基于3D打印乳蛋白的零食结构的感官特性分析与挥发性成分分析

《International Journal of Food Properties》：Sensory characterisation and volatile analysis of 3D-printed dairy protein-based snack structures

3D食品打印中乳蛋白制品的感官与挥发性特性研究显示，WPI和MPI基零食因蛋白组成及微结构差异呈现显著感官差异：WPI零食更酸、粘性更强，而MPI零食具有更明显的奶粉味和更坚硬的质地。挥发性分析表明两者均以乳脂氧化产物为主，但MPI因含更多脂肪，相关挥发性物质浓度更高。感官评价发现，WPI零食的酸味和粘性更突出，而MPI零食的苦味和奶粉味更显著，但均未出现负面风味。该研究为3D打印乳制品的风味优化和产品开发提供了重要依据。

　　3D食品打印技术正在成为食品科学领域的一项创新手段，它不仅能够实现食品的个性化设计，还能在营养、口感和宏观结构上进行定制。这种技术的应用范围正在不断扩展，尤其在开发具有特定感官特性的食品时展现出巨大潜力。研究中使用的乳制品蛋白粉末因其结构形成能力和可调节的流变特性，成为3D食品打印中的常见成分。这些特性使得乳制品蛋白粉末在打印过程中具有良好的可打印性，包括流动性和成型后的稳定性，同时也能够支撑后续层的重量。因此，乳制品蛋白粉末在3D食品打印中的应用不仅限于功能性，还涉及到食品最终形态的感官表现。

研究者在本研究中对比了两种基于乳制品的3D打印零食结构，分别是使用乳清蛋白（WPI）和酪蛋白（MPI）制成的样品。通过对这些样品进行感官分析和挥发性化合物（VCs）的检测，研究者希望深入了解它们的感官感知和香气特征。研究采用的感官分析方法是定量描述分析（QDA），这是一种由经过专业培训的感官小组进行的系统性评估。该小组对两种零食的外观、味道、风味、质地和余味等属性进行了评分，这些评分结果揭示了两种零食之间的显著差异。此外，研究还采用了质构剖面分析（TPA）和共聚焦激光显微镜（CLSM）来观察样品的微观结构，并通过气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）对挥发性化合物进行分析。

研究结果显示，超过90%的挥发性化合物与乳制品原料本身一致，这表明3D食品打印过程对挥发性化合物的影响较小。然而，感官评分表明，两种零食在多个感官属性上存在明显差异。具体而言，WPI基零食在酸度和粘性方面得分较高，分别为7.0和6.3（满分10分），而MPI基零食则表现出更强的乳粉香气，得分为6.2。这种差异可能源于两种蛋白的组成和结构特性不同。WPI基零食的质地较为柔软，且容易变形，而MPI基零食则更加坚硬，具有更好的结构完整性。这些质地差异可以归因于两种蛋白在形成凝胶结构时所依赖的机制不同。WPI基零食通过热诱导的蛋白质展开和二硫键形成，形成更精细、更紧密的结构，而MPI基零食则通过冷凝胶化，形成具有多孔结构的凝胶。

从微观结构来看，WPI基零食显示出连续的凝胶结构，但某些区域出现了聚集现象。这种聚集可能与果胶对WPI的中和作用有关，果胶在低pH条件下与WPI形成较强的复合体，从而影响凝胶的结构稳定性。相反，MPI基零食的微观结构则以紧密排列的大颗粒为特征，这种结构可能与MPI在乳清中的溶解性有关。由于MPI的高溶解性，其微观结构更加均匀，呈现出一种类似于凝乳的质地，这种结构在储存过程中可能会进一步发生水分流失（syneresis）现象，从而影响其质地和外观。

研究还发现，两种零食在感官属性上的差异与它们的质地和微观结构密切相关。例如，WPI基零食的高粘性可能与其酸度和低pH值有关，而这种低pH值可能影响唾液成分的结合，进而产生更强的涩感。相比之下，MPI基零食的高甜度和苦味可能与乳清中的乳糖和酪蛋白水解过程中产生的疏水性肽有关。这些肽在乳制品中通常与苦味感知相关，因此MPI基零食表现出更明显的苦味和乳粉风味。

此外，研究中提到的感官分析结果也显示，两种零食在外观上存在显著差异。MPI基零食呈现出更加不透明的外观，同时具有更高的光泽度，这可能与其凝胶结构中的水分含量和蛋白质排列方式有关。而WPI基零食则呈现出更透明的外观，这可能与其形成的纤维状微观结构和较低的光散射能力有关。这种光散射特性与蛋白质的尺寸和分布密切相关，较小的蛋白质颗粒（如WPI）在光线下更容易形成透光效果，而较大的蛋白质颗粒（如MPI）则会散射更多的光线，从而产生更不透明的外观。

在感官分析中，一些属性与TPA参数表现出一致性，如硬度、粘性、凝聚力等。然而，也有一些属性在TPA和感官评估中显示出差异，这表明感官评估涉及更复杂的感知机制。例如，TPA测量的硬度可能无法完全反映实际的口感体验，因为感官评估考虑了多种因素，包括食物在口腔中的滑动、黏附以及整体的味觉和香气感知。这种多维度的评估方式有助于更全面地理解食品的感官特性。

挥发性化合物的分析进一步揭示了两种零食在香气和味道上的差异。研究发现，两种零食中都检测到了大量与乳制品相关的挥发性化合物，包括酸类、醇类、醛类、酯类等。这些化合物的种类和浓度差异可能与乳制品原料的组成和加工条件有关。例如，WPI基零食中的高浓度挥发性化合物可能与其加工过程中形成的酸性环境有关，而MPI基零食中的高浓度化合物则可能与其较高的脂肪含量有关。值得注意的是，尽管两种零食都含有一定量的氧化产物，如己醛和庚烷，但这些化合物并未导致明显的负面感官体验，如草味或纸板味。这表明，尽管3D食品打印过程中可能会产生一些挥发性化合物，但它们在食品中的存在并未对整体的感官质量造成不利影响。

研究还提到，3D食品打印过程中可能引入一些外源性挥发性化合物，例如乙醇和三乙酸甘油酯。乙醇的来源可能是打印过程中使用的消毒剂，而三乙酸甘油酯则可能来源于打印过程中使用的聚氯乙烯（PVC）保鲜膜。这些外源性化合物的检测结果表明，3D食品打印的条件需要更加严格地控制，以确保最终产品的安全性。然而，研究中并未发现这些外源性化合物对食品的感官质量产生显著负面影响，因此可以认为，3D食品打印在食品加工过程中是相对安全的。

为了进一步优化这两种3D打印零食的感官特性，研究者提出了可能的解决方案。例如，对于MPI基零食中的苦味，可以考虑添加一些苦味抑制剂，如改性淀粉、甘氨酸或聚磷酸盐，这些添加剂能够减少苦味肽的感知。而对于WPI基零食中的酸味，可以通过添加乳糖来降低其感知强度。此外，研究还建议使用互补性风味来掩盖或中和某些不理想的感官属性。例如，对于MPI基零食的苦味和乳粉风味，可以考虑添加香草或巧克力风味，这些风味能够有效提升整体的感官体验。而对于WPI基零食的酸味，可以考虑添加草莓或香草风味，以增强甜味感，从而平衡其口感。

总体而言，这项研究为3D食品打印技术在乳制品零食中的应用提供了重要的理论依据和实践指导。通过对比不同蛋白基质的3D打印零食，研究者不仅揭示了它们在质地、微观结构和感官特性上的差异，还为未来的产品开发和商业应用提供了方向。此外，研究还强调了3D食品打印过程中挥发性化合物的检测和分析的重要性，这对于确保食品的安全性和优化其感官特性具有重要意义。未来的研究可以进一步探讨这些3D打印零食在储存过程中的稳定性，以及如何通过调整配方和加工条件来改善其感官表现，从而提升其市场竞争力和消费者接受度。