韌化處理對馬鈴薯淀粉結構特性、理化特性及其凝膠3D打印性能的影響

馬 姝，郭雙鳳，林 倩，江 昊

（西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西省“四主體一聯合”谷物加工技術校企聯合研究中心，陜西 楊凌 712100）

3D打印，又被稱為快速沉積制造，是一種新型技術，通過計算機輔助CAD軟件指導的數字制造機擠壓材料塑造3D圖像[1]。食品3D打印技術創造性地提供了一種新的生產方法，它具有方便、智能化和定制化的特點，以滿足不同的人對食品質量、營養功能和形狀的需求，有助于快速加工產品，降低生產成本，受到大多數人的喜愛[2]。

然而，許多食品并不適合3D打印。易于擠壓和能夠支撐打印物體的結構是決定3D打印產品質量的關鍵因素[3]。據報道，打印材料的流變學特性對3D打印中食品的可打印性至關重要。Liu Zenbin等[4]研究了添加馬鈴薯淀粉的馬鈴薯泥的流變特性及其3D打印行為，可以觀察到添加2%馬鈴薯淀粉到馬鈴薯泥中具有良好的可擠出性和可打印性，具有適當的彈性模量，并且打印的樣品形狀光滑，線條具有良好的分辨率。

馬鈴薯淀粉是最常見的淀粉原料之一。顏色潔白、具有良好的透明度，因此常被用作3D打印材料[5]。然而，馬鈴薯淀粉在實際工業應用中也受到自身條件（凝膠強度弱）的限制，需要進行改性以更好地滿足3D食品打印的實際需求。世界各地都在使用各種馬鈴薯加工技術。在過去的10 a中，人們常使用化學方法對淀粉進行改性，然而，化學改性會有較多的化學殘留物，因此引起了人們對淀粉改性物理方法作為化學方法替代品的廣泛興趣[6]。常用的物理淀粉改性方法，如韌化和濕熱處理，都是利用熱對淀粉進行改性，其中淀粉韌化處理是物理改性中常用的方法之一，是以不改變淀粉的顆粒結構為前提進行的改性。韌化處理是在高水分和低溫條件下處理的一種方式，是指將淀粉顆粒置于中等水分含量（40%～55%）或過量水分含量（＞60%）的水中，并在高于淀粉玻璃化轉變溫度而低于淀粉糊化起始溫度條件下對淀粉進行的熱處理過程[7]。韌化處理雖然水分含量充足但溫度達不到糊化點，因此理論上來說不會導致淀粉發生糊化。

韌化處理在淀粉改性方面具有巨大的潛力。然而，關于韌化處理后淀粉的分子結構以及由此產生的淀粉性質變化如何影響3D打印的研究很少。食品材料的分子結構決定了其性質，特別是流變特性，這對于3D食品打印至關重要。本研究旨在通過韌化處理改變馬鈴薯淀粉的分子結構，以提高其3D打印性，并進一步分析韌化處理的淀粉與馬鈴薯原淀粉的結構、流變特性、黏度特性和熱特性。本研究可為用韌化改性淀粉制備3D打印專用原料提供理論或技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯淀粉購自上海綠盛工業有限公司，含水量為（11.41±0.43）%。

疊氮化鈉 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；蒸餾水 中國娃哈哈有限公司。

1.2 儀器與設備

新諾威-S2食品3D打印機 中國杭州鑫諾科技有限公司；DSC-7差示掃描量熱儀（配有熱分析數據庫）諾沃克Perkin-Elmer公司；Motic DMBA400型光學顯微鏡 中國天津三星電子科技有限公司；SEM-450型掃描電子顯微鏡 俄勒岡州賽默飛世爾科學股份有限公司；HR-1型流變儀 美國TA公司；快速黏度分析儀澳大利亞悉尼紐波特科學公司；D/max-2500/PC型CuKα輻射源的X射線衍射儀 日本東京理學株式會社。

1.3 方法

1.3.1 韌化處理

取50 g馬鈴薯淀粉放入絲口瓶中，添加去離子水調整水分為50%（加入0.02%疊氮化鈉作為細菌防腐劑），混勻，然后將混合物分別置于55 ℃烘箱中12、24、36、48、60 h。而后取出，在室溫下自然冷卻，然后3500 r/min離心5 次，烘干、粉碎，過100 目篩。所有的樣品依次記為CON-12、CON-24、CON-36、CON-48、CON-60。

1.3.2 3D打印樣品的制備

將馬鈴薯淀粉與蒸餾水質量比1∶5混合，在80 ℃水浴3 min，在此期間不斷進行攪拌以獲得淀粉凝膠，然后冷卻到50 ℃形成更穩定的淀粉復合凝膠，在整個印刷過程中保持50 ℃。采用高溫定制食品3D打印機，整個3D打印過程采用1.2 mm塑料噴嘴。噴嘴的單層高度和移動速率分別設置為0.7 mm和30 mm/s。

1.3.3 熱性能

使用差示掃描量熱法和熱分析數據庫測量樣品的熱性能。稱取淀粉（3 mg，干基）放入鋁坩堝中，加入3 μL蒸餾水，充分混合，蓋上蓋子并密封，并在4 ℃平衡24 h。掃描溫度范圍和升溫速率分別為20～120 ℃和10 ℃/min。

1.3.4 光學顯微鏡觀察

取少量的淀粉顆粒分散在載玻片上，滴一小滴甘油-水混合物（甘油和水混合1∶1），滑下蓋玻璃，在400 倍放大倍數下進行光學顯微鏡觀察，加入偏振片后，得到淀粉的偏光十字圖。

1.3.5 掃描電子顯微鏡觀察

淀粉樣品放置在雙面膠帶上，垂直涂上鈀。掃描電子顯微鏡在2000 倍放大倍數下掃描，觀察淀粉的顯微結構。

1.3.6 流變特性

將淀粉樣品制備成質量分數為14%的淀粉乳，并在沸水浴中連續攪拌30 min。將糊化的淀粉樣品在室溫下冷卻到25 ℃，繼續進行下一步。使用HR-1流變儀，將溫度設置為25 ℃，將間隙設置為0.05 mm，并使用40 mm平板作為夾具。角頻率從0.1～100 rad/s振蕩，所有測量都是在0.5%的固定應力下，在一個確定的線性黏彈性區域內進行。

1.3.7 黏度分析

使用快速黏度分析儀測定淀粉樣品的糊化特性。通過添加蒸餾水，將淀粉濕基調節至14%，為了避免形成團塊，在快速黏度分析儀運行之前使用塑料槳混合。將樣品以12 ℃/min的速率從50 ℃加熱至95 ℃，在95 ℃保持2.5 min，然后以12 ℃/min的速率冷卻至50 ℃，最后在50 ℃保持5 min。螺旋槳速率設置為160 r/min。

1.3.8 X射線衍射

使用裝有CuKα輻射源的X射線衍射儀用于分析樣品的結晶特性。管電壓設置為40 kV，電流為100 mA。所有樣品均以6°/min的掃描速率從4°掃描至60°。

1.4 統計分析

所有統計分析均采用Minitab 18.0版進行。數據采用方差分析法進行分析。所有測量結果均重復3 次，檢驗樣本平均值之間差異顯著性（P＜0.05）。使用OriginPro 8.5軟件繪制圖像。

2 結果與分析

2.1 淀粉的形態特征

馬鈴薯原淀粉和經過韌化處理后淀粉的普通光學、偏光十字和掃描電子顯微鏡圖像如圖1所示。通過觀察掃描電子顯微鏡和光學顯微鏡圖像（圖1A1、A2），可以發現馬鈴薯原淀粉為圓形或橢圓形顆粒，分為大顆粒和小顆粒，表面光滑無裂紋。從掃描電子顯微鏡圖像可以看出，經過韌化處理后的顆粒發生變形，表面出現凹陷，且隨著處理時間的延長，淀粉顆粒的凹陷變得更加明顯，變形也越來越嚴重。在普通光學顯微鏡下，未發現明顯變化。雙折射表明淀粉顆粒中的晶體結構特征，可通過偏光顯微鏡觀察[8]。馬鈴薯原淀粉在偏光顯微鏡下呈現出典型和清晰的偏光十字，說明馬鈴薯原淀粉具有有序的結構。韌化處理后不會引起馬鈴薯淀粉偏光十字圖案發生明顯可見的變化，說明馬鈴薯淀粉的晶體結構沒有發生變化，這與許美娟[9]研究結果相同。

從各元素的沸點可知，由鐵到砷揮發率越來越大，所以控制適當的真空度和溫度，鉛、鉍、砷、銻能以氣態揮發出來，而鐵、銅則留在錫液中。

圖1 馬鈴薯淀粉表征Fig.1 Characterization of potato starch by scanning electron microscopy,optical microscopy and cross-polarization spectroscopy

2.2 熱力學特性

使用差示掃描量熱法測定淀粉樣品的糊化溫度（表1）。起始溫度（TO）表示隨著最弱微晶的熔化開始糊化的溫度；峰值溫度（TP）表明在糊化過程中雙折射完全喪失；終止溫度（TC）是支鏈淀粉雙螺旋解離的溫度，標志著糊化完成；焓（ΔH）表示雙螺旋破壞的能量需求[10]。

表1 馬鈴薯淀粉的熱特性Table 1 Thermal characteristics of potato starch

韌化處理后淀粉樣品發生的參數變化主要是由于其內部結構的變化，淀粉糊化過程中水分子先破壞松散的無定形區，繼而破壞致密的結晶結構域[11]。隨著韌化改性時間的不斷增加，馬鈴薯淀粉的ΔH有所波動，但波動幅度較小。韌化處理的馬鈴薯淀粉的TP明顯高于馬鈴薯原淀粉，說明需要更多的能量糊化改性淀粉，與馬鈴薯原淀粉相比，韌化處理后淀粉的TO、TP和TC均有所升高。較高的TO、TP和TC表明韌化處理增加了直鏈和支鏈淀粉鏈之間的相互作用，使淀粉的分子結構更加有序，從而升高了結晶穩定性。因此，需要較高的溫度破壞淀粉顆粒的結晶區域。以前研究報道了類似的結果[12]。且隨著韌化處理時間的延長，峰值溫度呈升高趨勢，這表明隨著韌化處理時間的延長，微晶結構擁有更高的熱穩定性，相比于原淀粉的微晶韌化后樣品的微晶更加完整和有序[13]。同時，馬鈴薯淀粉大小顆粒交錯分布且內部結構緊湊，在韌化處理過程中，水分子在淀粉顆粒中的遷移加快，破壞了淀粉分子間原有的氫鍵，從而減少了淀粉分子鏈的束縛，淀粉分子處于自由狀態，并相互作用形成新的有序化結構，促進馬鈴薯淀粉內部結構的致密化，進而導致其TP不斷升高[14]。分子間氫鍵的不斷破壞，對3D打印支撐性產生影響，這將影響3D打印效果。

2.3 流變學特性

馬鈴薯淀粉凝膠在不同韌化處理時間條件下的動態流變學變化如圖2所示。彈性模量G’表示凝膠的彈性成分，反映材料在變形過程中因彈性變化而損失的能量，可以反映機械強度。具有強機械強度的材料在沉積后表現出出色的支撐性，并且可以承受長時間的印刷形狀[15]。黏性模量G”表示黏性成分，即在變形過程中由于黏性引起反應材料的變化[16]。在所有測試中，由于淀粉凝膠的黏彈性能G’在線性黏彈性區域內高于G”，表明存在網絡排列和凝膠狀結構，具有形成彈性凝膠或凝膠狀結構的可能性。G’和G”都隨著角頻率的增加而逐漸增加，從而增加了材料的內摩擦力。經過韌化處理的淀粉的G’和G”都是先上升后下降，這是由兩個原因造成的。首先，韌化處理破壞了淀粉顆粒內的氫鍵，破壞了支鏈淀粉分子的鍵合，使雙螺旋打開分離，從而破壞了支鏈淀粉的微晶結構[17]。其次，韌化處理使馬鈴薯淀粉內部的顆粒結構發生重新排列，使內部結構更加穩定有序，從而增加了淀粉凝膠的黏度和彈性。隨著韌化處理的時間延長，G’越來越高，表明長時間的韌化處理促進了具有更大剛性和耐壓性的凝膠的形成[18]。一般來說，對于3D打印材料，較高的G’值比較理想。理想的淀粉凝膠應該能夠保持擠出物的形狀，并且能夠在打印機的最大擠出壓力下進行打印，還應該能夠與之前的打印層混合。Costakis等[19]發現G’值與材料保持其形狀的能力相關。理想的淀粉凝膠應能保持擠出物的形狀，并能在打印機的最大擠出壓力下混合打印。它還應該能夠與以前打印的圖層混合。從圖2可見，CON-36的G’雖不是最高值，略低于CON-60，但G”明顯高于CON-60，能與先前的印刷層相黏合，使印刷樣品的內部結構牢固。材料的黏彈性能可由tanδ（定義為G”/G’）表示。如果tanδ＞1，材料主要為黏性；如果tanδ＜1，材料主要為彈性[20]。如圖2所示，所有淀粉凝膠的tanδ＜1，表明它們具有類似固體的行為。與其他樣品相比，CON-60淀粉凝膠表現出最低的tanδ，說明它具有相對堅硬的流變特性。這一發現可以解釋CON-60淀粉凝膠的3D打印產品不太容易變形的原因。此外，經過處理后的淀粉凝膠tanδ比原淀粉低，表明剛性更強，在壓力下恢復形狀的能力提高，因此，經過處理的凝膠表現出更好的印刷性能。而CON-36的tanδ略微高于CON-60，但其G”明顯高于CON-60，能與先前的印刷層相黏合，表明CON-36也具有較好的剛性支撐3D打印樣品。因此，可以推測CON-36的淀粉凝膠打印效果較好，而馬鈴薯原淀粉打印效果較差。

圖2 馬鈴薯淀粉凝膠的動態流變學研究Fig.2 Dynamic rheological studies of potato starch gels

2.4 黏度特性

快速黏度分析儀是一種有效測定淀粉糊化特性的儀器，可以用來測定淀粉暴露在過量水中加熱和剪切時的功能特性[21]。峰值黏度反映了淀粉的增稠能力，代表了破裂淀粉顆粒的最大吸水膨脹程度，與淀粉的膨脹力有關，淀粉內部分子間作用力的增強是造成峰值黏度下降的主要原因[22]。隨著韌化處理時間的延長，淀粉的峰值黏度值呈整體下降趨勢，峰值黏度的降低可歸因于幾個因素：1）長時間的低溫處理使得淀粉結構有序性升高，破碎顆粒膨脹改善了淀粉晶體結構，使得淀粉的晶體結構更加穩定；2）具有較低分支和網絡度的新形成的分子[23]。與馬鈴薯原淀粉相比，韌化處理后的淀粉具有較低的黏度。當淀粉凝膠具有高黏度時，注射器中的摩擦增加，導致在3D打印過程中擠出凝膠需要額外的力。從表2可以看到，CON-60的黏度最低，比其他樣品更容易擠出。

表2 馬鈴薯淀粉的黏度參數Table 2 Viscosity parameters of potato starch

由于韌化處理過程中對淀粉顆粒無定形區域的影響，崩解值遠低于馬鈴薯原淀粉。崩解值的降低可歸因于對加熱和剪切的穩定性增加，這增強了淀粉的無定形區域并防止淀粉顆粒破裂[24]。崩解值的降低表明韌化處理的樣品在加熱和剪切過程中具有更高的穩定性，并表現出更高的熱漿穩定性，從而提高了3D打印的準確性和穩定性[25]。

回生值代表淀粉的老化程度?；厣翟降?，淀粉越難老化[26]。馬鈴薯原淀粉經韌化處理后，淀粉的回生值有所升高，這可以歸因于支鏈淀粉鏈的解聚和重排，回生值隨著處理時間的延長而增加，表明長時間的韌化處理會使淀粉鏈之間的相互作用減弱[27]?；厣蹬c淀粉凝膠的硬度密切相關?；厣档慕档蛯⑹?D打印樣本的線條清晰。低的回生值有利于樣品保存，提高樣品準確度。然而，在不適當的打印條件下打印時，打印噴嘴容易堵塞，導致3D打印失敗。因此，馬鈴薯原淀粉在同等打印條件下，線條分辨率及樣品結構支撐力都相對很好，但很快就會發生斷線，而后堵塞打印噴頭，使得打印高度很低。

此外，韌化處理后的淀粉的最終黏度表現出與回生值相似的趨勢。最終黏度代表淀粉糊冷卻后穩定性。最終黏度的降低與韌化處理促進的熱降解（在熱力學特性分析中觀察到）和晶體結構的變化有關[19]。這些結果表明，淀粉糊化性能的變化與韌化處理的時間相關，韌化處理的淀粉以增強凝膠形成和改善可印刷性的方式改性淀粉。

2.5 晶型分析

表3 馬鈴薯淀粉的相對結晶度Table 3 Relative crystallinity of potato starch

圖3 馬鈴薯淀粉的X射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of potato starch

2.6 評估3D打印產品的幾何形狀

適用于3D打印的食品材料應該易于擠壓和易于成型。滿足3D打印樣品完整性的兩個主要條件是具有順利擠出淀粉凝膠的能力和支持產品的結構和形狀的能力。而食品材料的流變學特性可以用來預測材料是否滿足3D食品打印的需求[30]。G’值越高，材料機械性能越好，材料保持其形狀的能力越好。G’高于G”，能夠形成凝膠狀結構。G’和G”都與角頻率呈正相關，表明材料的內部摩擦力增加，使得打印樣品的內部結構牢固，可以與之前的打印層混合。

不同淀粉凝膠的3D打印樣品的圖像顯示如表4所示。根據視覺觀察，打印樣品的中間部分并沒有表現出嚴重的凹陷，表明凝膠內部結構的支撐力相對較好。此外，隨著韌化處理時間的延長，3D打印樣品的變化較大。因此，3D打印樣品的變化可以從兩個方面進行研究：打印精度、高度和表面結構，表面結構又包括打印線條的精細度和分辨率，是一種視覺外觀。

表4 馬鈴薯淀粉的打印圖和打印尺寸Table 4 Visual appearance and size of 3D printed potato starch gels

為確定打印樣品的精度和高度，實驗專門設計了一個圓柱體（直徑為40 mm）形狀的模型。用游標卡尺測量的打印樣品的直徑及高度，如表4所示。隨著韌化處理時間的延長，印刷的高度先上升后下降。最高的印刷精度和高度出現在CON-36樣品上。這是因為連續層的重力作用，先前打印的底層能夠抵抗壓縮變形，這是因為CON-36的馬鈴薯淀粉顆粒內部結構重新排列，使內部結構更加穩定有序，增加了淀粉凝膠的彈性，并且在流變性能測試中顯示G’較高，表明材料的機械性能較強，這使得下層擠壓部分有適當的機械強度支撐上面的沉積物。G’是支持后續沉積層和維持沉積信息性能的關鍵因素[31]。且其G”最高，表明其相對于其他淀粉樣品具有更好的黏性性質，使淀粉凝膠在打印過程中層與層之間相黏合，這保證了CON-36具有較好的打印高度。從圖2可以看出，CON-60的G’達到最大值，其允許打印樣品的形狀保持能力最好。但由于其與CON-36相比，G’相差較小，但G”遠低于CON-36，表明CON-60相對于CON-36黏性相對較弱，堅固的內部結構與先前打印的層黏合效果相對于CON-36較差，因此，CON-60打印精度和高度相對次于CON-36，這與表4數據相對應。而馬鈴薯原淀粉，不論是G’還是G”都在流變測試中顯示出極低的數值，這表明其無論是淀粉內部結構的支撐性還是打印過程中層與層之間的黏性都很差，在3D打印過程中也顯示出。同時也說明，淀粉凝膠的流變性能對3D打印有重要影響。

此外，如表4所示，盡管所有的3D打印樣品都顯示出相對完整的形狀，馬鈴薯原淀粉打印樣品線條顯示出精細的分辨率，但由于馬鈴薯原淀粉擁有最低的G’值，其支撐性相對較差，因此其打印高度相對最低，且G”也是最低值，打印過程中層與層之間黏性差，因此其表面結構較差，呈現出的視覺外觀較差。隨著韌化處理時間的延長，打印線條的清晰度越來越低，淀粉凝膠印刷品的線條分辨率逐漸變低，但其凝膠擠出性和黏性都相對較好，因此具有較好的高度與視覺外觀。

3 結論

本實驗研究不同韌化改性時間對馬鈴薯淀粉的影響，進而討論對3D打印的影響。適度的韌化改性條件有助于改善凝膠擠出，并保持足夠的沉積后黏度和機械強度以使打印樣品保持其形狀。結果表明，韌化處理使淀粉表面變得粗糙，并提高了淀粉的黏度和糊化溫度。韌化改性后馬鈴薯淀粉凝膠比原淀粉凝膠顯示出更強的機械強度，并且內部結構更加穩定有序。馬鈴薯原淀粉的3D打印樣品線條分辨率高，容易出現塌陷、發生線條斷裂和堵住打印噴嘴，影響打印高度和外觀。隨著韌化改性時間的延長，打印高度及精度逐漸變好，到CON-36時，得到最高打印樣品。綜合以上發現，可以確定，韌化改性可以使樣品凝膠強度顯著提高，比較適合進行3D打印。