張琦，尹澤希，翟紅旭，李冬男，李斌，孫希云

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧沈陽 110866）

草莓（Fragaria×ananassaDuch.）是多年生草本植物，屬于薔薇科草莓屬[1]。2019 年，我國草莓耕地面積達(dá)到1.25×109平方米，總產(chǎn)量327.6 萬t。2020 年全球草莓產(chǎn)值為1 400 萬美元，中國草莓產(chǎn)值50 億美元[2]。草莓植株規(guī)模不斷擴大，新品種、新技術(shù)、新產(chǎn)品、新模式的推廣使用越來越受歡迎[1]。草莓富含多種營養(yǎng)物質(zhì)，如糖、維生素、礦物質(zhì)、類胡蘿卜素、酚類物質(zhì)和其他抗氧化劑[3]。隨著草莓產(chǎn)量不斷增加，也越來越受人們歡迎，但存在需要深加工解決其銷售有限和儲存困難等問題。在我國有15%～20%的草莓用于產(chǎn)品深加工[4]。食品3D 打印技術(shù)是食品工業(yè)的一項創(chuàng)新技術(shù)，將其與草莓結(jié)合起來，為食品的定制化和個性化營養(yǎng)設(shè)計提供了較大的機會[5]。同時3D 打印食品一般為即食產(chǎn)品，具有難以儲存缺點，但對于3D 打印食品貯藏期問題相關(guān)研究較少。而一些生物聚合物薄膜和涂料具有多功能性、無毒性、抗菌活性、抗氧化活性、生物相容性和生物降解性等特點，可有效地用于食品保鮮，延長食品貨架期并確保其安全性。因此，利用涂膜保鮮延長草莓3D 打印產(chǎn)品的貨架期，能夠在一定程度上填補3D 打印食品貯藏期的研究空白。

殼聚糖的化學(xué)名為β-（1-4）-2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖[6]。殼聚糖制成的涂層和薄膜對氣體（O2和CO2）具有選擇滲透性，并具有優(yōu)異的機械性能[7]。單獨用多糖制備的膜和涂料與多種聚合物共混制備的聚合物膜相比，存在耐水性差、力學(xué)性能差等缺點，不適合應(yīng)用于膜和涂料。酚類物質(zhì)普遍存在于植物系統(tǒng)中，由于其高抗氧化性，因此是人類飲食和營養(yǎng)的重要組成部分[8-10]。葡萄籽提取物（grape seed extract，GSE）是葡萄汁和葡萄酒工業(yè)的天然副產(chǎn)物，含有生物活性低聚原花青素。GSE 因其具有抗氧化、抗炎和抗菌等健康益處而引起了廣泛關(guān)注[11]。GSE 是具有抗病毒活性的天然化合物[12]，富含多酚和其他具有抗氧化特性的化學(xué)物質(zhì)，可以有效減少氧化應(yīng)激[13]。有研究將GSE 與卡拉膠一起用作食品包裝薄膜的抗菌劑[14]。Ca2+具有保存細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)、調(diào)控離子環(huán)境和酶活性等功能[15]。還可保持3D 打印產(chǎn)品的硬度，減少生理失調(diào)從而延緩衰老、降低腐爛率[16]。

本研究將氯化鈣、葡萄籽提取物和殼聚糖復(fù)配制成保鮮劑，以腐爛指數(shù)、失重率、硬度、總酚含量和抗氧化能力為主要測量指標(biāo)，研究不同配方的保鮮劑在儲藏期間對草莓3D 打印產(chǎn)品品質(zhì)的影響，選出最佳保鮮劑配方，以期為延長草莓3D 打印產(chǎn)品貨架期提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

草莓凍果（九九草莓）：丹東益農(nóng)食品有限公司；黃原膠、K-卡拉膠、氯化鈣、葡萄籽提取物、殼聚糖（均為食品級）：浙江一諾生物科技有限公司；無水乙醇、氯化鉀、醋酸鈉、碳酸鈉、過硫酸鉀（均為分析純）：沈陽西隴化工有限公司；1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl radical，DPPH）：南京草本源生物科技有限公司；2，2′-聯(lián)氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸[2，2′-azino-bis（3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid，ABTS]：沈陽鑫脈科技有限公司；福林酚（分析純）：上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

食品3D 打印機（096SYS20090）：杭州時印科技有限公司；旋渦振蕩器（VORTEX3）：德國IKA 公司；紫外-可見分光光度計（UV-1800）：江蘇茶明智能科技有限公司；pH 計（RIVAN-PH2200）：無錫銳文自動化儀表有限公司；冷凍干燥機（SCIENTZ-10N）：寧波新芝生物科技股份有限公司；榨汁機（JYL-Y912）：九陽股份有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 草莓3D 打印產(chǎn)品的制備

將冷凍草莓于室溫下自然解凍，用榨汁機打漿后過濾出果漿，存放于冰箱冷藏條件下備用；將40 g 草莓漿置于100 mL 燒杯中，向其中加入2 g 黃原膠、3 g K-卡拉膠，混勻后用保鮮膜封口放入90 ℃水浴鍋中，水浴30 min；將打印模型設(shè)置為邊長15 mm 的正方體，使用擠出式食品3D 打印機（打印參數(shù)：噴嘴高度為1 mm，噴嘴移動速率為30 mm/s、噴嘴內(nèi)徑為0.84 mm、打印層高為0.7 mm）進(jìn)行打印。試驗重復(fù)3 次，用燒杯扣住打印后的樣品，1 h 內(nèi)完成各項指標(biāo)測定。

1.3.2 最佳復(fù)合膜復(fù)配組合的篩選試驗設(shè)計

選用氯化鈣、葡萄籽提取物及殼聚糖作為復(fù)合膜配方的基礎(chǔ)組分，不同濃度設(shè)計試驗處理如表1 所示。

表1 復(fù)配保鮮劑最優(yōu)組合配方的篩選試驗設(shè)計Table 1 Screening test design of the optimal formula of compound preservatives

1.3.3 草莓3D 打印產(chǎn)品覆膜處理

將草莓3D 打印產(chǎn)品分別浸涂在不同配比的復(fù)合膜中，置于溫度為20 ℃，濕度為60% 的培養(yǎng)箱內(nèi)，直至3D 打印樣品表面的液體完全風(fēng)干，在室溫陰涼處貯藏，于第3、5、7、9、11 天分別測定相關(guān)指標(biāo)。每組試驗重復(fù)3 次。

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1 腐爛指數(shù)的測定

按草莓3D 打印樣品的表面腐爛面積大小將果實腐爛程度劃分為5 級。

0 級：無腐爛；1 級：腐爛的面積小于樣品總面積的25%；2 級：腐爛的面積占樣品總面積的25%～50%；3 級：腐爛的面積占樣品總面積的50%～75%；4 級：腐爛的面積大于樣品總面積的75%。

腐爛指數(shù)按以下公式計算。

式中：X為腐爛指數(shù)，%；S1為腐爛級數(shù)；n1為該級別樣品個數(shù)；S為最高腐爛級數(shù)；n為樣品總數(shù)。

1.4.2 失重率的測定

分別測定樣品涂抹前質(zhì)量及測定時樣品的質(zhì)量，按下式計算失重率。

式中：Q為失重率，%；m0為涂膜后樣品的初始質(zhì)量，g；m1為測定時樣品的質(zhì)量，g。

1.4.3 硬度的測定

將樣品放置在質(zhì)構(gòu)儀平臺中央，使用TA10 型號的探頭，測試前速率、測試速率、測試后速率分別設(shè)為5、1、5 mm/s，停留時間、出發(fā)點負(fù)荷、壓縮形變量分別設(shè)為0 s、0.07 N、45%，所有試驗均在室溫（25±1）℃下進(jìn)行[17]。

1.4.4 總酚含量的測定

采用福林酚法測定總酚含量[18]。稱取搗碎的草莓3D 打印凍干樣品1.00 g 和4 mL 70%乙醇溶液于離心管中，30 ℃避光超聲30 min 后，在轉(zhuǎn)速為8 000 r/min 條件下離心15 min，取上層清液。取提取液100 μL、蒸餾水400 μL、福林酚試劑100 μL 于離心管中，渦旋混勻后靜置避光5 min。加入1 mL Na2CO3（7%）溶液和0.8 mL 的蒸餾水，混勻后靜置避光60 min。于760 nm處測定吸光值。標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.002 2x+0.069 7，R2=0.998 6?？偡雍扛鶕?jù)如下公式進(jìn)行計算。

式中：X1為樣品中總酚含量，mg GAE/g DW；ρ為通過標(biāo)準(zhǔn)方程計算得到的質(zhì)量濃度，μg/mL；V為待測液的體積，mL；N為樣品稀釋倍數(shù)；m為樣品質(zhì)量，g。

1.4.5 抗氧化能力的測定

1.4.5.1 DPPH 自由基清除能力

稱取4 mg DPPH 粉末溶解于乙醇中定容至50 mL容量瓶得到DPPH 工作液。試驗組為500 μL 樣品溶液和500 μL DPPH 工作液；空白組為500 μL 樣品溶液和500 μL 空白溶液（乙醇溶液）；對照組為500 μL DPPH 工作液和500 μL 空白溶液，充分混勻后靜置避光反應(yīng)30 min，以空白溶液和無水乙醇混合液空白調(diào)零，然后于517 nm 處測定吸光值，DPPH 自由基清除率計算公式如下。

式中：P為DPPH 自由基清除率，%；A1為樣品與DPPH 吸光值；A1′為樣品與乙醇吸光值；A0為空白溶液與DPPH 吸光值；A0′為空白溶液與乙醇吸光值。

1.4.5.2 ABTS+自由基清除能力

將ABTS 儲備液（7.4 mmol/L）0.2 mL 與K2S2O8儲備液（2.6 mmol/L）0.2 mL 混合靜置避光12 h，用無水乙醇稀釋混合液使其在734 nm 處吸光值為0.70±0.02。將500 μL 樣品提取液與500 μL ABTS 儲備液充分混勻后，室溫靜置避光反應(yīng)10 min，于734 nm 處測定吸光值，并按照如下公式計算清除率。

式中：Ai為ABTS+自由基清除率，%；A0為ABTS 儲備液與空白溶液反應(yīng)吸光值；A為ABTS 儲備液與樣品溶液反應(yīng)吸光值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 17.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯著性差異分析，其中P＜0.05 表示差異顯著，P＜0.01 表示差異極顯著；使用Design-Expert 13.0 軟件處理分析響應(yīng)面試驗；使用Origin 9.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 草莓3D 打印的制備

圖1 為草莓3D 打印產(chǎn)品的效果圖。

圖1 草莓3D 打印產(chǎn)品Fig.1 Strawberry 3D printed products

由圖1 可知，草莓3D 打印產(chǎn)品較好地還原了模型正方體，打印準(zhǔn)確性較高，與模型相差不大；打印體系支撐能力較好，可以維持比較好的形態(tài)。

2.2 不同復(fù)配組合保鮮劑處理對草莓3D 打印產(chǎn)品腐爛指數(shù)的影響

腐爛指數(shù)是評價食品品質(zhì)最直觀的一個指標(biāo)，可以直接看出食品的可接受程度。圖2 為不同組合的保鮮劑處理的草莓3D 打印產(chǎn)品的腐爛指數(shù)。

圖2 不同保鮮劑組合處理對草莓3D 打印產(chǎn)品腐爛指數(shù)的影響Fig.2 Effect of different preservative combinations on decay index of strawberry 3D printed products

由圖2 可知，隨著貯藏時間的延長，產(chǎn)品的腐爛指數(shù)也直線上升。第5 天時腐爛幅度顯著上升，其中組合1 和5 的腐爛指數(shù)在5 d 時增長速率最快，相較3 d都增加了10%左右。綜合來看，組合4 的腐爛指數(shù)最低，由3 d 時的0%增長至貯藏11 d 的17.5%；其次為組合3，貯藏11 d 時腐爛指數(shù)為27.5%；貯藏效果最差的為組合2，貯藏11 d 時腐爛指數(shù)為63.3%。結(jié)果表明，未涂膜產(chǎn)品腐爛得更快，涂膜處理對草莓3D 打印產(chǎn)品的保鮮效果較為理想，能夠延長產(chǎn)品的保鮮期。研究表明殼聚糖復(fù)配的保鮮劑可以作為保護(hù)果蔬免受病原體感染的機械屏障，同時可以抑制許多致病細(xì)菌和真菌的生長，有助于減少貯藏期間的腐爛[19]。

2.3 不同復(fù)配組合保鮮劑處理對草莓3D 打印產(chǎn)品失重率的影響

失重率是衡量保鮮效果的一項重要指標(biāo)，代表了樣品的鮮度和水分損失程度。不同保鮮劑組合處理的草莓3D 打印產(chǎn)品失重率如圖3 所示。

圖3 不同保鮮劑組合處理對草莓3D 打印產(chǎn)品失重率的影響Fig.3 Effect of different preservative combinations on the weight loss of strawberry 3D printed products

由圖3 可知，隨著貯藏時間的延長，3D 打印產(chǎn)品質(zhì)量逐漸下降，失重率逐漸上升，可能是由于貯藏期間3D 打印產(chǎn)品的水分含量逐漸降低，產(chǎn)品質(zhì)量逐漸減小，且未涂膜的樣品質(zhì)量損失最大。從圖中可以看出組合2 的失重率最高，在11 d 達(dá)到了5.63%，對比3 d時失重率增加了4.30%；其次為組合1，3 d 時失重率為1.27%，11 d 時失重率為5.29%；組合4 的失重率最小，失重率由3 d 的0.35%顯著增加（P＜0.05）到11 d 2.96%，只增加了2.61%，較好保留了3D 打印產(chǎn)品質(zhì)量，降低了產(chǎn)品的水分損失和氧化反應(yīng)速率，保持了3D 打印產(chǎn)品的良好形態(tài)[20]。

2.4 不同復(fù)配組合保鮮劑處理對草莓3D 打印產(chǎn)品硬度的影響

3D 打印產(chǎn)品的硬度是檢測產(chǎn)品品質(zhì)的一項重要指標(biāo)，其反映了產(chǎn)品的質(zhì)量結(jié)構(gòu)以及感官品質(zhì)，能夠很好的衡量產(chǎn)品品質(zhì)的高低。圖4 是不同保鮮劑組合處理對草莓3D 打印產(chǎn)品的硬度的影響。

圖4 不同保鮮劑組合處理對草莓3D 打印產(chǎn)品硬度的影響Fig.4 Effect of different preservative combinations on the hardness of strawberry 3D printed products

由圖4 可知，貯藏時間延長到11 d，產(chǎn)品的硬度均逐漸增大，可能是由于隨著貯藏時間的延長，產(chǎn)品的水分不斷流失，水分含量逐漸減小，導(dǎo)致硬度逐漸增大。涂膜處理可以有效抑制樣品的硬化，樣品經(jīng)11 d 的貯藏，在7 個不同組合的保鮮劑中，組合4 的產(chǎn)品硬度增加速率最慢，0 ～11 d 的增長量最小為0.63 N；組合2的硬度最大且其增長量也最大，為1.51 N，說明組合2作為保鮮劑涂膜效果最差。據(jù)研究，殼聚糖與其他化合物復(fù)合后，通過對O2和CO2的選擇性透過，從而降低產(chǎn)品硬度的變化[21]。

2.5 不同復(fù)配組合保鮮劑處理對草莓3D 打印產(chǎn)品總酚含量的影響

總酚具有清除自由基、抗氧化防衰老的作用，因此，總酚在食品中通常代表食品的營養(yǎng)價值，總酚含量越高說明食品的營養(yǎng)價值越高。圖5 為不同保鮮劑組合處理對草莓3D 打印產(chǎn)品的總酚含量的影響。

圖5 不同保鮮劑組合處理對草莓3D 打印產(chǎn)品總酚含量的影響Fig.5 Effect of different preservative combinations on total phenol of strawberry 3D printed products

由圖5 可知，從第3 天開始隨著貯藏時間的延長，產(chǎn)品的總酚含量逐漸降低，使用組合4 涂膜的產(chǎn)品相對于其他組合來說變化速率最緩慢，從0～11 d 總酚含量降低了25.56%；組合3、5、6、7 次之，降低了25.99%～29.96%；組合1 和2 效果最差，分別降低了31.72%和33.49%。說明貯藏時間是造成酚類物質(zhì)降低的主要原因之一，貯藏時間越久，總酚含量越低。

2.6 不同復(fù)配組合保鮮劑處理對草莓3D 打印產(chǎn)品抗氧化能力的影響

本試驗選擇兩種考察抗氧化能力的方法（DPPH自由基清除率、ABTS+自由基清除率），通過這兩種方法的大體趨勢，篩選最具有抗氧化能力的保鮮劑組合。

2.6.1 DPPH 自由基清除能力

圖6 為不同保鮮劑組合處理對草莓3D 打印產(chǎn)品DPPH 自由基清除率的影響。

圖6 不同保鮮劑組合處理對草莓3D 打印產(chǎn)品DPPH 自由基清除率的影響Fig.6 Effect of different preservative combinations on DPPH clearance of strawberry 3D printed products

由圖6 可知，隨著貯藏時間的延長，不同保鮮劑處理的樣品DPPH 自由基清除能力有不同程度的下降，大體呈現(xiàn)相同的趨勢。貯藏11 d 時，DPPH 自由基清除率僅為40.04%～48.64%，這可能是由于長時間貯藏，使抗氧化性成分（如多酚、花色苷和L-抗壞血酸）大量損失[22]。結(jié)果顯示組合4 處理的樣品保持了較高的DPPH 自由基清除能力，而組合2 處理下的DPPH 自由基清除能力下降最為明顯。

2.6.2 ABTS+自由基清除率

圖7 為不同保鮮劑組合處理對草莓3D 打印產(chǎn)品ABTS+自由基清除率的影響。

圖7 不同保鮮劑組合處理對草莓3D 打印產(chǎn)品ABTS+自由基清除率的影響Fig.7 Effect of different preservative combinations on ABTS+clearance of strawberry 3D printed products

由圖7 可知，除了組合5，其他保鮮劑3 d 和5 d 的ABTS+自由基清除率差異不顯著（P＞0.05），從第7 天開始，除了組合4 及對照組，其他保鮮劑的ABTS+自由基清除率顯著性降低（P＜0.05）。在11 d 時各保鮮劑組的ABTS+自由基清除率為35.58%～39.06%，比較幾種不同保鮮劑組的影響，發(fā)現(xiàn)組合4 處理的樣品保持了較高的ABTS+自由基清除率，僅降低了6.74%；其次為組合3 下降了6.85%；而組合2 處理下的ABTS+自由基清除率下降最為明顯，下降了8.08%。

3 結(jié)論

選擇氯化鈣、葡萄籽提取物和殼聚糖3 種化合物混合，通過改變不同的濃度，探究不同組合的保鮮劑對草莓3D 打印產(chǎn)品品質(zhì)的影響。結(jié)果顯示經(jīng)過11 d 的貯藏產(chǎn)品品質(zhì)發(fā)生了不同程度的變化，表現(xiàn)為腐爛指數(shù)、失重率和硬度顯著上升；總酚含量和抗氧化能力顯著下降。組合4（氯化鈣濃度0.5%、葡萄籽提取物濃度0.5%、殼聚糖濃度1.5%）的理化指標(biāo)相比于其他組合的保鮮劑來說變化幅度最小，可以更好地保留草莓的營養(yǎng)物質(zhì)以及保持3D 打印產(chǎn)品的物理性質(zhì)。在長時間的貯藏過程中，產(chǎn)品品質(zhì)在逐漸下降，保鮮劑的使用在延長草莓3D 打印產(chǎn)品貯藏期方面有很大優(yōu)勢。