2023年2月7日，大连工业大学的研究人员在食品领域TOP期刊Journal of Food Engineering(IF: 6.203)上在线发表题为“Hot melt extrusion with low-temperature deposition-coupling control improves the 3D printing accuracy of gelatin/fish pulp recombinant products”的研究性论文。
目前，一些添加明胶的3D打印食品需要加热(即蒸、煮、烤、炸)等后处理工序才可食用，这就会对3D打印产品的外观造成一定程度的破坏。因此，将明胶应用于直接可食用的3D打印食品是一个我们需要克服的挑战。
为此，大连工业大学食品学院的研究人员定制开发了一种由变压变温挤出单元、数控传动单元、挤出制冷单元和控制箱组成的3D打印设备。在3D打印过程中通过控制料桶和印刷底板的温度，用来打印明胶/熟鱼浆复合物可以有效解决这个问题。
首先，同时也为了扩大鱼皮凝胶在3D食品中的应用，研究人员通过使用不同浓度(0、0.01、0.015、0.02、0.025 M)的磷酸从鲟鱼加工副产物(鱼皮)中提取通过酸水解产生的A型明胶(Baydin et al, 2022)，并与不同来源(冷水鱼皮、牛骨和猪蹄)的市售明胶的凝胶能力进行比较。然后将不同浓度(4%、5%、6%、7%、8%)的明胶与熟鱼浆进行复配，以研究其流变特性。最后，研究了经过改装的3D打印机的耦合装置(加热和冷却控制)的3D打印性能以及凝胶特性。
研究结果显示，酸法(<0.015M)提取的鲟鱼皮明胶与市售冷水鱼皮明胶、牛骨明胶和猪蹄明胶具有相似的蛋白质振动模式(γ链、β链和α链)，表明鲟鱼皮明胶可以作为传统陆地明胶的良好替代品。原生明胶具有高温流动性和低温凝胶的特点，不适合3D打印。因此，利用热挤压和低温成型的耦合控制系统来提高3D打印机的性能，再结合原生明胶的特性，打印效果会更好。当鲟鱼皮明胶浓度为7%时，鲟鱼皮明胶/熟鲟鱼肉浆混合物(SSG-SMP)的3D打印产品具有良好的保真度。适当增加SSG-SMP复合材料中明胶的浓度可以增强3D打印适性，通过使微观结构更加致密和均匀来提高3D打印重组产品的硬度、咀嚼性和持水性。
图 1. 用5种预处理酸浓度制备的鲟鱼皮明胶的提取参数。
图2 . 5种预处理酸浓度制备的鲟鱼皮明胶和市售明胶(FG：冷水鱼皮明胶， BG：牛骨明胶，PG：猪蹄明胶)的理化性质( A：凝胶强度;B：颜色)。
图3. 5种预处理酸浓度制备的鲟鱼皮明胶和市售明胶(FG：冷水鱼皮明胶， BG：牛骨明胶，PG：猪蹄明胶)的蛋白特性(A：分子量分布;B：二级结构)
图4. 在5种明胶浓度下，鲟鱼皮明胶/鲟鱼肉复合材料的动态流变特性(A：表观粘度;B-F：黏弹性特征，G：变温扫描)。
图5. 五种明胶浓度下3D打印样品的打印质量。
图6. 5种明胶浓度下3D打印重组产品 ( A ) 的TPA和复合材料与3D打印重组产品 ( B ) 的WHC。
图7. 5种明胶浓度下3D打印重组产品的显微结构(放大倍率×1.00. bar: 10 μm)。
综上所述，鲟鱼皮的最佳预处理条件为0.015M磷酸，其明胶凝胶强度较高(739.27 g)，可作为商品明胶的良好替代品。通过改进的3D打印机，7%明胶/熟鱼浆重组体系可以表现出最佳的打印性能。重组体系在3D打印过程中喷嘴出丝更流畅同时打印精度更高，并且在冷却和成型过程中具有更高的表观粘度和模量。此外，重组明胶/熟鱼浆3D打印产品的网络结构更加致密，表现出更高的持水性(89.03%)、更高的硬度(775.64g)和恒定的弹性(0.9853)。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2023.111454
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