球磨微细化处理绿豆淀粉的结构、理化及3D打印特性变化

2023-09-09郎双静李振江武彦春王立东

现代食品科技 2023年8期

郎双静，李振江，武彦春，王立东,3*

（1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，黑龙江大庆 163319）（2.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆 163319）（3.国家杂粮工程技术研究中心，黑龙江省普通高等学校谷物副产物综合利用重点实验室，黑龙江大庆 163319）

热挤压3D打印（Hot Extrusion 3D Printing）技术是一种利用计算机辅助模拟，3D打印机逐层打印，堆叠构建模型的加工技术[1,2]。该技术具有节约成本、减少材料浪费、可构建复杂模型和营养定制化等优点，广泛应用于航空航天、汽车、医药和食品等领域[3,4]。

淀粉是植物中含量最高的多糖类物质，也是人体摄入碳水化合物的主要来源[5]。淀粉原料为典型的非牛顿流体物质，一定温度下具有较好的剪切稀化现象，是一种良好的3D打印材料，常被用于3D打印食品中[4,6]。Zeng等[7]以玉米淀粉和大米淀粉为原料，研究其流变学特性和3D打印特性变化，发现大米淀粉具有更高的机械强度，更适合应用进行3D打印产品中。受制于天然淀粉特性限制，许多淀粉3D打印应用时存在一定缺陷，需采用一定手段对其进行改性处理，以提高淀粉的打印特性。Maniglia等[8]研究采用干热方法对小麦淀粉进行处理，并对其3D打印特性进行研究，获得改性后的小麦淀粉具有较好的打印特性。

绿豆是工业生产中重要的淀粉来源，其淀粉含量达54.73%～57.99%[9,10]。绿豆淀粉中直链淀粉含量较高，具有结晶度高、溶解性差，易老化等特点，使其在工业应用中受到限制，尤其在3D打印食品加工中常出现断条和拖丝现象[11]，产品打印质量较差，需对其进行一定改性处理。

球磨超微粉碎是一种利用研磨介质在高速旋转的冲击作用以及研磨介质与研磨罐内壁摩擦、撞击等作用对物料进行粉碎处理，该方法具有操作简单、效率高、环境污染小等优点，广泛应用于淀粉改性中[12-14]。研究表明，球磨处理可显著破坏淀粉的晶体结构，使淀粉黏度下降[12,15]。因此，本研究以商业绿豆淀粉为原料，探究球磨超微粉碎处理时间对绿豆淀粉微观结构、理化性质和3D打印特性影响，以期为绿豆淀粉的加工利用及在3D打印食品中的应用提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

绿豆淀粉购买于衡水福桥淀粉有限公司；溴化钾（光谱纯）购买于上海麦克林生化科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

FOODBOT-S2食品3D打印机，杭州时印有限公司；QM-ISP2型行星式球磨机，南京大学仪器厂；Mastersizer 2000激光粒径分析仪，英国Malvern 公司；D8 ADVANCE X射线衍射仪，德国Brucker公司；Mars 60旋转流变仪，德国HAAKE公司；RVA4500快速黏度分析仪，瑞典Perten公司；Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱，美国Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 实验方法

1.3.1 微细化绿豆淀粉的制备

利用行星式球磨机对绿豆淀粉微细化处理，研磨条件：球料比3:1（m/m），研磨介质φ5:φ10（粒径分别为5 mm、10 mm的研磨球）质量比为4:1，转速455 r/min，研磨时间分别为3、6和9 h，制备得到损伤程度不同的绿豆微细化淀粉。

1.3.2 颗粒大小及分布测定

采用激光粒度分布仪器测定淀粉粒度，测定方法参照王立东等[16]方法并稍作调整：蒸馏水为分散剂，设定遮光率为10%，超声处理5 min，电脑检测结果。

1.3.3 绿豆淀粉微观形貌观察

取适量绿豆淀粉，均匀放置于涂有导电胶操作台上，喷金处理后放置于扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）下，选择不同放大倍数观察样品。

1.3.4 绿豆淀粉晶体结构测定

参照Liu等[17]的方法并进行适当修改：样品室温下放置24 h，利用X-射线衍射仪（X-Ray Diffractometer，XRD）分析，测定条件为：铜靶电压40 kV，以5 °/min的扫描速率测定，收集衍射角2θ为5 °～50 °的数据。

1.3.5 绿豆淀粉红外光谱结构测定

利用傅里叶红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FT-IR）分析淀粉短程有序结构。参照Chi等[18]方法并稍作修改。准确称取2 mg淀粉和200 mg溴化钾，于研钵中混合均匀并压片处理。以空气为参比背景，光谱扫描范围4 000～400 cm-1，分辨率2 cm-1。使用Omnic软件分析并对数据进行傅里叶去卷积处理，设置半峰宽19 cm-1，增强为1.9，计算1 047 cm-1和1 022 cm-1的强度比（R1047/1022），以此评价淀粉的短程有序结构。

1.3.8 糊化特性测定

准确称取2.5 g淀粉和25 mL蒸馏水装入铝盒中，搅拌均匀后装入快速黏度分析仪中进行测试。测试程序为：初始温度为50 ℃保持1 min，以10.3 ℃/min升温至95 ℃并保持2.5 min，然后以12 ℃/min降温至50 ℃并保持4 min。搅拌桨在最初10 s以960 r/min进行搅拌，其后保持160 r/min至测试结束。

1.3.9 流变学特性测定

流变学特性测定参照Liu等[19]和Cui等[20]的方法并适当修改：配置质量浓度为5%的淀粉溶液于90 ℃糊化30 min，冷却至室温，制得淀粉凝胶，将凝胶置于流变仪上，选用45 mm平板，将凝胶置于底板上并去除多余样品，设置平板间距为1 000 μm，设定温度为25 ℃，测试前样品稳定5 min。

静态流变：设定剪切速率为0.1～100 s-1，记录剪切速率与黏度的变化。

动态流变：设定应变为1%，设定频率为0～20 Hz，记录样品的储能模量和损耗模量，并按公式（1）计算损耗因子。

式中：

G'——为样品的储能模量，Pa；

G''——为样品的储能模量，Pa；

tanδ——为损耗因子。

1.3.10 3 D打印特性测定

（1）3D打印材料的制备

配置15%（m/m）质量分数淀粉溶液，90 ℃糊化30 min，将样品置于料筒，冷却至室温备用。

（2）3D打印处理

选用0.8 mm塑料喷头，打印温度为40 ℃，单层高度0.8 mm，喷头移动速度20 mm/s，填充密度20%（m/m），底层和顶部两层填充密度100%（m/m），打印模型采用3Ds Max软件建立边长24 mm的正方体。

（3）打印精度测定

采用游标卡尺测定打印样品的长（L）、宽（D）和高（H），按公式（2）计算长度偏差率，并按公式（3）计算整体偏差率。

式中：

L*——打印产品长度偏差率，%；

L——打印产品长度，mm；

LB——模型长度，mm；

D*——打印产品宽度偏差率，%；

H*——打印产品高度偏差率，%；

M——模型偏差率，%。

1.4 数据分析

采用Origin 2021软件制图，SPSS 26软件进行方差分析，实验数据均使用（平均值±标准差）表示，P＜0.05表示差异显著。试验结果均为三次测量平均值，结果以平均数±标准差表示。

2 结果分析

2.1 球磨处理对绿豆淀粉颗粒大小及分布影响

绿豆淀粉粒径大小如表1所示，随着研磨时间的延长，淀粉粒径大小呈先减小后增大趋势变化，在6 h时粒径较小，中位径D50为15.68 μm，D10和D90分布为7.17 μm和29.35 μm。其原因是绿豆淀粉经球磨研磨，受到摩擦、撞击等机械力作用，颗粒结构受到破坏，粒径减小；随着粉碎时间延长，微细化的粉体颗粒由于比表面积的增大和表面自由能的增加，出现了颗粒团聚现象，导致颗粒变大[21]。球磨处理前后粒度分布变化曲线如图1所示，可以看出，粉碎前后绿豆淀粉粒度分布均呈双峰分布，为大粒度峰和小粒度峰。但球磨处理后，大粒度特征峰产生左移趋势，小粒度峰出现右移趋势，其原因是颗粒团聚导致小粒度出现右移现象。王立东等[22]研究了球磨处理绿豆淀粉颗粒大小变化，得到研磨6 h时绿豆淀粉的粒度增大，原因是其球料比、球磨转数等研磨条件及原料来源与本研究存在差别，导致不同时间获得产品粒度变化趋势不同。但本研究随着时间的延长粒径增大的现象与王立东等研究的结果一致。

图1 球磨处理对绿豆淀粉粒径分布的影响Fig.1 Effect of ball milling treatment on the particle size distribution of mung bean starch

表1 球磨处理对绿豆淀粉粒径参数、结晶度和R1047/1022的影响Table 1 Effect of ball milling treatment on particle size parameters, crystallinity and R1047/1022 of mung bean starch

2.2 球磨处理对绿豆淀粉微观结构影响

由图2可知，天然绿豆淀粉多呈卵形或多边形结构，表面光滑。经球磨处理后，淀粉颗粒形态变得不规则，表面变得粗糙，并出现裂纹。随着研磨时间的增加，颗粒呈扁平状结构，颗粒表面裂纹减少。其原因是淀粉颗粒在球磨0～6 h时间范围内，研磨球的摩擦、碰撞、冲击和剪切作用使得淀粉颗粒出现脆性断裂，淀粉颗粒大小逐渐减小，此时淀粉颗粒形貌表面出现相对较大裂纹。随着球磨时间延长至9 h，淀粉研磨过程产生的细小颗粒出现团聚现象，吸附在大颗粒表面，淀粉颗粒大小逐渐增大，此时淀粉颗粒表面相对光滑。

2.3 球磨处理对绿豆淀粉晶体结构影响

不同研磨时间绿豆淀粉XRD谱图由图3所示，可知原淀粉和球磨处理后淀粉均在15.5 °、17.0 °、18.0 °和23.5 °处有较强特征衍射峰，属“A”型淀粉[23]。随着球磨粉碎时间的延长，特征峰位置没有发生改变，但衍射强度随时间延长逐渐减小，说明球磨处理破坏了绿豆淀粉晶体结构。通过MDI Jade 6软件进行分峰拟合，并计算结晶度可知，结晶度从原淀粉的33.43%分别降低至26.95%、18.05%和13.93%。其原因可能是球磨产生的机械力破坏了绿豆淀粉中的氢键，分解了淀粉中双螺旋结构的结晶排列，使结晶结构被破坏[24]。豁银强等[25]采用高能球磨研究处理时间对大米淀粉的影响，获得随球磨时间增加，淀粉结晶区被破坏，处理时间达到120 min时，大米淀粉衍射峰强度较弱，表明淀粉的结晶区几乎完全被破坏，从研究结果与本研究一致。

图3 不同研磨时间绿豆淀粉XRD谱图Fig.3 XRD spectra of mung bean starch at different ball milling times

2.4 球磨处理对绿豆淀粉短程有序结构影响

绿豆淀粉分子结构变化可通过FT-IR图谱吸收峰位置变化来判断。由图4a可知，各吸收峰位置没有明显变化，且无新吸收峰产生，表明球磨处理并没有在绿豆淀粉中形成新的化学键或官能团。根据Ma等[26]研究发现，淀粉在1 047 cm-1和1 022 cm-1处分别对淀粉分子有序结构和无定形结构敏感，因此可以利用1 047/1 022 cm-1（R1047/1022）用于对淀粉的短程有序结构进行表征。图4b为去卷积图，利用Omnic 9.2软件计算1 047 cm-1和1 022 cm-1处的吸光度，由表1可知，随着球磨时间的延长，R1047/1022的值从0.82下降至0.76，说明球磨产生的机械力对淀粉分子链间或分子内氢键产生了破坏，破坏了淀粉分子双螺旋结构，淀粉短程有序结构被破坏[27,28]。此结果与Soe等[29]研究结果一致，其得到了球磨处理主要破坏了淀粉颗粒中结晶区域的氢键的结论。

图4 不同球磨时间绿豆淀粉FT-IR谱图Fig.4 FT-IR spectra of mung bean starch at different ball milling times

2.5 球磨处理对绿豆淀粉糊化特性影响

淀粉糊化是淀粉颗粒在水中加热，淀粉分子氢键被打开，结晶结构被破坏，淀粉溶解在水中，使溶液黏度增加[30]。由表2可知，球磨处理后，绿豆淀粉峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最终黏度和回生值均随着球磨时间的延长呈显著下降趋势。这表明球磨处理破坏了淀粉的结晶结构，提高了淀粉颗粒的持水性和膨胀度，同时产生了部分损伤淀粉，损伤淀粉与天然淀粉相比具有更低的黏度[21,31]，从而使黏度值下降。回生值从1 008.50 cp下降至549.00 cp，下降了45.56%，表明球磨处理后的淀粉抗老化能力提高，可抑制淀粉的短期回生。

表2 不同球磨时间绿豆淀粉的糊化特性参数Table 2 Paste characteristics parameters of mung bean starch at different ball milling times

2.6 球磨处理对绿豆淀粉3D打印特性影响

适用于3D打印的原料应具有适当剪切稀化能力，使其能够从喷嘴中挤出，同时应具有一定自支撑能力，使原料可以足够支撑所打印形状[32]。3D打印样品如图2所示，原淀粉和球磨处理9 h淀粉在打印过程中产生较多断条，打印产品质量不佳；而球磨处理3 h和6 h的淀粉打印产品外观良好，断条较少。打印产品模型偏差率如表3所示，可以看出，球磨处理3 h的淀粉打印精度最高，模型偏差率仅为0.66%。

表3 球磨处理对绿豆淀粉3D打印精度的影响Table 3 Effect of ball milling treatment on 3D printing accuracy of mung bean starch

2.7 球磨处理对绿豆淀粉流变学特性影响

由图5a可知，溶液黏度随剪切速率升高而逐渐降低，表明淀粉是一种典型非牛顿流体，具有剪切稀化现象[33]。淀粉凝胶经球磨处理后黏度呈先降低后升高趋势，且在6 h达到最低，这是由于吸水膨胀，淀粉分子交联形成凝胶态。当剪切应力作用增大时，互交联结构体系被拉直，物理交联点破坏速率超过重构速率，导致粘度下降，出现剪切稀化现象。强烈的机械力明显破坏了淀粉颗粒结构，对流体的粘性阻力降低，导致粘度下降。

图5 球磨处理后绿豆淀粉的流变特性Fig.5 Rheological properties of mung bean starch after ball milling treatment

在图5b、c和d可知，G'始终大于G＂，tan(δ)始终小于1，在剪切实验中表现出以弹性为主的性质，并表现出类固体行为，因此适合进行3D打印[34]。随着球磨时延长，G'和G＂呈现出先升高后降低的趋势，且在3 h达到最高。tan(δ)越大表明淀粉体系的粘性越大，高tan(δ)有利于打印后形状保持，但过高tan(δ)会使凝胶体系挤出困难，产生断条[4]。由图5d可知，绿豆淀粉经过球磨处理后，淀粉黏性降低，弹性升高，且在3 h时黏性最低，这与模型偏差率结果一致。可能是球磨处理会使体系中直链淀粉含量增加，支链淀粉含量降低，使凝胶体系的黏性下降，因此导致淀粉打印特性和流变学特性产生差异[4,35]。