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酪蛋白提升木薯淀粉凝胶3D打印精度的机制探究

作者:质量安全与营养品质评价岗位团队 季圣阳 发布时间:2022-09-07 阅读量:109

  2022年7月,国家木薯产业技术体系质量安全与营养品质评价岗位科学家、浙江大学生物系统工程与食品科学学院陆柏益团队在国际期刊 Carbohydrate Polymers (1区Top, IF:10.723)发表题为“Investigation of the mechanism of casein protein to enhance 3D printing accuracy of cassava starch gel”(酪蛋白提升木薯淀粉凝胶3D打印精度的机制探究)研究性论文。浙江大学为文章第一署名单位,季圣阳为第一作者,陆柏益教授为通讯作者。该研究得到了国家重点研发项目(2021YFD1600105-03),国家农业产业技术体系岗位科学家项目(CARS-11)以及农业农村部农产品质量安全财政专项(GJFP202043)的支持。

  淀粉广泛分布于自然界,是人类饮食中最重要的碳水化合物之一,经常被用作各种食品配方中的胶凝剂和增稠剂。鉴于淀粉的剪切稀化假塑性行为,它作为典型的凝胶和粘弹性物料应用于3D打印已经被广泛报道。本研究的目的是从淀粉的多尺度结构(精细结构、短程有序结构)和凝胶性质(流变性、水分分布和亚微观性质)角度去解释酪蛋白的加入提升木薯淀粉凝胶打印精度的机制,从而明确结构、性质和打印精度的之间的关系。结果发现酪蛋白的加入提高了木薯淀粉的平均分子量,使淀粉的膨胀势降低,导致3D打印产品的线宽降低和中心层高度增加,从而最终提升了3D打印产品的打印表现。从外,酪蛋白的增加导致木薯淀粉的短程有序结构减少,使凝胶体系的弛豫时间降低和游离水含量增高,进一步提升凝胶体系弹性模量,从而最终提升3D打印产品的打印精度。这项研究为淀粉-蛋白质复合物在3D打印中的应用提供了有价值的信息。

 

研究亮点:

  1.首次发现酪蛋白可以用来提升淀粉类凝胶物料的打印精度;

  2.从淀粉的多尺度结构和凝胶性质角度系统阐明结构、性质和打印精度之间的关系。

研究结论:

  1.高浓度的酪蛋白降低了凝胶体系的粘度,从而有利于物料在3D打印过程中的顺畅挤出;

  2.酪蛋白的加入增加了凝胶体系的屈服应力(τy),从而提升3D打印产品的机械性能;

  3.酪蛋白的加入提升了淀粉的分子量,减小了淀粉的膨胀势,从而降低打印线宽,最终提升产品打印精度;

  4.酪蛋白的加入降低了淀粉的短程有序结构,从而改变凝胶体系的水分分布,进一步提升凝胶体系的刚性,最终提升产品的打印表现;

   5.酪蛋白含量的增高会促进与淀粉分子的相互交联,使打印产品从海绵状多孔结构变为片层状结构。

 

图文赏析:

图文摘要

不同酪蛋白含量的木薯淀粉-酪蛋白复合凝胶打印产品实物图

不同酪蛋白含量的木薯淀粉-酪蛋白复合凝胶的亚微观结构

不同酪蛋白含量的木薯淀粉-酪蛋白复合凝胶中淀粉的精细结构

不同酪蛋白含量的木薯淀粉-酪蛋白复合凝胶的3D打印产品微观结构​