通过基于果寡糖/海藻糖的天然深共晶溶剂提高鱼糜3D打印产品的冻融稳定性

《Food Chemistry》：The improvement of freeze-thaw stability of surimi 3D printing products by fructooligosaccharides/trehalose-based natural deep eutectic solvent

利用低聚果糖/海藻糖基天然深共熔溶剂（NADES）增强3D打印鲭鱼糜制品冻融稳定性，经五次冻融循环变形率分别达25.30%、7.05%和3.70%。NADES通过抑制水分迁移、维持肌原纤维蛋白储能模量及损耗模量稳定，有效防止蛋白质变性及聚集，同时保留3D打印结构完整性。

　　

杜欣|曾新迪|娄新疆|夏秀芳|刘倩|郑贤哲

东北农业大学食品科学学院，中国黑龙江省哈尔滨市150030

摘要

本研究引入了一种基于果寡糖/海藻糖的天然深共晶溶剂（NADES），以提高3D打印鱼糜产品的冻融（F-T）稳定性。经过五次冻融循环后，对照组、商用防冻剂组和NADES处理组的变形率分别为25.30%、7.05%和3.70%。LF-NMR分析表明，NADES抑制了冻融过程中不可移动水向自由水的迁移。此外，NADES减轻了鱼糜和肌原纤维蛋白（MP）的能量储存模量和损耗模量的下降，增强了3D打印鱼糜产品的自支撑能力，并保持了MP结构。在整个冻融循环过程中，NADES有效维持了分子间力的稳定性，防止了溶解度降低、浑浊度增加和表面疏水性增强，从而减少了MP的聚集。NADES有效提高了MP的结构稳定性和热稳定性，同时抑制了MP的降解反应。本研究为提高3D打印鱼糜产品和冷冻食品的质量提供了理论基础。

引言

3D打印技术为食品工业提供了一种开发高质量产品的新方法。这项技术以其个性化定制和减少浪费而闻名，已经实现了太空食品、植物基替代品和实验室培育肉类的生产（Enfield, Pandya, Lu, McClements, & Kinchla, 2023; Handral, Hua Tay, Wan Chan, & Choudhury, 2022; Shi, Zhang, & Mujumdar, 2024; Wen, Chao, Che, Kim, & Park, 2023）。鱼糜因其独特的流变特性而成为食品3D打印的理想材料。其良好的挤出性能和可靠的形状保持能力有助于精确制造具有可控结构的定制产品，使其成为食品3D打印研究的关键焦点（Liang et al., 2024）。镜鲤是一种在中国北方具有成本效益的淡水鱼，以其高蛋白质含量、低脂肪水平和丰富的资源而闻名。使用镜鲤鱼糜作为3D打印材料在创造创新鱼糜产品方面具有显著优势（Lou et al., 2024）。然而，关于3D打印鱼糜产品的储存、运输和进一步加工的研究仍然有限。因此，不应低估这些产品打印后处理所带来的挑战。

鱼糜产品通常含有较高的水分和蛋白质含量，尤其是肌原纤维蛋白（MP），这使它们容易受到细菌生长和变质的影响（Han & Li, 2024; Shi et al., 2023）。冷冻保存是保存鱼糜产品的主要方法，也有助于通过固定形状来维持3D打印产品的复杂结构。然而，在冷冻储存和运输过程中温度波动会导致反复的冻融（F-T）循环，从而导致脱水（Gao et al., 2024）。这些温度变化会引发大而不规则的冰晶形成和再结晶现象，对肌肉纤维和蛋白质结构造成不可逆的损害，从而影响水分保持（Du et al., 2023）。水分损失会显著影响3D打印鱼糜产品的形状和结构，这对于这类产品所需的精确性和完整性来说是不可接受的（Tian et al., 2023）。有效控制3D打印鱼糜产品在冷冻储存过程中的形状和质量退化是推进3D打印技术的关键挑战。

新型的物理场辅助冷冻技术，包括超高压和超声波辅助冷冻，可以通过调节冰晶大小和最小化水分损失来对抗鱼糜产品的质量下降（Zhang, Fan, Xu, & Xu, 2024）。然而，这些技术的高成本阻碍了实际应用。因此，添加防冻剂变得更加实用。然而，商用防冻剂的高甜度（4%山梨醇+4%蔗糖，w/w，SS）、多磷酸盐的慢性疾病风险以及防冻蛋白、防冻肽和多酚的高生产成本使得它们难以大规模应用（Chen et al., 2022; Chen et al., 2023; Tian, Walayat, Ding, & Liu, 2022）。因此，提出一种新的防冻策略将有助于推动鱼糜3D打印技术的发展。

天然深共晶溶剂（NADES）最初是在耐寒动物和植物中发现的。它们由氨基酸和糖等天然物质合成，可用于多种应用（Abbott, Capper, Davies, Rasheed, & Tambyrajah, 2003）。NADES具有由氢键形成的独特超分子网络结构，这种结构可以控制水的迁移并降低冰点，从而提高抗霜性（Tian, Sun, & Zhu, 2022; Du, Kong, et al., 2023; Wu et al., 2024）。Tian, Sun和Zhu（2022）首次将基于氨基酸的NADES应用于鸡肉的冷冻保存，验证了Pro: Sor（1:1）提供了最佳的冷冻保护效果。同时，由海藻糖和柠檬酸构成的NADES显著抑制了鱼糜在冻融循环中的水分损失，并有效减轻了蛋白质的冻变（Du, Kong, et al., 2023; Li, Wang, Li, & Xia, 2023）。最近，Li, Liang, Jiang, Zhang和Shi（2025）证明了基于甜菜碱的NADES在提高冷冻虾鱼糜质量方面的有效性，进一步证实了其作为冷冻肌肉食品行业环保防冻剂的潜力。除了在传统冷冻肌肉食品中应用小分子NADES外，多糖等大分子也成为制备新型冷冻肌肉食品（特别是3D打印产品）的理想原料。果寡糖（FOs）是一种富含羟基结构的寡糖，可以在结构支撑、固定水分子和提高肌肉食品的抗霜性方面发挥关键作用。作为一种多羟基寡糖，寡果糖提供了丰富的氢键结合位点，与海藻糖协同作用形成密集的三维动态氢键网络。其优异的溶解性和粘度特性进一步改善了3D打印墨水的流变性能和成型稳定性。该网络不仅有效固定水分子并抑制冰晶生长和再结晶，更重要的是，海藻糖独特的“水置换”效应在蛋白质等生物大分子表面形成了一层保护层（Du, Kong, et al., 2023）。结合寡果糖的结合水能力，这在分子水平上实现了结构保护和抗霜性的双重增强。Lou等人（2024）使用FOs和海藻糖制备了基于多糖的NADES，这种NADES提高了由镜鲤鱼糜制成的打印墨水的流变性能和3D打印特性。然而，关于3D打印鱼糜产品冻融稳定性的改进及其机制的深入研究仍然不足。

本研究开发了基于FOs和海藻糖的NADES，以减轻由冻融循环引起的冰晶生长和再结晶导致的3D打印产品结构软化和水分损失。通过微观结构分析、水分特性和基本质量评估，证实了这种方法有效提高了3D打印鱼糜产品的冻融稳定性。其次，反复的冻融循环会导致冰晶生长和再结晶，这不仅破坏了精确形成的打印结构，还会引发水迁移、蛋白质变性和氧化降解，而这些现象因缺乏对3D打印鱼糜系统中肌原纤维蛋白结构演变、水分动态以及这些循环期间流变网络协同作用的系统和深入研究而变得更加严重。因此，通过研究NADES在冻融循环中对鱼糜3D打印产品冻融稳定性的改善机制，进一步探讨了其作用原理。

部分内容摘录

NADES的制备

NADES的制备可参考Lou等人（2024）的方法。使用纯度为98%的NADES（CAS编号99–20-7，食品级，上海源业生物科技有限公司，中国上海）和纯度为95%的FOs（CAS编号308066–66-2，食品级，上海源业生物科技有限公司，中国上海），按3:2的质量比进行混合。NADES在装有C-MAG HS10加热板的磁力搅拌器（IKA，Staufen，德国）中加热至60°C。在恒定速度100 rpm的连续搅拌下进行反应（v/v = 14.52%）。

3D结构

冻融过程显著影响打印产品的3D结构，导致外观和形状的恶化。使用防冻剂可以有效防止这种恶化（Tian et al., 2023）。图1展示了未添加防冻剂、添加SS和添加NADES的3D打印鱼糜样品的外观和变形变化。防冻剂成功保持了3D结构，尤其是在NADES组中，只有在最后一次冻融循环后观察到最小的变形。

结论

本研究使用FOs和海藻糖作为原料制备了NADES，并全面研究了它们对3D打印鱼糜产品冻融稳定性的增强效果。NADES有效减少了冻融循环过程中的产品变形程度，比SS更好地保持了鱼糜的微观结构和基本品质。NADES还抑制了不合适的水分向自由水的迁移，从而减少了冻融过程中鱼糜和MP的流变性能的影响。

作者贡献声明

杜欣：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究设计、资金获取、正式分析。曾新迪：软件开发、研究。娄新疆：研究。夏秀芳：资源获取、概念构思。刘倩：资源获取、概念构思。郑贤哲：监督、正式分析、概念构思。

未引用的参考文献

Shi et al., 2024

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了“黑龙江省科技创新团队春燕支持计划”（项目编号CYCX24010）和“黑龙江省博士后基金”（LBH-Z24068）的支持。