西北農大：NaCl溶液用來改善小麥淀粉凝膠3D打印樣品成型質量

來源：食研私享

導讀：2021年9月17日，西北農林科技大學-食品科學與工程學院：Luyao Zheng（1作）......、江昊*（通訊）等在農林科學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），其使用計算機輔助設計（CAD）軟件控制3D打印機通過連續(xù)添加材料層來塑造3D對象。與傳統(tǒng)加工技術不同，3D打印技術可以很輕松地創(chuàng)造傳統(tǒng)加工技術無法創(chuàng)造的復雜形狀甚至內部結構。然而，由于目前食品材料的局限性限制了3D打印技術在食品中的廣泛應用和發(fā)展，因此尋找3D打印的可替代食品材料被認為是這項新興技術持續(xù)發(fā)展的關鍵。適用于3D打印的食品材料必須滿足以下標準：易于擠出并且能夠保持打印對象的結構。因此，了解印刷材料的物理特性對于實現(xiàn)高質量的3D結構至關重要。

小麥淀粉用于3D打印時，因其材料局限性導致其形狀保持性較弱，不利于3D打印的沉積。NaCl已被證明對淀粉糊的糊化、流變性能和回生有顯著影響。然而，現(xiàn)有文獻報道的NaCl對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構和淀粉與離子之間的靜電相互作用這兩個因素來解釋。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計、質量和延長印刷品保存時間。

圖文摘要

成果介紹

在這項研究中，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）、微觀結構、鍵合結構、流變性能、糊化特性、質構分析、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)品的存放時間。

當小麥淀粉中含有150mM NaCl時，支撐穩(wěn)定性、線條均勻性和高度保持性相對較優(yōu)。低濃度NaCl溶液（50和100 mM）增強了直鏈淀粉的氫鏈聚合，且凝膠強度顯著提高。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度，能夠輕松的構建印刷品。

糊化淀粉中出現(xiàn)的新的C-H彎曲振動形成了淀粉、水和鹽的三元絡合物，它決定了結構功能性，但并未導致糊化淀粉中出現(xiàn)新的官能團。同時，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，其質地更加柔軟，彈性更強。

基于以上研究結果，可以初步確定添加150mM NaCl的小麥淀粉材料相對適用于食品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3D打印成品微觀結構、物理特性和感官性能的深遠影響。

使用不同濃度的NaCl溶液的膠凝凝膠3D打印的實心立方體直到立方體到達一定高度塌陷。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，主要從事農產(chǎn)品物理加工，食品加工新技術，淀粉工程技術及食品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)），申請專利5項，近五年參與撰寫專著3部。

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

DIO：10.1016/j.foodhyd.2021.107197