酪蛋白提升木薯淀粉凝胶3D打印精度的机制探究

           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。