馬鈴薯淀粉對(duì)豌豆蛋白3D打印材料結(jié)構(gòu)及特性的影響

董雷超 陳炫宏 王 賽 孫婉婷 盛桂華 周泉城 *

（1 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院食品科學(xué)系 山東淄博 255049

2 農(nóng)產(chǎn)品功能化技術(shù)山東省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東淄博 255049）

3D打印是指通過(guò)3D打印機(jī)逐層增加材料來(lái)制造三維產(chǎn)品的快速成型技術(shù)[1]。其自20世紀(jì)80年代誕生后，因具有代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造業(yè)繁瑣工序的特點(diǎn)，而受到國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注，在模具制造、航天等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[2]。近年來(lái)，隨著3D打印材料的不斷突破，3D打印技術(shù)已逐步應(yīng)用在食品行業(yè)。目前應(yīng)用于3D打印的主要食料有面團(tuán)、肉泥、奶酪、巧克力、煎餅等[3-5]。然而，因食品的特殊性以及食品材料支撐力弱、造型差等原因而限制了3D打印技術(shù)在食品行業(yè)的快速發(fā)展。打印材料是目前制約3D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域廣泛應(yīng)用和發(fā)展的瓶頸[6]，食品類(lèi)3D打印材料的研發(fā)成為3D食品打印技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

3D食品打印技術(shù)不僅能豐富食品樣式，改良食品品質(zhì)，還能滿足特殊的消費(fèi)群體，如老年人、兒童和運(yùn)動(dòng)員等，獨(dú)特的食品設(shè)計(jì)需求，提高了對(duì)新技術(shù)的需要。可以人性化地改變食物形狀，還可以自由搭配均衡營(yíng)養(yǎng)。傳統(tǒng)的食品生產(chǎn)無(wú)法滿足人們這樣的需求，而3D食品打印技術(shù)具有很好的發(fā)展前景[3]。

豌豆蛋白氨基酸比例均衡，營(yíng)養(yǎng)豐富，是一種值得開(kāi)發(fā)的食品資源，然而，我國(guó)對(duì)豌豆蛋白的開(kāi)發(fā)研究較少、應(yīng)用也并不廣泛[7]。馬鈴薯淀粉粒徑大于禾谷類(lèi)淀粉，其支鏈淀粉分子上結(jié)合有磷酸基，使其具有較高的感官性能。此外，馬鈴薯淀粉還具有糊化溫度低、易膨脹、吸水力強(qiáng)、保水性能好等其它淀粉不具備的物化性質(zhì)[8]，這些特點(diǎn)說(shuō)明其作為一種3D打印材料，具有一定的優(yōu)勢(shì)，適量添加可優(yōu)化產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)，改善產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)，增強(qiáng)產(chǎn)品穩(wěn)定性等[9]。

本研究旨在探討添加馬鈴薯淀粉對(duì)以豌豆蛋白為基料的3D打印食材的理化結(jié)構(gòu)、物化性質(zhì)的影響，進(jìn)而闡明此3D打印材料如何實(shí)現(xiàn)3D打印，以期為豌豆蛋白在3D食品打印領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

豌豆蛋白，煙臺(tái)雙塔食品股份有限公司；馬鈴薯淀粉，濰坊三兄弟淀粉廠；黃油，上海高夫食品有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

CSE 1型3D打印機(jī)，中國(guó)昆山博力邁三維打印科技有限公司；Quanta 250型掃描電鏡，美國(guó)FEI公司；D8 ADVANCE型多晶X-射線衍射儀，德國(guó)Brucker AXS公司；Nicolet 5700型傅立葉變換紅外光譜儀，美國(guó)Thermo Electron公司；Q100型示差掃描量熱儀，美國(guó)TA公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品準(zhǔn)備 豌豆蛋白與馬鈴薯淀粉充分混勻，加入與豌豆蛋白和馬鈴薯淀粉總質(zhì)量等質(zhì)量的水，在75℃下進(jìn)行攪拌、混勻，將豌豆蛋白質(zhì)量20%的黃油融化后加入到混合好的豌豆蛋白和馬鈴薯淀粉混合料中，70～80℃水浴加熱，攪拌均勻，然后將其揉制成團(tuán)，即可用于3D打印。將打印材料在40℃左右的條件下干燥，待干燥至恒重后用粉碎機(jī)粉碎成粉末狀，以100目細(xì)篩篩選，等待檢測(cè)。

1.3.2 掃描電鏡（SEM）觀察 膠紙法：將樣品粉末用導(dǎo)電兩面膠紙固定在樣品座上，使用真空鍍膜儀噴鍍導(dǎo)電層，然后在加速電壓10 kV，放大倍數(shù)2 000倍下進(jìn)行電鏡觀察[10]。

1.3.3 X射線衍射（XRD）測(cè)試 將樣品粉末置于鋁片15mm×20mm×1.5mm的孔中，隨后壓緊，進(jìn)行射線衍射測(cè)試。XRD的測(cè)試條件為：掃描范圍：3～50°；測(cè)角精度：2θ≤±0.01°；角分辨率：FWHM≤±0.1；角度重現(xiàn)性：±0.0001°[11]。

1.3.4 紅外光譜（FT-IR）測(cè)試 溴化鉀壓片法：稱(chēng)取約2mg樣品與100～200mg溴化鉀粉末充分混合，球形研磨機(jī)研磨1～2min，壓成透明薄片，裝入壓片夾，以溴化鉀空白壓片作對(duì)照在4 000～400 cm-1波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描[12]。

1.3.5 熱特性（DSC）測(cè)試 在天平上準(zhǔn)確稱(chēng)取6～7mg樣品粉末密封于鋁制坩堝內(nèi)，放入儀器樣品架上，用空坩堝作對(duì)照，通入50mL/min的氮?dú)?，?0～170℃范圍內(nèi)以10℃/min的升溫速率進(jìn)行升溫測(cè)試[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 3D打印材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 3D打印材料顆粒結(jié)構(gòu)的變化 由圖1a可知，豌豆蛋白3D打印材料顆粒大部分表面光滑、不粗糙，混合充分，無(wú)尖銳凸起，少數(shù)顆粒上出現(xiàn)突出或凹陷，這種突出或凹陷是淀粉在干燥過(guò)程中形成的，這與Zhu等[13]的研究結(jié)果一致。由圖1可知，經(jīng)處理后得到的豌豆蛋白3D打印材料，隨豌豆蛋白含量的增加，打印物表面粗糙度增大，粗糙顆粒增多，光滑完整的顆粒逐漸減少。且隨豌豆蛋白含量的增多，從50%到75%時(shí)，顆粒之間的成團(tuán)現(xiàn)象先減弱后增強(qiáng)，混合顆粒之間的成團(tuán)現(xiàn)象，是由于豌豆蛋白連續(xù)的蛋白質(zhì)基質(zhì)群，彼此之間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，淀粉顆粒均勻的分布其中，從而促進(jìn)了豌豆蛋白的成團(tuán)現(xiàn)象[14]。

圖1 豌豆蛋白3D打印材料的SEM圖（×2 000）Fig.1 SEM photomicrographs of pea protein 3D printing material（×2 000）

2.1.2 3D打印材料晶體結(jié)構(gòu)的變化 衍射峰的寬度與微結(jié)晶的大小有關(guān)，微結(jié)晶越大對(duì)應(yīng)的衍射圖中的峰越寬[15]。豌豆蛋白是多晶體系，由微晶、亞微晶和非晶中的一種或多種組成，微晶晶粒線度大，對(duì)應(yīng)的衍射峰尖銳，亞微晶晶粒線度小，對(duì)應(yīng)的衍射峰類(lèi)似非晶的衍射特征，非晶由于短程只顯示彌散衍射特征[12]。

從圖2可以看出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)豌豆蛋白3D打印材料在2θ角為20°處都有很強(qiáng)的特征衍射峰。20°處的衍射峰強(qiáng)度隨豌豆蛋白含量的增加有先減小后增強(qiáng)的趨勢(shì)，表現(xiàn)出大部分的微晶消失，亞微晶增多，說(shuō)明豌豆蛋白晶體結(jié)構(gòu)在混合過(guò)程中遭到不同程度的破壞。除50%豌豆蛋白的3D打印材料外，其余不同豌豆蛋白含量的3D打印材料在相同角度處的特征衍射峰隨豌豆蛋白含量的增加逐次增加，50%豌豆蛋白的3D打印材料的特征衍射峰最大，說(shuō)明豌豆蛋白的大部分晶體結(jié)構(gòu)在混合過(guò)程中沒(méi)有遭到破壞，出現(xiàn)新的衍射峰，說(shuō)明豌豆蛋白與淀粉和黃油部分結(jié)合，產(chǎn)生了具有晶體結(jié)構(gòu)的新混合物[13]。

圖2 豌豆蛋白3D打印材料的XRD譜圖Fig.2 XRD chart of pea protein 3D printing material

表1 豌豆蛋白3D打印材料的XRD參數(shù)Table1 XRD parameters of pea protein 3D printing material

表2 豌豆蛋白3D打印材料各吸收峰的吸收強(qiáng)度Table2 Absorption intensity of each absorption peak of pea protein 3D printing material

2.1.3 3D打印材料分子結(jié)構(gòu)的變化 圖3為豌豆蛋白3D打印材料的FT-IR譜圖，由譜圖可知豌豆蛋白含量不同的3D打印材料之間存在一些典型的共有峰。在3 700～3 000 cm-1處存在極強(qiáng)且寬的吸收譜帶，這種吸收峰是由豌豆蛋白分子和馬鈴薯淀粉分子羥基O-H伸縮震動(dòng)產(chǎn)生的，在2 900 cm-1處存在CH2伸縮震動(dòng)，這與Zhang等[16]的研究結(jié)論一致。

圖3 豌豆蛋白3D打印材料的FT-IR譜圖Fig.3 FT-IR chart of pea protein 3D printing material

吸收峰的強(qiáng)度用透光率（T/%）表示，透光率越大，吸收強(qiáng)度越弱。由表2可以看出，經(jīng)處理后的豌豆蛋白，峰的強(qiáng)度隨豌豆蛋白含量的增多呈先降低后升高的趨勢(shì)。豌豆蛋白的紅外譜帶主要集中在 3 398，2 925，2 854，1 745，1 649，1 539，1 160，854等處。由圖3可知，經(jīng)處理后的豌豆蛋白在波長(zhǎng) 2 854 cm-1（3 號(hào)峰）、1 745 cm-1（4 號(hào)峰）處均出現(xiàn)吸收峰，分別是C-H對(duì)稱(chēng)伸縮震動(dòng)和C=O伸縮震動(dòng)。且豌豆蛋白含量只改變峰的強(qiáng)度（表2）并沒(méi)有新的吸收峰出現(xiàn)，由此可知這兩處新的吸收峰是脂類(lèi)的特征吸收峰[17]。豌豆蛋白經(jīng)處理后，F(xiàn)T-IR譜圖中沒(méi)有官能團(tuán)消失，且產(chǎn)生的新官能團(tuán)是由于黃油的添加造成的，說(shuō)明豌豆蛋白經(jīng)過(guò)不同處理后沒(méi)有新物質(zhì)的生成，不會(huì)產(chǎn)生安全性問(wèn)題。

2.2 3D打印材料物化熱特性分析

干燥粉碎后的豌豆蛋白3D打印材料，經(jīng)DSC分析結(jié)果如圖4所示，經(jīng)處理后的豌豆蛋白出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度如表3所示，由表3可知處理后的豌豆蛋白的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度并沒(méi)有隨豌豆蛋白含量的增加而發(fā)生顯著改變。

豌豆蛋白經(jīng)處理后，在80～110℃之間都出現(xiàn)了熔融吸熱峰，且隨著豌豆蛋白含量的增多，峰值溫度呈上升趨勢(shì)。有研究表明淀粉和脂肪酸形成的復(fù)合物會(huì)增強(qiáng)豌豆蛋白的熱穩(wěn)定性[18]。本研究，豌豆蛋白和淀粉等混合時(shí)，淀粉分布在豌豆蛋白的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中形成凝膠，凝膠被黃油的海綿狀結(jié)構(gòu)吸附形成復(fù)合物，這種復(fù)合物熱穩(wěn)定性較強(qiáng)（如圖5）。

3 結(jié)論與討論

3D打印作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在世界范圍內(nèi)受到越來(lái)越多的關(guān)注，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”[2]。近年來(lái)，3D打印技術(shù)在食品中的應(yīng)用已有報(bào)道。3D打印技術(shù)中食品材料的類(lèi)型按照物料供應(yīng)方式可分為液體、粉末和細(xì)胞類(lèi)；基于粉末材料的3D打印是通過(guò)熱源（激光或熱空氣）加熱粉末顆粒和黏合劑，使其熔融沉積而成[7]。本研究以豌豆蛋白為基料，經(jīng)添加馬鈴薯淀粉處理后得到的3D打印材料，其顆粒結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、熱特性等都發(fā)生顯著性變化。

圖4 豌豆蛋白3D打印材料的DSC曲線Fig.4 DSC curve of pea protein 3D printing material

表3 豌豆蛋白3D打印材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Table3 The glass transition temperature of pea protein 3D printing material

圖5 最佳質(zhì)量配比3D打印物Fig.5 Optimum ratio of 3D printed matter

SEM結(jié)果表明，當(dāng)豌豆蛋白含量為50%左右時(shí)，豌豆蛋白3D打印材料的交聯(lián)程度最高，表面光滑度適中，保證了3D打印材料的可塑性和打印過(guò)程的順暢，使打印物成型好，原材料融合好，層疊界限不明顯，可滿足3D打印的要求。

DSC曲線表明，本研究的豌豆蛋白3D打印材料在26～32℃之間出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變，豌豆蛋白含量的變化使得材料在80～110℃之間的熔融峰位置發(fā)生變化，熱穩(wěn)定性改善。良好的熱穩(wěn)定性，使得材料在打印或后續(xù)的加工過(guò)程中不會(huì)變性，適合消費(fèi)者食用，保證了3D打印物的品質(zhì)。

XRD譜圖峰值變化表明，本研究的豌豆蛋白3D打印材料表現(xiàn)出大部分的微晶消失，亞微晶增多的現(xiàn)象，說(shuō)明蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)在處理過(guò)程中遭到破壞，且FT-IR譜圖中沒(méi)有出現(xiàn)新的基團(tuán)，說(shuō)明3D打印材料只是蛋白-淀粉-脂類(lèi)的復(fù)合物，沒(méi)有新物質(zhì)的生成，僅發(fā)生晶型的改變，而非化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變，保證了3D打印物的食用安全性。

由上可知，本研究探討了馬鈴薯淀粉對(duì)豌豆蛋白3D打印可行性及3D打印對(duì)淀粉和蛋白的影響，研究結(jié)果表明，豌豆蛋白∶馬鈴薯淀粉∶水∶黃油的最優(yōu)質(zhì)量配比為5∶5∶15∶1，3D 打印機(jī)打印參數(shù)：打印速度15mm/s、噴頭大小0.8mm、層高0.8mm時(shí)，可獲得最佳的3D打印效果。本研究彌補(bǔ)了低水分淀粉和蛋白質(zhì)混合物實(shí)現(xiàn)3D打印的物料組成和特性，為3D打印食品原料提供了一定的理論指導(dǎo)和技術(shù)參數(shù)，具有一定的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用意義。