明胶调控3D打印猪肉糜特性及其与肌原纤维蛋白和脂肪酸相互作用机制的研究

《Food Chemistry: X》：Study on the modulation of the properties of 3D printing pork mince and interaction mechanisms with myofibrillar proteins and fatty acids by gelatin

　　

专业摘要翻译：明胶显著改善了3D打印猪肉糜的打印特性。明胶对3D打印肉糜特性的改善可能归因于流变学调控：明胶显著提高了肉糜体系的储能模量（storage modulus, G'）、损耗模量（loss modulus, G"）和凝胶强度（gel strength），且这些参数与明胶浓度呈剂量依赖性关系。明胶改善肉糜3D打印性能的机制在于其调控脂肪酸与肌原纤维蛋白（myofibrillar protein, MF）之间的相互作用。明胶的掺入改变了脂肪酸与肌原纤维蛋白之间的分子间相互作用，从而降低了脂肪酸对蛋白质基质的荧光猝灭能力。研究人员采用多光谱与计算相结合的方法，研究了明胶对3D打印猪肉糜加工特性和产品质量属性的影响。通过荧光光谱法（fluorescence spectroscopy）探究了脂肪酸与肌原纤维蛋白的相互作用机制，同时考察了明胶对3D打印肉糜中油酸与肌原纤维蛋白相互作用的影响。研究结果揭示了明胶在宏观层面优化3D打印猪肉糜凝胶结构和水分分布，并在分子层面调控脂肪酸与肌原纤维蛋白相互作用模式的双重机制。该研究为3D打印肉制品的配方设计、质地调控以及脂质-蛋白质相互作用的分子理解提供了理论依据和实验支持。

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一、研究背景与问题

3D食品打印相较于传统食品加工方式，在个性化定制和复杂食品装饰制作方面展现出显著优势。3D打印肉制品的原材料包括猪肉、鱼肉、虾肉和牛肉等，这些原料需去除结缔组织并加工成肉糜。然而，天然肉糜缺乏3D打印所需的流变特性，难以确保打印结构的完整性和自支撑性能，因此需要通过添加增稠剂、稳定剂、盐类和微生物转谷氨酰胺酶（microbial transglutaminase, MTGase）等添加剂来改善其可打印性。已有研究利用可溶性淀粉基添加剂改善牛肉糜的质构和流动性，利用脱乙酰魔芋葡甘聚糖（deacetylated konjac glucomannan, DKGM）提高猪肉糜的3D打印精度和稳定性，以及探讨氯化钠对鱼糜凝胶3D打印流动性的改善作用。

明胶作为一种具有三维纤维网络结构的水溶液体系，已被广泛应用于食品3D打印领域。研究表明，明胶可改善玉米淀粉的流变特性和3D打印性能，增强鸡肉基3D打印材料的粘弹性和打印稳定性，并优化大豆基纳米乳液3D打印产品的尺寸精度和吞咽安全性。相较于卡拉胶和结冷胶等其他亲水胶体，明胶在3D打印猪肉体系中具有独特优势：其热可逆胶凝特性可实现平滑挤出和快速定型，强剪切稀化行为可降低挤出阻力并增强凝胶强度。作为蛋白质类亲水胶体，明胶能与肌原纤维蛋白形成致密网络，比多糖类添加剂更好地调控水分和蛋白质-脂肪酸相互作用。

猪肉中肌原纤维蛋白约占总蛋白含量的50%–55%。油酸和棕榈酸被鉴定为猪肉干制品中相对含量最高的两种脂肪酸。脂肪酸与肌原纤维蛋白的相互作用对猪肉乳液的凝胶特性和品质属性具有决定性影响。已有研究采用多光谱和计算相结合的方法，揭示了反油酸（elaidic acid, EA）与β-乳球蛋白（β-lactoglobulin, β-Lgb）之间的相互作用机制，发现范德华力和氢键是主要驱动力；肉类糊状物界面蛋白质-脂质相互作用涉及二硫键、疏水相互作用和氢键。通过荧光光谱法，研究人员还阐明了亚油酸与大豆蛋白、亚油酸/肉豆蔻酸与大米蛋白之间的相互作用机制。然而，关于明胶如何调控3D打印肉糜中脂肪酸与肌原纤维蛋白相互作用的研究仍较缺乏，这正是本研究开展的核心动因。

二、研究内容与结论

本研究系统考察了不同明胶添加量（0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，w/w）对3D打印猪肉糜加工特性、流变学特性、凝胶强度、持水性、水分分布、蛋白质二级结构、三维网络结构及烘烤损失率的影响。同时，构建了二元体系（肌原纤维蛋白-油酸，MF-OA；肌原纤维蛋白-棕榈酸，MF-PA）和三元体系（明胶-肌原纤维蛋白-油酸，Gel-MF-OA；明胶-肌原纤维蛋白-棕榈酸，Gel-MF-PA），采用荧光光谱法、同步荧光光谱法和三维荧光光谱法，探究了明胶对脂肪酸与肌原纤维蛋白相互作用机制的影响。

研究结果表明，明胶显著改善了3D打印猪肉糜的打印特性，最优打印性能出现在1%明胶添加量条件下。明胶对3D打印肉糜特性的改善归因于流变学调控：明胶显著提高了体系的储能模量（G'）、损耗模量（G"）和凝胶强度，且呈剂量依赖性。明胶改善3D打印性能的机制在于其调控了脂肪酸与肌原纤维蛋白的相互作用：明胶的掺入降低了脂肪酸对蛋白质基质的荧光猝灭能力，改变了棕榈酸的猝灭机制（仍以静态猝灭为主），增大了脂肪酸与肌原纤维蛋白的结合常数和结合位点数，并将油酸-肌原纤维蛋白间的主导作用力由疏水相互作用转变为范德华力和氢键，同时诱导了酪氨酸和色氨酸残基微环境的变化。

三、主要技术方法

研究人员采用流变仪测定了3D打印猪肉糜的动态流变特性（储能模量G'和损耗模量G"）；采用质构仪测定了凝胶强度；采用低场核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance, LF-NMR）分析了水分分布；采用傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）分析了蛋白质二级结构相对含量；采用激光扫描共聚焦显微镜（laser scanning confocal microscopy, LSCM）观察了三维网络结构。在分子相互作用研究方面，采用荧光光谱法结合Stern-Volmer方程判断猝灭类型，采用双对数方程计算结合常数和结合位点数，采用热力学方程判断作用力类型，并辅以同步荧光光谱和三维荧光光谱分析氨基酸残基微环境变化。猪肉腿肉购自当地超市，明胶（食品级）由天津科密欧化学试剂有限公司提供，油酸和棕榈酸购自上海麦克林生化科技股份有限公司。

四、研究结果

4.1 明胶对3D打印猪肉糜储能模量和损耗模量的影响
所有猪肉糜凝胶组的储能模量均大于损耗模量，表明材料主要表现为类固体行为，结构稳定性优良，这对3D打印过程中的分层堆积和成型至关重要，也是打印产品不易坍塌的主要原因。

4.2 明胶对3D打印猪肉糜凝胶强度的影响
凝胶强度随明胶含量增加而显著增大（p < 0.05），从119.62 g增至154.48 g。其原因在于明胶分子与肌原纤维蛋白之间形成氢键，使猪肉凝胶体系的三维网络结构更加紧密。

4.3 明胶对3D打印性能的影响
当明胶含量为0%时，材料粘附性差，打印过程中出现断裂；随明胶添加量增加，打印质量逐步改善，1%明胶添加量时打印性能最优；当明胶添加量达到2%时，打印过程中出现堵塞和粘附现象，可能是过量明胶溶解不充分或黏度过高形成聚集体所致。

4.4 明胶对3D打印猪肉产品水分分布的影响
3D打印凝胶体系出现三个弛豫峰，分别对应结合水（T₂₁）、不易流动水（T₂₂）和自由水（T₂₃）。明胶对结合水的弛豫时间和相对峰面积无显著影响（p > 0.05）。当明胶添加量为1%时，三种水的弛豫时间均达到最短，自由水相对峰面积最大，表明该浓度既促进了致密蛋白质网络结构的形成，又有利于打印过程中材料的顺畅挤出。

4.5 明胶对3D打印猪肉产品持水性的影响
持水性（water-holding capacity, WHC）随明胶添加量增加而显著提高（p < 0.05），呈剂量依赖关系。1%明胶添加量时体系持水性达80%。明胶凭借强水结合能力，通过分子网络物理截留水分子，从而增强凝胶体系的持水性能。凝胶强度与持水性呈现一致的变化趋势。

4.6 明胶对3D打印猪肉产品蛋白质二级结构的影响
β-转角和无规卷曲对明胶添加量不敏感，而α-螺旋和无规卷曲受显著影响。0%明胶时α-螺旋相对含量最低（17%），无规卷曲比例最高（24%）。随明胶添加量增至1.5%，α-螺旋含量升至23%，表明卷曲的疏水基团和巯基被重新包裹进蛋白质结构内部，凝胶弹性和流动性增强。

4.7 明胶对3D打印猪肉产品三维网络结构的影响
激光扫描共聚焦显微镜观察显示，蛋白质网络结构随明胶添加量增加由疏松多孔状态转变为高度交联的致密结构，孔径减小、密度增大。2.5%明胶添加量时出现结构堆叠现象，可能由过量大分子明胶压缩猪肉蛋白所致。1%明胶添加量能显著增强凝胶体系三维网络结构的稳定性。

4.8 明胶对3D打印猪肉产品烘烤损失率的影响
烘烤损失率随明胶添加量增加呈下凸抛物线趋势，1%明胶时损失率最低（48.63%），2.5%时最高（49.82%）。过量明胶可能因水分不足无法与肉糜基质充分作用，未溶解明胶颗粒对凝胶网络产生机械挤压，高温烘烤时氢键严重解离，导致持水能力下降和水分流失。

4.9 荧光光谱分析
肌原纤维蛋白的固有荧光强度随脂肪酸浓度增加而逐渐下降，表明脂肪酸与色氨酸和酪氨酸残基相互作用形成稳定复合物。0.4 mg/mL脂肪酸时，MF-OA、MF-PA、Gel-MF-OA和Gel-MF-PA体系的荧光猝灭效率分别为51.70%、50.74%、33.81%和41.5%，说明明胶改变了脂肪酸对肌原纤维蛋白的猝灭能力。Stern-Volmer曲线显示各体系均符合静态猝灭机制。明胶的加入未改变油酸的猝灭机制，但改变了棕榈酸的猝灭行为，仍以静态猝灭为主。明胶添加增大了脂肪酸与肌原纤维蛋白的结合常数和结合位点数，对棕榈酸的增强效果更明显。热力学分析显示，MF-OA体系以疏水相互作用为主导（ΔH > 0，ΔS > 0），MF-PA、Gel-MF-OA和Gel-MF-PA体系以范德华力和氢键为主导（ΔH < 0，ΔS < 0），明胶未改变棕榈酸与肌原纤维蛋白之间的作用力类型。

4.10 同步荧光光谱分析
在Δλ = 60 nm条件下，MF-OA和MF-PA体系的最大荧光峰发生1 nm蓝移，Gel-MF-OA和Gel-MF-PA体系发生2 nm蓝移；在Δλ = 15 nm条件下，MF-OA和MF-PA体系分别蓝移2 nm和3 nm，三元体系蓝移4 nm。这表明脂肪酸和明胶均诱导了酪氨酸和色氨酸残基微环境极性的降低和疏水性的增加，且明胶对酪氨酸微环境的影响强于色氨酸。色氨酸荧光强度始终高于酪氨酸，说明色氨酸是肌原纤维蛋白中的主要荧光组分。

4.11 三维荧光光谱分析
三维荧光光谱中，明胶添加后三元体系中Peak 1的荧光强度高于二元体系，进一步证实明胶调节了肌原纤维蛋白与脂肪酸之间的相互作用。

五、讨论与结论总结

本研究表明，明胶在宏观层面通过流变学调控（提高G'、G"和凝胶强度）和凝胶网络强化（增强蛋白质-水相互作用、降低自由水流动性）优化了3D打印猪肉糜的结构稳定性和打印性能。从分子层面看，明胶通过调控脂肪酸与肌原纤维蛋白之间的相互作用来改善3D打印性能：一方面降低脂肪酸对蛋白质基质的荧光猝灭能力，另一方面增大结合常数和结合位点数，并改变油酸-肌原纤维蛋白间的主导作用力类型。最优明胶添加量为1%，此时打印性能最佳、烘烤损失率最低（48.63%），且凝胶强度和持水性达到理想水平。

研究结论为：明胶不仅从宏观层面优化了3D打印猪肉糜的凝胶结构和水分分布，还从分子层面调控了脂肪酸与肌原纤维蛋白的相互作用模式。该研究为3D打印肉制品的配方设计、质地调控和脂质-蛋白质相互作用的分子理解提供了理论依据和实验支持。