通过脉冲电场和超声波处理，调节了预糊化玉米淀粉的物理化学性质及其3D打印性能

《Food Frontiers》：Physicochemical Properties and 3D Printability of Pregelatinized Corn Starch Were Modulated Through Pulsed Electric Fields and Ultrasonic Treatments

本研究首次系统探究了超声（US）和脉冲电场（PEF）处理对 pregelatinized corn starch（PGCS）的3D打印性能影响。结果表明，US通过空化效应显著增加Amylose含量（最高达36.18%），但过度破坏淀粉结构，导致打印件易变形；PEF通过电渗透温和改变结构，使PGCS-400的凝胶硬度达2.73N，剪切储能模量最高（806.3 BU），3D打印环状和心形结构尺寸偏差仅2.1%和3.3%，表面光滑度评分3（最佳）。XRD和DSC分析显示PEF处理在保留晶格结构（结晶度29.51%）的同时降低热熔温度，优化了淀粉的流变学和力学性能。该研究为非热处理技术定制高功能淀粉提供了新方法。

　　本研究探讨了超声波（US）和脉冲电场（PEF）两种非热处理技术对预糊化玉米淀粉（PGCS）物理化学性质及3D打印行为的影响。尽管US和PEF在天然玉米淀粉的研究中已有一定基础，但它们对PGCS的3D打印性能的改变仍鲜有报道。PGCS因其在食品工业中的广泛应用而成为研究重点，它不仅具有良好的溶解性和功能特性，还能够提供适合3D打印的凝胶基质。通过US和PEF处理，能够进一步改变PGCS的凝胶结构和功能特性，使其更适用于3D打印应用。本研究首次系统评估了这两种非热处理方法对PGCS的物理化学特性、微结构以及性能的影响，旨在为定制化食品产品的开发和食品工业中的创新应用提供理论依据和实践支持。

在材料选择方面，采用商业食品级玉米淀粉，其含水量、蛋白质含量、脂肪含量、灰分含量、直链淀粉（amylose）和支链淀粉（amylopectin）含量均在可控范围内。通过将玉米淀粉分散在蒸馏水中，并在70°C下进行糊化处理，形成了具有良好物理特性的GCSP。随后，GCSP被分别施加不同强度的US和PEF处理，以探究其对淀粉物理化学性质的改变。研究中采用的US处理参数包括60%–90%的振幅，处理时间为30分钟，采用0.5秒开、0.5秒关的脉冲周期。而PEF处理则采用9.4 kV/cm的电场强度，20微秒的脉冲宽度，20赫兹的频率，以及100–400个脉冲。这些处理参数的选择基于实验优化和设备安全指南，旨在确保处理强度与性能之间的合理关系，同时保持实际加工条件的可行性。

研究结果表明，US和PEF处理对PGCS的结构产生了显著影响。在US处理中，随着振幅的增加，PGCS的结构逐渐被破坏，导致直链淀粉含量增加，同时支链淀粉含量减少。例如，US-PGCS-90的直链淀粉含量达到36.18%，而支链淀粉含量下降至63.82%。这种变化主要归因于超声波引起的分子链断裂，生成更多的直链淀粉碎片。而PEF处理则对淀粉的组成影响较小，但显著改善了其粘度和凝胶性能。PEF-PGCS-400表现出最高的粘度和退化粘度，表明其形成了最稳定的凝胶结构。这可能与PEF引起的电穿孔效应有关，该效应通过调整淀粉分子结构，提高了水和油的渗透能力，从而改善了淀粉的吸水和吸油性能。

通过X射线衍射（XRD）和差示扫描量热法（DSC）分析，发现US和PEF处理均降低了淀粉的结晶度，并提高了其糊化温度。这表明，处理后的PGCS在糊化过程中表现出更复杂的结构变化。其中，PEF处理的PGCS凝胶表现出更高的硬度和更优的流变参数，这有助于形成高保真度、高质量的3D打印结构。相比之下，US处理的PGCS硬度较低，且结构变化更为显著，导致其在3D打印过程中可能因过度肿胀而出现结构不稳定的问题。

在流变特性方面，研究发现PEF处理的PGCS凝胶表现出更优异的流变性能。PEF-PGCS-400的储存模量（G′）和损失模量（G″）均较高，表明其在低应变范围内表现出更强的弹性行为，形成了更紧密的网络结构，从而在打印过程中具有更好的稳定性。而US处理的PGCS凝胶则表现出较低的G′值和较窄的线性粘弹性范围，表明其结构稳定性较差，容易在应变下发生断裂。这些流变特性的变化进一步验证了PEF处理在3D打印中的优势，特别是在支持高分辨率层沉积和保持结构完整性方面。

在3D打印性能方面，研究采用Allevi 2生物打印机，将不同处理条件下的PGCS凝胶加载至10 mL无菌注射器中，并在5°C下储存24小时。通过比较打印后的结构与原始CAD设计的尺寸，评估了打印精度。结果显示，PEF-PGCS-300和PEF-PGCS-400在打印过程中表现出更高的形状保真度和表面光滑度，而CON-PGCS和US处理的样品则表现出较差的打印效果。PEF处理的样品在打印过程中能够更好地保持几何形状，表面光滑，无明显变形或坍塌现象。相比之下，US处理的样品在打印后出现明显的尺寸偏差，尤其是壁厚和高度，表明其在打印过程中可能存在材料扩散或结构不稳定的问题。

研究还探讨了US和PEF处理对淀粉功能特性的潜在影响。US处理通过引起淀粉颗粒的结构破坏，增加了其吸水和吸油能力，而PEF处理则通过电穿孔效应，增强了淀粉的吸水能力，同时保持了其结构的稳定性。这些处理方式对淀粉的物理化学性质产生了不同的影响，其中PEF处理更倾向于改善淀粉的流变特性，使其更适用于3D打印。研究发现，淀粉的直链淀粉含量在25%–30%之间时，其打印性能最佳，能够提供足够的凝胶强度，同时避免过度的退化现象。因此，US和PEF处理对淀粉功能特性的影响取决于具体的处理条件和目标性能需求。

研究还涉及了多种分析方法，包括扫描电子显微镜（SEM）、FTIR光谱、XRD分析和DSC测试，以全面评估处理后的PGCS的物理化学特性。这些方法提供了关于淀粉结构变化的详细信息，有助于理解不同处理方式对淀粉性能的影响机制。此外，研究还探讨了这些处理方式在食品工业中的应用潜力，特别是在开发定制化食品产品和创新应用方面。研究结果表明，US和PEF处理能够显著改善PGCS的吸水和吸油能力，从而增强其在食品加工中的适用性。

在研究方法上，采用完全随机设计，所有实验均重复三次，以确保数据的可靠性和统计显著性。通过SPSS软件进行统计分析，包括方差分析（ANOVA）和邓肯多重比较检验，以评估不同处理组之间的差异。结果表明，US和PEF处理对PGCS的物理化学性质产生了显著影响，其中PEF处理在保持淀粉结构稳定性的同时，显著提高了其吸水和吸油能力，而US处理则在一定程度上导致了结构的过度破坏，可能影响其在打印过程中的性能。

综上所述，本研究揭示了US和PEF处理对PGCS物理化学性质和3D打印行为的显著影响。US处理通过引起淀粉颗粒的结构破坏，提高了其吸水和吸油能力，而PEF处理则通过电穿孔效应，增强了其吸水能力，同时保持了结构的稳定性。这些处理方式为食品工业中开发定制化食品产品和创新应用提供了新的思路。研究还指出，未来可以进一步探索这些处理方式对淀粉其他功能特性（如消化性和储存稳定性）的影响，并利用人工智能和机器学习模型，基于流变、组成和微结构特性预测3D打印性能，从而加速高性能淀粉基配方的设计。