【原】江南大学国家重点实验室：微波3D打印和TG酶对打印过程中鱼糜自凝胶化的协同作用

微波3D打印和转谷氨酰胺酶对打印过程中鱼糜自凝胶化的协同作用 

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导  读

2020年11月7日，江南大学食品科学与技术国家重点实验室：赵子龙（第1作者）……、范大明*（通讯作者）等在Innovative Food Science and Emerging Technologies（影响因子：4.477）发表了题为“Synergistic effect of microwave 3D print and transglutaminase on the self-gelation of surimi during printing”的研究文章。

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https:///10.1016/j.ifset.2020.102546

研

究

背

景

熔融沉积建模（FDM）是3D食品打印中最常用的技术。在3D食品打印中，将熔融或浆状的食品流体从喷嘴中挤出，并沉积到平台上形成最终的产品。

加热是典型的食品加工方法。在适当的加热条件下，许多类型的流体食品（例如肉酱，蛋清，大豆蛋白和一些多糖）都可以被诱导成具有较高机械稳定性的弹性凝胶。例如，鱼糜凝胶是具有高蛋白质含量的典型的热诱导凝胶食品。在加热过程中，鱼糜中的肌原纤维蛋白逐渐膨胀并交联，氢键和二硫键等化学作用力显着增加，导致鱼糜从流体变为固体凝胶，具有明显的断裂力和凝胶强度。

转谷氨酰胺酶(TGase)作为一种温度依赖性酶，受微波场中的热效应和非热效应影响，改变其结构并增强其活性。在鱼糜凝胶的热诱导凝胶过程中，TGase通过催化谷氨酰胺残基从肽链到γ-羧基酰胺基团的交叉反应，生成非二硫共价键ε-(y-Glu)- Lys，交联肌原纤维蛋白头部，提高凝胶强度。

目前，尚未报道在3D打印期间加热来实现热诱导的凝胶食品的相变。本文研究微波和TGase对鱼糜在3D打印过程中从流体到固体的相变过程的协同作用，以期提高3D打印产品的机械稳定性和成型质量。此外，还对微波3D打印（MW3DP）聚焦加热模式对鱼糜的凝胶形成机理和产物的凝胶特性进行了研究。

研

究

思

路

基于上述，微波具有加热速度快，穿透速度快等优点，是实现3D打印产品均匀加热的理想选择。因此，微波加热的3D食品打印机的结构是一种理想的解决方案，并发明一种微波3D打印机，通过在挤压喷嘴中加热材料来改善鱼糜的可打印性，可以将食物从流体转变为固体，并提高3D打印过程中材料的成型质量。此外，在3D打印过程中添加TGase可有效改善鱼糜的粘弹性和机械性能。因此，微波3D打印（MW3DP）和TGase的协同使用有望改善鱼糜的可打印性和固体凝胶产品的机械性能。

研

究

结

论

在本研究中，微波功率通过改变喷嘴中鱼糜的温度分布来影响可挤出性，当微波功率低于60W/g时，鱼糜表现出剪切变稀的行为；当添加TGase，微波功率为40和50 W/g时，鱼糜在打印过程中达到了自胶凝状态，具有足够的机械强度来抵抗堆积和切割造成的变形。此外，MW3DP还可以通过增强流体鱼糜的固相行为来提高成型质量。由于MW3DP的快速挤出和短期加热特性，加热后的蛋白质没有足够的时间展开，因此难以暴露巯基(-SH)和疏水性作用力。因此，微波与TGase协同作用产生的ε-(y-Glu)-Lys是形成自凝胶的主要作用力。同时，微波促进的氢键是鱼糜保持机械强度和保水性的另一个重要因素。本文报道了一种基于鱼糜增强3D打印产品成型质量的新方法。但是，在高功率下出口温度过高时，MW3DP遇到堵塞。在今后的工作中，我们将尝试解决上述问题，实现可食用温度下的打印。

图

文

赏

析

▲图1 微波3D打印机的几何形状(CA：阴极天线，AA：阳极天线，CC：同轴电缆，AD：适配器)。

▲图2 微波功率对电场(V/m)和温度(℃)分布的影响。

▲图3 打印过程中表观粘度(A，a)、储能模量(G‘)(B，b)和损耗模量(tanδ)(C，c)的变化。

NTG0-NTG50：不含TGase的样品分别以0、10、20、30、40和50W/g的微波功率打印。

TG0-TG50：含TGase的样品分别以0、10、20、30、40和50W/g的微波功率打印。

▲图4 微波功率对挤压喷嘴出口温度和产品凝胶强度的影响。

▲图5 打印过程中不同微波功率p下产品的总巯基含量(A)和蛋白质溶解度(B)。

▲图6 打印过程中不同微波功率的SDS-PAGE结果。

通道1~7：不含TGase的样品分别以0、10、20、30、40、50和60W/g的微波功率打印。

通道8~14：含TGase的样品分别以0、10、20、30、40、50和60W/g的微波功率打印。

▲图7 鱼糜凝胶的扫描电子显微镜照片(4000倍)。

(A)：打印前不含TGase的鱼糜；(a)：打印前含TGase的鱼糜；

(B-E)：不含TGase的样品分别以0、30、50和60W/g的微波功率打印；

(b-e)：含TGase的样品分别以0、30、50和60W/g的微波功率打印。

▲图8 不同微波功率的打印产物T2弛豫时间分布和相应峰面积的比例。

(A/C)：不加TGase的鱼糜；

(B/D)：加TGase的鱼糜。

NTG0-NTG60：不含TGase的样品分别以0、10、20、30、40、50和60W/g的微波功率打印，

TG0-TG50：不含TGase的样品分别以0、10、20、30、40、50和60W/g的微波功率打印。

▲图9 MW3DP和TGase对自凝胶化的协同作用机理。

☆ END ☆

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