CN114409924A - 一种适用于3d打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于食品领域，公开了一种适用于3D打印的金针菇多糖‑大豆蛋白凝胶，它是以金针菇多糖和大豆蛋白为原料，将金针菇多糖溶于水制备成金针菇多糖水溶液，将大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混匀得到多糖‑蛋白质冷凝胶，多糖‑蛋白质冷凝胶加热、再降至室温得到的；金针菇多糖的质量占大豆蛋白和金针菇多糖总质量的1％～10％。本发明还公开了一种适用于3D打印的金针菇多糖‑大豆蛋白凝胶的制备方法。本发明金针菇多糖‑大豆蛋白凝胶适宜于制成3D打印制品，打印产品质地均匀，打印精确性达到98％以上，打印稳定性达99.7％以上，实现了高蛋白食品加工，定制食品结构、功能化食品营养的目的。
Description
技术领域
本发明属于食品领域，具体属于新型食品加工技术领域，涉及一种适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶及其制备方法。
背景技术
3D打印技术是一种增材制造技术，具有高精度、高重现性、可定制化等优点。3D打印可以通过模型构造形状、大小、填充率不同的食品，以丰富口感、提高适口性、提升食品趣味性。通过材料的调整，可以精准定制营养、口味各异的食品，满足不同人群的需要。但目前限制3D打印技术再食品上的应用主要是可实现3D打印的食品材料有限，亟待扩充。
大豆蛋白是一种氨基酸均衡的高营养植物蛋白，具有高营养、易获得等多种优点，但蛋白粉味道难以接受、吞咽困难，不适于直接食用。将其应用于3D打印上，可以制造出营养均衡、口感独特的个性化定制食品，实现营养精准化，帮助特殊需要人群充足蛋白质的摄入。
大豆蛋白凝胶由于其高强度高脆性不适宜3D打印加工。蛋白、多糖在无外界处理条件下由于氢键、疏水相互作用、范德华力等分子间相互作用会自发相互作用形成弱凝胶，但结合力较弱。通过加热等外界处理方式可以使多糖于蛋白发生美拉德反应生成更稳定的共价键，故而增强凝胶强度，使凝胶更为稳定。通过控制多糖于蛋白的比例，可以调整凝胶硬度、粘度等物理性质，使其符合3D打印特性。
周鹏等人(公开号：CN 109090616 A)公开了一种高蛋白半流体即食食品精准3D打印的方法。该方法首先溶解多糖胶体，添加果葡糖浆，再加入浓缩蛋白混匀，最后建立模型设置打印参数实现打印。该发明打印成品不易坍塌变形且口感较好。但是使用了卡拉胶、黄原胶、海藻酸钠等亲水多糖胶体，不易被消费者所接受。
孙钦秀等人(公开号：CN 112314890 A)公开了一种3D打印虾肉糜-食用胶组合物及其制备方法。将虾肉糜与食用胶混合得到食用胶组合物实现3D打印。该方法制备简单，适用于大规模产业化生产。但后续还需要进行后处理熟化步骤，非即食食品。
张憨等人(公开号：CN 108477545 A)公开了一种易吞咽的双色土豆泥/紫薯泥冷盘3D精确打印方法。该方法将土豆和紫薯清洗去皮切片，蒸熟后打浆，加入黄原胶和果胶后保温，冷却至室温调味最后上机打印。该方法将土豆泥和紫薯泥应用到双色打印中，改善了其口感使其易于吞咽。但操作过程复杂，使用亲水胶体调节物理性质，不易被消费者接受。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中存在的问题，提供一种适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶，所述的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶具有适宜的凝胶强度和粘弹特性，可应用于3D打印食品的制造。
为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶，它是以金针菇多糖和大豆蛋白为原料，将金针菇多糖溶于水制备成金针菇多糖水溶液，再将大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混匀得到多糖-蛋白质冷凝胶，多糖-蛋白质冷凝胶于80～95℃加热使大豆蛋白变性、再降至室温得到的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶。
本发明的另一个目的是提供一种所述的适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)、将金针菇多糖溶于水制备成金针菇多糖水溶液，将大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混合，充分搅拌至均匀，得到多糖-蛋白质冷凝胶；
步骤(2)、多糖-蛋白质冷凝胶于80～95℃加热25～35min使大豆蛋白变性，得到多糖-蛋白热混合物；
步骤(3)、多糖-蛋白热混合物降至室温使高温下变性的大豆蛋白形成新的凝胶结构，得到金针菇多糖-大豆蛋白凝胶。
步骤(1)中，所述的金针菇多糖是由以下方法制得的：鲜金针菇清洗、切段、烘干、磨粉过80～100目筛，得到金针菇粉；将金针菇粉和水按照质量比1:20～30混合，80～85℃水浴加热4～5h，提取液8000r/min离心10～15min，取上清液，加入3～4倍体积95％～100％乙醇过夜，得到沉淀，沉淀采用截流分子量3500kDa的透析袋在水中透析，透析至透析袋内溶液均一，减压浓缩至体积为原体积的1/4～1/3以除去可能残留的乙醇，冻干得到金针菇多糖。
金针菇多糖水溶液是由以下方法制备的：将金针菇多糖搅拌溶解于水中，制备成金针菇多糖水溶液；所述的金针菇多糖的质量分数的质量分数为0.1％～2％，优选0.167％～1.25％。
本发明通过搅拌使金针菇多糖快速均匀溶解于水中。所述的搅拌为磁力搅拌，磁力搅拌的转速为400～500rpm，磁力搅拌的时间为2～3h。
所述的大豆蛋白的蛋白含量为80～95％。
多糖-蛋白质冷凝胶的制备：以金针菇多糖水溶液中金针菇多糖的质量为基准，添加9～99质量倍的大豆蛋白，优选添加12.33～99质量倍的大豆蛋白，大豆蛋白与金针菇多糖水溶液通过搅拌充分混匀形成无结块的均一凝胶状固体。所述的多糖-蛋白质冷凝胶中，金针菇多糖的质量占大豆蛋白和金针菇多糖总质量的1％～10％，优选1～7.5％。本发明通过控制大豆蛋白和金针菇多糖的用量以及浓度，控制凝胶的表观粘度，保证金针菇多糖-大豆蛋白凝胶3D打印过程的连续化，使3D打印产品具有高精确性；同时控制金针菇多糖-大豆蛋白凝胶强度，可以保证3D打印产品具有较好的机械性能，使3D打印产品具有较高的稳定性。利用本发明金针菇多糖-大豆蛋白凝胶3D打印得到的产品，打印精确性达到98％以上，打印稳定性达99.7％以上。
所述的多糖-蛋白质冷凝胶中大豆蛋白和金针菇多糖的质量体积浓度为(g/ml)为14～18％。
所述的大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混合的方式为搅拌；所述的搅拌的转速为200～500rpm，搅拌的时间为30min。
步骤(2)中，所述的加热方式为水浴加热。
步骤(3)中，在室温条件下，所述的多糖-蛋白热混合物经0.5～1h降至室温，本发明在室温条件下进行降温，避免因环境温度过高降温时间过长而不利于凝胶的保存。
作为本发明所述的适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的制备方法的优选技术方案，所述的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶在温度为2～6℃下冷藏不超过10h，优选为2～10h，更优选为7～10h，以降低微生物活动，延长保存期，并维持金针菇多糖-大豆蛋白凝胶不变性。
作为本发明所述的适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的制备方法，还包括调配风味和/或添加营养物。
调配风味为：在大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混合的同时，按需加入风味剂；所述的风味剂可以选用果葡糖浆，果葡糖浆的添加量为1～2mg果葡糖浆/g金针菇多糖-大豆蛋白凝胶。
添加营养物为：为防止有些营养物质在凝胶制备过程中受热变性，待多糖-蛋白热混合物降至室温，加入营养物，以转速为200～300rpm搅拌5～10min，混匀，在该搅拌条件下，可以防止过度搅拌破坏凝胶结构。所述的营养物可以选用β-胡罗卜素、叶酸等。
本发明的另一个目的是提供所述的适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶作为持水性基材或3D打印基材或作为载体包埋功能性物质或在包埋、培养细胞上的应用。
所述的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶作为载体包埋功能性物质时，采用金针菇多糖-大豆蛋白凝胶包裹其他营养物质、药物或色素类物质制成微凝胶颗粒，被食用后，使营养物质或药物到特定位置被释放，或3D打印产品在某种处理下例如微波处理下释放颜色。
本发明的另一个目的是提供所述的适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶在制备益智食品或3D打印食品的应用。
当本发明所述的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶制备3D打印食品时，包括3D打印：建立3D打印模型，设置喷头直径、喷头移动速度等参数进行3D打印。
打印喷头直径可选择0.8～1.2mm，打印平台与喷嘴距离0.9～1.0mm，喷头移动速度10～20mm/s，丝径26～30mm，打印温度25～60℃。
本发明的有益效果：
①本发明选择了高生物活性大分子金针菇多糖作为产品原料，其被证明有免疫功能和益智功能，营养功能丰富。
②利用天然多糖金针菇多糖和大豆蛋白的分子间结合改善大豆蛋白3D打印特性，不添加工业化生产的其他亲水胶体，易于被消费者接受。
③本发明金针菇多糖-大豆蛋白凝胶适宜于制成各种形状的3D打印制品，打印精确性达到98％以上，打印稳定性达99.7％以上，实现了高蛋白食品加工，定制食品结构、功能化食品营养的目的。打印产品质地均匀，至少30分钟内不会出现明显形变，稳定性强，能够维持较好形状。
④本发明没有复杂的处理过程，操作性强，应用场景广泛。
⑤产品蛋白质含量高，且为氨基酸平衡的优质蛋白，可以帮助解决蛋白质摄入不足的问题。
附图说明
图1为实施例3金针菇多糖-大豆蛋白凝胶(金针菇多糖添加量5％)的3D打印实物图。
图2不同金针菇多糖添加量下凝胶的黏度变化。
图3不同金针菇多糖添加量下凝胶的储能模量变化。
图4不同金针菇多糖添加量下凝胶的耗能模量变化。
图5为不同金针菇多糖添加量下打印圆柱30分钟后实物图；其中，0％、1％、2.5％、5％、7.5％、10％分别表示采用对比例2、实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、对比例1制得的凝胶对应的打印圆柱30分钟后实物图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更加清楚的理解本发明的技术特征、目的和有益效果，现结合具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
金针菇多糖由以下方法制得：鲜金针菇清洗、切段、烘干、磨粉过80目筛，得到金针菇粉；将金针菇粉和水按照质量比1:25混合，85℃水浴加热4h，提取液12000g离心10min，取上清液，加入4倍体积无水乙醇过夜，得到沉淀，沉淀采用截流分子量3500kDa的透析袋在水中透析，透析至透析袋内溶液均一，减压浓缩至体积为原体积的1/4～1/3以除去可能残留的乙醇，冻干得到金针菇多糖。
采用磁力搅拌，控制磁力搅拌的转速为450rpm，搅拌3h，使金针菇多糖均匀溶于水中，得到金针菇多糖水溶液。
大豆蛋白(货号：S9510，品牌：Solarbio，纯度：蛋白质≥85％)。
实施例1
适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的制备，具体步骤如下：
步骤(1)、预处理：制备浓度0.167％的金针菇多糖水溶液，向金针菇多糖水溶液中添加大豆蛋白，以转速300rpm充分搅拌30min至均匀使大豆蛋白和金针菇多糖的总质量体积浓度(g/ml，下同)为16.67％，此时金针菇多糖的质量占大豆蛋白和金针菇多糖总质量的1％，将大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混合至均一，得到多糖-蛋白质冷凝胶；
步骤(2)、加热：蛋白质-多糖冷凝胶90℃水浴加热30min，得到多糖-蛋白热混合物；
步骤(3)、冷却：多糖-蛋白热混合物在0.5h内降至室温，冷却后在4℃保存，得到金针菇多糖-大豆蛋白凝胶。
实施例2
适用于3D打印的金针菇多糖-复合凝胶的制备，具体步骤如下：
步骤(1)、预处理：制备浓度0.417％的金针菇多糖水溶液，向金针菇多糖水溶液中添加大豆蛋白，以转速300rpm充分搅拌30min至均匀使大豆蛋白和金针菇多糖的总质量体积浓度为16.67％，此时金针菇多糖的质量占大豆蛋白和金针菇多糖总质量的2.5％，将大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混合至均一得多糖-蛋白质冷凝胶；
步骤(2)、加热：蛋白质-多糖冷凝胶90℃水浴加热30min，得到多糖-蛋白热混合物；
步骤(3)、冷却：多糖-蛋白热混合物在0.5h内降至室温，冷却后在4℃静置保存，得到金针菇多糖-大豆蛋白凝胶。
实施例3
适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的制备，具体步骤如下：
步骤(1)、预处理：制备浓度0.835％的金针菇多糖水溶液，向金针菇多糖水溶液中添加大豆蛋白，以转速300rpm充分搅拌30min至均匀使大豆蛋白和金针菇多糖的总质量体积浓度为16.67％，此时金针菇多糖的质量占大豆蛋白和金针菇多糖总质量的5％，将大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混合至均一得多糖-蛋白质冷凝胶；
步骤(2)、加热：蛋白质-多糖冷凝胶90℃水浴加热30min，得到多糖-蛋白热混合物；
步骤(3)、冷却：多糖-蛋白热混合物在0.5h内降至室温，冷却后在4℃静置保存，得到金针菇多糖-大豆蛋白凝胶。
将金针菇多糖-大豆蛋白凝胶紧密填入3D打印机料筒，选取直径为1.2mm的打印喷头。制作3D模型，通过切片软件进行参数设定切片，打印速度15mm/s，打印温度25℃，打印平台高度1mm，填充模式rectilinear，填充率80％，进行3D打印，得到如图1所示的3D打印实物图。
实施例4
适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的制备，具体步骤如下：
步骤(1)、预处理：制备浓度1.25％的金针菇多糖水溶液，向金针菇多糖水溶液中添加大豆蛋白，以转速300rpm充分搅拌30min至均匀使大豆蛋白和金针菇多糖的总质量体积浓度为16.67％，此时金针菇多糖的质量占大豆蛋白和金针菇多糖总质量的7.5％，将大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混合至均一得多糖-蛋白质冷凝胶；
步骤(2)、加热：蛋白质-多糖冷凝胶90℃水浴加热30min，得到多糖-蛋白热混合物；
步骤(3)、冷却：多糖-蛋白热混合物在0.5h内降至室温，冷却后在4℃静置保存，得到金针菇多糖-大豆蛋白凝胶。
对比例1
金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的制备，具体步骤如下：
步骤(1)、预处理：制备浓度1.667％的金针菇多糖水溶液，向金针菇多糖水溶液中添加大豆蛋白，以转速300rpm充分搅拌30min至均匀使大豆蛋白和金针菇多糖的总质量体积浓度为16.67％，此时金针菇多糖的质量占大豆蛋白和金针菇多糖总质量的10％，将大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混合至均一得多糖-蛋白质冷凝胶；
步骤(2)、加热：蛋白质-多糖冷凝胶90℃水浴加热30min，得到多糖-蛋白热混合物；
步骤(3)、冷却：多糖-蛋白热混合物在0.5h内降至室温，冷却后在4℃静置保存，得到金针菇多糖-大豆蛋白凝胶。
对比例2
纯大豆蛋白凝胶的制备，具体步骤如下：
步骤(1)、添加大豆蛋白于水中以转速300rpm充分搅拌30min至均匀使大豆蛋白质量体积浓度为16.67％，将大豆蛋白水混合至均一得蛋白质冷凝胶；
步骤(2)、加热：蛋白质冷凝胶置于90℃水浴加热30min，得到蛋白热混合物；
步骤(3)、冷却：蛋白热混合物在0.5h内降至室温，冷却后在4℃静置保存，冷却得到纯大豆蛋白凝胶。
由图2-图4可知，金针菇多糖添加量1～7.5％时，凝胶的黏度为1250～2400Pa·s，对比纯大豆蛋白凝胶的黏度降低了35～45％，对比金针菇多糖添加量10％时黏度提高了10～40％。金针菇多糖添加量1～7.5％时，凝胶对应的储能模量为600～1100Pa，对比纯大豆蛋白凝胶下降了40～60％，对比金针菇多糖添加量10％时提高了9～60％，控制了金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的凝胶强度。金针菇多糖添加量1～7.5％时，凝胶的耗能模量为180～200Pa，对比纯大豆蛋白凝胶下降了50～62％，对比金针菇多糖添加量10％时最多提高32％，金针菇多糖的添加控制了凝胶的流动性。由此可知，金针菇多糖添加量为1～7.5％时，大豆蛋白凝胶具有符合3D打印的流动性和凝胶强度，粘度适中，储能模量频率依赖性降低，内部凝胶化增强。
对实施例1-实施例4、对比例1制得的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶、对比例2制得的大豆蛋白凝胶进行3D打印：将金针菇多糖-大豆蛋白凝胶或大豆蛋白凝胶紧密填入3D打印机料筒，选取直径为1.2mm的打印喷头。制作3D模型(模型设定为直径16mm，高20mm的圆柱体)，通过切片软件进行参数设定切片，打印速度15mm/s，打印温度25℃，打印平台高度1mm，填充模式rectilinear，填充率80％，进行3D打印，打印产品30分钟后实物图见图5。从打印产品30分钟后实物图看，纯大豆蛋白凝胶(对比例1)打印产品的高度明显高于模型设定高度，这是由于凝胶强度过高使凝胶从喷头中挤出的弹性势能释放，打印丝径大于设定，使得堆积高度高于设定。此外纯大豆蛋白凝胶由于凝胶粘度大，挤出过程中凝胶和喷嘴摩擦力大使打印产品表面粗糙。金针菇多糖的添加降低了凝胶的粘度，使得金针菇多糖-大豆蛋白凝胶打印产品的表面更为光滑平整。同时金针菇多糖的添加降低了凝胶的强度，使打印精度得以提高。
测定打印完成时打印产品与设置模型的相似度以评价打印产品的精确度。
表1.打印产品的精确度
由表1可知，添加金针菇多糖1％～10％产品精确度为98.5～99.9％。对比纯蛋白凝胶，在打印精确度上具有明显提升。
测定30min室温环境下放置后打印产品的精确度差异以评价打印产品的稳定性。
表2.打印产品的稳定性
由表2可知，添加金针菇多糖1％～10％产品稳定性为99.7～99.97％，根据打印产品稳定性优选金针菇多糖添加量1％～7.5％。
综上，控制多糖-蛋白质冷凝胶中，金针菇多糖的质量占大豆蛋白和金针菇多糖总质量的1～7.5％(即金针菇多糖添加量为1％～7.5％)，最适用于3D打印。
Claims (10)
1.一种适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶，其特征在于：它是以金针菇多糖和大豆蛋白为原料，将金针菇多糖溶于水制备成金针菇多糖水溶液，再将大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混匀得到多糖-蛋白质冷凝胶，多糖-蛋白质冷凝胶加热、再降至室温得到的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶。
2.一种权利要求1所述的适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)、将金针菇多糖溶于水制备成金针菇多糖水溶液，将大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混合，充分搅拌至均匀，得到多糖-蛋白质冷凝胶；
步骤(2)、多糖-蛋白质冷凝胶于80～95℃加热25～35min使大豆蛋白变性，得到多糖-蛋白热混合物；
步骤(3)、多糖-蛋白热混合物降至室温使高温下变性的大豆蛋白形成新的凝胶结构，得到金针菇多糖-大豆蛋白凝胶。
3.根据权利要求2所述的适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的金针菇多糖是由以下方法制得的：鲜金针菇清洗、切段、烘干、磨粉过80～100目筛，得到金针菇粉；将金针菇粉和水按照质量比1:25混合，80～85℃水浴加热4～5h，提取液8000r/min离心10～15min，取上清液，加入3～4倍体积95％～100％乙醇过夜，得到沉淀，沉淀采用截流分子量3500kDa的透析袋在水中透析，透析至透析袋内溶液均一，减压浓缩至体积为原体积的1/4～1/3，冻干得到金针菇多糖；
金针菇多糖水溶液是由以下方法制备的：将金针菇多糖搅拌溶解于水中，制备成金针菇多糖水溶液；所述的金针菇多糖的质量分数的质量分数为0.1％～2％，优选为0.167％～1.25％；
所述的大豆蛋白的蛋白含量为80～95％。
4.根据权利要求2所述的适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的多糖-蛋白质冷凝胶中，金针菇多糖的质量占大豆蛋白和金针菇多糖总质量的1％～10％，优选1～7.5％；
所述的多糖-蛋白质冷凝胶中大豆蛋白和金针菇多糖的质量体积浓度为14～18％。
5.根据权利要求2所述的适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，在室温条件下，所述的多糖-蛋白热混合物经0.5～1h降至室温。
6.根据权利要求2所述的适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的制备方法，其特征在于：所述的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶在温度为2～6℃下冷藏不超过10h。
7.根据权利要求2所述的适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶的制备方法，其特征在于：还包括调配风味和/或添加营养物；
调配风味为：在大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混合的同时，按需加入风味剂；
添加营养物为：待多糖-蛋白热混合物降至室温，加入营养物，以转速为200～300rpm搅拌5～10min，混匀。
8.权利要求1所述的适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶作为持水性基材或3D打印基材或作为载体包埋功能性物质或在包埋、培养细胞上的应用。
9.权利要求1所述的适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶在制备益智食品或3D打印食品的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：金针菇多糖-大豆蛋白凝胶制备3D打印食品时，包括3D打印：建立3D打印模型，设置喷头直径、喷头移动速度；打印喷头直径选择0.8～1.2mm，打印平台与喷嘴距离0.9～1.0mm，喷头移动速度10～20mm/s，丝径26～30mm，打印温度25～60℃。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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