3D打印糯米粑及參數優化

陳嶸嶸,王夢圓,鄧雨冰,劉錦璇,劉耀文

(四川農業大學 食品學院,四川 雅安,625014)

隨著生活方式的改變,消費者對食品的口感、外觀、營養等方面提出了更高的要求。為了滿足公眾的需求,許多學者利用3D打印技術創造了營養和健康程度更高的新產品,如含有益生菌的休閑食品[1]和含有可食用昆蟲或藻類的個性化零食[2]。研究結果表明,食品3D打印是創建個性化產品的有用工具。目前,基于擠出方式的打印是3D食品應用中最受歡迎和研究最廣泛的方法[3]。當料漿被推入打印針時,設備會根據預先設計的模型沉積在目標板上。使用3D打印技術生產食品時,為了獲得美觀、精確的產品,必須仔細評估材料的特性,合適的食品材料以及配方對于實現高精度3D打印至關重要[4]。此外,打印過程中的工藝參數也會影響食品的精度和尺寸。

小麥粉(wheat flour,WF)是許多食物的重要原料,小麥面筋是小麥粉中獨特的蛋白質,具有獨特的黏彈性,它在面團中發揮著不可替代的作用,并影響小麥制品的質量[5]。糯米中含有大量的支鏈淀粉(占總淀粉的>98%),具有較高的黏性,質地柔軟,常被用來制作年糕、糖果和糯米粑等產品[6],其中,糯米粑以其口感爽滑、風味濃郁深受消費者喜愛。然而,目前大多數糯米粑仍然是手工制作的,呈現出的形式單一,很難在市場上贏得更多的消費者。因此,本研究首先探討了不同質量比的WF/糯米粉(glutinous rice flour,GRF)對糯米粑面團的影響以及其適打印性,然后對打印工藝進行優化,最后,利用優化的工藝參數打印糯米粑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

WF(中筋,蛋白質11%),益海嘉里食品有限公司;GRF(蛋白質6%),泰國初興米粉廠有限公司;礦泉水,農夫山泉股份有限公司;糯米粑(GRF45%),四川省雅安市超市。

1.2 儀器與設備

SUI510掃描電子顯微鏡,日本日立有限公司;NICOLET IS10傅立葉紅外光譜儀,美國賽默飛尼高力儀器有限公司;Q200MDSC差式掃描量熱儀,上海萊?？茖W儀器有限公司;TA.XT Express C物性分析儀,英國Stable Micro Systems公司;3D打印系統,成都綠芯科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 糯米粑面團的制備

WF和GRF以質量比50∶0、46∶4、42∶8、38∶12和34∶16均勻混合后分別加水,然后在面團混合器中混合10 min,最后貯存在4 ℃以備使用。其中混合面粉和水的質量比為50∶33。

1.3.2 糯米粑面團掃描電鏡分析

將糯米粑面團冷凍干燥后粘在樣品平臺上,噴金處理后進行電鏡掃描。

1.3.3 糯米粑面團質構特性測定

使用TA.XT Express C物性分析儀,用P/50探頭測試糯米粑面團的硬度、黏附性、回復性和彈性。

1.3.4 糯米粑面團二級結構測定

使用NICOLET IS10傅立葉紅外光譜儀測定糯米粑面團的紅外光譜。將冷凍干燥的糯米粑面團磨成粉末狀(1 mg)與溴化鉀粉末(100 mg)混合,在分辨率為4 cm-1的情況下,在4 000～650 cm-1處進行32次掃描,記錄光譜。用Omnic 8.2和Perkfit 4.12軟件選取酰胺I帶、基線校準、卷積處理、二階導數擬合、多次擬合等,通過計算峰面積確定各二級結構的相對含量。

1.3.5 糯米粑面團的熱力學性質測定

用差示掃描量熱儀進行升溫測定,以空坩堝作參比。將糯米粑面團冷凍干燥并研磨成粉末,然后倒入去離子水并蓋上坩堝蓋。測試前,將待測樣在4 ℃下保存24 h。掃描在氮氣環境中進行,溫度為20～95 ℃,加熱速度為10 ℃/min。

1.3.6 糯米粑面團3D打印適應性測定及打印參數優化

1.3.6.1 糯米粑面團3D打印適應性測定

試驗中的3D打印形狀是立方體(25 mm×25 mm×10 mm),用游標卡尺測量打印立方體的長度、寬度和高度。每個比例的糯米粑面團都被打印3次,打印糯米粑的圖片是最接近實驗平均結果的圖片。根據4個特征(尺寸、填充率、連續性和整體形狀)對用每種比例打印的糯米粑評分,每個特征的最大得分為2.5分,總分為10分。其他打印參數:打印速率10 mm/s、針徑0.80 mm、壓縮壓力400 kPa。

1.3.6.2 壓縮壓力對打印糯米粑質量的影響

選取1.3.6.1節打印分數較高的3組比例的糯米粑面團探討在300～500 kPa壓縮壓力下對打印糯米粑質量的影響,每個比例的糯米粑面團都被打印3次,打印糯米粑的圖片是最接近實驗平均結果的圖片。其他打印參數:打印速率10 mm/s、針徑0.80 mm和內部填充率100%。

1.3.6.3 內部填充率對糯米粑質量的影響

探討不同內部填充率(20%、40%、60%、80%和100%)對糯米粑質量的影響。用游標卡尺測量打印圓柱體的高度,每個比例的糯米粑面團都被打印3次,打印糯米粑的圖片是最接近實驗平均結果的圖片。3D打印形狀是圓柱體(直徑=25 mm),其他打印參數:打印速率10 mm/s和針徑0.80 mm。

1.3.7 糯米粑的3D打印與感官評價

根據配方將WF和GRF混合,然后加水,并在面團攪拌機中攪拌10 min,以獲得均勻的糯米粑面團,整個打印過程在室溫下進行,最后將打印好的糯米粑放入預熱的電飯鍋中,將其在100 ℃下蒸15 min,蒸熟后,將糯米粑在室溫下冷卻并貯存在密封袋中以供進一步分析。打印參數為上述優化的3D打印參數。

在這項研究中,負責感官評估的團隊成員具有良好的感官辨別能力。評估小組成員的年齡為20～35歲,具有食品專業背景且不屬于該研究小組。使用九分制評估法對3D打印的糯米粑與市售糯米粑進行評估(表1)。

1.4 數據處理

最終結果表示為多個樣本的平均數±標準偏差。使用SPSS 22軟件對數據進行顯著性分析,采用ANOVA進行Duncan多重差異分析(P<0.05),并用Origin 2018進行數據處理及繪圖。

2 結果與分析

2.1 糯米粑面團掃描電鏡分析

根據掃描電鏡圖像可以直觀比較不同比例的糯米粑面團在微觀結構上的差異。在面團形成過程中,面團的結構變化主要與淀粉和蛋白質間的相互作用有關[7]。如圖1所示,小麥淀粉呈橢圓形且表面光滑,面筋蛋白呈片狀附著其上,將其包裹成一個整體。所有糯米粑面團都暴露出不同數量和大小的淀粉顆粒,其中50∶0的比例暴露出最少的淀粉顆粒,具有最緊湊的面筋網狀結構,隨GRF含量增加,暴露出的淀粉顆粒越來越多,面筋網狀結構越來越疏松[8]。結果表明,添加GRF會降低面筋的穩定性和連續性。

a-50∶0;b-46∶4;c-42∶8;d-38∶12;e-34∶16

2.2 糯米粑面團的質構特性分析

圖2顯示了不同WF/GRF質量比的糯米粑面團質構特性。隨著GRF含量的增加,糯米粑面團的硬度顯著增加(P<0.05)。當GRF的用量為16 g時,糯米粑面團的硬度從(26.45±0.85) N增加到(83.39±9.03) N,顯著高于純WF面團(P<0.05)。這可能是因為面團硬度與其吸水能力有關,在用水量一定且GRF代替部分WF時,由于GRF優異的保水能力,會使WF中面筋結合的水分減少,分子間相互作用增加,從而增加糯米粑面團硬度[9]。另外隨著GRF的增加,糯米粑面團的黏附性顯著降低(P<0.05)?；貜托苑从沉嗣鎴F在受到外力作用后的恢復情況?；貜托栽礁?面團在受到外力后恢復到初始狀態的速度就越快[10]。從圖2-c中可以看出,當加入12 g GRF時,回復性達到最大值,表明此配比的糯米粑面團可以迅速恢復到初始狀態。最后,從圖2-d看出,加入GRF對糯米粑面團的彈性影響較小。

a-硬度;b-黏附性;c-回復性;d-彈性

2.3 糯米粑面團的二級結構分析

通過紅外光譜分析蛋白質二級結構變化。如圖3所示,糯米粑面團中β-轉角含量最高,其次是β-折疊、無規卷曲和α-螺旋。隨GRF增加,無規卷曲含量增加,β-折疊的含量趨于下降,β-折疊含量從(30.43±4.75)%下降至(23.09±1.65)%。結果表明,GRF的增加誘導二級結構的變化,使得有序的二級結構(β-折疊)變為不太規則的無規卷曲,這主要是由于多肽鏈和蛋白質鏈之間的氫鍵被中斷,分子間氫鍵的相互作用減弱,造成連續的面筋網絡被破壞,暴露出更多淀粉顆粉。這與CHEN等[11]研究一致,β-折疊的減少表明面筋蛋白分子間氫鍵相互作用減弱,降低面筋蛋白穩定性。

圖3 不同比例WF/GRF的二級結構占比變化

2.4 糯米粑面團的熱力學性質分析

淀粉糊化是指淀粉在高溫下膨脹和分裂形成均勻糊狀溶液的特性。糊化溫度反映了淀粉的結晶熱穩定性,糊化焓(ΔH)反映了打破淀粉雙螺旋結構所需的能量[12]。表2顯示了不同糯米粑面團的熱力學結果。隨著GRF含量的增加,初始糊化溫度(T0)、峰值糊化溫度(Tp)和糊化結束溫度(Tc)均趨于上升,但ΔH相對穩定。因此,結果表明,添加GRF后,糯米粑面團的結晶穩定性增強,糊化行為受到抑制,糊化溫度升高,熱穩定性得到提高。然而,GRF對晶體結構和雙螺旋結構的影響不大[13]。XIE等[14]也報道了類似的結果,這可能與GRF和淀粉之間的競爭性吸水有關。在糊化階段,高吸水性的GRF防止水分進入淀粉顆粒,從而阻礙淀粉的糊化,增加糯米粑面團的熱穩定性。這一結果與面團的質構特性結果一致,并進一步解釋了添加GRF對糯米粑面團結構的影響。

表2 不同糯米粑面團的熱穩定性參數和打印糯米粑照片Table 2 Thermal stability parameters of different glutinous rice cakes and photos of printed glutinous rice cakes

2.5 糯米粑面團的3D打印適應性及打印參數優化分析

2.5.1 糯米粑的3D打印適應性分析

為評估不同比例的WF/GRF面團的打印性能(可打印性和穩定性),將糯米粑面團打印成立方體。從表2可知,隨GRF含量增加,立方體內部紋理逐漸清晰,打印分數總體呈先升后降的趨勢,其中50∶0的打印分數比46∶4高,但成型狀態不如46∶4,是由于50∶0比例相比于46∶4的比例在打印糯米粑過程中從噴嘴擠出的料漿出現輕微的堆積,保持形狀的能力略差,但綜合尺寸、填充率、連續性和整體形狀這4個特征,50∶0比例相比于46∶4的比例打印的糯米粑又略好。當WF/GRF為42∶8時獲得最高分數,此時打印出的立方體與參數模型相似,內部紋理清晰,打印時出料口的料漿連續,沒有出現堆積和不連續的情況,但是長度、寬度和高度都稍偏大,這是由于打印過程中打印參數不匹配造成的,因此,找到合適的打印參數尤為重要。

2.5.2 壓縮壓力對打印糯米粑質量的影響

根據2.5.1節選取打印分數較高的3組評估不同壓縮壓力對打印糯米粑質量的影響。圖4展示了50∶0、42∶8和38∶12三種配比在300～500 kPa壓縮壓力下的打印照片。如圖4所示,當WF/GRF為50∶0時,所有壓力下打印出的糯米粑都出現堆積。當WF/GRF為42∶8,壓縮壓力為300 kPa時,打印出的糯米粑不完整,隨著壓縮壓力的升高,完整性提高,當壓縮壓力為400 kPa時,糯米粑最為完整,然后隨著壓縮壓力的進一步升高,過多的料漿從噴嘴擠出,出現堆積,38∶12的配比也出現了類似的現象。結果表明,壓縮壓力與擠出料漿的厚度呈正相關。在低壓縮壓力下,從針頭擠出漿料的厚度低于針口并且沉積在比實際設計更窄的區域;在高壓縮壓力下,從針頭擠出料漿厚度高于針口,并且過多的料漿沉積在比實際設計更寬的區域上,同時內部紋理不清晰,樣品變形[15]。

圖4 不同壓縮壓力下打印的糯米粑照片

2.5.3 內部填充率對糯米粑質量的影響

內部支撐結構在防止復雜3D結構倒塌,維持其基本形狀方面發揮著重要作用。根據初步實驗結果,選取WF/GRF質量比為42∶8,壓縮壓力為400 kPa以探討內部填充率對3D打印糯米粑打印質量的影響。結果表明,不同填充率下打印的糯米粑基本上都是圓柱體,但不同的內部填充率不同程度地影響了糯米粑的打印高度。隨著填充率的增加,允許堆疊高度變得越來越高(圖5-b和5-c)。對于20%的填充率,當打印高度為(12.14±0.47) mm時,糯米粑的邊緣及內部的紋理開始出現變形。對于100%的填充率,當打印高度為(37.20±0.63) mm時出現變形。值得注意的是,當填充率未到100%時,打印的糯米粑內部線條幾乎布滿整個圓面,這可能是由于印刷沉積過程中線條在重力作用下的變形和從針擠出過程中的線條膨脹引起的[16]。60%的填充率相較于20%、40%、80%和100%的填充率,在以上打印條件下,打印的糯米粑保持良好形狀且不變形的高度最高,為(41.08±0.23) mm。較小的填充率降低了糯米粑的支撐強度,使得允許打印的高度降低,內部紋理雜亂,較大的填充率使糯米粑頂端料漿出現輕微的堆積,影響美觀,間接影響糯米粑的打印高度。

a-填充率為20%、40%、60%、80%和100%的圓柱體模型;b-不同 填充率下允許堆疊最高高度照片;c-不變形條件下不同填充率允許 堆疊最高高度照片;d-不變形條件下不同填充率允許堆疊最高高度 照片(俯視圖);e-變形和不變形條件下不同填充率 允許堆疊的最高高度

2.6 糯米粑的3D打印與感官評價

根據上述優化參數,選擇WF/GRF為42∶8來制作糯米粑。根據圖6-a中的打印模型打印糯米粑。如圖6-b和6-c所示,將優化的工藝參數用于3D食品打印,打印的所有糯米粑都具有與設計模型高度相似的外觀。蒸好的糯米粑的色澤、氣味、組織結構、口感和外觀分數如圖6-e所示。與市售糯米粑相比,3D打印的糯米粑在氣味、組織結構和口感上差異不大(P≥0.05)。但3D打印的糯米粑在顏色上相對較差,主要原因可能是3D打印的糯米粑與市售糯米粑中GRF相差16%,使市售糯米粑的顏色比3D打印的糯米粑更透亮。此外,與市售糯米粑相比,3D打印的糯米粑在外觀方面得分更高。這主要是因為3D食品打印能夠定制和控制產品的外觀。

a-3D打印的模型照片;b-不同模型下拍攝的3D打印照片; c-蒸后拍攝的不同模型的3D打印照片;d-市售糯米粑圖片; e-感官評價

3 結論

本試驗研究了不同質量比的WF和GRF對糯米粑面團結構和3D打印糯米粑質量的影響。結果表明,GRF的加入會削弱面筋蛋白分子之間的氫鍵相互作用,破壞連續的面筋網絡,暴露出更多的淀粉顆粒,提高糯米粑面團的硬度,使打印出來的糯米粑內部紋理逐漸清晰。通過優化打印參數,確定WF/GRF為42∶8的最佳壓縮壓力和內部填充率為400 kPa和60%,用該比例和打印條件打印的糯米粑具有較高的分辨率。