17]。通過分析拉曼光譜掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蝦肉糜主要有1 450、1 200～1 300和1 003 cm-1三個(gè)特征譜帶，分別是C—H 鍵彎曲振動(dòng)特征峰、酰胺Ⅲ帶和苯丙氨酸的特征峰。交聯(lián)淀粉在476 cm-1處振動(dòng)最為強(qiáng)烈，該峰與C—O—C 以及C—C—O 的振動(dòng)有關(guān)，代表交聯(lián)淀粉的多糖成分[18]。為進(jìn)一步探討交聯(lián)淀粉的添加量對共混體系相行為產(chǎn)生的影響，選擇476 cm-1處的交聯(lián)淀粉特征峰作為靜態(tài)掃描中心峰位，對共混體系進(jìn)行共聚焦拉曼光譜成像測定。

2.5.2 共聚焦拉曼光譜成像 共聚焦拉曼光譜成像能獲得所測樣品分子指紋光譜表征共混聚合物的相結(jié)構(gòu)[19]。圖6 以476 cm-1處的交聯(lián)淀粉特征峰為中心掃描峰位，純蝦肉糜（100∶0）共聚焦拉曼光譜成像呈現(xiàn)白色（無交聯(lián)淀粉），交聯(lián)淀粉（0∶100）呈現(xiàn)紅色（無蝦肉糜），其他圖譜信號從藍(lán)色過渡到紅色，表示交聯(lián)淀粉的量越來越多。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比為90∶10 和80∶20 時(shí)，交聯(lián)淀粉暴露的信號微弱，說明蝦肉糜將交聯(lián)淀粉完全包裹。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比為70∶30、60∶40 和50∶50 時(shí)，圖譜中交聯(lián)淀粉信號強(qiáng)度有所增強(qiáng)，信號顏色從藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗌c黃色以及少量的紅色，說明交聯(lián)淀粉逐漸暴露于蝦肉糜表面，交聯(lián)淀粉穿插在蝦肉糜中。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比為40∶60和20∶80時(shí)，圖譜中交聯(lián)淀粉信號強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，少量蝦肉糜粘附于交聯(lián)淀粉表面，交聯(lián)淀粉聚集在一起，蝦肉糜已從連續(xù)相過渡至分散相，整個(gè)體系呈現(xiàn)分散狀態(tài)。這也印證了筆者對共混體系微觀結(jié)構(gòu)三種狀態(tài)的推測。當(dāng)鹽溶性蛋白與淀粉緊密結(jié)合時(shí)，會(huì)促進(jìn)共混體系結(jié)構(gòu)更加緊密有序[14]，但加入過量淀粉將對蛋白質(zhì)所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)施加壓力，破壞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[20]。因此，向蝦肉糜中加入適量交聯(lián)淀粉，使共混體系形成微觀相分離狀態(tài)，淀粉在蝦肉糜內(nèi)部的填充作用大大增強(qiáng)了蝦肉糜的流變特性，從而改善了蝦肉糜的3D打印效果。

圖6 蝦肉糜-交聯(lián)淀粉共混體系拉曼成像Fig.6 The raman mapping images of shrimp surimi and cross-linked starch blend systems

2.6 交聯(lián)淀粉與蝦肉糜共混體系的分子間作用力

蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物這類共混體系內(nèi)部發(fā)生相互作用（離子鍵、氫鍵、疏水相互作用、二硫鍵等），是形成均勻相或者多相的狀態(tài)的主要原因[21]，共混體系的微觀結(jié)構(gòu)及相行為變化與分子間作用力相關(guān)。

2.6.1 交聯(lián)淀粉與蝦肉糜共混體系離子鍵含量 離子鍵含量變化直接影響蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[22]。從圖7(A)可知，隨著共混體系中交聯(lián)淀粉添加量的增加，離子鍵含量先增加后減少。純蝦肉糜中蛋白分子聚集，低自由能導(dǎo)致離子鍵含量較低[23]。添加少量交聯(lián)淀粉使體系水分含量減小從而改變自由能，體系內(nèi)帶相反電荷分子發(fā)生靜電作用相互吸引，使離子鍵含量上升。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比為80∶20 時(shí)，體系中離子鍵含量達(dá)到最大值（14.90±0.38）mg/mL，顯著高于其他組（P＜0.05）。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比小于70∶30 時(shí)，交聯(lián)淀粉逐漸發(fā)生聚集，增大了蛋白質(zhì)分子間距離，導(dǎo)致體系內(nèi)的靜電相互作用減少[24]，離子鍵含量顯著降低（P＜0.05）。王聰?shù)萚22]研究發(fā)現(xiàn)，隨著魚糜中醋酸酯淀粉含量增加，離子鍵含量先增加后減少。

2.6.2 交聯(lián)淀粉與蝦肉糜共混體系氫鍵含量 氫鍵為蛋白質(zhì)折疊、構(gòu)象以及分子識別的定向作用提供了支撐[13]。圖7(B)可知，隨著共混體系中交聯(lián)淀粉添加量的增加，氫鍵含量持續(xù)下降（P＜0.05）。蛋白質(zhì)分子之間以及蛋白質(zhì)和水之間均能結(jié)合形成氫鍵，隨著交聯(lián)淀粉添加量增加，蛋白質(zhì)濃度下降，分子間距離增加，超出氫鍵的作用區(qū)域?qū)е鹿不祗w系氫鍵含量顯著降低。交聯(lián)淀粉還具有親水性，會(huì)改變共混體系的水分分布，降低蛋白質(zhì)與水分子結(jié)合能力，也使共混體系氫鍵含量下降[16,25]。

2.6.3 交聯(lián)淀粉與蝦肉糜共混體系表面疏水性 疏水相互作用是促進(jìn)蛋白質(zhì)形成高級結(jié)構(gòu)的主要因素之一，肌原纖維蛋白的疏水基團(tuán)暴露將會(huì)改變體系內(nèi)部蛋白分子的聚集情況[26]。從圖7(C)可知，隨著共混體系中交聯(lián)淀粉添加量的增加，表面疏水性先增大后減小（P＜0.05），當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比為80∶20 時(shí)，表面疏水性達(dá)到最大值（28.90 ±0.40）μg/mg。添加少量交聯(lián)淀粉，淀粉顆粒與蛋白質(zhì)分子相結(jié)合，蛋白質(zhì)的氫鍵含量下降使肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)展開，促進(jìn)隱藏于蛋白質(zhì)內(nèi)部如色氨酸殘基等氨基酸非極性疏水基團(tuán)暴露于蛋白質(zhì)表面，疏水基團(tuán)暴露后通過疏水相互作用聚集，利于蛋白與淀粉分子之間呈現(xiàn)緊密凝聚的狀態(tài)[27]。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比小于70∶30 時(shí)，表面疏水性顯著降低（P＜0.05），可能是因?yàn)榈矸酆吭黾樱氪罅繕O性分子，使蛋白質(zhì)疏水基團(tuán)隱藏在蛋白質(zhì)內(nèi)部，共混體系表面疏水性下降。MI 等[28]研究也發(fā)現(xiàn)，過量變性淀粉加入會(huì)減小金線魚（Nemipterus virgatus）魚糜的疏水相互作用。

2.6.4 交聯(lián)淀粉與蝦肉糜共混體系總巰基含量 二硫共價(jià)鍵是肌原纖維蛋白的主要共價(jià)化學(xué)作用力。蛋白質(zhì)在貯藏加工過程中，由于巰基的高反應(yīng)活性，易被氧化形成二硫鍵，因此蛋白質(zhì)中巰基含量的下降與二硫鍵含量的上升存在顯著相關(guān)性[29]。從圖7(D)可知，隨著共混體系中交聯(lián)淀粉添加量的增加，總巰基含量先上升后減小（P＜0.05），表明二硫鍵含量先下降后上升。添加少量交聯(lián)淀粉會(huì)改變蝦肉糜蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巰基暴露，總巰基含量上升[30]。當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比為80∶20 時(shí)，總巰基含量達(dá)到最大值（129.0 ± 2.86）μmol/g。當(dāng)大量交聯(lián)淀粉充斥于體系時(shí)，蛋白質(zhì)分子間發(fā)生局部聚集凝膠化，由于凝膠化過程中巰基被氧化交聯(lián)形成二硫鍵，使總巰基含量顯著下降（P＜0.05）。榮薈等[31]發(fā)現(xiàn)大豆蛋白二硫鍵含量增加與蛋白質(zhì)分子聚集行為具有潛在關(guān)系，蛋白聚集體增多，體系更穩(wěn)定，二硫鍵含量增加。MAO等[32]也發(fā)現(xiàn)在蛋白質(zhì)與淀粉混合體系中過量的淀粉會(huì)減少體系巰基基團(tuán)的暴露，使二硫鍵含量增加。

圖7 蝦肉糜-交聯(lián)淀粉共混體系的分子間作用力Fig.7 Intermolecular forces of shrimp surimi and cross-linked starch blend systems

2.7 交聯(lián)淀粉改善蝦肉糜3D打印效果的機(jī)制

當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉的質(zhì)量比為80∶20時(shí)共混體系的3D 打印效果最佳。從共混體系的微觀和宏觀角度推測交聯(lián)淀粉改善蝦肉糜3D 打印效果的機(jī)制可能為（圖8）：蝦肉糜與交聯(lián)淀粉進(jìn)行物理混合形成共混體系，主要通過改變蛋白質(zhì)與淀粉、蛋白質(zhì)與水分、淀粉與水分、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、淀粉與淀粉等分子間的相互作用力（離子鍵、疏水相互作用增加和氫鍵、二硫鍵減少），驅(qū)動(dòng)體系的相行為發(fā)生變化（蝦肉糜將交聯(lián)淀粉包裹于內(nèi)部形成均相體系），進(jìn)而改變體系的流變學(xué)特性（表觀黏度、稠度系數(shù)K和流變單元之間相互作用強(qiáng)度AF增加），改善了物料的流動(dòng)性和自支撐能力，使物料能夠順利進(jìn)行3D打印并保持其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特征。

圖8 交聯(lián)淀粉改善蝦肉糜3D打印效果的機(jī)制Fig.8 Mechanism of cross-linked starch to improve the 3D printability of shrimp surimi

3 結(jié)論

當(dāng)蝦肉糜與交聯(lián)淀粉以質(zhì)量比80∶20 進(jìn)行物理混合時(shí)，共混體系中離子鍵、疏水相互作用增加以及氫鍵、二硫鍵減少，驅(qū)動(dòng)蝦肉糜將交聯(lián)淀粉包裹于內(nèi)部形成均相體系，使共混體系的稠度系數(shù)K增加至3 000 Pa·s，流變單元之間相互作用強(qiáng)度AF增加至10 835.59 Pa·s，改善了物料的流動(dòng)性使其容易從打印噴頭流暢擠出，并提高了物料打印后的自支撐能力，3D打印精確性與穩(wěn)定性分別為94.78%和97.2%。