沈阳师范大学：不同胶体对马铃薯淀粉基材料3D打印特性的影响(2)
时间：2023-03-14 10:28 来源：食品科学技术学报 作者：admin 阅读：次
2.3 不同胶体对马铃薯淀粉凝胶结晶结构的影响
图3为不同胶体制成的马铃薯淀粉复合凝胶结晶图谱分析结果。淀粉的结晶度是衡量淀粉晶体特性的一个重要指标，淀粉颗粒的结晶度是由淀粉分子中支链淀粉的双螺旋结构排列方式决定的[18]。由式(1)计算可知，PS、PS- PG、PS- PGG、PS- PC结晶度分别为11.88%、10.32%、9.12%、8.65%，马铃薯淀粉复合凝胶结晶度降低，这可能是胶体分子的加入阻碍了淀粉分子之间的缠绕和重新排列，从而影响了马铃薯淀粉的重结晶过程。图3中马铃薯淀粉在22.82°处有弱衍射峰，这可能是由于胶体分子的加入，使马铃薯淀粉结晶结构受到破坏，结晶区域减少，无定型区域增加，结晶度降低。马铃薯淀粉在此过程中未完全糊化，仍保留部分淀粉结晶特性，不同胶体之间破坏程度不显著。
图3 不同胶体对马铃薯淀粉凝胶结晶结构的影响
2.4 不同胶体对马铃薯淀粉凝胶流变学特性的影响图4为不同胶体对马铃薯淀粉胶体流变特性影响的分析结果。由图4可知，随着振荡频率的增加，胶体的储能模量(G′)均呈现升高趋势。4种胶体均呈现假塑流体性质并呈现剪切稀化行为，这与Wang等[11]关于胶体流变特性的研究结果一致。与PS相比，3种胶体中，PS- PG胶体的储能模量(G′)、损耗模量(G″)降低最为明显， PS- PG的流动性降低比PS- PGG和PS- PC更为显著，可能是由于马铃薯淀粉在加热过程中双螺旋解旋，明胶分子增强其凝胶特性，使得马铃薯淀粉胶体机械强度得到强化[9]。这种变化有利于保持食品3D打印的成型稳定性，避免流动性过大引起打印样品的塌陷。整个扫描过程中，凝胶体系的G′远大于G″，tanδ均大于1，这表明胶体具有较好的固相性能，整个马铃薯淀粉的3D打印体系处于弹性优势状态。
图4 不同振荡频率对马铃薯淀粉凝胶流变性的影响
图5 不同剪切应力对马铃薯淀粉凝胶流变性的影响
图5为不同凝胶体系剪切应力的分析结果。剪切应力表明不同胶体受到外界压力固液转化的趋势。由图5可知，PS、PS-
PG、PS- PGG、PS-
PC由液态转化为固态的临界应力为2.03%、0.41%、1.10%、2.66%。在临界点后，G″均大于G′，胶体均呈现为流体特性。这可能是由于凝胶的黏弹性与直链淀粉含量密切相关，胶体分子阻碍了淀粉颗粒的吸水膨胀[19]，从而抑制淀粉分子重新排列形成的连续凝胶网络结构。2.5 不同胶体对马铃薯淀粉凝胶质构特性的影响
表1为不同胶体制成的马铃薯淀粉凝胶质构特征分析结果。由表1中可知，不同胶体打印样品的硬度、黏性和内聚性差异显著(P<0.05)。硬度反映3D打印后材料的形状保持和挤出特性，PS- PG、PS- PGG和PS- PC硬度分别比PS升高了390%，233%，469%。PS样品的硬度为6.83 N，马铃薯淀粉复合凝胶体系硬度显著高于PS的硬度，可能是因为淀粉分子螺旋结构与胶体分子发生交联反应引起了脱水缩合和重结晶。明胶对马铃薯淀粉的弹性影响差异不显著，PS- PGG和PS- PC的弹性为1.76和1.55，分别比对照样高出22%和8%。淀粉凝胶体系中大分子相互交联和缠绕，有利于淀粉和胶体的吸水膨胀，促进体系形成结构稳定的凝胶，对于3D打印产品的成型稳定性有正向效应。与PS相比，PS- PGG的内聚性差异最为显著，这可能是由于结冷胶含有的乙酰基促使聚合物链螺旋形成凝胶[20]，提高了胶体断裂应变力[21]，形成了更密集的三维网络结构，这为3D打印样品的成型稳定性提供了保障。
表1 不同胶体对马铃薯淀粉凝胶质构特性的影响
不同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。
2.6 不同胶体对马铃薯淀粉凝胶色泽的影响
表2为不同胶体对马铃薯淀粉凝胶色泽影响的分析结果。由表2可知，添加不同胶体的马铃薯淀粉L*值均呈升高趋势，即明亮度增加，其中结冷胶对凝胶体系亮度(L*值)影响最大，其亮度值为89.10，显著高于明胶和可得然胶(P<0.05)。亮度值通常与淀粉糊化有关，胶体可有效抑制马铃薯淀粉糊化[22]，特别是结冷胶的水合作用能够促进淀粉重新结晶，使样品亮度显著提高。不同胶体打印样品的a*值差异显著(P<0.05)，PS- PC的3D打印凝胶体系趋向于红色，PS- PG凝胶体系趋向于绿色，这可能是由于不同胶体与马铃薯淀粉和糖接枝产物在3D打印过程中的热效应和非酶褐变所致。PS- PG、PS- PGG、PS- PC凝胶的b*值降低，黄色趋势减弱，可能由于3D打印过程中发生了美拉德褐变和焦糖化反应[23]。本研究表明，不同胶体对马铃薯淀粉3D打印凝胶的色泽影响显著，结冷胶影响最为明显，PS- PGG样品的亮度值升高，样品偏红黄色。不同胶体加入后样品色泽的变化，可为3D打印食品的个性化色泽提供新的思路。
表2 不同胶体对马铃薯淀粉凝胶色泽的影响
不同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。
2.7 不同胶体对马铃薯淀粉凝胶黏度的影响
表3为不同胶体对马铃薯淀粉凝胶质构特性影响的分析结果。由表3可知，不同胶体对马铃薯淀粉凝胶的黏度影响显著，结冷胶对马铃薯淀粉胶体的影响最为显著，PS-
PGG的峰值黏度为914
mPa·s。这可能是因为结冷胶与马铃薯淀粉带同种电荷，电荷间的相互排斥作用，使结冷胶分子抑制了淀粉颗粒的重新排列，从而达到抑制淀粉糊化的作用[24]。3种胶体与马铃薯淀粉形成凝胶的回生值均为负值且升高，在降温过程中亲水胶体分子链伸展，更易与淀粉可溶性组分间以氢键相互靠近[25]，从而使分子间聚集作用增强，引起回生值的增加。不同胶体形成的凝胶体系的崩解值均呈下降趋势，其中PS-
PGG最为明显，这可能是因为结冷胶与淀粉胶体形成的空间网络结构[26]，增强了淀粉分子间的空间位阻，提高了马铃薯淀粉凝胶体系的稳定性。凝胶体系稳定性的提升为3D打印样品的成型和贮藏稳定性提供了保
表3 不同胶体对马铃薯淀粉凝胶黏度影响
2.8 不同胶体对马铃薯淀粉凝胶热特性的影响
表4为不同胶体对马铃薯淀粉凝胶体系热力学性质影响的分析结果。由表4可知，PS、PS- PG、PS- PGG、PS- PC凝胶体系的最终糊化温度分别为79.75、79.94、81.03、83.59 ℃。添加胶体后，凝胶体系最终糊化温度呈升高趋势，可能是由于胶体的加入增加了淀粉分子链的密度，分子链的交联和缠绕作用增强，凝胶体系形成更多的交联区域，凝胶体系的稳定性提高[27]。可得然胶的最终糊化温度最高，可能是可得然胶多糖链起到了稳定空间结构的作用。PS、PS- PG、PS- PGG、PS- PC凝胶体系的焓值分别为12.13、10.30、10.75、11.61 J/g。与马铃薯淀粉凝胶相比，马铃薯淀粉复合凝胶体系焓值均呈降低的趋势，可能是因为胶体分子降低了凝胶体系的水分活度，淀粉颗粒结晶区部分糊化，焓值降低。马铃薯淀粉复合凝胶体系焓值的降低有利于马铃薯淀粉分子受热解旋，改善了马铃薯淀粉复合材料温敏特性，可提高马铃薯淀粉基食品材料3D打印的加工适宜性。
表4 不同胶体对马铃薯淀粉凝胶热力学性质的影响
2.9 不同胶体对马铃薯淀粉凝胶3D打印稳定性的影响
表5为不同胶体对马铃薯淀粉凝胶体系3D打印稳定性分析结果。由表3可知，添加胶体后，样品的冷藏储存直径和高度与打印结果更为接近，说明打印后样品的回缩性降低，胶体的加入显著提升了样品的3D打印稳定性，这与本研究质构特性中硬度增加的结果相符。与打印样品相比，马铃薯淀粉胶体冷藏后直径和高度分别降低12.7%、4.9%，而PS- PGG冷藏后直径和高度仅降低了0.6%、0.4%，表明PS- PGG稳定性最好，结冷胶能较好地保持样品储存后形状的稳定性，这可能是因为结冷胶胶体具有合适的硬度，呈现较好的支撑特性。本研究表明，马铃薯淀粉凝胶体系具有良好的凝胶强度，可较好地保持打印产品的形状和结构。
表5 不同胶体对马铃薯淀粉凝胶体系3D打印稳定性的影响
不同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。
3 结 论
本研究以马铃薯淀粉和分离蛋白糖接枝产物作为基础原料，研究了添加不同胶体对马铃薯淀粉基材料3D打印特性的影响。采用糖基化产物联合胶体复配技术优化了马铃薯淀粉3D打印材料的打印性和稳定性，提高了马铃薯淀粉3D打印产品的成型效果和稳定性。研究发现，3种食品胶体均显著提高了马铃薯淀粉基食品材料的3D打印特性，明胶增强了马铃薯淀粉凝胶体系的胶凝性和机械强度，改善了马铃薯淀粉基材料的温敏性；结冷胶能够使样品呈现较好的凝胶色泽，形成了稳定的网络结构，提升了凝胶体系的3D打印稳定性，使得凝胶能够顺利打印且保持较好的形状；可得然胶提升了马铃薯淀粉的硬度，使结构稳定，避免了打印塌陷。3种胶体的添加均改善了马铃薯淀粉凝胶体系的3D打印效果，并且能够在室温下较长时间存放，较好地保持了产品形状的稳定性。
参考文献：（略）
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