退火和湿热预处理对3D打印小麦淀粉凝胶品质的影响

小麦淀粉是一种天然高分子碳水化合物。在食品加工中，常用作稳定剂、增稠剂和脂肪替代品。与马铃薯和玉米淀粉相比，它的凝胶可以成功地用于3D食品打印。

目前，干热处理（DHT）、超声波-微波联合预处理（UMCM）和脉冲电场（PEF）等改变小麦淀粉凝胶配方的技术都属于物理改性的辅助加工，可以提高小麦淀粉凝胶对3D打印的整体适应性。

然而，上述技术存在成本高、样品处理环境苛刻等缺点。

为此，就有研究人员选择另外两种常用的物理改性方法退火处理（ANN）和湿热处理（HMT）来改善小麦淀粉的印刷适性。

2023年1月4日，西北农林科技大学的研究人员在农林科学1区TOP期刊 Innovative Food Science & Emerging Technologies 上在线发表了题为“Effect of annealing and heat-moisture pretreatment on the quality of 3D-printed wheat starch gels”的研究论文。



这项针对挤出式3D打印小麦淀粉的研究发现：HMT提高了3D打印的精度、打印样品的堆叠高度，并延长了质地更柔软的打印样品的储存时间。相反，ANN降低了打印性能，使样品边缘变得更加粗糙，降低了打印样品的堆叠高度，并显著提高了样品在存储中的硬度。


为了确定哪种预处理对3D食品打印更有效，研究人员研究了ANN小麦淀粉和HMT小麦淀粉。并将这些已处理与未处理淀粉（“天然淀粉”）的性能进行了比较。具体来说，研究人员比较了这些预处理如何影响小麦淀粉的分子结构（链长和分子量的分布）、糊化特性、流变特性和官能团，以确定淀粉颗粒的微观结构与印刷效果之间的关系。然后，对打印样品的质量、精度和微观结构进行了评估。

研究结果显示，HMT淀粉样品高度和精度都最高，而ANN淀粉样品高度较低且精度不高，天然淀粉样品处于中间水平。直链淀粉的分子量与印刷品的高度呈正相关。直链淀粉的分子量呈现出一种趋势：HMT>Native>ANN，与堆叠高度一致，较小的平均分子量与3D打印精度的提高相关。ANN的支链比HMT短，但对打印的影响不明显，分子量对凝胶3D打印的影响最大。ANN和HMT显著降低了整体粘度（Native>ANN>HMT)，粘度降低，挤出线宽变小，产品精度高，质量好。

天然淀粉的G值最大，其次是ANN淀粉，然后是HMT淀粉。天然淀粉的G比HMT和ANN大，这表明这些预处理降低了内耗。HMT对淀粉颗粒内部分子序态的强烈破坏，使淀粉凝胶更像液体，具有更好的流动性，有利于连续挤出。



因此，HMT可以改善淀粉基产品的印刷效果。HMT 3D打印样品由于结构强度较弱，其硬度低于ANN；然而，HMT的弹性适合3D打印材料实现精确打印，并且HMT的粘结性不及天然淀粉和ANN淀粉，更容易吞咽。与天然凝胶和ANN凝胶相比，HMT凝胶的网络结构更致密，孔径更小，孔隙分布更均匀，有利于保持打印样品的形状。

综上所述，HMT是一种适合用于食品3D打印的淀粉材料改性方法，其可以提高打印样品的堆叠高度、精度和稳定性，为食品行业创造了一种简单有效的提高淀粉3D打印效果的方法。