特色食用菌及淀粉类食品3D打印的研究进展

来源： 生鲜食品探究

谷物和食用菌是我国最具代表性的两类大宗食品原料，其产量逐年攀升，但加工占比及精深加工水平较低，大部分仍停留在粗加工、初级产品层次，直接导致农业产品产业经济效益低、市场竞争力差、发展缓慢。

近年来，依托国家自然科学青年基金项目和江苏省重大科技专项-现代农业项目的资助，南京财经大学“食用菌营养与精深加工”胡秋辉教授团队杨帆博士课题组对特色食用菌及淀粉类食品3D打印开展了系列研究，利用改性加工技术对大宗食用菌中的优质多糖和谷物中的淀粉进行分子质构重组，利用淀粉与食用菌多糖之间的分子互作来改善相应食品的流变特性，从而提升食品的3D打印特性；建立淀粉多尺度结构与3D打印过程精确度、口感和消化特性之间的构效关系；通过3D打印技术对其重组体系进行定制化增材加工，形成对食用菌-谷物淀粉重新设计的关键核心加工技术，实现对食品基材的“精准”及“定制化”加工，为新型可定制化健康食品的开发提供新思路。取得的具体研究进展如下。

一、含金针菇多糖的特色食用菌食品3D打印研究进展

大豆分离蛋白凝胶食品的3D打印研究较多，但是在凝胶塑型上存在问题。为了改善3D打印水凝胶的物理性能，大豆分离蛋白可以与其他水胶体形成复合物，如金针菇多糖。课题组研究评估了大豆分离蛋白和金针菇多糖复合物的3D打印准确性和稳定性。3D打印后经过热处理的复合材料的凝胶准确度大于99.7%、稳定性大于99.9%。加入金针菇多糖和热处理使凝胶的粘性更小、强度更强，微观结构更均匀、更致密。大豆蛋白的热变性和从金针菇多糖中引入-OH以增强β-折叠可能是凝胶特性改善的原因。研究发现，金针菇多糖和热加工能够增强凝胶的食品3D打印加工性质，可以针对儿童、老年人和其他有特殊需求的消费者进行营养方面的设计。

图1. 含金针菇多糖的特色食用菌食品3D打印研究

二、含淀粉多尺度结构的特色食品3D打印研究进展

淀粉基凝胶可以通过3D打印来制造食品。预实验证明将海藻酸钠添加到淀粉凝胶中可以增强相应3D打印产品的形状稳定性。这启发了我们假设黄原胶（也是一种常见的增稠剂）可能在以下方面发挥类似的作用：3D打印实验中结构化淀粉复合凝胶。产品的几何精度及其流变特性、水分状态分布和扫描电子显微镜图像通过添加不同量的海藻酸钠、黄原胶，以及用于挤出的海藻酸钠/黄原胶3D打印。计算流体动力学 (CFD) 模拟用于模拟3D打印过程。结果表明，形成了具有相对较高挤出性和形状保持性的假塑性凝胶。3D打印的淀粉凝胶采用添加海藻酸钠和黄原胶的优化配方，表现出最好的几何精度、形状稳定性、适当的凝胶形成特性和物理特性。添加适量的海藻酸钠和黄原胶有助于形成3D打印淀粉基产品，具有潜在食品的技术可行性。模拟3D打印过程的CFD模型解释了由于直径变化和这种不均匀性而导致的流动通道中的速度分布导致3D打印过程中流体膨胀。

课题组选取最常用的海藻酸钠作为增稠剂，用于淀粉复合凝胶的3D打印。然而，淀粉和SA 3D打印的打印窗口和机理凝胶的成分仍不清楚。几何精度、流变性能、小角X射线散射采用SAXS和扫描电子显微镜（SEM）对淀粉复合凝胶及其制品进行评价获得结构-性能-3D打印能力和准确性。计算流体动力学 (CFD) 模拟用于模拟3D打印过程。结果表明SA能够改善淀粉凝胶3D打印的可行性。然而，成功的打印区域受到3D打印的限制为普通玉米淀粉（NMS）/SA复合凝胶制备的窗口。SAXS数据表明较小的网格尺寸有助于提高储能模量。主成分分析(PCA)和相关分析表明，几何精度与流变性能密切相关复合凝胶。CFD模型解释了流动通道中速度分布不均匀的原因：挤压材料直径的变化，在3D打印过程中引起挤压膨胀效应。本研究为淀粉基3D打印的材料的标准化和质量控制提供了理论依据。

图2. 淀粉多尺度结构在食品3D打印中的机理研究

三、含淀粉的复合凝胶食品3D打印研究进展
课题组通过机理模型系统阐释了淀粉在3D打印过程中先展开再互相缠绕，加上淀粉与牛奶蛋白之间电荷形成的化学亲和力，赋予了凝胶更好的流变性质（兼具流动性和形状稳定性），从而具备更好的3D打印特性，旨在通过调节3D打印工艺参数从而对牛奶复合凝胶进行3D打印，为不同咀嚼能力的人群设计的个性化食品的制造提供新思路。

3D打印技术作为一种新兴的制造技术，通过逐层添加的制造方式可以进一步提高已经比较受欢迎的牛奶复合凝胶（俗称“奶油小方”）的质构与口感。该研究首先对原有的牛奶蛋白复合凝胶材料的制备方法进行调整，在确保原有的良好口味基本不变的条件下，将材料的可打印特性最优化。然后，确立统一的3D打印模型，利用3D打印控制软件改变3D打印条件（主要包括填充周长、填充度和填充图案等），对之前优化可打印特性的牛奶复合凝胶材料进行3D打印，得到基于同一打印模型的不同内部结构的3D打印产品。最后通过对3D打印产品的流变特性、几何精度、结构特性和微观结构进行综合比较与分析。最终证明了3D打印食品技术可以通过调节和控制填充周长、填充度和填充图案等3D打印工艺参数，为定制拥有特殊质构特性的3D打印食品提供了新方法。

图3. 含淀粉的复合凝胶食品3D打印研究

团队介绍
杨帆博士（硕士生导师）于2013-2018年在江南大学食品学院张慜教授团队攻读博士学位，毕业后加入南京财经大学食用菌营养与精深加工研究团队。杨帆博士致力于谷物及果蔬等3D打印食品的研发与应用。目前主持国家自然科学青年基金、江苏省自然科学基金和江苏省高等学校自然科学基金等多项纵向课题。相关成果发表论文14篇，其中SCI论文包括热点论文、高被引论文和封面论文。他是Carbohydrate Polymers、Food Hydrocolloids和Food Research International等多个主流TOP SCI期刊的审稿人。申请发明专利5项，其中授权发明专利3项。开展校企合作横向课题，相关技术已在多家企业进行合作示范。
南京财经大学食用菌营养与精深加工研究团队主持国家自然科学基金、江苏省科技厅重点项目等省部级以上科技项目数十余项，公开发表研究论文近300篇，授权发明专利数十余项。团队依托江苏省重点实验室，主要研究方向围绕：

（1）食品功能性成分高效制备及活性评价；
（2）食用菌采后保鲜、加工技术及其过程精准控制技术创制；
（3）食用菌多糖、蛋白等功能组分结构特征、理化性质、营养功能作用机理研究；
（4）食用菌各组分功能特性在生产、加工和贮藏期间的变化规律等“卡脖子”技术与理论难题，开展基础理论研究与应用创新，形成多学科融合交叉的研究平台和科研团队。相关研究内容重点为挖掘新型食用菌功能组分并揭示相关作用机理，为提高食用菌加工和综合利用水平奠定基础。近5年来获教育部技术发明二等奖、江苏省科学技术进步一等奖和江苏省教学成果一等奖等荣誉。

△南京财经大学杨帆博士所在食用菌营养与精深加工研究团队近期合影