3D打印糯米粑及參數(shù)優(yōu)化

陳嶸嶸,王夢(mèng)圓,鄧雨冰,劉錦璇,劉耀文

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院,四川 雅安,625014)

隨著生活方式的改變,消費(fèi)者對(duì)食品的口感、外觀、營(yíng)養(yǎng)等方面提出了更高的要求。為了滿足公眾的需求,許多學(xué)者利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造了營(yíng)養(yǎng)和健康程度更高的新產(chǎn)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(gè)性化零食[2]。研究結(jié)果表明,食品3D打印是創(chuàng)建個(gè)性化產(chǎn)品的有用工具。目前,基于擠出方式的打印是3D食品應(yīng)用中最受歡迎和研究最廣泛的方法[3]。當(dāng)料漿被推入打印針時(shí),設(shè)備會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的模型沉積在目標(biāo)板上。使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)食品時(shí),為了獲得美觀、精確的產(chǎn)品,必須仔細(xì)評(píng)估材料的特性,合適的食品材料以及配方對(duì)于實(shí)現(xiàn)高精度3D打印至關(guān)重要[4]。此外,打印過(guò)程中的工藝參數(shù)也會(huì)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(dú)特的蛋白質(zhì),具有獨(dú)特的黏彈性,它在面團(tuán)中發(fā)揮著不可替代的作用,并影響小麥制品的質(zhì)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(zhì)地柔軟,常被用來(lái)制作年糕、糖果和糯米粑等產(chǎn)品[6],其中,糯米粑以其口感爽滑、風(fēng)味濃郁深受消費(fèi)者喜愛(ài)。然而,目前大多數(shù)糯米粑仍然是手工制作的,呈現(xiàn)出的形式單一,很難在市場(chǎng)上贏得更多的消費(fèi)者。因此,本研究首先探討了不同質(zhì)量比的WF/糯米粉(glutinous rice flour,GRF)對(duì)糯米粑面團(tuán)的影響以及其適打印性,然后對(duì)打印工藝進(jìn)行優(yōu)化,最后,利用優(yōu)化的工藝參數(shù)打印糯米粑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

WF(中筋,蛋白質(zhì)11%),益海嘉里食品有限公司;GRF(蛋白質(zhì)6%),泰國(guó)初興米粉廠有限公司;礦泉水,農(nóng)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(shè)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(guó)賽默飛尼高力儀器有限公司;Q200MDSC差式掃描量熱儀,上海萊睿科學(xué)儀器有限公司;TA.XT Express C物性分析儀,英國(guó)Stable Micro Systems公司;3D打印系統(tǒng),成都綠芯科技有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 糯米粑面團(tuán)的制備

WF和GRF以質(zhì)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(tuán)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(zhì)量比為50∶33。

1.3.2 糯米粑面團(tuán)掃描電鏡分析

將糯米粑面團(tuán)冷凍干燥后粘在樣品平臺(tái)上,噴金處理后進(jìn)行電鏡掃描。

1.3.3 糯米粑面團(tuán)質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定

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

1.3.4 糯米粑面團(tuán)二級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定

使用NICOLET IS10傅立葉紅外光譜儀測(cè)定糯米粑面團(tuán)的紅外光譜。將冷凍干燥的糯米粑面團(tuán)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(jìn)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(zhǔn)、卷積處理、二階導(dǎo)數(shù)擬合、多次擬合等,通過(guò)計(jì)算峰面積確定各二級(jí)結(jié)構(gòu)的相對(duì)含量。

1.3.5 糯米粑面團(tuán)的熱力學(xué)性質(zhì)測(cè)定

用差示掃描量熱儀進(jìn)行升溫測(cè)定,以空坩堝作參比。將糯米粑面團(tuán)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(cè)試前,將待測(cè)樣在4 ℃下保存24 h。掃描在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行,溫度為20～95 ℃,加熱速度為10 ℃/min。

1.3.6 糯米粑面團(tuán)3D打印適應(yīng)性測(cè)定及打印參數(shù)優(yōu)化

1.3.6.1 糯米粑面團(tuán)3D打印適應(yīng)性測(cè)定

試驗(yàn)中的3D打印形狀是立方體(25 mm×25 mm×10 mm),用游標(biāo)卡尺測(cè)量打印立方體的長(zhǎng)度、寬度和高度。每個(gè)比例的糯米粑面團(tuán)都被打印3次,打印糯米粑的圖片是最接近實(shí)驗(yàn)平均結(jié)果的圖片。根據(jù)4個(gè)特征(尺寸、填充率、連續(xù)性和整體形狀)對(duì)用每種比例打印的糯米粑評(píng)分,每個(gè)特征的最大得分為2.5分,總分為10分。其他打印參數(shù):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(duì)打印糯米粑質(zhì)量的影響

選取1.3.6.1節(jié)打印分?jǐn)?shù)較高的3組比例的糯米粑面團(tuán)探討在300～500 kPa壓縮壓力下對(duì)打印糯米粑質(zhì)量的影響,每個(gè)比例的糯米粑面團(tuán)都被打印3次,打印糯米粑的圖片是最接近實(shí)驗(yàn)平均結(jié)果的圖片。其他打印參數(shù):打印速率10 mm/s、針徑0.80 mm和內(nèi)部填充率100%。

1.3.6.3 內(nèi)部填充率對(duì)糯米粑質(zhì)量的影響

探討不同內(nèi)部填充率(20%、40%、60%、80%和100%)對(duì)糯米粑質(zhì)量的影響。用游標(biāo)卡尺測(cè)量打印圓柱體的高度,每個(gè)比例的糯米粑面團(tuán)都被打印3次,打印糯米粑的圖片是最接近實(shí)驗(yàn)平均結(jié)果的圖片。3D打印形狀是圓柱體(直徑=25 mm),其他打印參數(shù):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(píng)價(jià)

根據(jù)配方將WF和GRF混合,然后加水,并在面團(tuán)攪拌機(jī)中攪拌10 min,以獲得均勻的糯米粑面團(tuán),整個(gè)打印過(guò)程在室溫下進(jìn)行,最后將打印好的糯米粑放入預(yù)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(jìn)一步分析。打印參數(shù)為上述優(yōu)化的3D打印參數(shù)。

在這項(xiàng)研究中,負(fù)責(zé)感官評(píng)估的團(tuán)隊(duì)成員具有良好的感官辨別能力。評(píng)估小組成員的年齡為20～35歲,具有食品專業(yè)背景且不屬于該研究小組。使用九分制評(píng)估法對(duì)3D打印的糯米粑與市售糯米粑進(jìn)行評(píng)估(表1)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

最終結(jié)果表示為多個(gè)樣本的平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)偏差。使用SPSS 22軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析,采用ANOVA進(jìn)行Duncan多重差異分析(P<0.05),并用Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 糯米粑面團(tuán)掃描電鏡分析

根據(jù)掃描電鏡圖像可以直觀比較不同比例的糯米粑面團(tuán)在微觀結(jié)構(gòu)上的差異。在面團(tuán)形成過(guò)程中,面團(tuán)的結(jié)構(gòu)變化主要與淀粉和蛋白質(zhì)間的相互作用有關(guān)[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(gè)整體。所有糯米粑面團(tuán)都暴露出不同數(shù)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu),隨GRF含量增加,暴露出的淀粉顆粒越來(lái)越多,面筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越來(lái)越疏松[8]。結(jié)果表明,添加GRF會(huì)降低面筋的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

a-50∶0;b-46∶4;c-42∶8;d-38∶12;e-34∶16

2.2 糯米粑面團(tuán)的質(zhì)構(gòu)特性分析

圖2顯示了不同WF/GRF質(zhì)量比的糯米粑面團(tuán)質(zhì)構(gòu)特性。隨著GRF含量的增加,糯米粑面團(tuán)的硬度顯著增加(P<0.05)。當(dāng)GRF的用量為16 g時(shí),糯米粑面團(tuán)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(tuán)(P<0.05)。這可能是因?yàn)槊鎴F(tuán)硬度與其吸水能力有關(guān),在用水量一定且GRF代替部分WF時(shí),由于GRF優(yōu)異的保水能力,會(huì)使WF中面筋結(jié)合的水分減少,分子間相互作用增加,從而增加糯米粑面團(tuán)硬度[9]。另外隨著GRF的增加,糯米粑面團(tuán)的黏附性顯著降低(P<0.05)。回復(fù)性反映了面團(tuán)在受到外力作用后的恢復(fù)情況。回復(fù)性越高,面團(tuán)在受到外力后恢復(fù)到初始狀態(tài)的速度就越快[10]。從圖2-c中可以看出,當(dāng)加入12 g GRF時(shí),回復(fù)性達(dá)到最大值,表明此配比的糯米粑面團(tuán)可以迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)。最后,從圖2-d看出,加入GRF對(duì)糯米粑面團(tuán)的彈性影響較小。

a-硬度;b-黏附性;c-回復(fù)性;d-彈性

2.3 糯米粑面團(tuán)的二級(jí)結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)紅外光譜分析蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)變化。如圖3所示,糯米粑面團(tuán)中β-轉(zhuǎn)角含量最高,其次是β-折疊、無(wú)規(guī)卷曲和α-螺旋。隨GRF增加,無(wú)規(guī)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(jié)果表明,GRF的增加誘導(dǎo)二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化,使得有序的二級(jí)結(jié)構(gòu)(β-折疊)變?yōu)椴惶?guī)則的無(wú)規(guī)卷曲,這主要是由于多肽鏈和蛋白質(zhì)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(xù)的面筋網(wǎng)絡(luò)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(wěn)定性。

圖3 不同比例WF/GRF的二級(jí)結(jié)構(gòu)占比變化

2.4 糯米粑面團(tuán)的熱力學(xué)性質(zhì)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(jié)晶熱穩(wěn)定性,糊化焓(ΔH)反映了打破淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)所需的能量[12]。表2顯示了不同糯米粑面團(tuán)的熱力學(xué)結(jié)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(jié)束溫度(Tc)均趨于上升,但ΔH相對(duì)穩(wěn)定。因此,結(jié)果表明,添加GRF后,糯米粑面團(tuán)的結(jié)晶穩(wěn)定性增強(qiáng),糊化行為受到抑制,糊化溫度升高,熱穩(wěn)定性得到提高。然而,GRF對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和雙螺旋結(jié)構(gòu)的影響不大[13]。XIE等[14]也報(bào)道了類似的結(jié)果,這可能與GRF和淀粉之間的競(jìng)爭(zhēng)性吸水有關(guān)。在糊化階段,高吸水性的GRF防止水分進(jìn)入淀粉顆粒,從而阻礙淀粉的糊化,增加糯米粑面團(tuán)的熱穩(wěn)定性。這一結(jié)果與面團(tuán)的質(zhì)構(gòu)特性結(jié)果一致,并進(jìn)一步解釋了添加GRF對(duì)糯米粑面團(tuán)結(jié)構(gòu)的影響。

表2 不同糯米粑面團(tuán)的熱穩(wěn)定性參數(shù)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(tuán)的3D打印適應(yīng)性及打印參數(shù)優(yōu)化分析

2.5.1 糯米粑的3D打印適應(yīng)性分析

為評(píng)估不同比例的WF/GRF面團(tuán)的打印性能(可打印性和穩(wěn)定性),將糯米粑面團(tuán)打印成立方體。從表2可知,隨GRF含量增加,立方體內(nèi)部紋理逐漸清晰,打印分?jǐn)?shù)總體呈先升后降的趨勢(shì),其中50∶0的打印分?jǐn)?shù)比46∶4高,但成型狀態(tài)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(guò)程中從噴嘴擠出的料漿出現(xiàn)輕微的堆積,保持形狀的能力略差,但綜合尺寸、填充率、連續(xù)性和整體形狀這4個(gè)特征,50∶0比例相比于46∶4的比例打印的糯米粑又略好。當(dāng)WF/GRF為42∶8時(shí)獲得最高分?jǐn)?shù),此時(shí)打印出的立方體與參數(shù)模型相似,內(nèi)部紋理清晰,打印時(shí)出料口的料漿連續(xù),沒(méi)有出現(xiàn)堆積和不連續(xù)的情況,但是長(zhǎng)度、寬度和高度都稍偏大,這是由于打印過(guò)程中打印參數(shù)不匹配造成的,因此,找到合適的打印參數(shù)尤為重要。

2.5.2 壓縮壓力對(duì)打印糯米粑質(zhì)量的影響

根據(jù)2.5.1節(jié)選取打印分?jǐn)?shù)較高的3組評(píng)估不同壓縮壓力對(duì)打印糯米粑質(zhì)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(dāng)WF/GRF為50∶0時(shí),所有壓力下打印出的糯米粑都出現(xiàn)堆積。當(dāng)WF/GRF為42∶8,壓縮壓力為300 kPa時(shí),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(dāng)壓縮壓力為400 kPa時(shí),糯米粑最為完整,然后隨著壓縮壓力的進(jìn)一步升高,過(guò)多的料漿從噴嘴擠出,出現(xiàn)堆積,38∶12的配比也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。結(jié)果表明,壓縮壓力與擠出料漿的厚度呈正相關(guān)。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(shí)際設(shè)計(jì)更窄的區(qū)域;在高壓縮壓力下,從針頭擠出料漿厚度高于針口,并且過(guò)多的料漿沉積在比實(shí)際設(shè)計(jì)更寬的區(qū)域上,同時(shí)內(nèi)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(nèi)部填充率對(duì)糯米粑質(zhì)量的影響

內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)在防止復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)倒塌,維持其基本形狀方面發(fā)揮著重要作用。根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選取WF/GRF質(zhì)量比為42∶8,壓縮壓力為400 kPa以探討內(nèi)部填充率對(duì)3D打印糯米粑打印質(zhì)量的影響。結(jié)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(nèi)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(lái)越高(圖5-b和5-c)。對(duì)于20%的填充率,當(dāng)打印高度為(12.14±0.47) mm時(shí),糯米粑的邊緣及內(nèi)部的紋理開始出現(xiàn)變形。對(duì)于100%的填充率,當(dāng)打印高度為(37.20±0.63) mm時(shí)出現(xiàn)變形。值得注意的是,當(dāng)填充率未到100%時(shí),打印的糯米粑內(nèi)部線條幾乎布滿整個(gè)圓面,這可能是由于印刷沉積過(guò)程中線條在重力作用下的變形和從針擠出過(guò)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(qiáng)度,使得允許打印的高度降低,內(nèi)部紋理雜亂,較大的填充率使糯米粑頂端料漿出現(xiàn)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(píng)價(jià)

根據(jù)上述優(yōu)化參數(shù),選擇WF/GRF為42∶8來(lái)制作糯米粑。根據(jù)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(yōu)化的工藝參數(shù)用于3D食品打印,打印的所有糯米粑都具有與設(shè)計(jì)模型高度相似的外觀。蒸好的糯米粑的色澤、氣味、組織結(jié)構(gòu)、口感和外觀分?jǐn)?shù)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(jié)構(gòu)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(duì)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?yàn)?D食品打印能夠定制和控制產(chǎn)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(píng)價(jià)

3 結(jié)論

本試驗(yàn)研究了不同質(zhì)量比的WF和GRF對(duì)糯米粑面團(tuán)結(jié)構(gòu)和3D打印糯米粑質(zhì)量的影響。結(jié)果表明,GRF的加入會(huì)削弱面筋蛋白分子之間的氫鍵相互作用,破壞連續(xù)的面筋網(wǎng)絡(luò),暴露出更多的淀粉顆粒,提高糯米粑面團(tuán)的硬度,使打印出來(lái)的糯米粑內(nèi)部紋理逐漸清晰。通過(guò)優(yōu)化打印參數(shù),確定WF/GRF為42∶8的最佳壓縮壓力和內(nèi)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。