山药凝胶体系的3D打印特性

冯 蕾，武敬楠,2，李 鸣，聂梅梅，李大婧, ，宋江峰，张培通，刘春泉

（1.江苏省农业科学院农产品加工研究所, 江苏南京 210014；2.南京农业大学食品科学技术学院, 江苏南京 210095；3.江苏省农业科学院经济作物研究所, 江苏南京 210014）

3D打印，又称为增材制造，是基于计算机辅助设计软件构建的模型数据，通过层与层之间叠加沉积的方法制造具有复杂几何形状的技术手段，被称为“第三次工业革命”[1−2]。由于3D打印技术具有设计自由化、操作简单化、加工自动化等优点，已广泛应用于医药医学、工艺产品、生物结构、建筑设计、日常用品等领域[3]。近年来，食品形式多样化及膳食营养个性化已成为食品行业发展的趋势，3D打印技术较高的灵活性对实现食品个性化定制具有重要的指导意义[4]。然而，打印材料对食品3D打印技术的发展及应用具有重要意义。目前，3D打印食品材料种类主要包括凝胶[5]、土豆泥[6]、巧克力[7]等。

山药（Dioscorea opposita）为薯蓣科多年生作物，含有丰富的蛋白质、氨基酸、糖类等营养物质及皂甙、类黄酮等活性成分，具有增强免疫力、降血糖、降血脂、调节肠道菌群等多种生理功效[8−9]。随着国民经济的发展及人们生活水平的提高，功能性食品受到消费者的极大关注，山药作为一种传统药食同源植物，成为最受青睐的功能性食品之一[10]。此外，山药中淀粉含量较高（一般占干基60%~85%），其糊化温度低、吸水能力强、机械性能好，作为3D打印材料具有一定优势[11]。武敬楠等[12]研究表明山药淀粉浓度增加，凝胶体系表观粘度、储能模量、损耗模量增加，内部微观网络结构逐渐致密，从而影响其3D打印特性。因此，以山药粉为食品材料深入研究其3D打印特性，对提高其生产应用具有重要意义。

本实验以山药粉为原料，通过探讨山药粉含量对凝胶体系的流变学性质、3D打印特性、产品品质及结构特征的影响规律，为食品3D打印材料应用及功能性食品的个性化定制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

山药粉 由南京杰百柯生物科技有限公司。

HAAKE MARS Ⅲ 流变仪 赛默飞世尔科技有限公司；3D食品打印机 杭州时印科技有限公司；CT3 25K型质构仪 美国博勒飞公司；CM-700D型色差仪 日本柯尼卡美能达公司；JA-3003型千分之一天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司；Quanta 200扫描电子显微镜 荷兰FEI公司；ZX-27型傅里叶变换红外光谱仪 德国Bruker公司。

1.2 实验方法

1.2.1 山药凝胶的制备 将山药粉过120目筛，与水以30%、35%、40%、45%、50%的质量比混合均匀，在85 ℃水浴中稳定30 min，期间用塑料薄膜包裹容器防止水分蒸发，水浴加热后立即取出并冷却至室温，形成山药凝胶，于4 ℃条件下贮藏待用。

1.2.2 动态黏弹性测定 选用直径为20 mm的不锈钢平板夹具，设置测试平板间隙为1000 μm，测试温度为25 ℃，线性黏弹区扫描应变为0.1%，扫描频率为1~10 rad/s，记录山药凝胶储能模量（G'）、损耗模量（G"）随振荡频率增加的变化情况[13]。

1.2.3 打印效果及打印精确性评价 将山药凝胶样品装入打印料筒中，根据预实验，选用直径为0.6 mm的喷嘴，移动速度为25 mm/s，挤出程度为100%，打印直径为15 mm，高15 mm，内部填充为50%，外层数为2的圆柱，拍照并测量打印产品的直径和高度，与模型尺寸的设计值进行比较，计算打印样品的偏差来进行精确度评价。

1.2.4 打印产品稳定性测定 将打印后的样品放置在密闭的玻璃盒内，放入4 ℃冰箱中保存，1 h后取出样品测量其直径和高度，并与打印结束时的直径和高度进行比较，分别计算直径偏差和高度偏差来进行打印稳定性评价。

1.2.5 色泽测定 测定3D打印凝胶样品的色泽指标L*值、a*值及b*值，并根据L*值、a*值及b*值计算ΔE。其中L*值为亮度值，a*值为红色或者绿色值，b*值为黄色或蓝色值，ΔE为总色差，值越大表示样品之间的整体色泽变化程度越大，计算公式如（1）所示：

式中：L0*,a0*,b0*为初始山药粉含量（30%）3D打印样品的色泽值；Li*,ai*,bi*为不同山药粉含量3D打印样品的色泽值（i= 35%~50%）。

1.2.6 质构性质测定 采用全质构测试模式测定3D打印山药凝胶样品的质构特性，其中探头型号为TA25/1000圆柱型探头，测试前速度、测试速度、测试后速度均为1.0 mm/s，压缩比为50%，触发力为5.0 g，2次压缩间隔时间为5.0 s，得到3D打印凝胶样品的硬度（g）、弹性（mm）、黏性（mJ）、内聚性、胶着性（g）、咀嚼性（mJ）[14]。

1.2.7 微观结构扫描电子显微镜观察 将打印样品冷冻干燥，取少量样品用碳导电胶黏在样品托上，放入离子溅射镀膜仪中，对样品进行喷金处理，观察样品横断面的微观结构并拍照[15]。

1.2.8 傅里叶变换红外光谱分析 称取冷冻干燥的打印样品2 mg，进行波数为400~4000 cm−1的红外光谱扫描，分辨率为4 cm−1，累计扫描32次得到红外光谱图[16]。

1.3 数据处理

采用SPSS 16.0的ANOVA以及Tukey检验对试验数据进行差异显著性分析，得到的结果以平均值±标准差表示，图表中不同字母表示数据的显著性差异（P<0.05）；使用Origin 9.1软件对试验数据进行分析及作图。

2 结果与分析

2.1 山药粉含量对凝胶动态黏弹性的影响

动态黏弹性包括储能模量（G'）及损耗模量（G"），储能模量（G'）反映凝胶受力作用后恢复其原始形状的能力，损耗模量（G"）反映凝胶受力作用时抵抗流动的能力[17]。山药粉含量对凝胶动态黏弹性的影响表示3D打印原料力学特性的变化规律，可为3D打印原料特性提供参考依据。如图1所示，随着角频率的增大，体系储能模量（G'）变化不大，损耗模量（G"）逐渐增加，且在相同角频率下，凝胶的储能模量（G'）均大于损耗模量（G"），这一结果与 Liu 等[18]研究类似。此外，山药粉含量逐渐增加，凝胶的储能模量（G'）及损耗模量（G"）呈先增大后降低趋势，当山药粉含量为45%时，其储能模量（G'）及损耗模量（G"）均达到最大值，随着山药粉含量的继续增加，凝胶的储能模量（G'）及损耗模量（G"）均明显降低。这可能是由于凝胶的黏弹性与直链淀粉含量密切相关，过高的山药粉含量阻碍了淀粉颗粒的吸水膨胀，抑制直链淀粉重排形成连续的凝胶网络结构[19]。

图1 山药粉含量对凝胶黏弹性的影响Fig.1 Effect of yam powder on viscoelasticity of gel system

2.2 山药粉含量对凝胶3D打印效果的影响

图2为不同山药粉含量的凝胶3D打印成型效果图，模型设计为直径15 mm，高15 mm，内部填充为50%，外层数为2的圆柱，其中图2A及图2B分别山药凝胶打印样品图及截面图。观察图2可知，山药粉含量为30%的凝胶储能模量及损耗模量均较低，过低的黏度使凝胶流动性好，浆料易挤出，但浆料的层与层之间紧实度降低，从而导致打印样品结构变形与坍塌。山药粉含量为35%的凝胶储能模量及损耗模量增大，凝胶黏度增加，流动性降低，浆料的层与层之间紧实度升高，打印样品的结构变形及坍塌现象有所改善。山药粉含量为40%的凝胶黏弹性适中，浆料线条连续，表面光滑，层层堆积紧密，结构支撑性良好，表现出最佳的打印效果。当山药粉含量继续增加至45%及50%时，淀粉浓度增加导致形成的山药粉凝胶储能模量及损耗模量增大，凝胶硬度及黏弹性较大，在打印过程中需要更大的挤出力，因此出现断裂和挤出变形等现象，层与层之间产生缝隙，打印效果不佳。

图2 山药粉含量对凝胶3D打印成型效果的影响Fig.2 Effect of yam powder on printability of gel system

2.3 山药粉含量对凝胶3D打印精确性的影响

3D打印样品的精确度越高，产品的质量越好[20]。通过比较模型尺寸的设计值与打印样品实际测量值的偏差分析山药粉粉含量对3D打印精确性的影响，其中打印偏差的绝对值越小，精确性越高，正值表示实际测量值高于设计值，负值表示实际测量值低于设计值。图3显示了山药粉含量对凝胶3D打印圆柱体的高度精确性偏差（图3A）及直径精确性偏差（图3B）的影响。如图3所示，山药粉含量逐渐增加，山药凝胶三维打印高度偏差及直径偏差逐渐减小，当山药粉含量为40%时，其高度偏差及直径偏差达到最小值，分别为−1.8%和0.2%，随着山药粉含量的继续增加，山药凝胶3D打印高度偏差及直径偏差都明显增大。因此，山药粉含量对凝胶3D打印精确性有明显影响，且当含量为40%时，山药凝胶3D打印的精确性最高。

图3 山药粉含量对凝胶3D打印精确性的影响Fig.3 Effect of yam powder on 3D printing accuracy of gel system

2.4 山药粉含量对凝胶3D打印稳定性的影响

通过比较山药凝胶3D打印样品静置1 h后的尺寸测量值与打印样品初始测量值的偏差分析山药粉含量对凝胶3D打印稳定性的影响。图4显示了山药粉含量对凝胶3D打印圆柱体的高度稳定性偏差（图4A）及直径稳定性偏差（图4B）的影响。由图4可知，凝胶3D打印样品静置1 h后的高度及直径测量值与初始值的偏差均为负值，即尺寸测量值小于初始值。不同山药粉含量的凝胶3D打印样品，在40%浓度时高度稳定性偏差最小，但整体无差异显著性（P>0.05）（图4A）。然而，随着山药粉含量的逐渐增加，凝胶3D打印样品的直径稳定性偏差呈先增大后降低趋势，当山药粉含量为40%时，凝胶三维打印样品的直径稳定性偏差最小为-2.8%，显著高于含量为30%及50%（P<0.05）。因此，山药粉含量对凝胶3D打印稳定性有显著影响（P<0.05），当山药粉含量为40%时，山药凝胶3D打印的稳定性最高。

图4 山药粉含量对凝胶3D打印稳定性的影响Fig.4 Effect of yam powder on 3D printing stability of gel system

2.5 山药粉含量对凝胶3D打印色泽的影响

表1显示了山药粉含量对凝胶3D打印色泽的影响。从表中可知，随着山药粉含量的增加，凝胶3D打印样品的L*值减小，即样品的亮度值降低，含量为50%时，山药凝胶3D打印样品的亮度值显著低于含量为30%及35%时的样品（P<0.05）。凝胶3D打印样品的a*值和b*值随着山药粉含量的增加而逐渐增加，其中不同山药粉含量的样品b*值差异显著（P<0.05）。含量为40%、45%及50%的山药凝胶3D打印样品a*值显著高于含量为30%及35%的山药凝胶。总色差值ΔE是综合评价不同山药粉含量的3D打印凝胶色泽差异，ΔE值越大表示色泽差异越大[21]。如表1中所示，随着山药粉含量的逐渐增加，凝胶3D打印样品的总色差逐渐增大，其中山药粉含量为40%及45%时，总色差差异不显著（P>0.05）。综上所述，山药粉含量对凝胶3D打印样品的色泽有显著影响（P<0.05），山药粉浓度越高，水分含量越小，形成凝胶强度越强，导致凝胶3D打印样品的亮度值降低，样品偏红黄色。

表1 山药粉含量对3D打印样品色泽的影响Table 1 Effect of yam powder on color of 3D printed samples

2.6 山药粉含量对凝胶3D打印质构的影响

质构特性是消费者对食物可接受程度的重要指标，包括硬度、黏性、内聚性、弹性、胶着性及咀嚼性[22]。从表2中可知，随着山药粉含量的逐渐增加，凝胶3D打印样品的硬度、胶着性及咀嚼性逐渐增大，这可能是由于随着山药粉含量的增加，直链淀粉含量逐渐增加，形成凝胶过程中结晶体的密度相应增加[23]。因此，过高的山药粉含量影响了凝胶强度及体系流动性，导致3D打印样品的成型效果下降。其中，山药粉含量为45%及50%的凝胶3D打印样品硬度值无显著差异（P>0.05）；山药粉含量为40%、45%及50%时，凝胶3D打印样品的胶着性无显著差异（P>0.05）；不同山药粉含量对凝胶3D打印样品的咀嚼性影响均不显著（P>0.05）。观察不同浓度山药粉对凝胶3D打印样品的黏性、内聚性和弹性可知，不同山药粉含量的凝胶3D打印样品的黏性及内聚性变化趋势不明显，且样品之间差异不显著（P>0.05）；山药粉含量的增加使凝胶3D打印样品的弹性降低，但山药粉含量为40%、45%及50%时，凝胶3D打印样品的弹性无显著差异（P>0.05）。

表2 山药粉含量对3D打印样品质构特性的影响Table 2 Effect of yam powder on textural characteristics of 3D printed samples

2.7 山药粉含量对凝胶3D打印微观结构的影响

微观结构的表征是研究凝胶结构与特性的重要手段[24]。图5为不同山药粉含量的凝胶3D打印样品的断面扫描电镜图。由图中可知，所有的凝胶3D打印样品的微观结构都呈现网状多孔结构，且不同山药粉含量的凝胶微观结构存在一定差异。山药粉含量为30%的凝胶多孔网状结构不规则，孔隙大小不一，分布不均，孔壁较厚，结构致密度较低。随着山药粉含量的增加，凝胶3D打印样品的网状结构逐渐明显，孔隙逐渐减小且逐渐趋于有序分布，孔壁变薄。当山药粉含量为40%时，凝胶3D打印样品的多孔网状结构明显，孔隙大小均匀且分布有序，致密度较高。随着山药粉含量的继续增加（≥45%），凝胶3D打印样品的孔隙显著减小，多孔网状结构趋于更加致密的固态结构，凝胶表面粗糙。结果表明，山药粉含量对凝胶3D打印样品的微观结构形态具有显著影响，这可能是由于随着山药粉含量的增加，水分子与淀粉分子之间作用越强，从而导致凝胶网络结构增强，形成的结构更加致密[25]。

图5 山药粉含量对凝胶3D打印样品微观结构的影响Fig.5 Effect of yam powder on microstructure of 3D printed samples

2.8 山药粉含量对凝胶3D打印样品分子结构的影响

红外光谱分析可用于官能团及分子结构测定，不同吸收峰的位置对应特定的官能团或化学键[26]。图6为不同山药粉含量凝胶3D打印样品的傅里叶变换红外光谱图。由图中可知，所有样品均在995、1631、2891及3276 cm−1附近出现吸收峰，不同山药粉含量的凝胶3D打印样品傅里叶变换红外光谱图没有出现新官能团特征吸收峰，说明没有基团产生。在波数995 cm−1处的吸收峰归因于C-OH的弯曲振动，在波数为1631 cm−1处的吸收峰归因于COO-伸缩振动，在波数为2891 cm−1处的吸收峰归因于HC-H不对称伸缩振动，在波数为3276 cm−1处的宽吸收峰归因于羟基O-H伸缩振动[27−28]。此外，观察不同浓度山药粉凝胶的四个吸收峰位置得出，随着山药粉含量的增加，波数为3276 cm−1及2891 cm−1处的峰向高波数方向偏移，波数为1631 cm−1及995 cm−1处的峰向低波数方向偏移，即山药粉含量的增加使H-C-H及羟基O-H键加强，C-OH及COO-键减弱。结果表明，不同山药粉含量的凝胶3D打印样品不产生新的官能团，主要通过作用于H-C-H及O-H的氢键部分来改变凝胶特性，这一结果与王浩等[29]研究魔芋胶添加对3D打印材料官能团影响类似。

图6 山药粉含量对凝胶3D打印样品官能团的影响Fig.6 Effect of yam powder on functional group of 3D printed samples

2.9 聚类分析

为了研究不同山药粉含量的3D打印样品及打印特性的差异性，采用平方欧式距离及组间联接测量法分别对不同山药粉含量的3D打印样品及山药粉3D打印性质进行聚类分析[30]。图7A显示了不同山药粉含量3D打印样品的聚类分析结果，如图所示，当距离接近2时，不同山药粉含量的打印样品可分为三大类。其中第I类为山药粉含量30%及含量35%的打印样品；第II类为山药粉含量40%及含量45%的打印样品；第III类为山药粉含量50%的打印样品。由图7A可知，不同山药粉含量打印样品的色泽、质构、打印特性及分子结构特征不同。图7B显示了山药凝胶3D打印样品品质指标的聚类分析结果，如图所示，当距离接近3时，山药粉3D打印样品的特性可分为两类，其中色差值（L*、a*、b*值）、质构（硬度、粘性、内聚性、弹性、胶着性、咀嚼性）、打印特性（高精确度、直径精确性、高稳定性、直径稳定性）聚为第 I类，分子结构（O-H、H-C-H、COO-、C-OH）聚为第II类。由图7B可知，随着山药粉含量的增加，打印样品的色泽、质构及打印特性变化趋势基本一致，而不同山药粉含量打印样品的分子结构特征变化不明显。综上，山药粉含量为30%及35%的3D打印样品色泽偏亮，质地较软，打印精度及稳定性较低，H-C-H键及O-H键较弱，打印样品易坍塌变形；而山药粉含量为40%及45%的3D打印样品色泽逐渐变暗，质地、打印精度及稳定性较为接近；当山药粉含量为50%时，3D打印样品的色泽较暗，质地较硬，打印精度及稳定性降低，C-OH及COO-键减弱，打印样品断裂现象严重。

图7 山药粉凝胶体系3D打印样品（A）及3D打印性质（B）聚类分析Fig.7 Cluster analysis of 3D printed yam gel (A)and 3D printing properties (B)

3 结论

山药粉含量对凝胶体系的动态流变学特性、3D打印成型性、色泽、质构特性、微观结构及官能团均有明显影响。山药粉凝胶属于典型的弱凝胶动态流变学体系，随着山药粉含量的增加，凝胶体系的储能模量及损耗模量呈先增大后降低趋势，3D打印样品的硬度、胶着性、咀嚼性及总色差增加，弹性及亮度值降低，孔隙逐渐减小，多孔网状结构趋于致密。不同山药粉含量的凝胶3D打印样品不产生新的官能团，主要通过作用于H-C-H及O-H的氢键部分来改变凝胶特性。当山药粉含量为30%和35%时，凝胶浓度稀，打印样品纹路不清晰、易变形且稳定性差；当浓度达到40%时，凝胶3D打印样品成型效果较好，打印精确度及稳定性较高，打印样品放置1 h内直径稳定性偏差最小为−2.8%；随着浓度的增加（≥45%），山药粉凝胶网络结构更加致密，凝胶强度增强，在打印过程中断裂现象明显，打印成型效果差，与设计模型偏差大。通过探究不同浓度山药粉凝胶对3D打印的影响，不仅可以利用相关技术对山药粉进行加工利用，也拓宽了3D打印领域的物料范围。