山藥凝膠體系的3D打印特性

馮 蕾，武敬楠,2，李 鳴，聶梅梅，李大婧, ，宋江峰，張培通，劉春泉

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所, 江蘇南京 210014；2.南京農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院, 江蘇南京 210095；3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所, 江蘇南京 210014）

3D打印，又稱為增材制造，是基于計算機輔助設計軟件構建的模型數(shù)據(jù)，通過層與層之間疊加沉積的方法制造具有復雜幾何形狀的技術手段，被稱為“第三次工業(yè)革命”[1?2]。由于3D打印技術具有設計自由化、操作簡單化、加工自動化等優(yōu)點，已廣泛應用于醫(yī)藥醫(yī)學、工藝產(chǎn)品、生物結構、建筑設計、日常用品等領域[3]。近年來，食品形式多樣化及膳食營養(yǎng)個性化已成為食品行業(yè)發(fā)展的趨勢，3D打印技術較高的靈活性對實現(xiàn)食品個性化定制具有重要的指導意義[4]。然而，打印材料對食品3D打印技術的發(fā)展及應用具有重要意義。目前，3D打印食品材料種類主要包括凝膠[5]、土豆泥[6]、巧克力[7]等。

山藥（Dioscorea opposita）為薯蕷科多年生作物，含有豐富的蛋白質、氨基酸、糖類等營養(yǎng)物質及皂甙、類黃酮等活性成分，具有增強免疫力、降血糖、降血脂、調(diào)節(jié)腸道菌群等多種生理功效[8?9]。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展及人們生活水平的提高，功能性食品受到消費者的極大關注，山藥作為一種傳統(tǒng)藥食同源植物，成為最受青睞的功能性食品之一[10]。此外，山藥中淀粉含量較高（一般占干基60%~85%），其糊化溫度低、吸水能力強、機械性能好，作為3D打印材料具有一定優(yōu)勢[11]。武敬楠等[12]研究表明山藥淀粉濃度增加，凝膠體系表觀粘度、儲能模量、損耗模量增加，內(nèi)部微觀網(wǎng)絡結構逐漸致密，從而影響其3D打印特性。因此，以山藥粉為食品材料深入研究其3D打印特性，對提高其生產(chǎn)應用具有重要意義。

本實驗以山藥粉為原料，通過探討山藥粉含量對凝膠體系的流變學性質、3D打印特性、產(chǎn)品品質及結構特征的影響規(guī)律，為食品3D打印材料應用及功能性食品的個性化定制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

山藥粉 由南京杰百柯生物科技有限公司。

HAAKE MARS Ⅲ 流變儀 賽默飛世爾科技有限公司；3D食品打印機 杭州時印科技有限公司；CT3 25K型質構儀 美國博勒飛公司；CM-700D型色差儀 日本柯尼卡美能達公司；JA-3003型千分之一天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；Quanta 200掃描電子顯微鏡 荷蘭FEI公司；ZX-27型傅里葉變換紅外光譜儀 德國Bruker公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 山藥凝膠的制備 將山藥粉過120目篩，與水以30%、35%、40%、45%、50%的質量比混合均勻，在85 ℃水浴中穩(wěn)定30 min，期間用塑料薄膜包裹容器防止水分蒸發(fā)，水浴加熱后立即取出并冷卻至室溫，形成山藥凝膠，于4 ℃條件下貯藏待用。

1.2.2 動態(tài)黏彈性測定 選用直徑為20 mm的不銹鋼平板夾具，設置測試平板間隙為1000 μm，測試溫度為25 ℃，線性黏彈區(qū)掃描應變?yōu)?.1%，掃描頻率為1~10 rad/s，記錄山藥凝膠儲能模量（G'）、損耗模量（G"）隨振蕩頻率增加的變化情況[13]。

1.2.3 打印效果及打印精確性評價 將山藥凝膠樣品裝入打印料筒中，根據(jù)預實驗，選用直徑為0.6 mm的噴嘴，移動速度為25 mm/s，擠出程度為100%，打印直徑為15 mm，高15 mm，內(nèi)部填充為50%，外層數(shù)為2的圓柱，拍照并測量打印產(chǎn)品的直徑和高度，與模型尺寸的設計值進行比較，計算打印樣品的偏差來進行精確度評價。

1.2.4 打印產(chǎn)品穩(wěn)定性測定 將打印后的樣品放置在密閉的玻璃盒內(nèi)，放入4 ℃冰箱中保存，1 h后取出樣品測量其直徑和高度，并與打印結束時的直徑和高度進行比較，分別計算直徑偏差和高度偏差來進行打印穩(wěn)定性評價。

1.2.5 色澤測定 測定3D打印凝膠樣品的色澤指標L*值、a*值及b*值，并根據(jù)L*值、a*值及b*值計算ΔE。其中L*值為亮度值，a*值為紅色或者綠色值，b*值為黃色或藍色值，ΔE為總色差，值越大表示樣品之間的整體色澤變化程度越大，計算公式如（1）所示：

式中：L0*,a0*,b0*為初始山藥粉含量（30%）3D打印樣品的色澤值；Li*,ai*,bi*為不同山藥粉含量3D打印樣品的色澤值（i= 35%~50%）。

1.2.6 質構性質測定 采用全質構測試模式測定3D打印山藥凝膠樣品的質構特性，其中探頭型號為TA25/1000圓柱型探頭，測試前速度、測試速度、測試后速度均為1.0 mm/s，壓縮比為50%，觸發(fā)力為5.0 g，2次壓縮間隔時間為5.0 s，得到3D打印凝膠樣品的硬度（g）、彈性（mm）、黏性（mJ）、內(nèi)聚性、膠著性（g）、咀嚼性（mJ）[14]。

1.2.7 微觀結構掃描電子顯微鏡觀察 將打印樣品冷凍干燥，取少量樣品用碳導電膠黏在樣品托上，放入離子濺射鍍膜儀中，對樣品進行噴金處理，觀察樣品橫斷面的微觀結構并拍照[15]。

1.2.8 傅里葉變換紅外光譜分析 稱取冷凍干燥的打印樣品2 mg，進行波數(shù)為400~4000 cm?1的紅外光譜掃描，分辨率為4 cm?1，累計掃描32次得到紅外光譜圖[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0的ANOVA以及Tukey檢驗對試驗數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析，得到的結果以平均值±標準差表示，圖表中不同字母表示數(shù)據(jù)的顯著性差異（P<0.05）；使用Origin 9.1軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析及作圖。

2 結果與分析

2.1 山藥粉含量對凝膠動態(tài)黏彈性的影響

動態(tài)黏彈性包括儲能模量（G'）及損耗模量（G"），儲能模量（G'）反映凝膠受力作用后恢復其原始形狀的能力，損耗模量（G"）反映凝膠受力作用時抵抗流動的能力[17]。山藥粉含量對凝膠動態(tài)黏彈性的影響表示3D打印原料力學特性的變化規(guī)律，可為3D打印原料特性提供參考依據(jù)。如圖1所示，隨著角頻率的增大，體系儲能模量（G'）變化不大，損耗模量（G"）逐漸增加，且在相同角頻率下，凝膠的儲能模量（G'）均大于損耗模量（G"），這一結果與 Liu 等[18]研究類似。此外，山藥粉含量逐漸增加，凝膠的儲能模量（G'）及損耗模量（G"）呈先增大后降低趨勢，當山藥粉含量為45%時，其儲能模量（G'）及損耗模量（G"）均達到最大值，隨著山藥粉含量的繼續(xù)增加，凝膠的儲能模量（G'）及損耗模量（G"）均明顯降低。這可能是由于凝膠的黏彈性與直鏈淀粉含量密切相關，過高的山藥粉含量阻礙了淀粉顆粒的吸水膨脹，抑制直鏈淀粉重排形成連續(xù)的凝膠網(wǎng)絡結構[19]。

圖1 山藥粉含量對凝膠黏彈性的影響Fig.1 Effect of yam powder on viscoelasticity of gel system

2.2 山藥粉含量對凝膠3D打印效果的影響

圖2為不同山藥粉含量的凝膠3D打印成型效果圖，模型設計為直徑15 mm，高15 mm，內(nèi)部填充為50%，外層數(shù)為2的圓柱，其中圖2A及圖2B分別山藥凝膠打印樣品圖及截面圖。觀察圖2可知，山藥粉含量為30%的凝膠儲能模量及損耗模量均較低，過低的黏度使凝膠流動性好，漿料易擠出，但漿料的層與層之間緊實度降低，從而導致打印樣品結構變形與坍塌。山藥粉含量為35%的凝膠儲能模量及損耗模量增大，凝膠黏度增加，流動性降低，漿料的層與層之間緊實度升高，打印樣品的結構變形及坍塌現(xiàn)象有所改善。山藥粉含量為40%的凝膠黏彈性適中，漿料線條連續(xù)，表面光滑，層層堆積緊密，結構支撐性良好，表現(xiàn)出最佳的打印效果。當山藥粉含量繼續(xù)增加至45%及50%時，淀粉濃度增加導致形成的山藥粉凝膠儲能模量及損耗模量增大，凝膠硬度及黏彈性較大，在打印過程中需要更大的擠出力，因此出現(xiàn)斷裂和擠出變形等現(xiàn)象，層與層之間產(chǎn)生縫隙，打印效果不佳。

圖2 山藥粉含量對凝膠3D打印成型效果的影響Fig.2 Effect of yam powder on printability of gel system

2.3 山藥粉含量對凝膠3D打印精確性的影響

3D打印樣品的精確度越高，產(chǎn)品的質量越好[20]。通過比較模型尺寸的設計值與打印樣品實際測量值的偏差分析山藥粉粉含量對3D打印精確性的影響，其中打印偏差的絕對值越小，精確性越高，正值表示實際測量值高于設計值，負值表示實際測量值低于設計值。圖3顯示了山藥粉含量對凝膠3D打印圓柱體的高度精確性偏差（圖3A）及直徑精確性偏差（圖3B）的影響。如圖3所示，山藥粉含量逐漸增加，山藥凝膠三維打印高度偏差及直徑偏差逐漸減小，當山藥粉含量為40%時，其高度偏差及直徑偏差達到最小值，分別為?1.8%和0.2%，隨著山藥粉含量的繼續(xù)增加，山藥凝膠3D打印高度偏差及直徑偏差都明顯增大。因此，山藥粉含量對凝膠3D打印精確性有明顯影響，且當含量為40%時，山藥凝膠3D打印的精確性最高。

圖3 山藥粉含量對凝膠3D打印精確性的影響Fig.3 Effect of yam powder on 3D printing accuracy of gel system

2.4 山藥粉含量對凝膠3D打印穩(wěn)定性的影響

通過比較山藥凝膠3D打印樣品靜置1 h后的尺寸測量值與打印樣品初始測量值的偏差分析山藥粉含量對凝膠3D打印穩(wěn)定性的影響。圖4顯示了山藥粉含量對凝膠3D打印圓柱體的高度穩(wěn)定性偏差（圖4A）及直徑穩(wěn)定性偏差（圖4B）的影響。由圖4可知，凝膠3D打印樣品靜置1 h后的高度及直徑測量值與初始值的偏差均為負值，即尺寸測量值小于初始值。不同山藥粉含量的凝膠3D打印樣品，在40%濃度時高度穩(wěn)定性偏差最小，但整體無差異顯著性（P>0.05）（圖4A）。然而，隨著山藥粉含量的逐漸增加，凝膠3D打印樣品的直徑穩(wěn)定性偏差呈先增大后降低趨勢，當山藥粉含量為40%時，凝膠三維打印樣品的直徑穩(wěn)定性偏差最小為-2.8%，顯著高于含量為30%及50%（P<0.05）。因此，山藥粉含量對凝膠3D打印穩(wěn)定性有顯著影響（P<0.05），當山藥粉含量為40%時，山藥凝膠3D打印的穩(wěn)定性最高。

圖4 山藥粉含量對凝膠3D打印穩(wěn)定性的影響Fig.4 Effect of yam powder on 3D printing stability of gel system

2.5 山藥粉含量對凝膠3D打印色澤的影響

表1顯示了山藥粉含量對凝膠3D打印色澤的影響。從表中可知，隨著山藥粉含量的增加，凝膠3D打印樣品的L*值減小，即樣品的亮度值降低，含量為50%時，山藥凝膠3D打印樣品的亮度值顯著低于含量為30%及35%時的樣品（P<0.05）。凝膠3D打印樣品的a*值和b*值隨著山藥粉含量的增加而逐漸增加，其中不同山藥粉含量的樣品b*值差異顯著（P<0.05）。含量為40%、45%及50%的山藥凝膠3D打印樣品a*值顯著高于含量為30%及35%的山藥凝膠?？偵钪郸是綜合評價不同山藥粉含量的3D打印凝膠色澤差異，ΔE值越大表示色澤差異越大[21]。如表1中所示，隨著山藥粉含量的逐漸增加，凝膠3D打印樣品的總色差逐漸增大，其中山藥粉含量為40%及45%時，總色差差異不顯著（P>0.05）。綜上所述，山藥粉含量對凝膠3D打印樣品的色澤有顯著影響（P<0.05），山藥粉濃度越高，水分含量越小，形成凝膠強度越強，導致凝膠3D打印樣品的亮度值降低，樣品偏紅黃色。

表1 山藥粉含量對3D打印樣品色澤的影響Table 1 Effect of yam powder on color of 3D printed samples

2.6 山藥粉含量對凝膠3D打印質構的影響

質構特性是消費者對食物可接受程度的重要指標，包括硬度、黏性、內(nèi)聚性、彈性、膠著性及咀嚼性[22]。從表2中可知，隨著山藥粉含量的逐漸增加，凝膠3D打印樣品的硬度、膠著性及咀嚼性逐漸增大，這可能是由于隨著山藥粉含量的增加，直鏈淀粉含量逐漸增加，形成凝膠過程中結晶體的密度相應增加[23]。因此，過高的山藥粉含量影響了凝膠強度及體系流動性，導致3D打印樣品的成型效果下降。其中，山藥粉含量為45%及50%的凝膠3D打印樣品硬度值無顯著差異（P>0.05）；山藥粉含量為40%、45%及50%時，凝膠3D打印樣品的膠著性無顯著差異（P>0.05）；不同山藥粉含量對凝膠3D打印樣品的咀嚼性影響均不顯著（P>0.05）。觀察不同濃度山藥粉對凝膠3D打印樣品的黏性、內(nèi)聚性和彈性可知，不同山藥粉含量的凝膠3D打印樣品的黏性及內(nèi)聚性變化趨勢不明顯，且樣品之間差異不顯著（P>0.05）；山藥粉含量的增加使凝膠3D打印樣品的彈性降低，但山藥粉含量為40%、45%及50%時，凝膠3D打印樣品的彈性無顯著差異（P>0.05）。

表2 山藥粉含量對3D打印樣品質構特性的影響Table 2 Effect of yam powder on textural characteristics of 3D printed samples

2.7 山藥粉含量對凝膠3D打印微觀結構的影響

微觀結構的表征是研究凝膠結構與特性的重要手段[24]。圖5為不同山藥粉含量的凝膠3D打印樣品的斷面掃描電鏡圖。由圖中可知，所有的凝膠3D打印樣品的微觀結構都呈現(xiàn)網(wǎng)狀多孔結構，且不同山藥粉含量的凝膠微觀結構存在一定差異。山藥粉含量為30%的凝膠多孔網(wǎng)狀結構不規(guī)則，孔隙大小不一，分布不均，孔壁較厚，結構致密度較低。隨著山藥粉含量的增加，凝膠3D打印樣品的網(wǎng)狀結構逐漸明顯，孔隙逐漸減小且逐漸趨于有序分布，孔壁變薄。當山藥粉含量為40%時，凝膠3D打印樣品的多孔網(wǎng)狀結構明顯，孔隙大小均勻且分布有序，致密度較高。隨著山藥粉含量的繼續(xù)增加（≥45%），凝膠3D打印樣品的孔隙顯著減小，多孔網(wǎng)狀結構趨于更加致密的固態(tài)結構，凝膠表面粗糙。結果表明，山藥粉含量對凝膠3D打印樣品的微觀結構形態(tài)具有顯著影響，這可能是由于隨著山藥粉含量的增加，水分子與淀粉分子之間作用越強，從而導致凝膠網(wǎng)絡結構增強，形成的結構更加致密[25]。

圖5 山藥粉含量對凝膠3D打印樣品微觀結構的影響Fig.5 Effect of yam powder on microstructure of 3D printed samples

2.8 山藥粉含量對凝膠3D打印樣品分子結構的影響

紅外光譜分析可用于官能團及分子結構測定，不同吸收峰的位置對應特定的官能團或化學鍵[26]。圖6為不同山藥粉含量凝膠3D打印樣品的傅里葉變換紅外光譜圖。由圖中可知，所有樣品均在995、1631、2891及3276 cm?1附近出現(xiàn)吸收峰，不同山藥粉含量的凝膠3D打印樣品傅里葉變換紅外光譜圖沒有出現(xiàn)新官能團特征吸收峰，說明沒有基團產(chǎn)生。在波數(shù)995 cm?1處的吸收峰歸因于C-OH的彎曲振動，在波數(shù)為1631 cm?1處的吸收峰歸因于COO-伸縮振動，在波數(shù)為2891 cm?1處的吸收峰歸因于HC-H不對稱伸縮振動，在波數(shù)為3276 cm?1處的寬吸收峰歸因于羥基O-H伸縮振動[27?28]。此外，觀察不同濃度山藥粉凝膠的四個吸收峰位置得出，隨著山藥粉含量的增加，波數(shù)為3276 cm?1及2891 cm?1處的峰向高波數(shù)方向偏移，波數(shù)為1631 cm?1及995 cm?1處的峰向低波數(shù)方向偏移，即山藥粉含量的增加使H-C-H及羥基O-H鍵加強，C-OH及COO-鍵減弱。結果表明，不同山藥粉含量的凝膠3D打印樣品不產(chǎn)生新的官能團，主要通過作用于H-C-H及O-H的氫鍵部分來改變凝膠特性，這一結果與王浩等[29]研究魔芋膠添加對3D打印材料官能團影響類似。

圖6 山藥粉含量對凝膠3D打印樣品官能團的影響Fig.6 Effect of yam powder on functional group of 3D printed samples

2.9 聚類分析

為了研究不同山藥粉含量的3D打印樣品及打印特性的差異性，采用平方歐式距離及組間聯(lián)接測量法分別對不同山藥粉含量的3D打印樣品及山藥粉3D打印性質進行聚類分析[30]。圖7A顯示了不同山藥粉含量3D打印樣品的聚類分析結果，如圖所示，當距離接近2時，不同山藥粉含量的打印樣品可分為三大類。其中第I類為山藥粉含量30%及含量35%的打印樣品；第II類為山藥粉含量40%及含量45%的打印樣品；第III類為山藥粉含量50%的打印樣品。由圖7A可知，不同山藥粉含量打印樣品的色澤、質構、打印特性及分子結構特征不同。圖7B顯示了山藥凝膠3D打印樣品品質指標的聚類分析結果，如圖所示，當距離接近3時，山藥粉3D打印樣品的特性可分為兩類，其中色差值（L*、a*、b*值）、質構（硬度、粘性、內(nèi)聚性、彈性、膠著性、咀嚼性）、打印特性（高精確度、直徑精確性、高穩(wěn)定性、直徑穩(wěn)定性）聚為第 I類，分子結構（O-H、H-C-H、COO-、C-OH）聚為第II類。由圖7B可知，隨著山藥粉含量的增加，打印樣品的色澤、質構及打印特性變化趨勢基本一致，而不同山藥粉含量打印樣品的分子結構特征變化不明顯。綜上，山藥粉含量為30%及35%的3D打印樣品色澤偏亮，質地較軟，打印精度及穩(wěn)定性較低，H-C-H鍵及O-H鍵較弱，打印樣品易坍塌變形；而山藥粉含量為40%及45%的3D打印樣品色澤逐漸變暗，質地、打印精度及穩(wěn)定性較為接近；當山藥粉含量為50%時，3D打印樣品的色澤較暗，質地較硬，打印精度及穩(wěn)定性降低，C-OH及COO-鍵減弱，打印樣品斷裂現(xiàn)象嚴重。

圖7 山藥粉凝膠體系3D打印樣品（A）及3D打印性質（B）聚類分析Fig.7 Cluster analysis of 3D printed yam gel (A)and 3D printing properties (B)

3 結論

山藥粉含量對凝膠體系的動態(tài)流變學特性、3D打印成型性、色澤、質構特性、微觀結構及官能團均有明顯影響。山藥粉凝膠屬于典型的弱凝膠動態(tài)流變學體系，隨著山藥粉含量的增加，凝膠體系的儲能模量及損耗模量呈先增大后降低趨勢，3D打印樣品的硬度、膠著性、咀嚼性及總色差增加，彈性及亮度值降低，孔隙逐漸減小，多孔網(wǎng)狀結構趨于致密。不同山藥粉含量的凝膠3D打印樣品不產(chǎn)生新的官能團，主要通過作用于H-C-H及O-H的氫鍵部分來改變凝膠特性。當山藥粉含量為30%和35%時，凝膠濃度稀，打印樣品紋路不清晰、易變形且穩(wěn)定性差；當濃度達到40%時，凝膠3D打印樣品成型效果較好，打印精確度及穩(wěn)定性較高，打印樣品放置1 h內(nèi)直徑穩(wěn)定性偏差最小為?2.8%；隨著濃度的增加（≥45%），山藥粉凝膠網(wǎng)絡結構更加致密，凝膠強度增強，在打印過程中斷裂現(xiàn)象明顯，打印成型效果差，與設計模型偏差大。通過探究不同濃度山藥粉凝膠對3D打印的影響，不僅可以利用相關技術對山藥粉進行加工利用，也拓寬了3D打印領域的物料范圍。