特色食用菌及淀粉類食品3D打印的研究進展

來源： 生鮮食品探究

谷物和食用菌是我國最具代表性的兩類大宗食品原料，其產量逐年攀升，但加工占比及精深加工水平較低，大部分仍停留在粗加工、初級產品層次，直接導致農業(yè)產品產業(yè)經濟效益低、市場競爭力差、發(fā)展緩慢。

近年來，依托國家自然科學青年基金項目和江蘇省重大科技專項-現(xiàn)代農業(yè)項目的資助，南京財經大學“食用菌營養(yǎng)與精深加工”胡秋輝教授團隊楊帆博士課題組對特色食用菌及淀粉類食品3D打印開展了系列研究，利用改性加工技術對大宗食用菌中的優(yōu)質多糖和谷物中的淀粉進行分子質構重組，利用淀粉與食用菌多糖之間的分子互作來改善相應食品的流變特性，從而提升食品的3D打印特性；建立淀粉多尺度結構與3D打印過程精確度、口感和消化特性之間的構效關系；通過3D打印技術對其重組體系進行定制化增材加工，形成對食用菌-谷物淀粉重新設計的關鍵核心加工技術，實現(xiàn)對食品基材的“精準”及“定制化”加工，為新型可定制化健康食品的開發(fā)提供新思路。取得的具體研究進展如下。

一、含金針菇多糖的特色食用菌食品3D打印研究進展

大豆分離蛋白凝膠食品的3D打印研究較多，但是在凝膠塑型上存在問題。為了改善3D打印水凝膠的物理性能，大豆分離蛋白可以與其他水膠體形成復合物，如金針菇多糖。課題組研究評估了大豆分離蛋白和金針菇多糖復合物的3D打印準確性和穩(wěn)定性。3D打印后經過熱處理的復合材料的凝膠準確度大于99.7%、穩(wěn)定性大于99.9%。加入金針菇多糖和熱處理使凝膠的粘性更小、強度更強，微觀結構更均勻、更致密。大豆蛋白的熱變性和從金針菇多糖中引入-OH以增強β-折疊可能是凝膠特性改善的原因。研究發(fā)現(xiàn)，金針菇多糖和熱加工能夠增強凝膠的食品3D打印加工性質，可以針對兒童、老年人和其他有特殊需求的消費者進行營養(yǎng)方面的設計。

圖1. 含金針菇多糖的特色食用菌食品3D打印研究

二、含淀粉多尺度結構的特色食品3D打印研究進展

淀粉基凝膠可以通過3D打印來制造食品。預實驗證明將海藻酸鈉添加到淀粉凝膠中可以增強相應3D打印產品的形狀穩(wěn)定性。這啟發(fā)了我們假設黃原膠（也是一種常見的增稠劑）可能在以下方面發(fā)揮類似的作用：3D打印實驗中結構化淀粉復合凝膠。產品的幾何精度及其流變特性、水分狀態(tài)分布和掃描電子顯微鏡圖像通過添加不同量的海藻酸鈉、黃原膠，以及用于擠出的海藻酸鈉/黃原膠3D打印。計算流體動力學 (CFD) 模擬用于模擬3D打印過程。結果表明，形成了具有相對較高擠出性和形狀保持性的假塑性凝膠。3D打印的淀粉凝膠采用添加海藻酸鈉和黃原膠的優(yōu)化配方，表現(xiàn)出最好的幾何精度、形狀穩(wěn)定性、適當?shù)哪�膠形成特性和物理特性。添加適量的海藻酸鈉和黃原膠有助于形成3D打印淀粉基產品，具有潛在食品的技術可行性。模擬3D打印過程的CFD模型解釋了由于直徑變化和這種不均勻性而導致的流動通道中的速度分布導致3D打印過程中流體膨脹。

課題組選取最常用的海藻酸鈉作為增稠劑，用于淀粉復合凝膠的3D打印。然而，淀粉和SA 3D打印的打印窗口和機理凝膠的成分仍不清楚。幾何精度、流變性能、小角X射線散射采用SAXS和掃描電子顯微鏡（SEM）對淀粉復合凝膠及其制品進行評價獲得結構-性能-3D打印能力和準確性。計算流體動力學 (CFD) 模擬用于模擬3D打印過程。結果表明SA能夠改善淀粉凝膠3D打印的可行性。然而，成功的打印區(qū)域受到3D打印的限制為普通玉米淀粉（NMS）/SA復合凝膠制備的窗口。SAXS數(shù)據(jù)表明較小的網格尺寸有助于提高儲能模量。主成分分析(PCA)和相關分析表明，幾何精度與流變性能密切相關復合凝膠。CFD模型解釋了流動通道中速度分布不均勻的原因：擠壓材料直徑的變化，在3D打印過程中引起擠壓膨脹效應。本研究為淀粉基3D打印的材料的標準化和質量控制提供了理論依據(jù)。

圖2. 淀粉多尺度結構在食品3D打印中的機理研究

三、含淀粉的復合凝膠食品3D打印研究進展
課題組通過機理模型系統(tǒng)闡釋了淀粉在3D打印過程中先展開再互相纏繞，加上淀粉與牛奶蛋白之間電荷形成的化學親和力，賦予了凝膠更好的流變性質（兼具流動性和形狀穩(wěn)定性），從而具備更好的3D打印特性，旨在通過調節(jié)3D打印工藝參數(shù)從而對牛奶復合凝膠進行3D打印，為不同咀嚼能力的人群設計的個性化食品的制造提供新思路。

3D打印技術作為一種新興的制造技術，通過逐層添加的制造方式可以進一步提高已經比較受歡迎的牛奶復合凝膠（俗稱“奶油小方”）的質構與口感。該研究首先對原有的牛奶蛋白復合凝膠材料的制備方法進行調整，在確保原有的良好口味基本不變的條件下，將材料的可打印特性最優(yōu)化。然后，確立統(tǒng)一的3D打印模型，利用3D打印控制軟件改變3D打印條件（主要包括填充周長、填充度和填充圖案等），對之前優(yōu)化可打印特性的牛奶復合凝膠材料進行3D打印，得到基于同一打印模型的不同內部結構的3D打印產品。最后通過對3D打印產品的流變特性、幾何精度、結構特性和微觀結構進行綜合比較與分析。最終證明了3D打印食品技術可以通過調節(jié)和控制填充周長、填充度和填充圖案等3D打印工藝參數(shù)，為定制擁有特殊質構特性的3D打印食品提供了新方法。

圖3. 含淀粉的復合凝膠食品3D打印研究

團隊介紹
楊帆博士（碩士生導師）于2013-2018年在江南大學食品學院張慜教授團隊攻讀博士學位，畢業(yè)后加入南京財經大學食用菌營養(yǎng)與精深加工研究團隊。楊帆博士致力于谷物及果蔬等3D打印食品的研發(fā)與應用。目前主持國家自然科學青年基金、江蘇省自然科學基金和江蘇省高等學校自然科學基金等多項縱向課題。相關成果發(fā)表論文14篇，其中SCI論文包括熱點論文、高被引論文和封面論文。他是Carbohydrate Polymers、Food Hydrocolloids和Food Research International等多個主流TOP SCI期刊的審稿人。申請發(fā)明專利5項，其中授權發(fā)明專利3項。開展校企合作橫向課題，相關技術已在多家企業(yè)進行合作示范。
南京財經大學食用菌營養(yǎng)與精深加工研究團隊主持國家自然科學基金、江蘇省科技廳重點項目等省部級以上科技項目數(shù)十余項，公開發(fā)表研究論文近300篇，授權發(fā)明專利數(shù)十余項。團隊依托江蘇省重點實驗室，主要研究方向圍繞：

（1）食品功能性成分高效制備及活性評價；
（2）食用菌采后保鮮、加工技術及其過程精準控制技術創(chuàng)制；
（3）食用菌多糖、蛋白等功能組分結構特征、理化性質、營養(yǎng)功能作用機理研究；
（4）食用菌各組分功能特性在生產、加工和貯藏期間的變化規(guī)律等“卡脖子”技術與理論難題，開展基礎理論研究與應用創(chuàng)新，形成多學科融合交叉的研究平臺和科研團隊。相關研究內容重點為挖掘新型食用菌功能組分并揭示相關作用機理，為提高食用菌加工和綜合利用水平奠定基礎。近5年來獲教育部技術發(fā)明二等獎、江蘇省科學技術進步一等獎和江蘇省教學成果一等獎等榮譽。

△南京財經大學楊帆博士所在食用菌營養(yǎng)與精深加工研究團隊近期合影