王 浩，谭 畅，陈 静，徐家鑫，李冬男，孟宪军

（沈阳农业大学食品学院，辽宁 沈阳 110866）

3D打印技术又名增材制造技术，其原理是：“分层制造，逐层叠加”[1]。在过去10 年中，3D打印技术为工程、医学、航空航天、艺术、教育等领域发展开辟了新的思路[2-3]。在食品行业，目前3D打印材料主要有面团、巧克力、奶酪、土豆泥等[4-5]，不仅可以用于开发具有个性化形状和纹理的食物，而且能够根据不同人群的饮食需求对食物进行营养优化，便捷地制造出健康食品（如低糖、盐和高维生素的食物）[6]。因此，3D打印技术在食品创新领域具有巨大的发展潜力[7]。目前，由于3D打印技术应用范围小、材料支撑性能差和样品造型简单等缺点制约了其在食品行业的快速发展，因此打印材料的开发成为亟待解决的重要问题之一[8]。食品3D打印以挤出成型方式为主，为了获得良好的打印制品，可以通过调节打印材料的挤出性能、凝胶强度、成型性和延展性来满足打印工艺对材料的要求[9]。

科学研究表明，长期食用富含植物多酚的食物可以预防癌症、心血管疾病、糖尿病、骨质疏松症和神经退行性疾病等非传染性疾病[10]。蓝莓因酚类化合物含量较高而被广泛关注[11]。另外，蓝莓中的果胶含量丰富，约是普通苹果或香蕉的1～3 倍[12]。果胶作为植物多糖，在食品（作为胶凝剂、乳化剂和稳定剂）和药物（作为抗肿瘤、抗氧化剂、抗糖尿病和抗癌）中具有重要的应用价值。同时，果胶可以形成结肠靶向输送水凝胶，也可以作为膳食纤维的一部分，降低人体低密度脂蛋白胆固醇的摄入，进而影响肠道微生物群代谢[13]。魔芋胶是一种活性多糖，含热量较低，食用后能够起到降脂减肥、润肠通便等作用，是一种健康的功能性食品原料。魔芋胶与其他稳定剂复配后，能够形成较好的协同作用，有效地改善体系的结构和性能[14-17]。

由于水果中含水量高，碳水化合物、脂肪和蛋白质含量低，传统意义上其不适用于3D打印，向果浆中添加胶体的优点在于使用少量胶体就能调节食品混合物的流变性质。目前很少有关于把果浆凝胶作为3D打印材料的研究报道。本研究以蓝莓果浆为主体，通过添加果胶和魔芋胶调节蓝莓果浆的凝胶特性和物理性质，探讨果胶与魔芋胶的质量比对蓝莓凝胶体系3D打印性能的影响，为利用3D打印技术开发食品提供技术参考，为数字化食品设计和营养控制提供解决方案。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

蓝莓冻果（品种为北陆）购自辽宁省沈阳市棋盘山市场；蓝莓果胶（食品级，纯度99%，高甲氧基果胶）广州西楚生物科技有限公司；魔芋胶（食品级，纯度99%，白色粉末） 美国Space-Time Thickening Agent有限公司；蔗糖为市售。

1.2 仪器与设备

WBL25B36型料理机 美的集团有限公司；3D食品打印机（带滤网） 杭州时印科技有限公司；DHR-1混合型流变仪 美国TA仪器有限公司；TENSOR 27型傅里叶变换红外光谱仪 德国Brucker公司；CT3 10K型质构仪 美国Brookfield公司；S-4800型台式扫描电子显微镜 日本Hitachi公司；SCIENTZ-10N型冷冻干燥机宁波新芝生物技术股份有限公司；电热恒温鼓风干燥箱上海精宏实验设备有限公司；JA2003型电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司；游标卡尺 杭州工具量具有限公司；SHZ-D（III）循环水式真空泵 巩义市予华仪器有限责任公司。

1.3 方法

1.3.1 样品准备

1.3.1.1 蓝莓果浆的制备

蓝莓在室温条件下解冻、打浆，经过21×32 目的纱布抽滤，分离出液体果浆，置于烧杯中，用保鲜膜封口，并在4 ℃冷藏条件下保存备用。

1.3.1.2 打印材料的制作

将蓝莓果胶、魔芋胶、蔗糖分别按照质量比4∶0∶1、4∶1∶1、4∶2∶1、4∶3∶1、4∶4∶1称取混合，置于250 mL的烧杯中，搅拌均匀后，加入22.5 g（体积为20 mL，固形物质量分数为11.89%）的蓝莓果浆溶液，在室温下搅拌混匀，用保鲜膜封口，于4 ℃放置30 min形成凝胶。

1.3.1.3 打印材料的水分质量分数测定

参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》测定水分质量分数。称取5 g试样在105 ℃的干燥箱中烘干至恒质量，计算水分质量分数。试验重复3 次。

1.3.2 3D打印

图1 3D打印机结构示意图及3D打印模型示意图Fig. 1 Schematic diagram of 3D printer structure and 3D printing model

使用螺杆挤出式3D打印机进行试验（图1）。试验模型的边长为17.5 mm的正方体，设置相关打印参数如下：喷嘴高度为1 mm，喷嘴移动速率为30 mm/s、喷嘴内径尺寸为0.84 mm、打印层高为0.7 mm，每种材料打印3 个样品。打印后的样品用烧杯罩上，防止水分蒸发，1 h内完成指标测定。

1.3.3 3D结构测定

使用游标卡尺和刻度尺分别测量打印的样品上边长度、下边长度、高度。打印偏差量计算如下式[18]所示。

1.3.4 质构特性测定

对打印后正方体样品的中心位置进行质构测定。探头型号P/0.5、测试前速率5 mm/s、测试速率1 mm/s、测试后速率5 mm/s、停留时间0 s、出发点负荷0.07 N、压缩形变量45%，循环测试两次，获得质构特性曲线，记录硬度、黏性、弹性[19-20]。

1.3.5 流变特性测定

流变仪上板选用直径为40 mm的平板，板间隙设置为1 000 μm，振动模式下测定样品的动态黏弹区间。将蓝莓凝胶置于底板上，刮掉多余的材料，将硅油涂抹在样品边缘，减少测量过程中水分损失。测量前平衡5 min以达到稳定状态。动态流变测定：设置温度为25 ℃、应变为2%，在1～100 rad/s的频率范围内扫描分析。获得储能模量（G’）、损耗模量（G’’）和损耗角正切值tan θ（G’’/G’）作为频率的动态流变特性曲线[21]。静态流变测定：设置温度为25 ℃，剪切速率扫描范围1～100 s-1，获得应力、黏度作为剪切速率的静态流变特性曲线[22]。

1.3.6 扫描电子显微镜测定

用扫描电子显微镜在20 kV的加速电压下获取样品的显微照片。测定前，先将打印材料冷冻干燥，然后将其固定在样品座上并镀金，从材料各自的横断面和纵切面的不同方向放大，选择放大倍数为1 500 倍的扫描电子显微镜图观察样品的微观结构。选择最具代表性的显微照片对样品进行分析[23]。

1.3.7 傅里叶变换红外光谱测定

在傅里叶变换红外光谱检测之前，先将打印材料冷冻干燥，用傅里叶变换红外光谱仪进行检测。将冷冻干燥材料制成细粉，并与KBr粉末（1∶100，V/V）充分混合，以KBr空白压片作对照，在波数范围为4 000～400 cm-1的室温条件下进行扫描，获得样品的红外光谱[21]。

1.4 数据统计分析

试验结果以平均值±标准差表示，用Microsoft Excel 2010、OriginPro 8软件对数据进行分析；并用SPSS软件进行单因素方差分析，P＜0.05表示差异显着。

2 结果与分析

2.1 样品3D结构分析结果

适合3D打印的食品材料除了容易挤压外，且应具有一定的内部支撑和外观保持性能。经过喷嘴挤压的凝胶材料在喷嘴释放后直径略大于喷嘴直径，导致样品边长大于目标设定值[24]。在适宜的打印条件下，可以通过观察挤出丝的形状来直观评估打印效果[25]。理想的凝胶体系可以从喷嘴均匀挤出，且表面光滑[26]；在魔芋胶添加量较少的情况下，挤出丝表现类似液体的特性，挤出不均匀并伴有流量过快的现象。当魔芋胶过多时，会观察到整条挤出丝上有不同程度的裂缝，不适合作为打印材料[27]。模型尺寸偏差量如图2所示。只添加果胶的打印材料具有较高的流动性，由于自身质量产生的压力，使得打印样品与模型的相似度极低，样品变形严重。魔芋胶的添加显着改善了样品形变趋势，果胶与魔芋胶质量比为4∶2时样品与模型的相似度达到89.82%，偏差量最小，打印精度最高。同时，魔芋胶使蓝莓凝胶打印过程出料连续，打印样品表面光滑，成形性提升。当质量比增加到4∶3以后，打印过程出料不连续，样品打印层断裂，偏差较大。这有可能是魔芋胶的加入使体系中的大分子数量增多，分子间交联作用增强，形成的螺旋结构趋于稳定，组分不易分散所造成的[28]。

图2 不同果胶-魔芋胶质量比的3D打印样品偏差量及打印模型Fig. 2 Size deviations of 3D printed samples with different pectin-to-konjac gum mass ratios

2.2 样品质构特性分析结果

质构特性主要决定食物的可接受程度。对于有特殊需求的人来说，质构特性是重要的指标之一。其中，硬度是指食品材料达到一定变形程度所需要的力；弹性是指食品材料在变形后恢复到原来形状的能力；黏性是指凝胶型材料内部的黏附能力[29]。因为胶体具有黏弹性，通过3D打印机喷嘴挤压的凝胶体系会恢复到其先前的状态，挤出的直径要比预设值大，导致3D打印样品的精度降低，尤其是高弹性的材料出现这种现象更加明显；凝胶体系在可以打印的同时，挤出后必须能立即黏到前一层上[30]。可以通过测定样品的硬度和黏弹性来反映打印材料的堆积程度和打印样品的内部结构，打印样品具有合适的质构特性才能精确地还原模型，获得高分辨率的复杂3D结构[20]。魔芋胶对打印材料质构特性的影响如图3所示。魔芋胶的存在使打印样品的硬度、弹性和黏性均有不同程度的提高，样品外观形态保持能力有所改善。随着魔芋胶含量的增加，打印样品硬度逐渐变大，弹性呈先增加后下降的趋势，黏性逐渐增加。这说明较低的魔芋胶含量有利于魔芋胶吸水膨胀并促进体系形成凝胶；魔芋胶含量较高时，凝胶中的大分子相互交联、缠绕，影响体系的流动性，导致打印性能下降[31]。

图3 不同果胶-魔芋胶质量比的3D打印样品质构特性Fig. 3 Textural characteristics of 3D printed samples with different pectin-to-konjac gum mass ratios

2.3 流变特性分析结果

2.3.1 动态流变分析结果

G’表示材料的弹性行为，反映体系的机械强度，具有高机械强度的材料打印后会表现出极好的支撑能力，不易塌陷[32-33]。G’’表示样品的黏性行为，即材料在发生形变时，由于黏性形变而消耗的能量大小[18]。如图4A、B所示，G’和G’’均对角频率呈一定的依赖性，所有材料的G’均高于G’’，说明打印材料在该频率扫描范围内主要表现为弹性，是具有一定强度的网状结构凝胶[34]。魔芋胶的添加显着提高了体系的黏弹性，这是因为魔芋胶与果胶分子之间的相互作用缩小了体系的空隙，提高了凝胶强度[35]。随着魔芋胶含量的增加，蓝莓凝胶的黏弹性呈现先增加后下降的趋势。当果胶与魔芋胶质量比为4∶2时，蓝莓凝胶的G’’、G’及两者差值均达到最大，此时样品形成了稳定的凝胶结构，成型性较好，更适合打印。

tan θ＜1，说明材料主要表现为弹性行为，意味着材料更类似于固体，流动性较差[36]；tan θ＞1说明材料更多表现为黏性行为，意味着材料更类似于液体[37]。图4C中显示了不同魔芋胶含量的打印材料损耗角正切值的变化。随着魔芋胶含量的增加，样品损耗角正切值总体呈现下降趋势，样品流动性变差，向固体形式转变，在打印时易出现材料断裂和挤出困难等现象。

图4 不同果胶-魔芋胶质量比的3D打印材料动态流变特性Fig. 4 Dynamic rheological characteristics of pectin and konjac gel mixtures with different mass ratios

2.3.2 静态流变分析结果

如图5所示，应力是影响打印材料出料的重要因素。材料应力越小，表明打印后样品保持形状的性能越差；应力越大说明打印材料越硬，3D打印时挤出越困难，果胶与魔芋胶质量比大于4∶2的样品应力显着增加，材料挤出困难，不适合打印。材料的黏度既要足够低，可以很容易地从细喷嘴挤出；又要足够高，可以支撑随后沉积的材料[30]。魔芋胶的加入显着增加了打印材料的黏度，在相同剪切速率下，随着魔芋胶含量的增加，材料黏度提高。未施加剪切速率的情况下，果胶-魔芋胶质量比为4∶2的凝胶体系黏度是376.057 Pa·s，此时的打印样品表面光滑，还原精度最高；魔芋胶的添加比例增大，凝胶体系的黏度显着增加，在4∶3时达到876.206 Pa·s，此时挤出丝上有不同程度的裂缝，不适合作为打印材料。当剪切速率在1～30 s-1范围内，随着剪切速率的增大，黏度显着下降；当剪切速率大于40 s-1时，曲线趋于平缓，黏度变化较小，这是由于在剪切应力的作用下破坏了各组分间的相互作用，出现剪切稀化现象，表明打印材料转变为假塑性流体。这有利于保证打印后样品的形状，也有利于改善打印过程中出现的断条现象[15]。

图5 不同果胶-魔芋胶质量比的3D打印材料静态流变特性Fig. 5 Static rheological properties of pectin and konjac gel mixtures with different mass ratios

2.4 结构分析结果

图6 不同果胶-魔芋胶质量比的3D打印材料扫描电子显微镜图Fig. 6 Scanning electron micrographs of pectin and konjac gel mixtures with different mass ratios

凝胶体系的水分含量与打印样品的结构密切相关，随着魔芋胶的增加，水分含量呈现下降趋势。从图6可以看出，只添加果胶的打印材料其孔隙结构大小不一，流动性强，体系的水分质量分数为（73.6±1.3）%，打印后样品立即出现坍塌、打印精度低等问题。随着魔芋胶添加量的增加，打印材料结构逐渐细密，断面区域更加平整，打印材料孔隙变小。由图7可知，样品中果胶和魔芋胶质量比为4∶2时，表现出平整的结构和较为光滑的打印表面，并可长时间保持结构，不发生坍塌变形，此时水分质量分数达到（68.45±0.70）%。果胶和魔芋胶质量比小于4∶4的打印样品表面粗糙程度增大，打印过程中出料不均匀，样品变形严重，表面有裂纹，这可能是魔芋胶过量未充分膨胀，分子链伸展不充分造成的[38]。

图7 不同果胶-魔芋胶质量比的3D打印样品Fig. 7 3D printed samples with different pectin-to-konjac gum mass ratios

2.5 傅里叶变换红外光谱分析结果

图8 不同果胶-魔芋胶质量比的3D打印材料傅里叶变换红外光谱图Fig. 8 Fourier transform infrared spectra of pectin and konjac gel mixtures with different mass ratios

果胶和魔芋胶在溶于水后，其大分子会与水分子产生氢键等作用力，形成一种水溶性胶体。由图8可知，不同果胶-魔芋胶质量比样品的曲线具有相似的傅里叶变换红外光谱，这表明魔芋胶添加后打印材料没有产生新的官能团。所有凝胶样品的光谱在3 350 cm-1附近出现宽带，这是由于羟基复杂振动拉伸产生的，与分子内和分子间氢键有关，2 940 cm-1附近出现宽带是烷烃“—C—H”键伸缩振动引起的。随着魔芋胶添加量的增加，吸收峰向短波数方向轻微偏移，说明体系内部形成了更强的氢键，样品具有更大的变形阻力和更好的自支撑性能，更有利于3D打印样品成型。图中1 720 cm-1的特征性吸收峰表明凝胶中乙酰羰基“CH3—CO—”和羰基“C＝O”的存在。1 250 cm-1处的峰是芳香酸振动引起的，1 050 cm-1处出现一个明显的吸收峰，代表分子中“—CH2—OH”的伸缩振动[38]，这两处的透光率没有受到魔芋胶添加的影响而产生明显变化。

3 结 论

魔芋胶对蓝莓凝胶体系的3D打印效果、质构特性、流变性能及微观结构均有明显影响。与目标模型相比，低魔芋胶添加量的打印样品在每个方向都偏差较大，但表面结构光滑，这可能是由于其相比果胶具有良好的吸水膨胀性，使凝胶体系更易塑型。魔芋胶添加过多的打印样品具有好的支撑能力，但打印样品表面粗糙、易变形，这是因为低tan θ的打印材料容易发生断线和挤压困难等问题。添加适量魔芋胶的打印样品（20 mL蓝莓果浆中加入4 g果胶、2 g魔芋胶、1 g蔗糖）具有光滑的表面结构和最佳的3D打印效果，能够在室温环境下长时间存放不发生坍塌，此时凝胶体系的水分质量分数为（68.45±0.70）%。

试验结果表明，果胶-魔芋胶质量比小于4∶2的凝胶体系不适合打印精度较高且结构复杂的3D模型；质量比大于4∶2的凝胶体系不适合作打印材料；质量比为4∶2的凝胶体系打印效果较好，能够较高程度地还原设计模型（图9）。在今后的研究中，可以利用相关技术手段对材料进行改性，验证和拓宽3D打印技术在食品领域应用的范围，以满足市场对个性化食品的需求。

图9 果胶-魔芋胶最佳配比（质量比4∶2）3D打印样品Fig. 9 3D printed samples with optimal pectin-to-konjac gum mass ratio of 4:2