东北农业大学侯敬杰博士、张华江教授、李翰宇副教授、徐丽娜老师等:蛋清对鸡肉凝胶3D打印及质地特性的影响

为探究蛋清对鸡肉凝胶3D打印和质地特性的影响,东北农业大学的侯敬杰、孟德坤、黄钊、张华江、李翰宇、徐丽娜、夏宁、闯睿、司佩瑶等学者通过调节鸡肉凝胶中蛋清的质量比,制备3D打印鸡肉油墨。对3D打印鸡肉油墨的流变性质进行测定后,使用挤出式3D打印机将鸡肉油墨制成的样品加热制成鸡肉凝胶。根据国际吞咽困难饮食标准化倡议(International Dysphagia Diet Standardisation Initiative,IDDSI)的方法,对鸡肉凝胶的吞咽性进行了分析;并对鸡肉凝胶的质构特性、蒸煮损失和持水性进行了表征和分析。结果表明,添加蛋清可提升鸡肉油墨的3D打印支撑性和保真度;蛋清改善了鸡肉的假塑性和流动性,允许油墨在低压连续流下稳定流动;蛋清调控了鸡肉的剪切回复性(93.03%)、黏度大小、屈服应力以及黏弹特性。依据IDDSI的方法进行的吞咽性测试表明,蛋清调节鸡肉凝胶属于5级碎湿吞咽困难食品,患者可以轻松地咀嚼吞咽,且不易引发误吸风险。蛋清可以改善鸡肉凝胶的内聚力、强度、弹性、恢复性和咀嚼性。此外,添加蛋清的鸡肉凝胶水分含量丰富,适合口干症的吞咽困难患者。研究表明,蛋清可作为鸡肉的天然质地改良剂,显著提升鸡肉糜的3D打印适用性与咀嚼吞咽安全性。

吞咽困难是指食物从口腔至胃、贲门的运输过程中出现的阻碍现象^[1]。通常是由人体衰老或心理障碍导致的生理疾病^[2]。吞咽困难患者进食时易产生哽咽、吞咽疼痛和胸骨后疼痛等症状^[3]。因此,患者倾向于选择易于咀嚼和吞咽的食物,如黏性液体或糊状食品。然而,这些食品往往质地黏稠、色泽暗淡,难以激发食欲和吸引力。长期依赖这类食品可能会增加营养不良的风险,并可能进一步加剧吞咽困难,严重时甚至可能导致食物和水难以下咽^[4]。

3D打印技术通过定制化生产能力,为解决吞咽困难患者的饮食难题提供了创新方案。科研工作者已经利用3D打印技术设计了多种针对吞咽困难的饮食配方,如乳清蛋白分离物-果胶^[5],绿豆淀粉-亚麻籽蛋白^[6],玉米淀粉-麦芽糊精^[7],和大豆蛋白-大米淀粉^[8]。然而,这些研究主要集中于理想的蛋白-多糖实验模型,吞咽困难患者的实际接受程度相对较低。为应对这一挑战,研究人员开始探索基于3D打印技术制作的吞咽困难专用果蔬配方食品,如黑木耳-k-卡拉胶,黄原胶和阿拉伯胶^[9],苹果和食用玫瑰-黄原胶和罗勒籽胶^[10],豌豆、胡萝卜和白菜-黄原胶、河童卡拉胶和刺槐豆胶^[11]。这些果蔬类食品模型展现出一定的应用潜力。与此相比,吞咽困难患者在摄入肉类食品以补充动物源性蛋白质和脂肪等营养物质方面面临更多困难。目前,仅有少数研究关注于为吞咽困难患者设计的3D打印肉质食品。仅有Pematilleke等^[12]报道黄原胶和羧甲基纤维素可以改善对牛肉的质地,表现出高保水能力和低硬度。Fei等^[13]通过魔芋葡甘露聚糖和复合乳液增强鲑鱼蛋白的内聚力、改善的口感和减少附着力。Dick等^[14]通过调节黄原胶和瓜尔豆胶的比例,生产易于吞咽的3D打印猪肉。然而,这些研究局限于实验级试剂对肉制品的改善作用,吞咽困难患者的接受程度较低。因此,迫切需要开发食品级质地改良剂,生产适合吞咽困难患者的肉制品。

鸡肉作为全球消费量最高的肉类之一,具有人体所需的完整必需氨基酸^[15]。然而,对于吞咽困难的患者而言,直接食用普通鸡肉存在困难。在烹饪过程中肌纤维蛋白的凝固和胶原蛋白的收缩,导致鸡肉质地变得坚硬^[16]。此外,鸡肉糜的流动性和自支撑性不足以满足3D打印油墨的标准要求。蛋清(egg white,EW)是由40多种蛋白质组成的复杂混合体系,具有来源广泛,氨基酸谱完整,生物学价值高,和易消化等优点^[17-18]。蛋清独特的质地可以改善高黏度油墨的流变行为,保证3D打印油墨的稳定流出。如Liu等^[19]用蛋清改善了海藻酸盐-甲基纤维素3D打印的骨架结构。此外,蛋清可以以互穿网络凝胶的形式调节肉制品的凝胶强度,控制肉制品的质地和质量^[20]。然而,还没有关于蛋清调控鸡肉吞咽困难患者食品的研究。

本研究拟探索蛋清对3D打印鸡肉作为吞咽困难食品的潜力。通过调控蛋清含量控制3D打印鸡肉凝胶的质地,旨在调节肉制品质地,为吞咽困难患者提供可食用的肉制品,为特殊人群食品的开发提供基本信息。

01

材料与方法

1.1 材料与试剂

两周龄内新鲜的鸡蛋,购于哈尔滨比尤特超市。冷冻鸡胸肉,购于正大食品企业(中国)有限公司。冷冻的鸡胸肉使用前在室温下解冻后,去除脂肪和结缔组织,切成边长1 cm的立方体。每组实验最少采用3批次的蛋清和鸡胸肉。

氯化钠(分析纯)、三聚磷酸钠(分析纯),国药集团化学试剂有限公司;去离子水,实验室制得。

1.2 仪器与设备

HAAKE MARS60型模块化旋转流变仪(配备P35/Ti探头),美国赛默飞世尔科技公司;FOODBOT-S2型挤出式3D打印机,杭州时印科技有限公司;TA-XT plus型质构仪(配备P/36R探头),英国Stable Micro System公司;DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器,巩义市予华仪器有限公司;FP3010型多功能食物料理机,匈牙利博朗;E-1051型搅拌器,广州顺然机械设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 蛋清调节鸡肉油墨的制备

25 ℃条件下,将新鲜的蛋清用磁力搅拌器搅拌2 h,然后使用纱布除去不溶性物质以获得蛋清储备液。按鸡肉和冰水质量比3∶1添加原料到多功能食物料理机中。在第6档转速下搅拌1 min停止1 min,重复5次获得粗肉糜,整个过程控制温度在12 ℃以内。然后过40目筛网以去除筋膜获得精细的肉糜。将精肉糜与蛋清储备液按表1所示的不同比例混合,用搅拌器搅拌1 min以混合均匀获得蛋清调节鸡肉(egg white conditioned chicken,EWC)油墨。混合物在300 r/min下离心30 s以去除气泡。

表1 不同蛋清调节鸡肉油墨的配方

Tab.1 Chicken ink formulation regulated by different egg white content g

1.3.2 EWC油墨的3D打印精度测定

使用软件Cura(版本 15.02.1)将3D打印模型(STL格式)转化为工具路径(g代码文件)。具体的打印参数:喷嘴直径为0.84 mm,层高为0.84 mm,填充密度为100%,打印速度为25 mm/s,打印温度为25 ℃。使用直径和高为1.5 cm的圆柱模型检测EWC油墨的打印样品精度^[21]。具体而言,使用游标卡尺测量打印后圆柱体的底部直径、顶部直径和高度。检查不同油墨的实际打印尺寸与目标模型尺寸(底直径1.5 cm、顶直径1.5 cm、高1.5 cm)的精度差。尺寸差值越小的EWC油墨打印精度越高。

1.3.3 EWC油墨的流变性质测定

旋转流变仪在1 mm的板间隙,25 ℃的条件下测定了样品的流变特性。通过稳定剪切测试确定EWC油墨在1～100 s^-1范围内的表观黏度,Power-law方程(1)和Cross方程(2)被用来进一步分析样品的流动行为^[22]。

η=K₁γ^N₁^-1 。

(1)

式(1)中,η为黏度,Pa·s;γ为剪切速率,s^-1;N₁为流动行为指数,无量纲;K₁为稠度系数,mPa·s^N。

(2)

式(2)中,η_∞为无限剪切速率时的极限黏度,Pa·s;η₀为零剪切速率时的极限黏度,Pa·s;N₂为与流体的假塑性有关的常数,无量纲;α为与连杆断裂有关的常数,无量纲。

EWC油墨的恢复能力分3个阶段进行。第1阶段,在270 s的固定剪切速率为0.1 s^-1;第2阶段,在90 s的稳定剪切速率为10 s^-1;第3阶段,在270 s的固定剪切速率为0.1 s^-1。根据公式(3)计算鸡肉油墨的恢复能力^[23]。

(3)

式(3)中,η₁是第一阶段最后5 s黏度的平均值;η₃是第三阶段最后5 s黏度的平均值。

频率扫描测试在0.1%的应变下,0.1～10.0 Hz的线性黏弹区内进行,以确定鸡肉油墨的储能模量(G′)和损耗模量(G″)^[24]。两者之间的相关性被幂律方程进一步分析,见式(4)和式(5)。

G′=K₄ω^N₄ ;

(4)

G″=K₅ω^N₅ 。

(5)

式(4)和式(5)中,K₄和K₅为幂律常数,无量纲;ω为角频率,rad/s;N₄和N₅为频率指数,无量纲。

在1 Hz的固定频率和剪切应力振幅从0.5 Pa到500 Pa的条件下测试了鸡肉油墨的应力扫描。根据G′和G″交点确定屈服应力^[25]。

1.3.4 3D打印EWC凝胶的制备

根据Xu等^[26]的方法稍作修改制备了EWC凝胶。3D打印后的EWC油墨样品转移到烧杯中,用保鲜膜密封。在72 ℃水浴加热40 min获得蛋清调节鸡肉凝胶。

1.3.5 3D打印EWC凝胶的吞咽困难饮食标准化测试

根据国际吞咽困难饮食标准化倡议(International Dysphagia Diet Standardisation Initiative,IDDSI; 网址https:∥iddsi.org/framework/food-testing-methods)的方法评估了鸡肉凝胶的吞咽安全性。EWC凝胶被剪切成边长为1.5 cm的立方体,根据国际吞咽困难饮食标准化倡议方法进行分析(IDDSI分析)。在叉子滴漏测试中用叉子舀起鸡肉凝胶,记录凝胶在叉子齿间滴落情况。在勺倾斜试验中,记录勺子倾斜和翻转时样品的状态和黏附情况。叉压测试中施加17 kPa的压强(约为拇指变白)给样品以模拟吞咽时舌头上的压力,观察拇指的颜色和变形情况^[27]。

5级碎湿吞咽困难食品特性如下:可以在叉子上堆积没有叉子间拖尾;可以保持形状并轻松从勺子上滑落,几乎没有残留;可以用叉子轻松压扁,而不会将拇指变白,也不会恢复到原来的状态。可以用叉子或勺子吃;在某些情况下可以用筷子吃;可以在盘子上舀起和成型;柔软湿润,无单独的稀薄液体;肿块很容易用舌头压扁。

1.3.6 3D打印EWC凝胶的质构测定

在50 mL的烧杯中装20 g的3D打印鸡肉凝胶样品,在质构仪中进行质构分析^[28]。测试过程中,探头的测试速度为1 mm/s,测试前和测试后的速度均为5 mm/s,应变为25%,触发力为0.049 N。

1.3.7 3D打印EWC凝胶的蒸煮损失和持水性测定

蒸煮损失的测定。取20 g的3D打印鸡肉样品,置于50 mL的烧杯中,用保鲜膜密封后在72 ℃加热40 min获得煮熟的鸡肉凝胶。收集烧杯倒置1 h渗出物的质量,计算渗出物与原始生鸡肉的质量比值,为蒸煮损失率^[26]。

持水性的测定。采用滤纸包裹1 g 3D打印鸡肉凝胶在8 000 r/min离心15 min。离心结束后,用滤纸吸干凝胶表面的水分并进行称质量。根据式(6)计算凝胶的持水性^[8]。

(6)

式(6)中,m₁为离心前凝胶的质量,g;m₂为离心后凝胶的质量,g。

1.4 数据分析

采用SPSS 22.0对数据进行单因素方差分析(ANOVA),显著性水平为P<0.05。所有测试均进行3次平行实验,以平均值±标准差表示。图表采用Origin 2019b软件绘制。

02

结果与分析

2.1 EWC油墨的3D打印表现

3D打印技术可以生产视觉吸引力的食品,激发吞咽困难患者的食欲^[9]。不同蛋清含量的EWC油墨的3D打印表现结果见图1。由图1(a)可知,未添加EW的3D打印鸡肉样品明显坍塌,表现出较差的连续性和支撑性。这可能是因为鸡肉糜的高黏度和低流动性难以稳定挤出油墨丝,导致底层鸡肉受重力沉积而塌陷。添加EW可以提升挤出长丝的连续性和鸡肉保真度。因为EW填充凝胶网络结构和改善鸡肉蛋白的局部微环境,从而提升了鸡肉凝胶的支撑性。然而,5EWC和10EWC表现出明显的凹凸的表面。这可能是因为少量EW对油墨丝的改善有限,EWC油墨无法稳定和持续的连续流动。当继续增加EW含量,15EWC表现出良好还原的模型形状,3D打印模型都出现清晰的打印层和平滑的表面。继续增加EW的含量到20EWC,在主视图未观察到模型明显变化,其支撑性较好。然而,其俯视图视角出现了不连续现象,打印保真度降低。此外,EW调节鸡肉的3D打印保真度高于其他蛋白。如Yu等^[29]采用虎坚果蛋白调节的3D打印鸡肉支撑性较差,只有在大量酶和盐的协同作用下才能支撑上层油墨。相似地,黄粉虫分离蛋白掺杂的鸡鱼肉糜只有较好的2D打印保真度^[30]。图1(b)用于进一步定量化表征了鸡肉的打印精度差异。结果表明0EWC的三维完成度和打印精度较低。随着EW含量的增加,打印立方体的打印精度逐渐提升。15EWC和20EWC没有明显的打印精度差别。有必要进行流变分析探索EW影响3D打印表现的机理。

图1 蛋清含量对EWC油墨3D打印表现的影响Fig. 1 Effect of egg white content on 3D printing performance of EWC inks

2.2 EWC油墨的流变性质

流变学信息如表观黏度、剪切回复、频率扫描和应力扫描可以反映油墨3D打印特性^[31]。因此通过流变学测试分析EW对鸡肉油墨打印性的影响,并用数学公式进一步拟合分析。

2.2.1 表观黏度分析

在挤压阶段,理想的3D打印油墨需要适宜黏度让油墨黏附到之前的挤出层上。此外,还需要剪切稀化特性使油墨顺利地通过打印机的挤出喷嘴^[21]。蛋清含量对EWC油墨流变性质影响的测定结果见图2。由图2(a)可知,所有EWC的表观黏度在0.1～100 s^-1随剪切速率的增加而降低。这种现象是因为在剪切力的作用下,EWC的结构被破坏,抗剪切性下降,原本凝胶结构链的方向与流动方向逐渐对齐,导致局部阻力的降低表现为剪切稀化^[32]。0EWC的黏度最大,这种高黏度特性会限制油墨在打印桶内的流动,导致出丝不连续现象和打印低保真度[图1(a)]。更重要的是,EW以新的凝胶网络结构与鸡肉凝胶网络相互作用,形成互穿型凝胶网络^[33]。这种黏度降低的流变行为有利于3D打印油墨在低应力下挤出和在低压连续流下稳定流动,以保证油墨持续均匀地流出^[34]。因此,EWC油墨的3D打印表现出现可显著地提升。相似的结果在Sobhy等^[35]关于大豆蛋白调节鸡肉3D打印的研究中报道,他们发现双交联网络更具弹性和高剪切力下的流动行为。值得注意的是,适当的黏度是必要的,它可以使挤出的墨水顺利地黏附在底层的油墨上。

图2 蛋清含量对EWC油墨流变性质的影响Fig.2 Effect of egg white content on rheological properties of EWC inks

Power-law模型和Cross模型被用来拟合表观黏度数据,进一步分析了EWC的流动行为对打印特性的影响。蛋清含量对EWC油墨表观黏度影响的模型拟合结果见表2。Power-law模型中的黏度指数(K)提供样品黏度相关的信息。由表2可知,随着EW的增加,EWC的K值逐渐变小,这可能与EW填充的鸡肉凝胶的储存模量较低相关。Mu等^[36]的研究发现了相似的结果,高储存模量油墨受剪切时应变较小,表现出高黏度。流动行为指数(N)表示油墨的假塑性,EWC的N值都小于1,表现较高的假塑性可以稳定地从喷嘴挤出。低N值的油墨可以稳定地在低压连续流动,能更轻松地获得所需的3D打印材料^[37]。此外,采用与结构化程度相关的Cross模型拟合黏度数据,以分析EWC的结构强度^[38]。其中零剪切黏度(η₀)表示在未受外力作用下的结构的强度,η_0.1表示在 0.1 s^-1 剪切速率下的结构强度^[39]。η₀值随EW的增加而降低,证明鸡肉与EW的相互交联,形成更松散的凝胶结构,有利于EWC油墨平稳流动。尤其是随EW量逐渐降低的η_0.1值,证明EWC可以在较低的低压连续流剪切下流动,有利于油墨丝的稳定挤出。

表2 蛋清含量对EWC油墨表观黏度影响的模型拟合结果

Tab.2 Model fitting results for effect of egg white content on apparent viscosity of EWC inks

不同小写字母表示组间数据差异显著(P<0.05)。

2.2.2 剪切回复分析

油墨挤出后,可以在无剪切应力的作用下恢复初始黏度的材料有利于3D打印^[40]。通过低-高-低3个阶段的剪切恢复实验分析EWC的结构恢复性,结果见图2(b)。在高剪切速率下,EWC的结构被破坏,黏度值降低。0EWC在低剪切速率下结构回复程度有限,表现出最低的回复率。这种现象可能是因为鸡肉糜流体之间相互作用强,形成的强凝胶结构(高η值)经过剪切破坏后难以恢复。Ji等^[41]报道了相似的结果,即强酪蛋白木薯淀粉凝胶的结构回复性差,表现出较低的3D打印保真度。对于EW添加组,EW的添加使EWC的结构强度降低。结构强度低的软凝胶可以在高剪切速率下以微凝胶形式通过喷嘴,结构的破坏有限。因此随着EW的添加,EWC的剪切回复能力提升。这种高剪切回复能力的油墨可以在经过喷嘴后保持足够的机械强度以支撑下一层的油墨,从而制备高保真度的3D打印材料。尤其是20EWC中,较高的EW含量使EWC表现出软凝胶为主的凝胶特性,表现出最高的结构回复能力(回复率为93.03%)。此外,所有EWC第3阶段的黏度值均低于第1阶段。这是因为强相互作用形成的刚性凝胶网络被破坏,凝胶难以回复到相对稳定的状态。

2.2.3 应力扫描和屈服应力分析

应力扫描测试进一步分析了油墨的流体特性和支撑性。由图2(c)可知,EWC的储能模量(G′)和损耗模量(G″)在线性黏弹性区域内相对稳定,其结构保持稳定。G′大于G″证明EWC表现出弹性特性和类似固体的特性。当超过临界应变时,G′表现出快速地下降,G″表现出先上升后下降的Ⅲ型行为^[42]。这是因为EWC凝胶网络的形成速度快于中振幅振荡剪切的破坏速度,即G″的超调。Yu等^[43]关于大豆分离蛋白乳液凝胶的研究也发现了相似的结果,增加的应变使最初解离的絮凝体纠缠在一起,形成新的絮凝体,导致G″的增加。在高剪切应变下,EWC的网络结构的破坏发生了从凝胶到溶胶的转变。此外,G′和G″的交点表示EWC的屈服应力。由图2(d)可知,屈服应力反映油墨的自支撑行为和驱动油墨在打印喷嘴中流动的最小应力^[41]。足够的屈服应力使油墨在逐层堆叠时不会坍塌,保证3D打印的高形态保真度。在油墨能够顺利挤出的前提下,EW添加增加了EWC的应力大小和回复率。意味着EW是一种改善鸡肉糜打印性能的有效措施,能够改善EWC的空间结构,增强屈服应力以支持油墨的逐层沉积。

2.2.4 频率扫描分析

频率扫描实验被用来进一步分析流体G′与G″之间的关系。G′与胶体的固体特性相关,G″与液体特性相关。两者之间的关系可以反映材料的类固体性质和抗压缩变形能力^[40]。由图2(e)可知,EWC的G′和G″表现出强的频率依赖性,表明EWC凝胶网络主要是由非共价物理交联构成的^[44]。在高频率下,颗粒的分子迁移率更快,G′和G″表现出随着频率的增加而增加^[45]。添加EW的鸡肉凝胶G′降低。因为EW主要以非共价物理交联的形式支撑凝胶的凝结结构,原有的高黏度鸡肉糜结构强度降低。此外,EWC的G′大于G″,表明其具有弹性凝胶或固体状特性,有利于3D打印的进行。采用Power-law模型进一步分析了频率扫描数据,不同EW含量的EWC频率扫描的模型拟合结果见表3。由表3可知,幂律常数K₄和K₅随EW的增加而降低,表明EW改善了鸡肉糜过高黏度的较差黏弹性。频率指数N表示凝胶网络结构的频率灵敏度^[46]。EW含量越高的EWC频率敏感度越高,这可能是因为EW与鸡肉糜之间的结合力较弱,结构稳定性较差,易受频率影响。

表3 蛋清含量对EWC油墨频率扫描影响的模型拟合结果

Tab.3 Model fitting results for effect of egg white content on frequency scanning of EWC inks

不同小写字母表示组间数据差异显著(P<0.05)。

2.3 3D打印EWC凝胶的IDDSI分析

IDDSI被用来分类和描述EWC的质地和等级,以确保吞咽困难患者安全进食。勺子倾斜测试可以直观反映EWC的黏性和内聚力^[34]。蛋清含量对EWC凝胶勺倾实验、叉滴实验和叉压实验的影响见图3。由图3可知,所有EWC样品都轻松掉落,几乎不存在残留物在勺子上。这种现象表明EWC具有足够的内聚力,可以在勺子上保持光滑的表面和形状。EWC完整掉落的特性属于典型的5级切碎/湿润的食品。对于吞咽困难患者,进食5级食品的过程仅需很小咀嚼力或舌头力就足以轻松食用,不会黏在舌头和咽部^[47]。叉滴试验通过观察样品通过叉齿的流动特性测试。所有EWC都可能堆积在叉子上方,且无叉子齿间滴落状拖尾。这表明EWC具有黏度合适的流体特性,减少了食物误吸的风险^[48]。在叉压实验中,EWC能够通过叉子的间隙(4 mm),表明其颗粒尺寸属于安全的食品范围^[5]。此外,所有EWC只需很小的力(指甲未变白)即可使凝胶变形,压力去除后形状没有恢复。这种现象证明EWC属于第5级切碎/湿润食品,仅需要很少的咀嚼和舌头力就可以分散成细小的食物颗粒。然而,IDDSI体系只能定性分析样品,无法区分属于同一等级的样品差异。有必要进行定量分析比较不同EW添加对EWC吞咽性的影响。

图3 蛋清含量对EWC凝胶勺倾实验、叉滴实验和叉压实验的影响Fig.3 Effect of egg white content on spoon tilt, fork drip and fork pressure experiments of EWC gels

2.4 3D打印EWC凝胶的质构分析

质构特性可以定量地分析同等级吞咽困难食品,以区分不同样品的质地^[49]。蛋清含量对EWC凝胶质构特性的影响见表4。由表4可知,与勺子倾斜实验的结果不同,EWC的内聚力先增后减。这种现象可能是因为添加少量EW时(5EWC),EW与鸡肉以紧密的互穿凝胶网络结合在一起。当继续增加EW时,EW与鸡肉相分离发生,以颗粒填充的形式存在EWC的凝胶网络中。这一结果与频率扫描的Power-law模型中频率指数N的变化一致。Huang等^[50]的研究报道了相似的结果,随着蛋清蛋白含量的增加,蛋清蛋白-鳗鱼肌原纤维蛋白相分离发生,凝胶结构发生转变。尽管大量EW填充使EWC内聚力降低,但EWC光滑的表面保证其从勺面顺利的滑落很少产生残留(图3)。此外,凝胶强度影响食物的咀嚼时间和在消化系统中的流动性。适宜的凝胶强度可以在较小的舌力和咀嚼力下完成食物吞咽,是理想的吞咽困难患者适用型食品^[51]。在整个范围内,EWC的凝胶强度随EW量增强,涉及不同的机理。与上述分析相似,在5EWC中主要以互穿凝胶网络的形式增强凝胶强度,但凝胶强度增加不显著。随着EW的增加,EW开始以颗粒填充的形式增强凝胶强度。这种颗粒填充凝胶导致凝胶强度上升的结果也被之前的研究报道了^[49]。值得注意的是,过高强度的食品需要较大的咀嚼力和舌力才能完成咀嚼和食物吞咽过程。因此过量添加EW(如20EWC),可能会导致老年人进食困难。弹性是指样品经过第一次压缩变形后的恢复程度,可以表示样品内部的结合程度。恢复性指变形后的样品恢复其原始形状过程积累的能量^[52]。对于0EWC到15EWC,随EW量的增加EWC的弹性降低,恢复性增加。这是因为EWC的高凝胶强度,即使有大量的能量积累也难以恢复原始的形状。过量EW时(20EWC)EWC表现出高弹性和低恢复性。这可能是由于其过高的初始凝胶强度,可以抵抗探头施加的力保持良好的结构所致。此外,EWC的咀嚼性随EW增加,证明了上述假设,即过高的凝胶强度可能导致吞咽困难患者进食困难。

表4 蛋清含量对EWC凝胶质构特性的影响

Tab.4 Effect of egg white content on textural properties of EWC gels

不同小写字母表示组间数据差异显著(P>0.05)。

2.5 3D打印EWC凝胶的蒸煮损失和持水性分析

水分含量丰富的食品对于吞咽困难患者来说是理想的,其湿润的质地有利于减少进食食物团的阻力^[53]。此外,高水分含量的食品有助于唾液分泌功能衰弱的吞咽困难患者轻松食用^[54]。蛋清含量对EWC凝胶水分含量的影响见图4。由图4(a)可知,0EWC表现出较高的蒸煮损失率。这是因为鸡肉凝胶的水稳定性主要受添加的盐离子的影响^[26]。如NaCl促进肌原纤维蛋白的膨胀和水合能力,三聚磷酸钠增加蛋白质表面的负电荷数量。然而,盐离子稳定EWC中水的能力有限,在高温加热的凝胶化过程中,大量的水分从凝胶网络间隙流失。当加入EW,EW与鸡肉形成紧密的互穿凝胶网络结构,水分被锁定在凝胶网络中。随着EW的增加,EWC蒸煮损失率降低。这种现象是因为更多的EW以形成互穿凝胶网络或填充凝胶的形式减少凝胶三维网络间隙,固定水分。有趣的是,强凝胶网络的20EWC蒸煮损失率升高。这可能是因为20EWC过大的凝胶强度,减弱了蛋白质与水结合的能力。这种强凝胶结构导致水稳定性下降的现象也被Zhang等^[55]的研究报道了。

不同小写字母表示组间数据差异显著(P<0.05)。

图4 蛋清含量对EWC凝胶水分含量的影响Fig.4 Effect of egg white content on moisture content of EWC gels

此外,持水能力是影响水分含量的重要指标。由图4(b)可知,与0EWC相比,添加EW的鸡肉凝胶持水性显著提升。这种现象是因为EW促进了蛋白质的非共价交联,形成了更稳定的凝胶网络。高水分含量的食物可显著改善吞咽困难患者的进食体验,对合并口干症者尤为适宜。有趣的是,高EW含量的20EWC持水能力降低。这种现象可能是高浓度EW会和肌原纤维蛋白之间发生轻微的相分离导致的。Huang等^[50]的研究报道了相似的结果,蛋清蛋白含量超过1.5%后与鳗鱼肌原纤维蛋白发生相分离导致持水性降低。

03

结 论

本研究探索了食品级蛋清对3D打印鸡肉作为吞咽困难患者食品的流变学及质地特性的影响。结果表明,蛋清通过调节EWC油墨的黏度、提高屈服应力和剪切回复性,以改善EWC油墨的3D打印保真度和细节还原度。IDDSI结果表明,EWC凝胶属于5级碎湿吞咽困难食品,吞咽困难患者可以轻松咀嚼吞咽并避免食物误吸。质构分析表明,蛋清可以调节EWC凝胶的内聚力和凝胶强度,吞咽困难患者可以在低咀嚼力和舌力下食用。蛋清增加了EWC凝胶的水分含量和持水能力,适合伴有口干症的吞咽困难患者。15EWC凝胶具有最好的3D打印和吞咽表现,是适合吞咽困难患者的饮食。本研究旨在为吞咽困难患者提供进食肉制品解决方案,希望可为蛋清在特医食品中的创新型应用提供理论参考。

参考文献：略

引用格式

侯敬杰, 孟德坤, 黄钊, 等. 蛋清对鸡肉凝胶3D打印及质地特性的影响[J]. 食品科学技术学报,2026,44(2):185-196. HOU Jingjie,MENG Dekun,HUANG Zhao,et al. Effect of egg white on 3D printing and textural characteristics of chicken gel[J]. Journal of Food Science and Technology, 2026,44(2):185-196.

基金项目Foundation

 黑龙江省自然科学基金重点项目(ZD2023C003);2021年中央支持地方高校改革发展资金人才培养项目;新一轮黑龙江省“双一流”学科协同创新成果项目(LJGXCG2024-P39);黑龙江省现代农业产业技术协同创新推广体系岗位专家项目;黑龙江省“双一流”新一轮建设学科协同创新成果建设项目(LJGXCG2022-012);东北农业大学食源基功能活性包装学科团队项目(54941112)。

Key Project of Natural Science Foundation of Heilongjiang Province (ZD2023C003); 2021 Talent Training Project of Central Support for Local Universities Reform and Development Fund; New Round Heilongjiang Province Double First-class Discipline Collaborative Innovation Achievement Project (LJGXCG2024-P39); Heilongjiang Provincial Modern Agricultural Industry Technology Collaborative Innovation and Promotion System Post Expert Project; Heilongjiang Province Double First-Class New Round of Construction Disciplines Collaborative Innovation Achievements Construction Project (LJGXCG2022-012); Northeast Agricultural University Food-Based Functional Active Packaging Discipline Team Grant (54941112).

制作：赵宇飞

编辑：李宁

审核：叶红波 张逸群