小麥面粉的3D打印特性

周浩宇，張鵬輝，盧 森，聶遠洋，李 波,2,*

（1.河南科技學院食品學院，河南 新鄉 453003；2.河南省果蔬加工及質量安全控制工程技術研究中心，河南 新鄉 453003）

3D打印技術又稱增材制造技術，誕生于20世紀80年代，其原理是通過一層層地打印可黏合材料，最終構成一個完整的物體。按照成型方式，3D打印技術可大致分為熔融沉積成型、選擇性激光燒結成型、光固化立體成型、3D印刷和分層實體制造等。目前，3D打印技術在醫療、航天、建筑、模具制造等領域已有廣泛應用，近年來在食品領域的應用也逐漸受到人們的關注。

相對于傳統食品加工技術，食品3D打印技術具有很多優勢，其可以根據不同人群的身體狀況和營養需求等，設計打印相應的個性化膳食，如制作柔軟并具有特殊紋理、方便吞咽的老年人專用食品，以及制作具有新奇形狀從而能提高兒童食欲的兒童食品等。目前，食品3D打印技術主要采用熔融沉積成型方式。這種打印方式對打印材料的要求較高，材料既要有一定的流變性，能夠被擠壓成各種形狀，又要有一定的強度，在擠出后能夠迅速穩定成型。目前研究較多的食品3D打印材料有淀粉、蛋白質、肉糜、食用膠等，有關小麥面粉的3D打印特性鮮有報道。我國是面制食品生產和消費大國，2019年我國小麥種植面積為2.372 7×10hm，總產量13 359萬 t，居世界第一位。小麥面粉含有淀粉和面筋蛋白，在加水攪拌情況下能夠形成具有一定黏彈性和可塑性的面團。因此，小麥面粉具備被開發成價廉物美、安全營養、包載性好的食品3D打印基材的潛質。

面筋蛋白含量對小麥面粉的流變學特性和加工性能有重要影響。因此，本實驗選用8 種蛋白質量分數不同的小麥面粉，研究它們的3D打印特性及其與流變學特性之間的關系，以期為小麥面粉在食品3D打印中的應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

XMY美味富強粉 益海嘉里食品工業有限公司；ZY原味小麥粉、ZY蛋糕用小麥粉 濱州中裕食品有限公司；XL原味面包粉、XL中式面點粉、XL蛋糕粉新鄉良潤全谷物食品有限公司；BN207、BN4199兩種小麥面粉由河南科技學院小麥研究中心提供。

1.2 儀器與設備

FoodBot食品3D打印機 杭州時印科技有限公司；Infraneo-Senior近紅外谷物分析儀、Mixolab2混合實驗儀法國肖邦技術公司；BT-9300H（T）激光粒度分布儀丹東百特儀器有限公司；HAAKE MARS III旋轉流變儀美國Thermo Scientific公司；臺式廚師機 美國KitchenAid公司；TecMaster快速黏度分析儀 澳大利亞新港科學儀器有限公司；Alpha1-2LD plus真空冷凍干燥機 德國Christ公司；Quanta 200掃描電子顯微鏡美國FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 小麥面粉理化特性測定

1.3.1.1 理化指標

采用近紅外谷物分析儀檢測小麥面粉的理化指標，自動分析指標包括蛋白質量分數、濕面筋質量分數、沉降值、水分質量分數、白度，分析結果由軟件INFRANEO自動記錄。

1.3.1.2 粒度分布

采用激光粒度分布儀測定小麥面粉的粒度分布，少量、多次加入小麥面粉，折光率達到15%～18%后，點擊“連續測量”開始測試，實驗結果由BT-9300H（T）激光粒度分析系統Ver7.21自動記錄。

1.3.1.3 混合特性

采用Mixolab2混合實驗儀按照GB/T 37511—2019《糧油檢驗 小麥粉面團流變學特性測試 混合試驗儀法》測定小麥面粉的吸水率、面團形成時間、穩定時間及面團弱化度。

1.3.1.4 糊化特性

采用TecMaster快速黏度分析儀按照GB/T 24853—2010《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測定 快速粘度儀法》測定小麥面粉的峰值黏度、最低黏度、衰減值、最終黏度、回生值、峰值時間和糊化溫度。

1.3.1.5 動態流變學特性

稱取100 g面粉，加入一定量的蒸餾水（以Mixolab2混合實驗儀所測定吸水率為準），揉制成表面光滑的面團，采用旋轉流變儀以動態測定模式下的應力掃描程序確定面團的線性黏彈區，測定參數為圓形平板探頭直徑35 mm、平行板間距1 mm、溫度25 ℃、頻率1.0 Hz。確定線性黏彈區后，采用頻率掃描程序測定儲能模量（’）、損耗模量（’’）和損耗角正切值（tan＝’’/’），頻率掃描范圍為0.1～10.0 Hz。

1.3.2 小麥面粉3D打印特性分析

1.3.2.1 3D打印參數及方法

使用Autodesk 123D Design（Ver. 2.2.14）軟件設計30 mm×30 mm×10 mm的立體模型，并使用Cura（Ver.15.02.1）切片軟件將3D模型轉換成通用性好的數控編程語言G代碼文件。打印參數設置為填充率100%、打印噴頭直徑1.2 mm、打印速率20 mm/s、擠出速率28.8 mm/s。

稱取100 g面粉，加入一定量的蒸餾水（以Mixolab2混合實驗儀所測定吸水率為準），使用臺式廚師機揉制成表面光滑的面團，然后裝入食品3D打印機的料筒中，設置打印溫度為50 ℃，30 min后進行打印。打印后的樣品立即密封，室溫放置30 min后測定相關指標。

研究酵母發酵對打印特性影響時，取100 g ZY原味小麥粉，加入1 g酵母和適量蒸餾水進行面團調制，3D打印后制品立即轉入發酵箱38 ℃發酵50 min。

1.3.2.2 打印精度測定

使用游標卡尺測量3D打印制品的長、寬、高度，分別對應模型的軸、軸和軸，與模型最接近的樣品打印精度最高。

1.3.2.3 質構特性分析

采用物性測定儀進行質構特性測定。選擇TPA模式，選用P50圓柱形探頭，目標壓縮模式，測試參數：測試前速率1 mm/s、測試速率1 mm/s、測試后速率10 mm/s、壓縮比例50%、引發類型為自動、觸發力5 g、兩次壓縮間隔時間5 s、數據采集速率200 pps。每個樣品測3 次。

1.3.2.4 微觀結構觀測

使用掃描電子顯微鏡觀察XL原味面包粉（高蛋白質量分數）、ZY原味小麥粉（中蛋白質量分數）、XL蛋糕粉（低蛋白質量分數）3 種面粉打印制品以及ZY原味小麥粉人工揉捏制品的微觀結構。電壓20 kV，放大倍數500 倍。

1.3.2.5 打印制品的熟化處理

采用汽蒸的方式對8 種小麥面粉3D打印制品以及發酵后的打印制品進行熟化處理。具體操作：向蒸鍋中加入1 L自來水，樣品均勻放置在蒸篦中央，大火加熱，水開后轉小火汽蒸10 min，取出樣品，室溫密封放置30 min后進行觀察拍照，并測定3D打印精度。

1.4 數據處理與分析

所有的實驗均重復3 次，結果用平均值±標準差表示，使用Origin 9.0軟件作圖，采用SPSS 22.0軟件通過單因素方差分析對數據進行顯著性差異分析；采用Pearson相關回歸檢驗確定各指標之間的相關性。＜0.05被認為具有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 8 種小麥面粉的理化指標

本實驗選取8 種蛋白質量分數不同的小麥面粉進行研究，其中BN 207和BN 4199是河南科技學院培育的小麥品種，其余6 種為本地市場上常見的應用在不同面制品的小麥面粉。小麥面粉的化學組成和粒度大小對其加工性能有重要影響。8 種小麥面粉的理化指標見表1。

表1 8 種小麥面粉的理化指標Table 1 Physicochemical properties of eight wheat flour

表1顯示，XL原味面包粉的蛋白質量分數最高，兩種蛋糕粉的蛋白質量分數最低。GB 8607—1988《高筋小麥粉》規定，高筋小麥粉的蛋白質量分數不低于12.20%，低筋小麥粉的蛋白質量分數不高于10.0%。據此可以判斷，XL原味面包粉屬于高筋粉，BN 207小麥粉和XMY美味富強粉屬于中筋粉，其余5 種面粉均屬于低筋粉。面粉的濕面筋質量分數和沉降值都與蛋白質量分數有關，因此表現出與蛋白質量分數相同的變化趨勢。BN 207小麥粉的水分質量分數最高，為15.71%，其余面粉的水分質量分數在12.0%～14.0%之間。是指樣品的累計粒度分布比例達到50%時所對應的粒徑，也稱中值粒徑。XL原味面包粉的最大（29.07 μm），BN 207小麥粉最?。?4.06 μm），面粉粒徑與其加工參數有一定關系。

2.2 8 種小麥面粉的混合特性

面粉的混合特性包括吸水率、面團形成時間、穩定時間、弱化度等，其對面粉的加工性能有重要影響。面粉加水攪拌后，蛋白質吸水溶脹并逐漸形成網狀結構，繼而形成面團。面團形成時間即面團在30 ℃條件下達到最大扭矩所需的時間；穩定時間是指面團稠度大于89%初始最大稠度所持續的時間；面團弱化度指面團形成獲得最大稠度時粉質曲線的中線值與面團稠度衰變至12 min時粉質曲線的中線值的差值，與面筋強度成反比；吸水率是面團達到目標稠度所需要的加水量，除與面粉中蛋白質含量有關外，還與面粉自身的水分含量有關。表2顯示，8 種小麥面粉的混合特性有較大差異。面團形成時間、穩定時間和弱化度與面粉的面筋含量和品質有關。一般來說，筋力強的面粉形成時間長、穩定時間長、弱化度小，XL原味面包粉的混合特性檢測結果與之相印證。XMY美味富強粉和ZY原味小麥粉的吸水率較高，這可能與其蛋白質量分數較高且自身水分質量分數較低有關。BN 207小麥粉雖然蛋白質量分數高，但其水分質量分數較高，導致吸水率較低。

表2 8 種小麥面粉的混合特性Table 2 Mixing characteristics of eight wheat flour

2.3 8 種小麥面粉的糊化特性

小麥面粉的糊化特性對面制品的熟化加工性質有重要影響。在3D打印面制品的蒸制熟化過程中，小麥淀粉在高溫下吸水膨脹進而發生糊化，使打印好的生坯變成能直接食用的食品。糊化溫度是試樣開始加熱后黏度開始增大時的溫度，峰值時間是開始加熱至達到峰值黏度的時間，峰值黏度是試樣開始糊化至冷卻前的最大黏度，最低黏度是試樣冷卻期間的最小黏度，最終黏度是試樣結束測試時的黏度，衰減值是峰值黏度與最低黏度的差值，回生值是最終黏度與最低黏度的差值。表3顯示，8 種小麥面粉的糊化特性存在一定差異，XMY美味富強粉的峰值黏度、最低黏度、最終黏度和回生值整體上均最高，表明該面粉形成的面團黏性較大；XL中式面點粉的衰減值最低、回生值較小，表明該面粉糊的熱穩定性和抗老化能力較好。不同面粉的糊化特性差異可能與小麥品種、制粉工藝、淀粉含量以及直/支鏈淀粉比例等有關。

表3 8 種小麥面粉的糊化特性Table 3 Pasting properties of eight wheat flours

2.4 8 種小麥面粉的流變特性

在基于擠出成型的3D打印過程中，打印材料的流變特性對打印效果有重要影響。面團的’’影響其擠出行為，而’影響其支撐三維結構的能力。圖1A、B顯示，8 種小麥面粉的’和’’都隨掃描頻率的增加而增加，且’大于’’，說明這些面粉具有較強的機械強度。從圖1C可以看出，不同面團tan均小于1，說明面團屬于黏彈性的半固體。在0.1～10.0 Hz的掃描范圍內，面粉的tan隨掃描頻率的增加呈現先降低后增加的趨勢，當處于高頻率范圍時，面團黏性模量比例增加，導致混合體系結構不穩定，易被破壞，此時材料容易從打印噴頭中擠出。XL中式面點粉’最大，表明該品種面粉被打印擠出后易保持自身的形狀，ZY原味小麥粉面團tan較大，說明此種面團流動性較好，在3D打印過程中易被擠出，擠出的細絲連續性好，易穩定成型。

圖1 8 種小麥面粉的流變特性Fig. 1 Rheological properties of eight wheat flours

2.5 8 種小麥面粉的3D打印效果

3D打印制品與設計模型的符合程度是評價3D打印制品品質的重要指標。圖2顯示，不同面粉的3D打印效果有較大差別。XL原味面包粉和XMY美味富強粉的打印制品邊角發生扭曲變形，表面紋路不清晰；BN 207小麥粉、ZY蛋糕用小麥粉、XL蛋糕粉的3D打印制品邊角沒有發生扭曲變形，但表面紋路不清晰；ZY原味小麥粉、BN 4199小麥粉和XL中式面點粉的表面紋路清晰、邊角整齊，打印效果較好。表4顯示，BN 207小麥粉、ZY蛋糕用小麥粉和XL蛋糕粉的3D打印制品在軸和軸方向上長度比模型長，XL原味面包粉、XMY美味富強粉和BN 4199小麥粉的3D打印制品在軸和軸方向上長度比模型短，XL中式面點粉、ZY原味小麥粉的3D打印制品與設計模型的長、寬、高最接近。圖2I顯示，3D打印制品發酵后發生膨脹，體積增加，邊角變得不規則，這可能是酵母發酵產生氣體的緣故。綜合外觀效果以及打印精度評判，XL中式面點粉、ZY原味小麥粉的打印效果最好。

圖2 8 種小麥面粉的3D打印制品照片Fig. 2 Pictures of 3D printed products from eight wheat flours

表4 8 種小麥面粉的3D打印精度Table 4 3D printing precision of eight wheat flours

XL中式面點粉和ZY原味小麥粉蛋白質量分數為9%～10%，其中XL中式面點粉’較大，這賦予了面團較好的機械強度，有利于打印擠出產品立體結構的保持，使其不易坍縮變形。與設計的30 mm×30 mm×10 mm立體模型體積相比，XL中式面點粉的打印體積誤差僅為0.26%，誤差最??；而ZY原味小麥粉tan較大，在打印過程中流動性好，不易斷條，易擠出成型，這對打印制品的表面紋路清晰度和形狀保真度有重要影響。XL原味面包粉蛋白質含量高，面筋筋力強，面團形成時間、穩定時間最長，弱化度最小，tan較小，在3D打印過程中擠出的細絲容易拖拽已經成型的結構，造成3D打印制品表面扭曲變形。ZY蛋糕用小麥粉、XL蛋糕粉蛋白質含量低、筋力弱、tan小，打印時有黏滯拉絲現象，也不利于3D打印制品立體結構的保持，因而打印制品易坍縮，比模型“矮、胖”。

2.6 打印制品的質構特性

質構測試模擬人進食時的動作，對所測樣品進行兩次壓縮測試。從表5中可以看出，不同蛋白質量分數小麥面粉3D打印制品的質構特性差異很大。隨著小麥面粉蛋白質量分數的增加，小麥面粉打印制品的硬度呈現先降低后升高的趨勢，BN 207小麥粉打印制品的硬度最高（1 528.2 g），BN 4199小麥粉打印制品的硬度最低（787.6 g）。硬度高的樣品口感硬，不適合老年人和兒童食用，硬度低的樣品口感軟，沒有嚼勁。除了面粉的蛋白質量分數外，3D打印制品的硬度還可能與和面團制作過程中的加水量有關。打印制品的彈性和回復性隨著面粉蛋白質量分數的增加總體呈升高趨勢，蛋白質分子之間發生相互作用形成三維面筋網絡，蛋白質含量高，面筋網絡結構穩定、彈性好，壓縮后能更好地回復壓縮前的形狀。黏聚性是衡量形成食品形態所需內部力大小的指標，由表5可知，未發酵的小麥面粉打印制品中，XL原味面包粉打印制品的黏聚性最高，這可能與其較強的面筋網絡結構有關。經酵母發酵后再進行打印的樣品硬度明顯降低，彈性、黏聚性和回復性明顯上升，這是酵母發酵產生的氣體受熱膨脹，造成打印制品變得蓬松引起的。

表5 8 種小麥面粉打印制品的質構特性Table 5 Textural characteristics of 3D printed products from eight wheat flours

2.7 面粉理化特性與打印制品打印精度、質構特性相關性分析結果

面粉中蛋白質、濕面筋質量分數及吸水率是影響面團形成三維網絡結構的主要因素，面粉加水攪拌后，蛋白質吸水溶脹并逐漸形成網狀結構，對面團的質構特性、打印特性產生顯著影響。如表6所示，面粉中蛋白及濕面筋質量分數與3D打印產品的彈性、黏聚性、回復性呈極顯著正相關（＜0.01），這表明穩定的面筋網絡結構賦予了面團及其打印制品良好的質構特性；蛋白、濕面筋質量分數與打印制品的打印精度之間呈顯著負相關（＜0.05），這可能是由于高蛋白質量分數使面團具有過高的硬度和彈性，使其在打印過程中不易擠出，易斷條，而蛋白質量分數適度（9%～10%）的面粉則具有易于打印的黏彈特性，其打印制品表面紋理精細、清晰。面粉的混合特性對3D打印制品的打印精度及質構特性也有顯著影響，面粉吸水率與打印制精度呈極顯著負相關（＜0.01），面團形成時間與打印制品彈性、黏聚性呈極顯著正相關（＜0.01），與回復性呈顯著正相關（＜0.05）；面團穩定時間與打印產品彈性呈極顯著正相關（＜0.01），與黏聚性呈顯著正相關（＜0.05），但與打印精度相關性不顯著。

表6 面粉理化特性與3D打印制品打印精度、質構特性的相關性分析結果Table 6 Correlation analysis between physicochemical properties of wheat flour and printing precision and textural characteristics of 3D printed products

2.8 打印制品的微觀結構

食品3D打印的原理是被擠壓出的材料自下到上逐層堆積構建產品，因而其宏觀和微觀結構與人工直接揉捏成型的制品有所區別。小麥面粉的主要成分是淀粉和面筋蛋白，如圖3所示，面筋蛋白形成的網狀結構（白色）包裹著大小不一的淀粉顆粒（球狀），從而構成致密穩定的網絡結構。人工揉捏成形的制品面筋蛋白和淀粉顆粒隨機均勻分布（圖3A）。3D打印時，面團以條狀被擠出，按照設定程序“逐條”“逐層”地堆積成形，因而可以看到“條與條”“層與層”之間明顯的分界線，“條與條”之間的交匯處位置較低，面筋蛋白也是均勻地包裹在淀粉顆粒表面（圖3B～D）。高蛋白質量分數面粉的打印制品由較厚的蛋白膜包裹著淀粉顆粒（圖3C），淀粉顆粒之間也有面筋網絡，而低蛋白質量分數面粉打印制品只有淀粉顆粒表面有面筋網絡，淀粉顆粒之間只有少許零碎的面筋網絡（圖3D）。

圖3 面粉3D打印制品的微觀結構Fig. 3 Microstructure of 3D printed flour products

2.9 熟化處理對3D打印制品的影響

小麥面粉3D打印后的制品是生坯，需要進行熟化處理后才能食用。本實驗采用蒸制的方法對生坯進行熟化處理，熟化后樣品外觀如圖4所示。與蒸制前相比，熟制品的形狀、紋路等基本沒有變化，但發生一定程度的褐變，而且體積略有增大。表7顯示，熟制品在軸和軸方向的長度均增加，但軸方向長度有所縮短。這可能是生坯在蒸制過程中淀粉吸水膨脹，面筋網絡結構內部所含氣體也發生膨脹，導致熟制品體積增大；但在體積膨脹的過程中，部分面筋網絡結構可能發生破壞，導致其支撐力下降，因而熟制品的軸方向高度降低。蒸制后制品發生褐變的原因，可能與“死面”饅頭顏色不白的成因類似。據研究報道，饅頭的白度與其松軟、多孔的結構有關，而且孔洞越小，白度越高。本實驗也對此進行了驗證，經酵母發酵再進行熟化的樣品基本能保持白色（圖4I），但體積發生明顯膨脹，外觀結構也發生了較大形變。未添加酵母的打印制品所含氣體較少，因此蒸制熟化后膨脹度較小，形狀保持較好，但由于缺少疏松多孔的含氣結構，因而制品較硬、顏色發黃（圖4A～H）。

圖4 熟化后8 種小麥面粉的3D打印制品照片Fig. 4 Pictures of 3D printed products from eight wheat flour after steaming

表7 熟化后8 種小麥面粉的3D打印精度Table 7 3D printing precision of eight wheat flours after cooking

3 結 論

本實驗研究了8 種不同蛋白質量分數小麥面粉的理化特性、混合特性、流變特性及其與3D打印特性的關系，結果表明，小麥面粉蛋白質量分數在9%～10%之間時打印效果較好。在選用的8 種小麥面粉中，ZY蛋糕用小麥粉、XL蛋糕粉和BN 207的打印效果最差，XL原味面包粉、XMY美味富強粉和BN 4199的打印效果略有提升，ZY原味小麥粉、XL中式面點粉的打印效果最佳，其中XL中式面點粉的蛋白質量分數為9.33%，打印體積誤差僅為0.26%。XL中式面點粉的’大，有利于面團被打印擠出后保持自身的形狀，而ZY原味小麥粉面團tan大，面團延展性好，有利于面團擠出成型。蒸制熟化后打印制品在和軸方向的長度略有增加，但軸方向長度略有減小，且發生一定程度的褐變，口感較硬。若將打印制品進行酵母發酵，則熟化后制品的色澤較好，但是外觀形狀難以保持。綜上，以小麥面粉作為3D打印材料是可行的，其打印效果與小麥面粉的蛋白含量有較大關系。本研究為小麥面粉在3D打印食材中的應用提供了初步依據。

但是，若將小麥面粉真正作為3D打印材料至少還有兩點問題需要解決：1）如何控制面團的發酵，使其既能賦予打印制品松軟的質地口感，又能在蒸制后保持其精致的外型構造。面團發酵后產生一定的氣體，在加熱熟化過程中，氣體膨脹賦予面制品蓬松含氣的結構。但是，氣體膨脹有可能會導致3D打印制品的構型發生變形或坍塌，影響制品外觀。所以，需要選擇合適的發酵或產氣方法，并對發酵過程和產氣程度進行適當的控制，才有可能兼顧松軟結構和精美外型。2）需確定小麥面粉對3D打印模型的適應范圍。本實驗僅研究了最簡單的方塊結構模型，如果要體現3D打印的優勢，就必須研究面粉能否打印更加復雜、精細的3D模型及其適用范圍。