沈陽師范大學：不同膠體對馬鈴薯淀粉基材料3D打印特性的影響(2)
時間：2023-03-14 10:28 來源：食品科學技術學報 作者：admin 閱讀：次
2.3 不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠結晶結構的影響
圖3為不同膠體制成的馬鈴薯淀粉復合凝膠結晶圖譜分析結果。淀粉的結晶度是衡量淀粉晶體特性的一個重要指標，淀粉顆粒的結晶度是由淀粉分子中支鏈淀粉的雙螺旋結構排列方式決定的[18]。由式(1)計算可知，PS、PS- PG、PS- PGG、PS- PC結晶度分別為11.88%、10.32%、9.12%、8.65%，馬鈴薯淀粉復合凝膠結晶度降低，這可能是膠體分子的加入阻礙了淀粉分子之間的纏繞和重新排列，從而影響了馬鈴薯淀粉的重結晶過程。圖3中馬鈴薯淀粉在22.82°處有弱衍射峰，這可能是由于膠體分子的加入，使馬鈴薯淀粉結晶結構受到破壞，結晶區域減少，無定型區域增加，結晶度降低。馬鈴薯淀粉在此過程中未完全糊化，仍保留部分淀粉結晶特性，不同膠體之間破壞程度不顯著。
圖3 不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠結晶結構的影響
2.4 不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠流變學特性的影響圖4為不同膠體對馬鈴薯淀粉膠體流變特性影響的分析結果。由圖4可知，隨著振蕩頻率的增加，膠體的儲能模量(G′)均呈現升高趨勢。4種膠體均呈現假塑流體性質并呈現剪切稀化行為，這與Wang等[11]關于膠體流變特性的研究結果一致。與PS相比，3種膠體中，PS- PG膠體的儲能模量(G′)、損耗模量(G″)降低最為明顯， PS- PG的流動性降低比PS- PGG和PS- PC更為顯著，可能是由于馬鈴薯淀粉在加熱過程中雙螺旋解旋，明膠分子增強其凝膠特性，使得馬鈴薯淀粉膠體機械強度得到強化[9]。這種變化有利于保持食品3D打印的成型穩定性，避免流動性過大引起打印樣品的塌陷。整個掃描過程中，凝膠體系的G′遠大于G″，tanδ均大于1，這表明膠體具有較好的固相性能，整個馬鈴薯淀粉的3D打印體系處于彈性優勢狀態。
圖4 不同振蕩頻率對馬鈴薯淀粉凝膠流變性的影響
圖5 不同剪切應力對馬鈴薯淀粉凝膠流變性的影響
圖5為不同凝膠體系剪切應力的分析結果。剪切應力表明不同膠體受到外界壓力固液轉化的趨勢。由圖5可知，PS、PS-
PG、PS- PGG、PS-
PC由液態轉化為固態的臨界應力為2.03%、0.41%、1.10%、2.66%。在臨界點后，G″均大于G′，膠體均呈現為流體特性。這可能是由于凝膠的黏彈性與直鏈淀粉含量密切相關，膠體分子阻礙了淀粉顆粒的吸水膨脹[19]，從而抑制淀粉分子重新排列形成的連續凝膠網絡結構。2.5 不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠質構特性的影響
表1為不同膠體制成的馬鈴薯淀粉凝膠質構特征分析結果。由表1中可知，不同膠體打印樣品的硬度、黏性和內聚性差異顯著(P<0.05)。硬度反映3D打印后材料的形狀保持和擠出特性，PS- PG、PS- PGG和PS- PC硬度分別比PS升高了390%，233%，469%。PS樣品的硬度為6.83 N，馬鈴薯淀粉復合凝膠體系硬度顯著高于PS的硬度，可能是因為淀粉分子螺旋結構與膠體分子發生交聯反應引起了脫水縮合和重結晶。明膠對馬鈴薯淀粉的彈性影響差異不顯著，PS- PGG和PS- PC的彈性為1.76和1.55，分別比對照樣高出22%和8%。淀粉凝膠體系中大分子相互交聯和纏繞，有利于淀粉和膠體的吸水膨脹，促進體系形成結構穩定的凝膠，對于3D打印產品的成型穩定性有正向效應。與PS相比，PS- PGG的內聚性差異最為顯著，這可能是由于結冷膠含有的乙酰基促使聚合物鏈螺旋形成凝膠[20]，提高了膠體斷裂應變力[21]，形成了更密集的三維網絡結構，這為3D打印樣品的成型穩定性提供了保障。
表1 不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠質構特性的影響
不同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。
2.6 不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠色澤的影響
表2為不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠色澤影響的分析結果。由表2可知，添加不同膠體的馬鈴薯淀粉L*值均呈升高趨勢，即明亮度增加，其中結冷膠對凝膠體系亮度(L*值)影響最大，其亮度值為89.10，顯著高于明膠和可得然膠(P<0.05)。亮度值通常與淀粉糊化有關，膠體可有效抑制馬鈴薯淀粉糊化[22]，特別是結冷膠的水合作用能夠促進淀粉重新結晶，使樣品亮度顯著提高。不同膠體打印樣品的a*值差異顯著(P<0.05)，PS- PC的3D打印凝膠體系趨向于紅色，PS- PG凝膠體系趨向于綠色，這可能是由于不同膠體與馬鈴薯淀粉和糖接枝產物在3D打印過程中的熱效應和非酶褐變所致。PS- PG、PS- PGG、PS- PC凝膠的b*值降低，黃色趨勢減弱，可能由于3D打印過程中發生了美拉德褐變和焦糖化反應[23]。本研究表明，不同膠體對馬鈴薯淀粉3D打印凝膠的色澤影響顯著，結冷膠影響最為明顯，PS- PGG樣品的亮度值升高，樣品偏紅黃色。不同膠體加入后樣品色澤的變化，可為3D打印食品的個性化色澤提供新的思路。
表2 不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠色澤的影響
不同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。
2.7 不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠黏度的影響
表3為不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠質構特性影響的分析結果。由表3可知，不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠的黏度影響顯著，結冷膠對馬鈴薯淀粉膠體的影響最為顯著，PS-
PGG的峰值黏度為914
mPa·s。這可能是因為結冷膠與馬鈴薯淀粉帶同種電荷，電荷間的相互排斥作用，使結冷膠分子抑制了淀粉顆粒的重新排列，從而達到抑制淀粉糊化的作用[24]。3種膠體與馬鈴薯淀粉形成凝膠的回生值均為負值且升高，在降溫過程中親水膠體分子鏈伸展，更易與淀粉可溶性組分間以氫鍵相互靠近[25]，從而使分子間聚集作用增強，引起回生值的增加。不同膠體形成的凝膠體系的崩解值均呈下降趨勢，其中PS-
PGG最為明顯，這可能是因為結冷膠與淀粉膠體形成的空間網絡結構[26]，增強了淀粉分子間的空間位阻，提高了馬鈴薯淀粉凝膠體系的穩定性。凝膠體系穩定性的提升為3D打印樣品的成型和貯藏穩定性提供了保
表3 不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠黏度影響
2.8 不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠熱特性的影響
表4為不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠體系熱力學性質影響的分析結果。由表4可知，PS、PS- PG、PS- PGG、PS- PC凝膠體系的最終糊化溫度分別為79.75、79.94、81.03、83.59 ℃。添加膠體后，凝膠體系最終糊化溫度呈升高趨勢，可能是由于膠體的加入增加了淀粉分子鏈的密度，分子鏈的交聯和纏繞作用增強，凝膠體系形成更多的交聯區域，凝膠體系的穩定性提高[27]。可得然膠的最終糊化溫度最高，可能是可得然膠多糖鏈起到了穩定空間結構的作用。PS、PS- PG、PS- PGG、PS- PC凝膠體系的焓值分別為12.13、10.30、10.75、11.61 J/g。與馬鈴薯淀粉凝膠相比，馬鈴薯淀粉復合凝膠體系焓值均呈降低的趨勢，可能是因為膠體分子降低了凝膠體系的水分活度，淀粉顆粒結晶區部分糊化，焓值降低。馬鈴薯淀粉復合凝膠體系焓值的降低有利于馬鈴薯淀粉分子受熱解旋，改善了馬鈴薯淀粉復合材料溫敏特性，可提高馬鈴薯淀粉基食品材料3D打印的加工適宜性。
表4 不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠熱力學性質的影響
2.9 不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠3D打印穩定性的影響
表5為不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠體系3D打印穩定性分析結果。由表3可知，添加膠體后，樣品的冷藏儲存直徑和高度與打印結果更為接近，說明打印后樣品的回縮性降低，膠體的加入顯著提升了樣品的3D打印穩定性，這與本研究質構特性中硬度增加的結果相符。與打印樣品相比，馬鈴薯淀粉膠體冷藏后直徑和高度分別降低12.7%、4.9%，而PS- PGG冷藏后直徑和高度僅降低了0.6%、0.4%，表明PS- PGG穩定性最好，結冷膠能較好地保持樣品儲存后形狀的穩定性，這可能是因為結冷膠膠體具有合適的硬度，呈現較好的支撐特性。本研究表明，馬鈴薯淀粉凝膠體系具有良好的凝膠強度，可較好地保持打印產品的形狀和結構。
表5 不同膠體對馬鈴薯淀粉凝膠體系3D打印穩定性的影響
不同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。
3 結 論
本研究以馬鈴薯淀粉和分離蛋白糖接枝產物作為基礎原料，研究了添加不同膠體對馬鈴薯淀粉基材料3D打印特性的影響。采用糖基化產物聯合膠體復配技術優化了馬鈴薯淀粉3D打印材料的打印性和穩定性，提高了馬鈴薯淀粉3D打印產品的成型效果和穩定性。研究發現，3種食品膠體均顯著提高了馬鈴薯淀粉基食品材料的3D打印特性，明膠增強了馬鈴薯淀粉凝膠體系的膠凝性和機械強度，改善了馬鈴薯淀粉基材料的溫敏性；結冷膠能夠使樣品呈現較好的凝膠色澤，形成了穩定的網絡結構，提升了凝膠體系的3D打印穩定性，使得凝膠能夠順利打印且保持較好的形狀；可得然膠提升了馬鈴薯淀粉的硬度，使結構穩定，避免了打印塌陷。3種膠體的添加均改善了馬鈴薯淀粉凝膠體系的3D打印效果，并且能夠在室溫下較長時間存放，較好地保持了產品形狀的穩定性。
參考文獻：（略）
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