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

來源： EngineeringForLife

3D打印是一種利用數字模型逐層構建物體的技術。該過程通常涉及沉積粉末狀金屬、塑料或其他粘合材料，以根據預設模型制造最終產品。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、生產時間短、材料組合多種多樣以及創(chuàng)造獨特產品設計的能力等明顯的優(yōu)勢。并且，3D打印正在被探索用于生產汽車替換零件、制造再生醫(yī)學中的組織和器官以及創(chuàng)造具有獨特視覺和紋理特征的固體結構食品。雖然3D打印技術在各個領域都發(fā)展勢頭強勁，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現3D打印，需要找到一種材料來支撐食品材料實現打印后的準確性、完整性和可食用的功能。

鑒于此，浙江大學陸柏益等根據油墨穩(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理，發(fā)現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)定的蛋白質結構。相關工作“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）、乙酰化磷酸二淀粉（ADSP）、乙?；憾岫矸郏ˋDSA）、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該形成穩(wěn)定的粘接聯系，而不是固液分離的狀態(tài)。結果表明，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)剪切測試發(fā)現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。掃頻測試結果表明，所有墨水都具有形成彈性凝膠或凝膠狀結構的能力，說明形成了強機械強度和分子間相互作用。

圖3 使用不同改性淀粉3D打印后的冰淇淋長方體

用OHS和ADSP制備的冰淇淋制品表現為向外擴散，說明墨水粘度和彈性較低，呈液態(tài)，缺乏逐層構造性。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擠出噴嘴，這與它的粘度較高有關。用HDSP制備的冰淇淋墨水印刷的產品沒有明顯的凹陷，邊緣清晰，表面光滑。   

圖4 用具有結構恢復性能的不同變性淀粉制備冰淇淋墨水

HDSP可以有效地交聯冰淇淋成分，形成具有強結構恢復性的凝膠，用于制備高精度的3D打印產品。并且，HDSP油墨的τf值最高，僅為379.74 Pa，遠小于該結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堅固的機械性能，以實現優(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出更大的機械強度。

   

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)現氫鍵在HDSP油墨中起主導作用，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建致密的復合網絡結構，并且氫鍵對冰淇淋油墨的貢獻順序為：HDSP>SP>ADSP>PDSP>OHS>AS。HDSP與奶粉中的蛋白質形成配合物，有利于其二硫鍵和二級結構的維持，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構與性能的關系

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系，發(fā)現用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結構，在冰淇淋成分中表現出優(yōu)異的剛性和彈性。這產生了一種穩(wěn)定且高度保水性的油墨，降低了擠出阻力并增強了印刷產品的自支撐性能。因此，它進一步促進了高精度3D打印冰淇淋產品的形成。

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理，有利于促進淀粉基材料在個性化冰淇淋加工中的應用。      

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