《Food Hydrocolloids》：用改良淀粉3D打印的冰激凌，要來嘗嘗嗎？

來源： EngineeringForLife

3D打印是一種利用數(shù)字模型逐層構(gòu)建物體的技術(shù)。該過程通常涉及沉積粉末狀金屬、塑料或其他粘合材料，以根據(jù)預(yù)設(shè)模型制造最終產(chǎn)品。最近，3D打印在制造業(yè)中發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)制造業(yè)相比，它具有成本低、生產(chǎn)時(shí)間短、材料組合多種多樣以及創(chuàng)造獨(dú)特產(chǎn)品設(shè)計(jì)的能力等明顯的優(yōu)勢(shì)。并且，3D打印正在被探索用于生產(chǎn)汽車替換零件、制造再生醫(yī)學(xué)中的組織和器官以及創(chuàng)造具有獨(dú)特視覺和紋理特征的固體結(jié)構(gòu)食品。雖然3D打印技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，但其在家庭廚房和 食品企業(yè)中的使用仍然有限。目前，3D打印食品的種類很少，并且很少有研究集中在可打印性較差的3D打印乳制品上。為了讓更多的食品實(shí)現(xiàn)3D打印，需要找到一種材料來支撐食品材料實(shí)現(xiàn)打印后的準(zhǔn)確性、完整性和可食用的功能。

鑒于此，浙江大學(xué)陸柏益等根據(jù)油墨穩(wěn)定性和流變性能，從13種改性淀粉中篩選出7種墨水研究3D打印冰淇淋的成型機(jī)理，發(fā)現(xiàn)以羥丙基二淀粉磷酸酯（HDSP）制備的冰淇淋油墨的精度最高（94.6%），這歸因于油墨中存在更多的氫鍵支撐和穩(wěn)定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。相關(guān)工作“Investigation of the 3D printability of modified starch-based inks and their formation mechanism: Application in ice cream”于近期發(fā)表在《Food Hydrocolloids》上，引起了廣泛的關(guān)注。

圖1 用于3D打印的不同改性淀粉冰淇淋墨水的制備（備注：不含淀粉（WS）、天然木薯淀粉（NS）、酸解淀粉（AHS）、氧化淀粉（OS）、磷酸二淀粉（DSP）、羧甲基淀粉（CS）、羥丙基淀粉（HS）、辛烯基琥珀酸淀粉（OSA）、磷酸淀粉（SP）、醋酸淀粉（AS）、氧化羥丙基淀粉（OHS）、乙�；�磷酸二淀粉（ADSP）、乙�；�己二酸二淀粉（ADSA）、磷酸化磷酸二淀粉（PDSP）、羥丙基磷酸二淀粉（HDSP））

一般情況下，所制備的冰淇淋墨水應(yīng)是穩(wěn)定的多相體系，特別是水-油相能保持平衡狀態(tài)，無明顯的分層性能，不穩(wěn)定的冰淇淋墨水在離心后大致分為三層（油層、乳劑層和凝膠層）。不含淀粉和天然淀粉制備的冰淇淋油墨表現(xiàn)出分層行為，表明冰淇淋體系中需要乳化劑來幫助維持體系的穩(wěn)定性。并且，冰淇淋中的成分之間應(yīng)該形成穩(wěn)定的粘接聯(lián)系，而不是固液分離的狀態(tài)。結(jié)果表明，用HS, SP, AS, OHS, ADSP, PDSP和HDSP制備的冰淇淋在離心后形成穩(wěn)定且無分層的凝膠。

圖2 不同改性淀粉冰淇淋墨水的流變性能

作者通過穩(wěn)態(tài)剪切測(cè)試發(fā)現(xiàn)隨著剪切速率的增加，所有樣品的粘度都有所下降，這表明樣品凝膠具有假塑性特性，有助于順利擠出噴嘴。此外，具有高油含量和沉降率的冰淇淋墨水（HS、SP、AS、OHS、ADSP、PDSP和HDSP）的稠度較高，抗剪切性較低。掃頻測(cè)試結(jié)果表明，所有墨水都具有形成彈性凝膠或凝膠狀結(jié)構(gòu)的能力，說明形成了強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度和分子間相互作用。

圖3 使用不同改性淀粉3D打印后的冰淇淋長(zhǎng)方體

用OHS和ADSP制備的冰淇淋制品表現(xiàn)為向外擴(kuò)散，說明墨水粘度和彈性較低，呈液態(tài)，缺乏逐層構(gòu)造性。用HS、SP和AS印制的冰淇淋墨水中心塌陷明顯，說明油墨中的支撐力較差。用PDSP制備的油墨打印后表面粗糙，表明油墨不能順利均勻地?cái)D出噴嘴，這與它的粘度較高有關(guān)。用HDSP制備的冰淇淋墨水印刷的產(chǎn)品沒有明顯的凹陷，邊緣清晰，表面光滑。   

圖4 用具有結(jié)構(gòu)恢復(fù)性能的不同變性淀粉制備冰淇淋墨水

HDSP可以有效地交聯(lián)冰淇淋成分，形成具有強(qiáng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)性的凝膠，用于制備高精度的3D打印產(chǎn)品。并且，HDSP油墨的τf值最高，僅為379.74 Pa，遠(yuǎn)小于該結(jié)果中提到的難以擠出的抗擠出性，因此，冰淇淋印刷品需要相對(duì)堅(jiān)固的機(jī)械性能，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的印刷適性和更高的分辨率。此外，HDSP制備的冰淇淋比用其他淀粉制備的冰淇淋表現(xiàn)出更大的機(jī)械強(qiáng)度。

   

圖5 用不同改性淀粉制備的冰淇淋油墨中的分子間作用力（氫鍵、二硫鍵）

作者通過研究發(fā)現(xiàn)氫鍵在HDSP油墨中起主導(dǎo)作用，HDSP在冰淇淋體系中與各組分優(yōu)異的兩親性有利于通過氫鍵構(gòu)建致密的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且氫鍵對(duì)冰淇淋油墨的貢獻(xiàn)順序?yàn)椋篐DSP>SP>ADSP>PDSP>OHS>AS。HDSP與奶粉中的蛋白質(zhì)形成配合物，有利于其二硫鍵和二級(jí)結(jié)構(gòu)的維持，從而為冰淇淋油墨提供了良好的彈性性能。與二硫鍵和氫鍵相比，靜電相互作用在冰淇淋凝膠化中的作用較小。  

圖6 各種改性淀粉制備的冰淇淋墨水的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系

作者綜合研究了不同改性淀粉制備的冰淇淋墨水的打印性能、凝膠性能和分子間相互作用的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)用HDSP制備的冰淇淋墨水由于形成了更多的氫鍵并保留了基本蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，在冰淇淋成分中表現(xiàn)出優(yōu)異的剛性和彈性。這產(chǎn)生了一種穩(wěn)定且高度保水性的油墨，降低了擠出阻力并增強(qiáng)了印刷產(chǎn)品的自支撐性能。因此，它進(jìn)一步促進(jìn)了高精度3D打印冰淇淋產(chǎn)品的形成。

總之，本研究探討了利用不同的改性淀粉制備3D打印冰淇淋的可行性，闡明了改性淀粉制備高精度3d打印冰淇淋油墨的形成機(jī)理，有利于促進(jìn)淀粉基材料在個(gè)性化冰淇淋加工中的應(yīng)用。      

文章來源：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110038