西北農(nóng)大：NaCl溶液用來改善小麥淀粉凝膠3D打印樣品成型質(zhì)量

來源：食研私享

導(dǎo)讀：2021年9月17日，西北農(nóng)林科技大學(xué)-食品科學(xué)與工程學(xué)院：Luyao Zheng（1作）......、江昊*（通訊）等在農(nóng)林科學(xué)1區(qū)TOP期刊Food Hydrocolloids（IF：9.147）在線發(fā)表了題為“Effect of sodium chloridesolution on quality of 3D-printed samples molded using wheat starch gel”的研究文章。

3D打印，也被稱為增材制造（AM），其使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件控制3D打印機(jī)通過連續(xù)添加材料層來塑造3D對(duì)象。與傳統(tǒng)加工技術(shù)不同，3D打印技術(shù)可以很輕松地創(chuàng)造傳統(tǒng)加工技術(shù)無法創(chuàng)造的復(fù)雜形狀甚至內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然而，由于目前食品材料的局限性限制了3D打印技術(shù)在食品中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，因此尋找3D打印的可替代食品材料被認(rèn)為是這項(xiàng)新興技術(shù)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。適用于3D打印的食品材料必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：易于擠出并且能夠保持打印對(duì)象的結(jié)構(gòu)。因此，了解印刷材料的物理特性對(duì)于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的3D結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

小麥淀粉用于3D打印時(shí)，因其材料局限性導(dǎo)致其形狀保持性較弱，不利于3D打印的沉積。NaCl已被證明對(duì)淀粉糊的糊化、流變性能和回生有顯著影響。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的NaCl對(duì)淀粉凝膠回生的影響是相互矛盾的，即低濃度（例如低于7%）的NaCl會(huì)增加淀粉開始糊化的溫度，而高濃度已被證明具有相反的效果。以上行為可以由水的結(jié)構(gòu)和淀粉與離子之間的靜電相互作用這兩個(gè)因素來解釋。因此，該文旨在了解3D打印中淀粉-水混合物體系在鹽存在下的糊化和流變特性，以期全面改善印刷品工藝設(shè)計(jì)、質(zhì)量和延長印刷品保存時(shí)間。

圖文摘要

成果介紹

在這項(xiàng)研究中，研究人員首先制備了不同濃度梯度的NaCl溶液（0~200mM）和小麥淀粉（淀粉：NaCl溶液（或蒸餾水）=1：4（w/w），干基）組成的3D打印凝膠材料。然后測定了其形態(tài)（外觀、形狀和高度）、微觀結(jié)構(gòu)、鍵合結(jié)構(gòu)、流變性能、糊化特性、質(zhì)構(gòu)分析、直鏈淀粉含量、接觸角和表面自由能等性能。

小麥淀粉中添加適量的NaCl有助于改善凝膠可擠出性，也有助于在沉積后保持足夠的黏度，使3D打印成品能夠保持其形狀，從而延長產(chǎn)品的存放時(shí)間。

當(dāng)小麥淀粉中含有150mM NaCl時(shí)，支撐穩(wěn)定性、線條均勻性和高度保持性相對(duì)較優(yōu)。低濃度NaCl溶液（50和100 mM）增強(qiáng)了直鏈淀粉的氫鏈聚合，且凝膠強(qiáng)度顯著提高。在較高濃度的NaCl溶液（150和200 mM ）中，Na⁺與淀粉分子中的羥基相互作用，阻礙了淀粉分子的聚合，并改善了可擠出性。含有150mMNaCl的淀粉凝膠具有適中的凝膠粘度和強(qiáng)度，能夠輕松的構(gòu)建印刷品。

糊化淀粉中出現(xiàn)的新的C-H彎曲振動(dòng)形成了淀粉、水和鹽的三元絡(luò)合物，它決定了結(jié)構(gòu)功能性，但并未導(dǎo)致糊化淀粉中出現(xiàn)新的官能團(tuán)。同時(shí)，含150mM NaCl的凝膠印刷樣品在長期貯藏后，由于NaCl抑制了淀粉凝膠的回生，其質(zhì)地更加柔軟，彈性更強(qiáng)。

基于以上研究結(jié)果，可以初步確定添加150mM NaCl的小麥淀粉材料相對(duì)適用于食品3D打印并且印刷成品可以長期保存。未來將探討不同濃度梯度NaCl溶液對(duì)3D打印成品微觀結(jié)構(gòu)、物理特性和感官性能的深遠(yuǎn)影響。

使用不同濃度的NaCl溶液的膠凝凝膠3D打印的實(shí)心立方體直到立方體到達(dá)一定高度塌陷。顯示的所有比例尺的長度均為10mm。

專家簡介

江昊，博士，副教授/教研室主任，主要從事農(nóng)產(chǎn)品物理加工，食品加工新技術(shù)，淀粉工程技術(shù)及食品3D打印等方面研究。近5年發(fā)表文章14余篇（中科院1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)），申請(qǐng)專利5項(xiàng)，近五年參與撰寫專著3部。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0268005X21006135

DIO：10.1016/j.foodhyd.2021.107197