特色食用菌及淀粉類食品3D打印的研究進(jìn)展

來源： 生鮮食品探究

谷物和食用菌是我國最具代表性的兩類大宗食品原料，其產(chǎn)量逐年攀升，但加工占比及精深加工水平較低，大部分仍停留在粗加工、初級產(chǎn)品層次，直接導(dǎo)致農(nóng)業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益低、市場競爭力差、發(fā)展緩慢。

近年來，依托國家自然科學(xué)青年基金項目和江蘇省重大科技專項-現(xiàn)代農(nóng)業(yè)項目的資助，南京財經(jīng)大學(xué)“食用菌營養(yǎng)與精深加工”胡秋輝教授團(tuán)隊楊帆博士課題組對特色食用菌及淀粉類食品3D打印開展了系列研究，利用改性加工技術(shù)對大宗食用菌中的優(yōu)質(zhì)多糖和谷物中的淀粉進(jìn)行分子質(zhì)構(gòu)重組，利用淀粉與食用菌多糖之間的分子互作來改善相應(yīng)食品的流變特性，從而提升食品的3D打印特性；建立淀粉多尺度結(jié)構(gòu)與3D打印過程精確度、口感和消化特性之間的構(gòu)效關(guān)系；通過3D打印技術(shù)對其重組體系進(jìn)行定制化增材加工，形成對食用菌-谷物淀粉重新設(shè)計的關(guān)鍵核心加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對食品基材的“精準(zhǔn)”及“定制化”加工，為新型可定制化健康食品的開發(fā)提供新思路。取得的具體研究進(jìn)展如下。

一、含金針菇多糖的特色食用菌食品3D打印研究進(jìn)展

大豆分離蛋白凝膠食品的3D打印研究較多，但是在凝膠塑型上存在問題。為了改善3D打印水凝膠的物理性能，大豆分離蛋白可以與其他水膠體形成復(fù)合物，如金針菇多糖。課題組研究評估了大豆分離蛋白和金針菇多糖復(fù)合物的3D打印準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。3D打印后經(jīng)過熱處理的復(fù)合材料的凝膠準(zhǔn)確度大于99.7%、穩(wěn)定性大于99.9%。加入金針菇多糖和熱處理使凝膠的粘性更小、強(qiáng)度更強(qiáng)，微觀結(jié)構(gòu)更均勻、更致密。大豆蛋白的熱變性和從金針菇多糖中引入-OH以增強(qiáng)β-折疊可能是凝膠特性改善的原因。研究發(fā)現(xiàn)，金針菇多糖和熱加工能夠增強(qiáng)凝膠的食品3D打印加工性質(zhì)，可以針對兒童、老年人和其他有特殊需求的消費(fèi)者進(jìn)行營養(yǎng)方面的設(shè)計。

圖1. 含金針菇多糖的特色食用菌食品3D打印研究

二、含淀粉多尺度結(jié)構(gòu)的特色食品3D打印研究進(jìn)展

淀粉基凝膠可以通過3D打印來制造食品。預(yù)實(shí)驗證明將海藻酸鈉添加到淀粉凝膠中可以增強(qiáng)相應(yīng)3D打印產(chǎn)品的形狀穩(wěn)定性。這啟發(fā)了我們假設(shè)黃原膠（也是一種常見的增稠劑）可能在以下方面發(fā)揮類似的作用：3D打印實(shí)驗中結(jié)構(gòu)化淀粉復(fù)合凝膠。產(chǎn)品的幾何精度及其流變特性、水分狀態(tài)分布和掃描電子顯微鏡圖像通過添加不同量的海藻酸鈉、黃原膠，以及用于擠出的海藻酸鈉/黃原膠3D打印。計算流體動力學(xué) (CFD) 模擬用于模擬3D打印過程。結(jié)果表明，形成了具有相對較高擠出性和形狀保持性的假塑性凝膠。3D打印的淀粉凝膠采用添加海藻酸鈉和黃原膠的優(yōu)化配方，表現(xiàn)出最好的幾何精度、形狀穩(wěn)定性、適當(dāng)?shù)哪�膠形成特性和物理特性。添加適量的海藻酸鈉和黃原膠有助于形成3D打印淀粉基產(chǎn)品，具有潛在食品的技術(shù)可行性。模擬3D打印過程的CFD模型解釋了由于直徑變化和這種不均勻性而導(dǎo)致的流動通道中的速度分布導(dǎo)致3D打印過程中流體膨脹。

課題組選取最常用的海藻酸鈉作為增稠劑，用于淀粉復(fù)合凝膠的3D打印。然而，淀粉和SA 3D打印的打印窗口和機(jī)理凝膠的成分仍不清楚。幾何精度、流變性能、小角X射線散射采用SAXS和掃描電子顯微鏡（SEM）對淀粉復(fù)合凝膠及其制品進(jìn)行評價獲得結(jié)構(gòu)-性能-3D打印能力和準(zhǔn)確性。計算流體動力學(xué) (CFD) 模擬用于模擬3D打印過程。結(jié)果表明SA能夠改善淀粉凝膠3D打印的可行性。然而，成功的打印區(qū)域受到3D打印的限制為普通玉米淀粉（NMS）/SA復(fù)合凝膠制備的窗口。SAXS數(shù)據(jù)表明較小的網(wǎng)格尺寸有助于提高儲能模量。主成分分析(PCA)和相關(guān)分析表明，幾何精度與流變性能密切相關(guān)復(fù)合凝膠。CFD模型解釋了流動通道中速度分布不均勻的原因：擠壓材料直徑的變化，在3D打印過程中引起擠壓膨脹效應(yīng)。本研究為淀粉基3D打印的材料的標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量控制提供了理論依據(jù)。

圖2. 淀粉多尺度結(jié)構(gòu)在食品3D打印中的機(jī)理研究

三、含淀粉的復(fù)合凝膠食品3D打印研究進(jìn)展
課題組通過機(jī)理模型系統(tǒng)闡釋了淀粉在3D打印過程中先展開再互相纏繞，加上淀粉與牛奶蛋白之間電荷形成的化學(xué)親和力，賦予了凝膠更好的流變性質(zhì)（兼具流動性和形狀穩(wěn)定性），從而具備更好的3D打印特性，旨在通過調(diào)節(jié)3D打印工藝參數(shù)從而對牛奶復(fù)合凝膠進(jìn)行3D打印，為不同咀嚼能力的人群設(shè)計的個性化食品的制造提供新思路。

3D打印技術(shù)作為一種新興的制造技術(shù)，通過逐層添加的制造方式可以進(jìn)一步提高已經(jīng)比較受歡迎的牛奶復(fù)合凝膠（俗稱“奶油小方”）的質(zhì)構(gòu)與口感。該研究首先對原有的牛奶蛋白復(fù)合凝膠材料的制備方法進(jìn)行調(diào)整，在確保原有的良好口味基本不變的條件下，將材料的可打印特性最優(yōu)化。然后，確立統(tǒng)一的3D打印模型，利用3D打印控制軟件改變3D打印條件（主要包括填充周長、填充度和填充圖案等），對之前優(yōu)化可打印特性的牛奶復(fù)合凝膠材料進(jìn)行3D打印，得到基于同一打印模型的不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的3D打印產(chǎn)品。最后通過對3D打印產(chǎn)品的流變特性、幾何精度、結(jié)構(gòu)特性和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合比較與分析。最終證明了3D打印食品技術(shù)可以通過調(diào)節(jié)和控制填充周長、填充度和填充圖案等3D打印工藝參數(shù)，為定制擁有特殊質(zhì)構(gòu)特性的3D打印食品提供了新方法。

圖3. 含淀粉的復(fù)合凝膠食品3D打印研究

團(tuán)隊介紹
楊帆博士（碩士生導(dǎo)師）于2013-2018年在江南大學(xué)食品學(xué)院張慜教授團(tuán)隊攻讀博士學(xué)位，畢業(yè)后加入南京財經(jīng)大學(xué)食用菌營養(yǎng)與精深加工研究團(tuán)隊。楊帆博士致力于谷物及果蔬等3D打印食品的研發(fā)與應(yīng)用。目前主持國家自然科學(xué)青年基金、江蘇省自然科學(xué)基金和江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)基金等多項縱向課題。相關(guān)成果發(fā)表論文14篇，其中SCI論文包括熱點(diǎn)論文、高被引論文和封面論文。他是Carbohydrate Polymers、Food Hydrocolloids和Food Research International等多個主流TOP SCI期刊的審稿人。申請發(fā)明專利5項，其中授權(quán)發(fā)明專利3項。開展校企合作橫向課題，相關(guān)技術(shù)已在多家企業(yè)進(jìn)行合作示范。
南京財經(jīng)大學(xué)食用菌營養(yǎng)與精深加工研究團(tuán)隊主持國家自然科學(xué)基金、江蘇省科技廳重點(diǎn)項目等省部級以上科技項目數(shù)十余項，公開發(fā)表研究論文近300篇，授權(quán)發(fā)明專利數(shù)十余項。團(tuán)隊依托江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗室，主要研究方向圍繞：

（1）食品功能性成分高效制備及活性評價；
（2）食用菌采后保鮮、加工技術(shù)及其過程精準(zhǔn)控制技術(shù)創(chuàng)制；
（3）食用菌多糖、蛋白等功能組分結(jié)構(gòu)特征、理化性質(zhì)、營養(yǎng)功能作用機(jī)理研究；
（4）食用菌各組分功能特性在生產(chǎn)、加工和貯藏期間的變化規(guī)律等“卡脖子”技術(shù)與理論難題，開展基礎(chǔ)理論研究與應(yīng)用創(chuàng)新，形成多學(xué)科融合交叉的研究平臺和科研團(tuán)隊。相關(guān)研究內(nèi)容重點(diǎn)為挖掘新型食用菌功能組分并揭示相關(guān)作用機(jī)理，為提高食用菌加工和綜合利用水平奠定基礎(chǔ)。近5年來獲教育部技術(shù)發(fā)明二等獎、江蘇省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎和江蘇省教學(xué)成果一等獎等榮譽(yù)。

△南京財經(jīng)大學(xué)楊帆博士所在食用菌營養(yǎng)與精深加工研究團(tuán)隊近期合影