马铃薯淀粉对豌豆蛋白3D打印材料结构及特性的影响

董雷超 陈炫宏 王 赛 孙婉婷 盛桂华 周泉城 *

（1 山东理工大学农业工程与食品科学学院食品科学系 山东淄博 255049

2 农产品功能化技术山东省高校重点实验室 山东淄博 255049）

3D打印是指通过3D打印机逐层增加材料来制造三维产品的快速成型技术[1]。其自20世纪80年代诞生后，因具有代替传统制造业繁琐工序的特点，而受到国内外研究人员的广泛关注，在模具制造、航天等领域都有广泛应用[2]。近年来，随着3D打印材料的不断突破，3D打印技术已逐步应用在食品行业。目前应用于3D打印的主要食料有面团、肉泥、奶酪、巧克力、煎饼等[3-5]。然而，因食品的特殊性以及食品材料支撑力弱、造型差等原因而限制了3D打印技术在食品行业的快速发展。打印材料是目前制约3D打印技术在食品领域广泛应用和发展的瓶颈[6]，食品类3D打印材料的研发成为3D食品打印技术发展的关键。

3D食品打印技术不仅能丰富食品样式，改良食品品质，还能满足特殊的消费群体，如老年人、儿童和运动员等，独特的食品设计需求，提高了对新技术的需要。可以人性化地改变食物形状，还可以自由搭配均衡营养。传统的食品生产无法满足人们这样的需求，而3D食品打印技术具有很好的发展前景[3]。

豌豆蛋白氨基酸比例均衡，营养丰富，是一种值得开发的食品资源，然而，我国对豌豆蛋白的开发研究较少、应用也并不广泛[7]。马铃薯淀粉粒径大于禾谷类淀粉，其支链淀粉分子上结合有磷酸基，使其具有较高的感官性能。此外，马铃薯淀粉还具有糊化温度低、易膨胀、吸水力强、保水性能好等其它淀粉不具备的物化性质[8]，这些特点说明其作为一种3D打印材料，具有一定的优势，适量添加可优化产品营养，改善产品质构，增强产品稳定性等[9]。

本研究旨在探讨添加马铃薯淀粉对以豌豆蛋白为基料的3D打印食材的理化结构、物化性质的影响，进而阐明此3D打印材料如何实现3D打印，以期为豌豆蛋白在3D食品打印领域的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

豌豆蛋白，烟台双塔食品股份有限公司；马铃薯淀粉，潍坊三兄弟淀粉厂；黄油，上海高夫食品有限公司。

1.2 试验仪器

CSE 1型3D打印机，中国昆山博力迈三维打印科技有限公司；Quanta 250型扫描电镜，美国FEI公司；D8 ADVANCE型多晶X-射线衍射仪，德国Brucker AXS公司；Nicolet 5700型傅立叶变换红外光谱仪，美国Thermo Electron公司；Q100型示差扫描量热仪，美国TA公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品准备 豌豆蛋白与马铃薯淀粉充分混匀，加入与豌豆蛋白和马铃薯淀粉总质量等质量的水，在75℃下进行搅拌、混匀，将豌豆蛋白质量20%的黄油融化后加入到混合好的豌豆蛋白和马铃薯淀粉混合料中，70～80℃水浴加热，搅拌均匀，然后将其揉制成团，即可用于3D打印。将打印材料在40℃左右的条件下干燥，待干燥至恒重后用粉碎机粉碎成粉末状，以100目细筛筛选，等待检测。

1.3.2 扫描电镜（SEM）观察 胶纸法：将样品粉末用导电两面胶纸固定在样品座上，使用真空镀膜仪喷镀导电层，然后在加速电压10 kV，放大倍数2 000倍下进行电镜观察[10]。

1.3.3 X射线衍射（XRD）测试 将样品粉末置于铝片15mm×20mm×1.5mm的孔中，随后压紧，进行射线衍射测试。XRD的测试条件为：扫描范围：3～50°；测角精度：2θ≤±0.01°；角分辨率：FWHM≤±0.1；角度重现性：±0.0001°[11]。

1.3.4 红外光谱（FT-IR）测试 溴化钾压片法：称取约2mg样品与100～200mg溴化钾粉末充分混合，球形研磨机研磨1～2min，压成透明薄片，装入压片夹，以溴化钾空白压片作对照在4 000～400 cm-1波长范围内扫描[12]。

1.3.5 热特性（DSC）测试 在天平上准确称取6～7mg样品粉末密封于铝制坩埚内，放入仪器样品架上，用空坩埚作对照，通入50mL/min的氮气，在20～170℃范围内以10℃/min的升温速率进行升温测试[13]。

2 结果与分析

2.1 3D打印材料的形态结构分析

2.1.1 3D打印材料颗粒结构的变化 由图1a可知，豌豆蛋白3D打印材料颗粒大部分表面光滑、不粗糙，混合充分，无尖锐凸起，少数颗粒上出现突出或凹陷，这种突出或凹陷是淀粉在干燥过程中形成的，这与Zhu等[13]的研究结果一致。由图1可知，经处理后得到的豌豆蛋白3D打印材料，随豌豆蛋白含量的增加，打印物表面粗糙度增大，粗糙颗粒增多，光滑完整的颗粒逐渐减少。且随豌豆蛋白含量的增多，从50%到75%时，颗粒之间的成团现象先减弱后增强，混合颗粒之间的成团现象，是由于豌豆蛋白连续的蛋白质基质群，彼此之间形成网络结构，淀粉颗粒均匀的分布其中，从而促进了豌豆蛋白的成团现象[14]。

图1 豌豆蛋白3D打印材料的SEM图（×2 000）Fig.1 SEM photomicrographs of pea protein 3D printing material（×2 000）

2.1.2 3D打印材料晶体结构的变化 衍射峰的宽度与微结晶的大小有关，微结晶越大对应的衍射图中的峰越宽[15]。豌豆蛋白是多晶体系，由微晶、亚微晶和非晶中的一种或多种组成，微晶晶粒线度大，对应的衍射峰尖锐，亚微晶晶粒线度小，对应的衍射峰类似非晶的衍射特征，非晶由于短程只显示弥散衍射特征[12]。

从图2可以看出不同质量分数豌豆蛋白3D打印材料在2θ角为20°处都有很强的特征衍射峰。20°处的衍射峰强度随豌豆蛋白含量的增加有先减小后增强的趋势，表现出大部分的微晶消失，亚微晶增多，说明豌豆蛋白晶体结构在混合过程中遭到不同程度的破坏。除50%豌豆蛋白的3D打印材料外，其余不同豌豆蛋白含量的3D打印材料在相同角度处的特征衍射峰随豌豆蛋白含量的增加逐次增加，50%豌豆蛋白的3D打印材料的特征衍射峰最大，说明豌豆蛋白的大部分晶体结构在混合过程中没有遭到破坏，出现新的衍射峰，说明豌豆蛋白与淀粉和黄油部分结合，产生了具有晶体结构的新混合物[13]。

图2 豌豆蛋白3D打印材料的XRD谱图Fig.2 XRD chart of pea protein 3D printing material

表1 豌豆蛋白3D打印材料的XRD参数Table1 XRD parameters of pea protein 3D printing material

表2 豌豆蛋白3D打印材料各吸收峰的吸收强度Table2 Absorption intensity of each absorption peak of pea protein 3D printing material

2.1.3 3D打印材料分子结构的变化 图3为豌豆蛋白3D打印材料的FT-IR谱图，由谱图可知豌豆蛋白含量不同的3D打印材料之间存在一些典型的共有峰。在3 700～3 000 cm-1处存在极强且宽的吸收谱带，这种吸收峰是由豌豆蛋白分子和马铃薯淀粉分子羟基O-H伸缩震动产生的，在2 900 cm-1处存在CH2伸缩震动，这与Zhang等[16]的研究结论一致。

图3 豌豆蛋白3D打印材料的FT-IR谱图Fig.3 FT-IR chart of pea protein 3D printing material

吸收峰的强度用透光率（T/%）表示，透光率越大，吸收强度越弱。由表2可以看出，经处理后的豌豆蛋白，峰的强度随豌豆蛋白含量的增多呈先降低后升高的趋势。豌豆蛋白的红外谱带主要集中在 3 398，2 925，2 854，1 745，1 649，1 539，1 160，854等处。由图3可知，经处理后的豌豆蛋白在波长 2 854 cm-1（3 号峰）、1 745 cm-1（4 号峰）处均出现吸收峰，分别是C-H对称伸缩震动和C=O伸缩震动。且豌豆蛋白含量只改变峰的强度（表2）并没有新的吸收峰出现，由此可知这两处新的吸收峰是脂类的特征吸收峰[17]。豌豆蛋白经处理后，FT-IR谱图中没有官能团消失，且产生的新官能团是由于黄油的添加造成的，说明豌豆蛋白经过不同处理后没有新物质的生成，不会产生安全性问题。

2.2 3D打印材料物化热特性分析

干燥粉碎后的豌豆蛋白3D打印材料，经DSC分析结果如图4所示，经处理后的豌豆蛋白出现玻璃化转变，玻璃化转变温度如表3所示，由表3可知处理后的豌豆蛋白的玻璃化转变温度并没有随豌豆蛋白含量的增加而发生显著改变。

豌豆蛋白经处理后，在80～110℃之间都出现了熔融吸热峰，且随着豌豆蛋白含量的增多，峰值温度呈上升趋势。有研究表明淀粉和脂肪酸形成的复合物会增强豌豆蛋白的热稳定性[18]。本研究，豌豆蛋白和淀粉等混合时，淀粉分布在豌豆蛋白的网络结构中形成凝胶，凝胶被黄油的海绵状结构吸附形成复合物，这种复合物热稳定性较强（如图5）。

3 结论与讨论

3D打印作为一项新兴技术，在世界范围内受到越来越多的关注，被誉为“第三次工业革命”[2]。近年来，3D打印技术在食品中的应用已有报道。3D打印技术中食品材料的类型按照物料供应方式可分为液体、粉末和细胞类；基于粉末材料的3D打印是通过热源（激光或热空气）加热粉末颗粒和黏合剂，使其熔融沉积而成[7]。本研究以豌豆蛋白为基料，经添加马铃薯淀粉处理后得到的3D打印材料，其颗粒结构、晶体结构、热特性等都发生显著性变化。

图4 豌豆蛋白3D打印材料的DSC曲线Fig.4 DSC curve of pea protein 3D printing material

表3 豌豆蛋白3D打印材料的玻璃化转变温度Table3 The glass transition temperature of pea protein 3D printing material

图5 最佳质量配比3D打印物Fig.5 Optimum ratio of 3D printed matter

SEM结果表明，当豌豆蛋白含量为50%左右时，豌豆蛋白3D打印材料的交联程度最高，表面光滑度适中，保证了3D打印材料的可塑性和打印过程的顺畅，使打印物成型好，原材料融合好，层叠界限不明显，可满足3D打印的要求。

DSC曲线表明，本研究的豌豆蛋白3D打印材料在26～32℃之间出现玻璃化转变，豌豆蛋白含量的变化使得材料在80～110℃之间的熔融峰位置发生变化，热稳定性改善。良好的热稳定性，使得材料在打印或后续的加工过程中不会变性，适合消费者食用，保证了3D打印物的品质。

XRD谱图峰值变化表明，本研究的豌豆蛋白3D打印材料表现出大部分的微晶消失，亚微晶增多的现象，说明蛋白质的晶体结构在处理过程中遭到破坏，且FT-IR谱图中没有出现新的基团，说明3D打印材料只是蛋白-淀粉-脂类的复合物，没有新物质的生成，仅发生晶型的改变，而非化学结构的改变，保证了3D打印物的食用安全性。

由上可知，本研究探讨了马铃薯淀粉对豌豆蛋白3D打印可行性及3D打印对淀粉和蛋白的影响，研究结果表明，豌豆蛋白∶马铃薯淀粉∶水∶黄油的最优质量配比为5∶5∶15∶1，3D 打印机打印参数：打印速度15mm/s、喷头大小0.8mm、层高0.8mm时，可获得最佳的3D打印效果。本研究弥补了低水分淀粉和蛋白质混合物实现3D打印的物料组成和特性，为3D打印食品原料提供了一定的理论指导和技术参数，具有一定的研究价值和应用意义。