基于不同直链淀粉含量稻米品种的植物基扇贝闭壳肌3D打印适性及结构特性研究

为开发可持续海鲜替代品，研究人员通过3D食品打印(3DFP)技术，利用四种直链淀粉含量不同的稻米品种制备食品墨水，探究淀粉糊化特性与3D打印适性及植物基扇贝闭壳肌(SAM)质构的关系。结果表明高直链淀粉稻米(如Dodamssal)通过增强氢键形成致密凝胶网络，显著提升产品硬度(1068.67 gf)和弹性(95.10%)，为精准模拟海鲜肌肉纤维结构提供新策略。

　　

随着海洋资源过度开发和消费者对可持续食品需求增长，开发植物基海鲜替代品成为研究热点。扇贝闭壳肌(SAM)作为重要食用部位，其独特的肌肉纤维排列结构直接影响口感品质，但现有植物基产品难以复刻这种微观结构。传统模具法制作的仿生海鲜缺乏真实肌肉纹理，而3D食品打印(3DFP)技术可通过逐层堆积精准控制内部结构。淀粉作为重要食品基质，其直链淀粉(amylose)含量差异会显著影响糊化(pasting)行为和凝胶特性，这为开发具有定制化质构的3D打印食品墨水(food-ink)提供了可能。

韩国庆北国立大学食品科学与生物技术学院的研究团队在《Current Research in Food Science》发表研究，系统评估了四种直链淀粉含量(11.70%-44.55%)稻米品种的理化特性，并开发出能模拟真实SAM纤维结构的3D打印植物基产品。通过快速粘度分析(RVA)、差示扫描量热法(DSC)和流变学测试表征淀粉行为，结合响应面法(RSM)优化打印参数，最终制备的仿生产品在烹饪后仍保持层状结构，其中高直链淀粉品种Dodamssal制成的样品展现出与真实SAM最接近的质构特性。

关键技术包括：1) 使用RVA 4500分析淀粉糊化特性参数(峰值粘度、回生值等)；2) 采用旋转流变仪测定食品墨水的屈服应力和幂律模型参数；3) 基于中央复合设计优化打印流速(20%-24%)和速度(10 mm/s)；4) 通过扫描电镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)解析微观结构与分子相互作用；5) 质构剖面分析(TPA)量化硬度、弹性等指标。

3.1 稻米粉理化特性

稻米品种按直链淀粉含量分为：低(米Ho 11.70%)、中(Saeilmi 19.50%)、高(Saemimyeon 32.01%)和极高(Dodamssal 44.55%)四类。RVA显示高直链淀粉品种具有更高糊化温度(87.37°C vs 70.97°C)和回生值(SB=30.95 cP)，X射线衍射(XRD)证实Dodamssal呈现典型B型结晶结构。凝胶强度测试表明直链淀粉含量与凝胶强度呈正相关(r=0.955)，这为后续3D打印墨水的机械性能奠定基础。

3.2 食品墨水热特性

DSC热谱图显示，Dodamssal食品墨水在79.59°C和99.03°C出现双吸热峰，对应淀粉糊化和直链淀粉-脂质复合物熔解。所有样品在温度扫描测试中均表现出典型的溶胶-凝胶转变，其中Saeilmi因较高的崩解值(BD=159.64 cP)展现出最佳热稳定性。

3.3 流变学特性与3D打印优化

幂律模型拟合显示所有墨水均具剪切稀化特性(n≈-0.77)。高直链淀粉墨水(SMM)具有最高屈服应力(2016.20 Pa)和储能模量(G′)，但通过RSM优化流速(24%)后仍能实现精确打印(尺寸偏差<0.09%)。相比之下，低直链淀粉墨水(MH)虽易挤出但结构稳定性较差(高度收缩2.28%)。

3.5 结构特性

SEM显示3D打印的层状结构在75°C烹饪后仍保持完整，其中Dodamssal样品形成最致密网络。分子相互作用实验证实，尿素处理使高直链淀粉样品G′下降更显著(ΔG′_DDS>ΔG′_MH)，说明其凝胶强度主要依赖氢键作用。FT-IR中1047/1022 cm^-1峰强比与回生值高度相关(r=0.915)，证实淀粉重结晶程度决定产品质构。

3.8 质构特性

TPA测试显示Dodamssal样品硬度(1068.67 gf)和弹性(95.10%)最接近真实SAM，但剪切力(730 gf)仍显著低于对照组(2786.67 gf)。相关性分析表明，淀粉回生值(SB)与产品硬度(r=0.890)、弹性(r=0.951)均呈极显著正相关，而崩解值(BD)则呈负相关。

该研究创新性地将稻米淀粉特性与3D打印技术结合，证实高直链淀粉品种通过增强分子间氢键和淀粉回生，能有效提升植物基海鲜的质构仿真度。特别是发现糊化参数中的回生值(SB)可作为预测3D打印产品质构的关键指标，为食品墨水的理性设计提供理论依据。尽管目前淀粉基产品在剪切特性上仍与真实海鲜存在差距，但通过优选稻米品种(如直链淀粉>40%)和优化打印路径，未来有望实现更精准的肌肉纤维模拟。这项研究不仅为可持续海鲜开发开辟新途径，也为淀粉基食品的3D打印提供了系统的材料筛选方法。