通过掺入含油离子凝胶海藻酸盐粘合剂的混合挤压打印制备复杂结构肉类类似物

《Food Hydrocolloids》：Complex Structured Meat Analogues via Hybrid Extrusion Printing by Incorporation of Oil-containing Ionically Gelling Alginate Binders

　　

近几十年来，消费者需求推动了肉类类似物的发展。虽然碎肉产品（如肉饼和香肠）的替代品已广泛可得，但全切肉产品的复制仍具有挑战性，因为其复杂结构和组成包括肌纤维束以及富含脂肪的结缔组织，这些在很大程度上决定了外观、风味和质地。在本研究中，研究人员研究了新型双流分流板系统（bi-stream breaker plate system）在高水分双螺杆挤压（high-moisture twin-screw extrusion）中生产结构复杂、多相肉类类似物的适用性。采用了一种在线外部凝胶化方法，利用含CaCl₂的蛋白质物料使海藻酸盐基粘合剂（alginate-based binders）固化。蛋白质物料温度（100、120、140 ^oC）、粘合剂相对于挤出物的流量分数（0、4、7、13 wt.%）以及粘合剂中分散油含量（0、10、20 wt.%）被独立变化。样品通过光学评估（撕裂分析、冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM））和力学测试（质构剖面分析（TPA）、切割试验）进行表征。此外，研究人员表征了蛋白质物料随温度和CaCl₂浓度的流变行为。结果显示，在蛋白质物料温度高达120 ^oC时，粘合剂分布主要为均匀。增加粘合剂分数不影响其在整个挤出物宽度上的分布。力学分析表明，初始加入粘合剂后，咀嚼性持续下降（最多降低48%），而各向异性增加了40%。增加分散油分数降低了咀嚼性（最多降低17%）。微观结构分析证实，粘合剂层在空间上分离了蛋白质股线，从而抑制了它们的再结合。因此，这种可扩展的基于挤压的工艺代表了3D打印的一种有前景的替代方案，将富含蛋白质和富含油的层组合成复杂结构。

论文解读

**研究背景与问题**
近年来，消费者需求推动肉类类似物快速发展。尽管碎肉产品（如肉饼和香肠）的替代品已广泛商业化，但全切肉产品的复制仍面临巨大挑战，其原因在于全切肉具有复杂的层次结构，包括肌纤维束和富含脂肪的结缔组织，这些结构显著影响外观、风味和质地。现有高水分挤压技术虽能生成各向异性蛋白质结构，但难以模拟肌肉的层次组织，且产品在咀嚼性和多汁性方面与真实肉差距较大。混合挤压打印（HEP：Hybrid Extrusion Printing）作为一种结合挤压与3D打印优势的新型工艺，通过双流分流板系统（bi-stream breaker plate system）能实现多相结构的连续生产，但此前仅采用热凝胶粘合剂（如明胶），而离子凝胶粘合剂（如海藻酸盐）在HEP中的应用尚未被探索。本研究旨在首次将离子凝胶海藻酸盐基粘合剂（alginate-based binders）引入HEP，通过在线离子凝胶化生成空间分离的蛋白质-粘合剂多相挤出物，从而模拟全切肉的复杂结构，并评估其工艺可行性及产品性能。该研究发表于《Food Hydrocolloids》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用高水分双螺杆挤压（high-moisture twin-screw extrusion）配合定制的双流分流板系统，该系统能将蛋白质物料分流并在股线间注入粘合剂。在线外部凝胶化通过蛋白质物料中添加的CaCl₂（钙离子）扩散至海藻酸盐粘合剂中实现。关键方法包括：流变测量（使用封闭腔流变仪（CCR）表征蛋白质物料随温度和CaCl₂浓度的复模量）；光学分析（撕裂分析、冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察宏观和微观结构）；力学测试（质构剖面分析（TPA）计算咀嚼性，切割试验测量正交和平行方向最大力并计算各向异性指数（AI：Anisotropy Index））。所有材料购自供应商（如Solae LLC、Carl Roth GmbH等），无样本队列来源。

**研究结果**
**3.1 蛋白质物料温度的变化**
通过改变蛋白质物料温度（100、120、140 ^oC），发现温度在120 ^oC及以下时，粘合剂在挤出物宽度上均匀分布在蛋白质股线之间；而140 ^oC时，径向中心区域出现粘合剂缺失，归因于高温下蛋白质物料粘度降低，导致物料侵入双流分流板中的粘合剂通孔。流变实验证实温度升高降低复模量，CaCl₂可部分缓解该效应，说明120 ^oC为后续实验的最佳温度。

**3.2 粘合剂流量分数的变化**
粘合剂流量分数从0增至13 wt.%时，粘合剂始终均匀分布，且不影响蛋白质股线的卷曲形态。咀嚼性随粘合剂分数增加持续降低，最高降低48%（0 vs. 13 wt.%）。各向异性指数（AI）在初始加入粘合剂（4 wt.%）时显著增加40%，但继续增加粘合剂分数后AI无显著变化，表明空间分离是关键因素——粘合剂层阻止蛋白质股线再结合，而更高的粘合剂量并不进一步增强各向异性。切割力结果表明，初始加入粘合剂大幅降低正交和平行方向的最大力，而后续增加影响较小。

**3.3 分散相比例的变化**
在粘合剂中加入分散油（0、10、20 wt.%）后，油使粘合剂呈白色，形成类似大理石纹的外观。咀嚼性随油含量增加显著降低，20 wt.%油时降低约17%。独立凝胶压缩实验显示，油作为惰性填料（inactive fillers）降低海藻酸盐凝胶的杨氏模量，从而削弱网络强度。各向异性指数（AI）无显著变化，说明油仅影响粘合剂相本身，而不改变蛋白质股线的空间分离。过程稳定性未受明显影响。

**3.4 微观结构观察**
Cryo-SEM显示，无粘合剂样品中蛋白质股线间存在水-rich区域，且部分股线通过材料桥再结合；加入粘合剂后，片层状海藻酸盐网络清晰分隔蛋白质股线，阻止再结合。高倍图像显示海藻酸盐网络具有定向取向。CLSM和Cryo-SEM证实，分散油滴包裹在海藻酸盐凝胶网络内，并位于蛋白质股线之间的间隙，而非蛋白质基体内。这种空间分布可能有助于模拟全切肉中脂肪在结缔组织中的分布，从而改善多汁性感知。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，粘合剂掺入对机械性能的影响主要源于空间分离，而非粘合剂化学性质；油作为惰性填料进一步降低咀嚼性但不影响各向异性。微观结构证实了多相分离，为未来研究液体释放和多汁性感知提供了基础。结论翻译如下：
本研究成功将海藻酸盐基粘合剂引入高水分挤压蛋白质物料，通过双流分流板系统实现蛋白质股线的空间分离，并通过Ca²⁺扩散诱导在线凝胶化。蛋白质物料温度在120 ^oC及以下时粘合剂均匀分布，140 ^oC时中心区域受限。粘合剂掺入使咀嚼性降低最多48%，初始加入使各向异性增加40%；油分散相使咀嚼性进一步降低17%，但不影响各向异性。微观结构确认蛋白质与粘合剂相分离，油滴包裹在海藻酸盐网络中。该可扩展工艺结合了蛋白质和油层，有效模拟全切肉复杂结构，是3D打印的潜在替代方案，并为下一代肉类类似物的工业整合奠定了基础。