3D食品打印技术基于增材制造的原理,通过物料层的连续堆叠来构建三维物体,将数字设计转化为实际生活中可食用的产品,可通过定制化设计以及营养调控来满足各消费群体的需求[1]。将3D打印技术应用于食品工业,既可满足特殊人群对食品的要求、丰富消费者对个性化食品的选择,又能拓宽食品加工方式,简化供应链。目前,3D食品打印技术所面临的难题体现在样品打印精度、印刷速度以及样品食用多样性等方面[2]。对于打印样品精度的改善,打印油墨的品质至关重要。需要其具有一定的流变性,能够顺利地通过小直径的喷嘴,又要具有一定的支撑强度,能够在被挤压成各种形状后迅速地稳定成型[3]。
在食品工业中,淀粉可以天然形式使用,或以经过加工或修饰的形式使用,如变性淀粉等[4]。淀粉具有特殊性质使其在3D打印领域表现出所期望的品质[5]。与其他淀粉相比,木薯淀粉味道平淡,具有理想的质地特性,可以用简单的工艺提取[6]。并且木薯淀粉具有良好的冻融稳定性,在贮藏过程中不易老化[7]。但天然木薯淀粉的高黏度使3D打印过程中难以挤压[8],3D打印样品精度较差,需要对木薯淀粉进行加工或修饰,以改善其3D打印品质。
黄原胶具有良好的增稠性能和耐热、酸、碱的能力,在食品工业领域常被用作稳定剂、增稠剂和乳化剂[9]。目前,黄原胶在食品3D打印方面的应用多集中于马铃薯淀粉[10]、果蔬基油墨[11-12]、乳液凝胶[13]以及肉糜[14]、鱼糜[15]等3D打印品质的改善,对于木薯淀粉在3D打印方面的研究较少。
因此,本研究以天然木薯淀粉为原料,添加不同比例黄原胶制成混合凝胶,通过黄原胶不同添加量对木薯淀粉糊化特性、流变学特性以及水分分布等指标的影响进一步结合3D打印行为分析,探究黄原胶及其添加量对黄原胶-木薯淀粉混合凝胶3D打印效果的影响,判断黄原胶的添加是否对木薯淀粉的3D打印成型性和品质特性有所改善,并确定相对最适添加量。旨在丰富食品3D打印的油墨,改善木薯淀粉3D打印特性,为后续木薯淀粉在3D打印食品中的应用提供依据。
1 材料和方法
1.1 试验材料
木薯淀粉,河北古松农副产品有限公司;黄原胶,新疆梅花氨基酸有限公司。
1.2 样品淀粉3D打印工艺
1.2.1 样品制备
准确称取10 g木薯淀粉,分别与0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 g黄原胶混合均匀,随后以木薯淀粉与水为1∶4的比例加入蒸馏水,并在72 ℃水浴中加热糊化。最终制成黄原胶添加量分别为0%、2%、4%、6%、8%、10%的3D打印混合凝胶。将得到的凝胶冷却至25 ℃后,在短时间内用于3D打印。
1.2.2 淀粉样品3D打印行为验证
选用杭州时印科技有限公司的3D打印机,参数设置为塑料喷嘴0.84 mm,挤出柱温度25 ℃,单层高度0.7 mm,喷嘴移动速度50 mm/s,挤出流量5 mm/s,填充密度30%。选用英文字母“B”、“蝴蝶”以及圆柱体为3D打印模型,字母样品的长度、宽度和高度使用游标卡尺测定,通过打印样品形态和尺寸对物料进行成型性评价。通过圆柱体打印样品的高度和形状保持对物料进行打印高度验证。在圆柱体打印过程中持续打印,直到整个圆柱体出现坍塌、变形或打印表面出现明显黏连、不成型,以2 min为时间单位拍摄照片,用于管控打印的整个过程。
1.3 直链淀粉含量测定
参照 DB32/T 2265—2012《鲜食玉米中直链淀粉和支链淀粉含量的测定 双波长分光光度法》,采用双波长比色法测定直链淀粉含量。
1.4 糊化特性测定
参照GB/T 24853—2010《小麦、黑麦及其粉类和淀粉糊化特性测定 快速粘度仪法》测定。
1.5 流变学特性
流变学特性测试参照LI等[16]描述的方法并稍作修改。将经过糊化的淀粉凝胶样品放置于样品板上,将圆形平行板与样品板之间的间隙设置为1 000 μm。在实验过程中,使用刮板沿竖直方向除去多余的样品,为防止实验过程中的水分损失,在平行板的边缘涂抹一层硅油。
1.6 动态流变学特性
由存储模量(G′)、损失模量(G″)和损失因子(tanδ=G″/G′)反映体系变化。角频率从0.1～10 Hz振荡,并在10%的应变下,在确定的线性黏弹性区域内进行测量[17]。
1.7 低场核磁共振分析
参照JI等[8]方法并作修改。每个样品凝胶称重后,用一层保鲜膜包好后放入测试管中,随后将测试管插入低场核磁共振分析仪中。扫描次数=4,回波个数3 000,90 °脉冲时间=6.52 μs,180 °脉冲时间=12 μs,采样点=240 018,频谱宽度=100 kHz,采样重复时间=4 000 ms。
1.8 傅里叶红外光谱
使用傅里叶红外光谱分析仪测定淀粉的傅里叶红外光谱。使用KBr压片法,将1 mg样品粉末与100 mg KBr混匀并研磨成细粉后将其压制成片。将薄片于波数为4 000～400 cm-1,温度为(20±0.2) ℃条件下进行扫描。
1.9 扫描电镜观察
添加或不添加黄原胶糊化后的淀粉和打印后的淀粉样品的微观结构采用扫描电子显微镜测定。将糊化和3D打印后的样品冻干后取小块横截面,观察前用双面胶将的冻干样品固定在粘有导电两面胶纸的样品座上,并用真空镀膜仪喷镀导电层。在加速电压为10 kV下扫描淀粉颗粒微观结构进行观察。
1.10 数据分析
每组试验使用Excel统计数据,采用Origin 2019进行图表绘制,采用SPSS 20进行显著性分析(P<0.05),数据用“平均值±标准差”表示。
2 结果与分析
2.1 混合凝胶体系的3D打印行为分析
打印形状和堆叠高度是评价其品质好坏的最直观的指标,其打印品质的好坏也与淀粉的糊化特性、流变特性等众多指标密切相关。
从图1打印字母“B”和“蝴蝶”模型样品可以直观地看出,黄原胶添加量在6%、8%和10%时物料展现出较好的打印外观。添加量为2%时,打印样品表面黏连,打印纹路不清晰。添加量为4%时,打印样品具有完整的底座,但随着打印层数的增加,表面出现明显的黏连。这是由于少量的黄原胶增加了木薯淀粉的黏度,但对木薯淀粉流动性以及剪切性能影响不大,造成淀粉打印原料黏度过高,打印样品精度差。随着黄原胶添加量的增加,凝胶体系的G′和G″增加,凝胶体系展现出典型的弹性行为,打印样品具有明显的轮廓边缘以及清晰的打印纹路,打印制品与设计模型的符合程度更高。
图1 淀粉3D打印样品图片
Fig.1 Starch 3D printing sample pictures
本实验3D打印字母“B”的模型长度、宽度和高度分别为35、22、5 mm。如表1所示,对于打印字母“B”,添加量为6%时,物料与尺寸模型误差最小。相较于6%,添加量为8%和10%的3D打印样品表面出现由于断条而产生的小洞,这是因为添加量为8%和10%时凝胶体系的G′和G″较高,G′越高,材料的形状保持能力越好。但是,油墨较高的G′会使其挤压性能变差,导致挤压丝容易断裂,造成打印样品表面出现小洞[18]。对于打印模型“蝴蝶”,添加量为8%时,样品呈现出清晰的轮廓和线条。从样品打印外观分析来看,黄原胶添加量为6%时,物料性质较适用于模型简单的3D打印,打印模型较为复杂时,添加量为8%表现出更佳的打印性能。
表1 3D打印字母“B”与目标模型的尺寸 单位:mm Table 1 3D printing letter ‘B’ and the size of the target model
样品长宽高模型35.00±0.00c22.00±0.00d5.00±0.00e0%30.07±0.06f20.08±0.08e5.71±0.06a2%30.55±0.01e19.91±0.01f5.72±0.01a4%30.87±0.01d19.85±0.07f5.57±0.01c6%35.14±0.01bc22.47±0.07c5.09±0.01d8%35.53±0.03a22.94±0.02b5.08±0.01d10%35.4±0.28ab23.57±0.01a5.64±0.03b
注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
打印样品的坍塌高度以及打印时间是评估材料打印稳定性最直观的指标[19]。如图2所示,黄原胶的添加显著地改善了木薯淀粉3D打印特性,提高了木薯淀粉3D打印样品的堆叠高度。其中,添加量为6%、8%和10%的改善效果较为明显。添加量为6%时的淀粉凝胶体系整体打印流畅,打印样品表面具有清晰的线条。但是在打印8 min后开始出现坍塌,圆柱体下方出现膨胀的现象,整体出现变形,这是由于其G′和G″不具备足够的机械强度来维持打印结构的稳定性。在整体打印过程中,添加量为8%的淀粉凝胶体系打印流畅,3D打印形状准确,层与层之间线条明显,堆叠均匀,具有较好的打印纹路。此时,淀粉凝胶体系就有较适的流动性和机械强度来保持样品形状和维持样品高度。添加量为10%的淀粉凝胶体系在整体打印过程中也展现了较好的打印特性,但在打印6 min后,打印样品表面出现黏连和不均匀,在打印12 min后,样品出现轻微坍塌。较高的G′会使挤压性能变差,挤压丝容易断裂,造成打印样品表面出现小洞,进而使打印样品表面不均匀。综上,添加量为8%时,淀粉凝胶体系表现出更好的打印堆叠高度。
图2 淀粉3D打印样品堆叠高度展示
Fig.2 Starch 3D printing sample stacking height display
2.2 直链淀粉含量
直链淀粉含量对于淀粉基食品3D打印的品质具有重要影响。有研究表明,直链淀粉含量的降低有利于形成持水能力和热稳定性更好的淀粉凝胶,能够改善淀粉凝胶的3D打印品质[20]。对于3D打印来说,淀粉中直链淀粉含量越高,淀粉凝胶的黏度越大,老化回生的速度越快,形成高强度的淀粉凝胶,增加3D打印样品的硬度,导致3D打印样品精确度的降低。由图3可知,黄原胶的添加显著降低了木薯淀粉的直链淀粉含量,但随着黄原胶添加量的增加,直链淀粉含量也呈现增加的趋势,说明少量黄原胶的添加有利于凝胶体系中直链淀粉的降低,添加量在2%～8%时,直链淀粉含量显著降低,有利于木薯淀粉3D打印精确度的提高,延长3D打印样品的保存期。
图3 直链淀粉含量
Fig.3 Amylose content
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
2.3 混合凝胶体系的糊化特性
淀粉的糊化是指当淀粉被水加热时,分子间键被打破,导致淀粉颗粒膨胀、晶体熔化、双折射消失,溶液黏度增加的现象[4]。淀粉的黏度曲线如图4所示。
图4 淀粉的黏度曲线
Fig.4 Viscosity curve of starch
黄原胶的添加导致混凝体系的峰值黏度增大,并且,随着黄原胶添加量的不断增加,混凝体系的峰值黏度也呈现出上升趋势。这是由于黄原胶是亲水胶体,在糊化过程中快速溶解形成黏度较高的液体,增加了整个体系的起始黏度。同时直链淀粉渗漏,使复合体系黏度增加[21]或者是通过氢键相互作用,黄原胶与渗漏的直链淀粉或支链淀粉之间相互缠结或交联,使复合体系黏度增大[22]。当淀粉凝胶具有高黏度时,注射器中的摩擦增加,导致在3D打印过程中挤出凝胶需要额外的力。
由表3可知,随着黄原胶添加量的不断增大,混合凝胶体系的峰值时间、最低黏度、最终黏度以及衰减值均呈现出上升的趋势,而回生值则随着黄原胶的添加总体呈现先下降后上升的趋势。峰值时间的延长表明其淀粉凝胶体系具有更强的抗膨胀潜力。随着黄原胶的添加,淀粉体系的峰值时间逐渐增加,表明黄原胶增加了淀粉体系的抗膨胀潜力,使得3D打印样品具有更好的形状保持力。黄原胶的添加,可降低混凝体系的糊化温度,这表明黄原胶的存在使淀粉糊易糊化。并且,随着黄原胶添加量的增加,糊化温度呈现下降趋势。表明通过增加黄原胶浓度,可使淀粉颗粒弱化,可以进一步降低糊化温度[18]。回生值通常用作淀粉凝胶行为的量度[23]。回生值越大,表明其淀粉体系越易发生老化。由表3可知,黄原胶的添加降低了木薯淀粉的回生值,但随着添加量的增加,回生值逐渐增大。回生值的降低有利于3D打印样品的形状保持,使3D打印样品的纹路更加清晰,提高样品的精确度[24]。这与3D打印行为分析结果保持一致。
表3 不同黄原胶添加量淀粉的黏度特性分析
Table 3 Analysis of viscosity characteristics of starch with different xanthan gum additions
样品添加量/%峰值黏度/(mPa·s)最低黏度/(mPa·s)衰减值/(mPa·s)最终黏度/(mPa·s)回生值/(mPa·s)峰值时间/min糊化温度/℃04 312±57.98d1 739.5±44.55a2 572.5±13.44c3 128±18.38b1 388.5±26.16a4.23±0.14c73.93±0.6a24 815.5±123.74c2 032±59.4a2 783.5±64.35bc3 081.5±167.58b1 049.5±108.19a4.33±0bc76.3±0.49a45 178.5±198.7b1 871.5±331.63a3 307±530.33ab3 128.5±45.96b1 257±377.6a4.3±0.05bc76.63±0.04a65 569±16.97a2 058.5±208.6a3 510.5±225.57a3 361±16.97a1 302.5±191.63a4.43±0.05ab64.45±18.46a85 562±4.24a1 993.5±190.21a3 568.5±185.97a3 376.5±27.58a1 383±217.79a4.43±0.05ab67.5±14.14a105 462.5±137.89a2 129.5±174.66a3 333±312.54ab3 518±9.9a1 388.5±164.76a4.57±0.05a64.43±19.55a
2.4 混合凝胶体系的流变学特性
tanδ指的是G′和G″的比值,是评价黏弹性行为的重要参数。如图5所示,在相同角频率下,tanδ(损耗因子)<1,说明该混合凝胶体系属于典型的弱凝胶动态流变学体系,表现适用于3D打印出的弹性行为[25]。并且,黄原胶的添加使得混凝体系的tanδ值变大,说明添加黄原胶有利于形成更具有弹性优势性质的凝胶体系。
a-G′;b-G″;c-tanδ
图5 淀粉动态流变分析
Fig.5 Dynamic rheological analysis of starch
G′以类弹性固体行为表示,是在动态振荡期间的存储能量。G″表示已经耗散的能量,与黏性或类似液体的行为有关。G′和G″随着频率的增加而增加,表明其具有明显的弹性行为,有利于3D打印物体的形状稳定性[26]。G′值的提高有利于材料机械性能及其形状保持力的提高。然而,随着G′的进一步增加,虽然物体的形状保持性好,但容易出现挤压丝断裂和分辨率低的现象,是因为此时物料的挤压性能差,造成与目标结构的偏差较大,影响打印样品的精度[27]。较小的G′有利于物料的挤出,较大的G′有利于样品的形状保持力。由图5可知,随着黄原胶添加量的增加,物料的G′和G″值呈逐渐增大的趋势,结合3D打印样品形态分析结果显示,8%的添加量展现出较好的打印性能。这与3D打印样品形态分析结果一致。
由图5可知,所有凝胶样品的G′均大于G″,说明所有凝胶体系主要具有弹性,都表现出固体的特征。添加黄原胶的G′和G″明显高于原淀粉,这说明黄原胶的添加改善了凝胶体系的结构稳定性,并随着添加量的增加,对凝胶体系结构稳定性的改善也逐步提高,有利于3D打印样品的形状稳定性。
2.5 混合凝胶的水分状态和分布
水分状态与物料的流变特性和物质间溶质的迁移有着密切关系,水分的存在状态和形式影响着食品的品质、稳定性以及物料特性。T21和T22反映了结合较为紧密的流动性较差的水,这部分水通常和大分子物质结合比较紧密,通常被称作结合水和半结合水。T23反映流动性较强的水,这部分水对物料的流变性质有较大影响,通常被称为自由水[28]。由图6可知,原淀粉的核磁图谱有3个信号峰,T21、T22和T23,黄原胶-木薯淀粉混凝体系有2个信号峰,分别是T22和T23。T23所对应的峰面积所占比例较大,说明黄原胶-木薯淀粉混凝体系中主要是一些流动较强的自由水。随着黄原胶的添加,图谱向原点趋近,说明胶体的添加降低了水的流动性,也说明黄原胶-木薯淀粉混凝体系形成了较为紧密的网络结构[29]。这在一定程度上可以解释添加黄原胶以后凝胶体系的G′和G″增加的现象。凝胶体系的弛豫时间对3D打印样品的精确度具有重要影响,主要表现为凝胶体系弛豫时间越小,3D打印产品的精度就越高[25]。由图6可知,随着黄原胶含量的增加,凝胶体系的弛豫时间逐渐减少,表明黄原胶的添加会提高木薯淀粉3D打印的精度。
图6 淀粉水分分布状态分析
Fig.6 Analysis of starch water distribution state
2.6 混合凝胶体系的红外结构
淀粉是一种聚羟基聚合物,在分子间和分子内部有许多氢键,以维持其网络结构[30]。如图7所示,添加或不添加黄原胶的淀粉样品经糊化和3D打印后的傅里叶红外光谱图都呈现出相似的红外吸收特性,并且在波数约3 400、2 900、1 650、1 164 cm-1处都有相应的吸收峰。有研究称,3 400 cm-1 和2 900 cm-1左右的吸收峰归因于O—H和H—C—H伸展,而1 650 cm-1左右的吸收峰归因于非结晶区的水分子和C
O键的拉伸振动(酰胺I)[31]。1 164 cm-1归因于糖苷键C—O—C[32]。1 157 cm-1左右的吸收峰为C—O及C—C键的伸缩振动。990 cm-1左右的吸收峰主要是由C—OH弯曲振动引起的。
a-原淀粉及其糊化和打印后的傅里叶红外光谱;b-不同添加量淀粉经糊化后的傅里叶红外光谱;c-不同添加量淀粉经打印后的傅里叶红外光谱
图7 淀粉的傅里叶红外光谱
Fig.7 Fourier transform infrared spectroscopy of starch
如图7-b、图7-c所示,原淀粉的O—H振动峰在3 435 cm-1左右,添加胶体后样品的红外吸收向波数较小的方向发生不同程度的偏移,这表明胶体的添加形成了更强的氢键,从而也使添加胶体后的淀粉样品呈现较高的机械强度,这与上述淀粉体系流变学特性的测试结果一致。根据傅里叶红外光谱分析,添加黄原胶之后淀粉经糊化和打印之后,官能团种类并未发生改变,表明添加了黄原胶之后淀粉在糊化和3D打印过程中没有发生结构变化。
2.7 混合凝胶体系的结晶结构
X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)对材料的长程有序结构很敏感,可用于检测有序内部结构的演化。由于其作为有机大分子的固有性质,淀粉的结晶过程往往呈现出相当复杂的程度[33]。不同晶型的淀粉所产生衍射峰的衍射角角度不同,A型淀粉晶型在15°、17°、18°、20°和23°会出现衍射峰,一般在5.6°、15°、17°、20°和24°为B型淀粉晶型[34]。由图8可知,天然木薯淀粉的衍射角2θ在15°、17°、18°、20°和23°处有衍射峰,说明木薯淀粉为A晶型[35]。由图8可知,所有添加量样品在17°左右均出现一个衍射峰,有研究者将在20°左右出现的峰归因于V型淀粉结构在不同物化学手段处理下晶型结构的转变。因此,在17°左右出现的马铃薯淀粉与其他处理组间衍射谱峰的差异可以解释为V型淀粉结构的微小变化导致的[36]。由图8可知,黄原胶的添加并没有使衍射峰发生明显改变,说明黄原胶的添加并没有改变木薯淀粉的晶型结构。
图8 淀粉的结晶结构
Fig.8 Crystal structure of starch
2.8 混合凝胶体系的微观结构结构
如图9-a所示,未添加黄原胶的凝胶结构呈现出空洞不连续、不均匀的结构,孔壁较厚。添加量在2%和4%时(图9-b、图9-c),凝胶结构逐渐均匀、连续,随着黄原胶添加量的增加,凝胶结构更加均匀。将糊化后的淀粉的微观结构与打印后的淀粉进行对比,发现经3D打印后淀粉凝胶的微观结构比糊化后的淀粉凝胶的微观结构均匀,且孔洞连续、大小一致。这表明淀粉经3D打印后,会使其结构变得致密,有利于3D打印样品形状的维持。对比原淀粉,添加了黄原胶的淀粉样品经3D打印后,所有淀粉样品的微观结构都更加紧凑,孔洞更加均匀、连续且孔壁较薄。这可能是因为黄原胶分子黏附在糊化淀粉分子的表面起到了一定的桥连作用,从而使糊化淀粉分子间的连接更加紧密[36]。这也进一步验证了凝胶体系水分分布分析结果,即胶体的添加降低了水的流动性,说明添加黄原胶之后,木薯淀粉形成了较为紧密的网络结构。黄原胶分子的黏附效应使得淀粉样品更加顺滑,也进一步促进了淀粉样品的挤出顺畅性以及打印样品表面的光滑度[37]。这与淀粉3D打印样品形态分析所显示的结果一致。
A-原淀粉糊化;a-原淀粉打印;B-2%糊化;b-2%打印;C-4%糊化;c-4%打印;D-6%糊化;d-6%打印;E-8%糊化;e-8%打印;F-10%糊化;f-10%打印
图9 淀粉经糊化和3D打印的扫描电镜微观结构图(200×)
Fig.9 Scanning electron microscope microstructure of starch after gelatinization and 3D printing (200×)
3 结论
本研究以木薯淀粉为原料,通过添加不同比例的黄原胶改善黄原胶-木薯淀粉混凝体系的3D打印成型性和品质特性。经流变学、糊化特性和3D打印行为分析等试验,结果表明,黄原胶的添加,使淀粉体系的峰值时间增加,表明黄原胶增加了淀粉体系的抗膨胀潜力;增加了淀粉体系G′、G″以及tanδ值,表明其具有明显的弹性行为,有利于3D打印后打印物体的形状稳定性;降低了淀粉体系的回生值以及弛豫时间,使3D打印样品的纹路更加清晰,提高样品的精确度;降低了水的流动性,说明黄原胶-木薯淀粉混凝体系形成了较为紧密的网络结构,使糊化淀粉分子间的连接更加紧密,也进一步促进了淀粉样品的挤出顺畅性以及打印样品表面的光滑度。通过3D打印行为分析,黄原胶添加量在8%时,表现出较好的打印外观和打印高度。此时,淀粉凝胶体系就有较适的流动性和机械强度来保持样品形状和维持样品高度。综上所述,黄原胶添加量在8%时,淀粉混凝体系表现出最佳的打印特性。
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