球磨微細化處理綠豆淀粉的結(jié)構(gòu)、理化及3D打印特性變化

郎雙靜，李振江，武彥春，王立東,3*

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江大慶 163319）（2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶 163319）（3.國家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江省普通高等學(xué)校谷物副產(chǎn)物綜合利用重點實驗室，黑龍江大慶 163319）

熱擠壓3D打?。℉ot Extrusion 3D Printing）技術(shù)是一種利用計算機輔助模擬，3D打印機逐層打印，堆疊構(gòu)建模型的加工技術(shù)[1,2]。該技術(shù)具有節(jié)約成本、減少材料浪費、可構(gòu)建復(fù)雜模型和營養(yǎng)定制化等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域[3,4]。

淀粉是植物中含量最高的多糖類物質(zhì)，也是人體攝入碳水化合物的主要來源[5]。淀粉原料為典型的非牛頓流體物質(zhì)，一定溫度下具有較好的剪切稀化現(xiàn)象，是一種良好的3D打印材料，常被用于3D打印食品中[4,6]。Zeng等[7]以玉米淀粉和大米淀粉為原料，研究其流變學(xué)特性和3D打印特性變化，發(fā)現(xiàn)大米淀粉具有更高的機械強度，更適合應(yīng)用進行3D打印產(chǎn)品中。受制于天然淀粉特性限制，許多淀粉3D打印應(yīng)用時存在一定缺陷，需采用一定手段對其進行改性處理，以提高淀粉的打印特性。Maniglia等[8]研究采用干熱方法對小麥淀粉進行處理，并對其3D打印特性進行研究，獲得改性后的小麥淀粉具有較好的打印特性。

綠豆是工業(yè)生產(chǎn)中重要的淀粉來源，其淀粉含量達54.73%～57.99%[9,10]。綠豆淀粉中直鏈淀粉含量較高，具有結(jié)晶度高、溶解性差，易老化等特點，使其在工業(yè)應(yīng)用中受到限制，尤其在3D打印食品加工中常出現(xiàn)斷條和拖絲現(xiàn)象[11]，產(chǎn)品打印質(zhì)量較差，需對其進行一定改性處理。

球磨超微粉碎是一種利用研磨介質(zhì)在高速旋轉(zhuǎn)的沖擊作用以及研磨介質(zhì)與研磨罐內(nèi)壁摩擦、撞擊等作用對物料進行粉碎處理，該方法具有操作簡單、效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于淀粉改性中[12-14]。研究表明，球磨處理可顯著破壞淀粉的晶體結(jié)構(gòu)，使淀粉黏度下降[12,15]。因此，本研究以商業(yè)綠豆淀粉為原料，探究球磨超微粉碎處理時間對綠豆淀粉微觀結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和3D打印特性影響，以期為綠豆淀粉的加工利用及在3D打印食品中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

綠豆淀粉購買于衡水福橋淀粉有限公司；溴化鉀（光譜純）購買于上海麥克林生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FOODBOT-S2食品3D打印機，杭州時印有限公司；QM-ISP2型行星式球磨機，南京大學(xué)儀器廠；Mastersizer 2000激光粒徑分析儀，英國Malvern 公司；D8 ADVANCE X射線衍射儀，德國Brucker公司；Mars 60旋轉(zhuǎn)流變儀，德國HAAKE公司；RVA4500快速黏度分析儀，瑞典Perten公司；Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜，美國Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 微細化綠豆淀粉的制備

利用行星式球磨機對綠豆淀粉微細化處理，研磨條件：球料比3:1（m/m），研磨介質(zhì)φ5:φ10（粒徑分別為5 mm、10 mm的研磨球）質(zhì)量比為4:1，轉(zhuǎn)速455 r/min，研磨時間分別為3、6和9 h，制備得到損傷程度不同的綠豆微細化淀粉。

1.3.2 顆粒大小及分布測定

采用激光粒度分布儀器測定淀粉粒度，測定方法參照王立東等[16]方法并稍作調(diào)整：蒸餾水為分散劑，設(shè)定遮光率為10%，超聲處理5 min，電腦檢測結(jié)果。

1.3.3 綠豆淀粉微觀形貌觀察

取適量綠豆淀粉，均勻放置于涂有導(dǎo)電膠操作臺上，噴金處理后放置于掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）下，選擇不同放大倍數(shù)觀察樣品。

1.3.4 綠豆淀粉晶體結(jié)構(gòu)測定

參照Liu等[17]的方法并進行適當(dāng)修改：樣品室溫下放置24 h，利用X-射線衍射儀（X-Ray Diffractometer，XRD）分析，測定條件為：銅靶電壓40 kV，以5 °/min的掃描速率測定，收集衍射角2θ為5 °～50 °的數(shù)據(jù)。

1.3.5 綠豆淀粉紅外光譜結(jié)構(gòu)測定

利用傅里葉紅外光譜儀（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，F(xiàn)T-IR）分析淀粉短程有序結(jié)構(gòu)。參照Chi等[18]方法并稍作修改。準確稱取2 mg淀粉和200 mg溴化鉀，于研缽中混合均勻并壓片處理。以空氣為參比背景，光譜掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率2 cm-1。使用Omnic軟件分析并對數(shù)據(jù)進行傅里葉去卷積處理，設(shè)置半峰寬19 cm-1，增強為1.9，計算1 047 cm-1和1 022 cm-1的強度比（R1047/1022），以此評價淀粉的短程有序結(jié)構(gòu)。

1.3.8 糊化特性測定

準確稱取2.5 g淀粉和25 mL蒸餾水裝入鋁盒中，攪拌均勻后裝入快速黏度分析儀中進行測試。測試程序為：初始溫度為50 ℃保持1 min，以10.3 ℃/min升溫至95 ℃并保持2.5 min，然后以12 ℃/min降溫至50 ℃并保持4 min。攪拌槳在最初10 s以960 r/min進行攪拌，其后保持160 r/min至測試結(jié)束。

1.3.9 流變學(xué)特性測定

流變學(xué)特性測定參照Liu等[19]和Cui等[20]的方法并適當(dāng)修改：配置質(zhì)量濃度為5%的淀粉溶液于90 ℃糊化30 min，冷卻至室溫，制得淀粉凝膠，將凝膠置于流變儀上，選用45 mm平板，將凝膠置于底板上并去除多余樣品，設(shè)置平板間距為1 000 μm，設(shè)定溫度為25 ℃，測試前樣品穩(wěn)定5 min。

靜態(tài)流變：設(shè)定剪切速率為0.1～100 s-1，記錄剪切速率與黏度的變化。

動態(tài)流變：設(shè)定應(yīng)變?yōu)?%，設(shè)定頻率為0～20 Hz，記錄樣品的儲能模量和損耗模量，并按公式（1）計算損耗因子。

式中：

G'——為樣品的儲能模量，Pa；

G''——為樣品的儲能模量，Pa；

tanδ——為損耗因子。

1.3.10 3 D打印特性測定

（1）3D打印材料的制備

配置15%（m/m）質(zhì)量分數(shù)淀粉溶液，90 ℃糊化30 min，將樣品置于料筒，冷卻至室溫備用。

（2）3D打印處理

選用0.8 mm塑料噴頭，打印溫度為40 ℃，單層高度0.8 mm，噴頭移動速度20 mm/s，填充密度20%（m/m），底層和頂部兩層填充密度100%（m/m），打印模型采用3Ds Max軟件建立邊長24 mm的正方體。

（3）打印精度測定

采用游標(biāo)卡尺測定打印樣品的長（L）、寬（D）和高（H），按公式（2）計算長度偏差率，并按公式（3）計算整體偏差率。

式中：

L*——打印產(chǎn)品長度偏差率，%；

L——打印產(chǎn)品長度，mm；

LB——模型長度，mm；

D*——打印產(chǎn)品寬度偏差率，%；

H*——打印產(chǎn)品高度偏差率，%；

M——模型偏差率，%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 2021軟件制圖，SPSS 26軟件進行方差分析，實驗數(shù)據(jù)均使用（平均值±標(biāo)準差）表示，P＜0.05表示差異顯著。試驗結(jié)果均為三次測量平均值，結(jié)果以平均數(shù)±標(biāo)準差表示。

2 結(jié)果分析

2.1 球磨處理對綠豆淀粉顆粒大小及分布影響

綠豆淀粉粒徑大小如表1所示，隨著研磨時間的延長，淀粉粒徑大小呈先減小后增大趨勢變化，在6 h時粒徑較小，中位徑D50為15.68 μm，D10和D90分布為7.17 μm和29.35 μm。其原因是綠豆淀粉經(jīng)球磨研磨，受到摩擦、撞擊等機械力作用，顆粒結(jié)構(gòu)受到破壞，粒徑減?。浑S著粉碎時間延長，微細化的粉體顆粒由于比表面積的增大和表面自由能的增加，出現(xiàn)了顆粒團聚現(xiàn)象，導(dǎo)致顆粒變大[21]。球磨處理前后粒度分布變化曲線如圖1所示，可以看出，粉碎前后綠豆淀粉粒度分布均呈雙峰分布，為大粒度峰和小粒度峰。但球磨處理后，大粒度特征峰產(chǎn)生左移趨勢，小粒度峰出現(xiàn)右移趨勢，其原因是顆粒團聚導(dǎo)致小粒度出現(xiàn)右移現(xiàn)象。王立東等[22]研究了球磨處理綠豆淀粉顆粒大小變化，得到研磨6 h時綠豆淀粉的粒度增大，原因是其球料比、球磨轉(zhuǎn)數(shù)等研磨條件及原料來源與本研究存在差別，導(dǎo)致不同時間獲得產(chǎn)品粒度變化趨勢不同。但本研究隨著時間的延長粒徑增大的現(xiàn)象與王立東等研究的結(jié)果一致。

圖1 球磨處理對綠豆淀粉粒徑分布的影響Fig.1 Effect of ball milling treatment on the particle size distribution of mung bean starch

表1 球磨處理對綠豆淀粉粒徑參數(shù)、結(jié)晶度和R1047/1022的影響Table 1 Effect of ball milling treatment on particle size parameters, crystallinity and R1047/1022 of mung bean starch

2.2 球磨處理對綠豆淀粉微觀結(jié)構(gòu)影響

由圖2可知，天然綠豆淀粉多呈卵形或多邊形結(jié)構(gòu)，表面光滑。經(jīng)球磨處理后，淀粉顆粒形態(tài)變得不規(guī)則，表面變得粗糙，并出現(xiàn)裂紋。隨著研磨時間的增加，顆粒呈扁平狀結(jié)構(gòu)，顆粒表面裂紋減少。其原因是淀粉顆粒在球磨0～6 h時間范圍內(nèi)，研磨球的摩擦、碰撞、沖擊和剪切作用使得淀粉顆粒出現(xiàn)脆性斷裂，淀粉顆粒大小逐漸減小，此時淀粉顆粒形貌表面出現(xiàn)相對較大裂紋。隨著球磨時間延長至9 h，淀粉研磨過程產(chǎn)生的細小顆粒出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，吸附在大顆粒表面，淀粉顆粒大小逐漸增大，此時淀粉顆粒表面相對光滑。

2.3 球磨處理對綠豆淀粉晶體結(jié)構(gòu)影響

不同研磨時間綠豆淀粉XRD譜圖由圖3所示，可知原淀粉和球磨處理后淀粉均在15.5 °、17.0 °、18.0 °和23.5 °處有較強特征衍射峰，屬“A”型淀粉[23]。隨著球磨粉碎時間的延長，特征峰位置沒有發(fā)生改變，但衍射強度隨時間延長逐漸減小，說明球磨處理破壞了綠豆淀粉晶體結(jié)構(gòu)。通過MDI Jade 6軟件進行分峰擬合，并計算結(jié)晶度可知，結(jié)晶度從原淀粉的33.43%分別降低至26.95%、18.05%和13.93%。其原因可能是球磨產(chǎn)生的機械力破壞了綠豆淀粉中的氫鍵，分解了淀粉中雙螺旋結(jié)構(gòu)的結(jié)晶排列，使結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞[24]?；磴y強等[25]采用高能球磨研究處理時間對大米淀粉的影響，獲得隨球磨時間增加，淀粉結(jié)晶區(qū)被破壞，處理時間達到120 min時，大米淀粉衍射峰強度較弱，表明淀粉的結(jié)晶區(qū)幾乎完全被破壞，從研究結(jié)果與本研究一致。

圖3 不同研磨時間綠豆淀粉XRD譜圖Fig.3 XRD spectra of mung bean starch at different ball milling times

2.4 球磨處理對綠豆淀粉短程有序結(jié)構(gòu)影響

綠豆淀粉分子結(jié)構(gòu)變化可通過FT-IR圖譜吸收峰位置變化來判斷。由圖4a可知，各吸收峰位置沒有明顯變化，且無新吸收峰產(chǎn)生，表明球磨處理并沒有在綠豆淀粉中形成新的化學(xué)鍵或官能團。根據(jù)Ma等[26]研究發(fā)現(xiàn)，淀粉在1 047 cm-1和1 022 cm-1處分別對淀粉分子有序結(jié)構(gòu)和無定形結(jié)構(gòu)敏感，因此可以利用1 047/1 022 cm-1（R1047/1022）用于對淀粉的短程有序結(jié)構(gòu)進行表征。圖4b為去卷積圖，利用Omnic 9.2軟件計算1 047 cm-1和1 022 cm-1處的吸光度，由表1可知，隨著球磨時間的延長，R1047/1022的值從0.82下降至0.76，說明球磨產(chǎn)生的機械力對淀粉分子鏈間或分子內(nèi)氫鍵產(chǎn)生了破壞，破壞了淀粉分子雙螺旋結(jié)構(gòu)，淀粉短程有序結(jié)構(gòu)被破壞[27,28]。此結(jié)果與Soe等[29]研究結(jié)果一致，其得到了球磨處理主要破壞了淀粉顆粒中結(jié)晶區(qū)域的氫鍵的結(jié)論。

圖4 不同球磨時間綠豆淀粉FT-IR譜圖Fig.4 FT-IR spectra of mung bean starch at different ball milling times

2.5 球磨處理對綠豆淀粉糊化特性影響

淀粉糊化是淀粉顆粒在水中加熱，淀粉分子氫鍵被打開，結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，淀粉溶解在水中，使溶液黏度增加[30]。由表2可知，球磨處理后，綠豆淀粉峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度和回生值均隨著球磨時間的延長呈顯著下降趨勢。這表明球磨處理破壞了淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高了淀粉顆粒的持水性和膨脹度，同時產(chǎn)生了部分損傷淀粉，損傷淀粉與天然淀粉相比具有更低的黏度[21,31]，從而使黏度值下降?；厣祻? 008.50 cp下降至549.00 cp，下降了45.56%，表明球磨處理后的淀粉抗老化能力提高，可抑制淀粉的短期回生。

表2 不同球磨時間綠豆淀粉的糊化特性參數(shù)Table 2 Paste characteristics parameters of mung bean starch at different ball milling times

2.6 球磨處理對綠豆淀粉3D打印特性影響

適用于3D打印的原料應(yīng)具有適當(dāng)剪切稀化能力，使其能夠從噴嘴中擠出，同時應(yīng)具有一定自支撐能力，使原料可以足夠支撐所打印形狀[32]。3D打印樣品如圖2所示，原淀粉和球磨處理9 h淀粉在打印過程中產(chǎn)生較多斷條，打印產(chǎn)品質(zhì)量不佳；而球磨處理3 h和6 h的淀粉打印產(chǎn)品外觀良好，斷條較少。打印產(chǎn)品模型偏差率如表3所示，可以看出，球磨處理3 h的淀粉打印精度最高，模型偏差率僅為0.66%。

表3 球磨處理對綠豆淀粉3D打印精度的影響Table 3 Effect of ball milling treatment on 3D printing accuracy of mung bean starch

2.7 球磨處理對綠豆淀粉流變學(xué)特性影響

由圖5a可知，溶液黏度隨剪切速率升高而逐漸降低，表明淀粉是一種典型非牛頓流體，具有剪切稀化現(xiàn)象[33]。淀粉凝膠經(jīng)球磨處理后黏度呈先降低后升高趨勢，且在6 h達到最低，這是由于吸水膨脹，淀粉分子交聯(lián)形成凝膠態(tài)。當(dāng)剪切應(yīng)力作用增大時，互交聯(lián)結(jié)構(gòu)體系被拉直，物理交聯(lián)點破壞速率超過重構(gòu)速率，導(dǎo)致粘度下降，出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象。強烈的機械力明顯破壞了淀粉顆粒結(jié)構(gòu)，對流體的粘性阻力降低，導(dǎo)致粘度下降。

圖5 球磨處理后綠豆淀粉的流變特性Fig.5 Rheological properties of mung bean starch after ball milling treatment

在圖5b、c和d可知，G'始終大于G＂，tan(δ)始終小于1，在剪切實驗中表現(xiàn)出以彈性為主的性質(zhì)，并表現(xiàn)出類固體行為，因此適合進行3D打印[34]。隨著球磨時延長，G'和G＂呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，且在3 h達到最高。tan(δ)越大表明淀粉體系的粘性越大，高tan(δ)有利于打印后形狀保持，但過高tan(δ)會使凝膠體系擠出困難，產(chǎn)生斷條[4]。由圖5d可知，綠豆淀粉經(jīng)過球磨處理后，淀粉黏性降低，彈性升高，且在3 h時黏性最低，這與模型偏差率結(jié)果一致?？赡苁乔蚰ヌ幚頃贵w系中直鏈淀粉含量增加，支鏈淀粉含量降低，使凝膠體系的黏性下降，因此導(dǎo)致淀粉打印特性和流變學(xué)特性產(chǎn)生差異[4,35]。

3 結(jié)論

（1）球磨研磨改變了綠豆淀粉顆粒粒徑大小和粒度分布，顆粒D50值隨研磨時間的延長先減小后增大，6 h時粒徑最小，D50為從18.82 μm降低至17.68 μm。

（2）球磨研磨破壞了綠豆淀粉的微觀結(jié)構(gòu)，顆粒由表面光滑多邊形變成表面粗糙片狀結(jié)構(gòu)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)和短程有序結(jié)構(gòu)受到破壞，結(jié)晶度從33.43%降低至13.93%，R1047/1022從0.82降低至0.76，球磨破壞了綠豆淀粉結(jié)晶區(qū)的氫鍵結(jié)構(gòu)。

（3）球磨研磨改變了綠豆淀粉的糊化特性和流變學(xué)特性，球磨后綠豆淀粉具有更低的黏度和回生值，最終黏度從2 377.5 cp降低至1 481.5 cp，回生值從1 008.5cp降低至549 cp。同時，球磨綠豆淀粉的G'和G＂出現(xiàn)顯著變化，tanδ在球磨3 h處最低。

（4）經(jīng)球磨研磨預(yù)處理獲得的綠豆微細化淀粉能夠有效進行3D打印處理，獲得打印精度較高的樣品，且在球磨3 h處打印偏差最低，偏差值為0.66%。本研究為綠豆淀粉的加工及在3D打印食品中的應(yīng)用提供理論參考。