不溶性椰枣果纤维（Phoenix dactylifera L.）稳定3D打印饼干结构：品种来源与添加浓度对墨材流变、质构及烘焙保形性的影响

《International Journal of Biological Macromolecules》：Exploring the role of insoluble dietary fibre from date fruit ( Phoenix dactylifera L.) in stabilizing the 3D cookie printing structure

　　

研究探讨椰枣果（Phoenix dactylifera L.）不溶性膳食纤维在稳定3D饼干打印结构中的作用。不溶性椰枣果纤维（DF）掺入可提高饼干墨材凝胶强度（gel strength）；富含木质素的DF可压实3D打印饼干结构，从而提高硬度；富含可溶性组分的DF可改善墨材保水性（water retention），从而制得更柔软且脆性较低的饼干；共存的可溶性DF可阻止烘焙过程中3D饼干铺展；高浓度（9%）DF添加会导致饼干打印不一致。

研究背景与目的：3D食品打印（3DFP，逐层沉积食品墨材制备定制化食品的制造技术）中，挤出打印要求食品墨材具备适宜流变、结构和质构特性，以保证可打印性、打印保持性和打印后稳定性。膳食纤维加入3DFP可影响打印过程、产品质构和营养价值，并可通过与水及蛋白等相互作用强化墨材网络；但高浓度纤维可能造成喷嘴堵塞、层沉积与黏结不良并降低打印精度。已有研究尚未报道不溶性椰枣果纤维（DF，源自椰枣果渣的不溶性纤维）作为3DFP墨材。DF主要含纤维素、半纤维素和木质素，组成受品种影响；Neghal较Barhi和Shishi含更多不溶性纤维，Barhi为软果且不溶性纤维最少，品种差异可能影响墨材打印性和产品结构稳定性。研究人员因此评估不同品种和不同浓度DF对3DFP理化性质的影响，以饼干为食品体系，表征DF添加饼干墨材的打印后性能及烘焙打印饼干，为DF作为新型3D墨材和富含膳食纤维3D打印功能饼干开发提供基础。

关键技术方法（约250字内）：样本为Barhi、Shishi、Neghal三种椰枣品种和工业椰枣果渣（IP），来自Al-Foah date factory（Abu Dhabi, UAE）。关键技术包括DF提取并过300 μm筛；按0、3、6、9% w/w DF制备饼干墨材，并以6%小麦麸（WB，商业膳食纤维对照）比较；以Simplify3D建模（直径32 mm、高7 mm），Felix Pro食品打印机（2 mm喷嘴、七层、600 mm/min、80%填充）打印，130°C烘焙25 min；测定组成、颜色、pH、单糖与木质素、粒径、持水力（WHC，静态水合最大吸水量）、持水能力（WRC，外力后保持水量）、溶胀、流变（振幅、频率、蠕变恢复）、墨材及烘焙饼干质构、尺寸保真度、差示扫描量热法（DSC，热转变测定）、扫描电子显微镜（SEM，微观结构观察），并进行主成分分析（PCA，降维分析变量关系）与相关分析。

研究结果：
3.1 椰枣不溶性膳食纤维：通过组成、粒径、水合和颜色测定，发现DF碳水化合物约77%–83%、蛋白最高约11.3%、平均粒径约166–215 μm、WHC/WRC约13–14 g/g、溶胀约14–15 mL/g，颜色随品种变化。
3.1.1 组成、粒径、水合性质和颜色值：通过理化测定表明，DF水分约7%–8.4%，灰分1.5%–2.2%，Neghal碳水化合物最高，IP蛋白最高且粒径最小，Neghal粒径最大，Shishi与Neghal的WHC/WRC较高，Neghal溶胀能力较高。
3.1.2 单糖和木质素组成：通过非淀粉多糖（NSP）单糖和酸解木质素（ADL）测定，发现木糖最高（12–19%），葡萄糖11–14%，半乳糖醛酸（GalA）2–5%，木质素31–46%；Neghal富含阿拉伯木聚糖和果胶，Barhi木质素最高。
3.2 饼干墨材：
3.2.1 大变形：通过振幅扫描发现所有墨材储能模量（G′，弹性响应指标）大于损耗模量（G″，黏性响应指标），DF提高G′，Neghal和Shishi在3%时最高，9%时降低，线性黏弹区增大。
3.2.2 频率扫描：通过频率扫描发现G′>G″，DF提高G′，Neghal和Shishi以3%最佳，浓度升至6%以上削弱墨材凝胶网络，所有墨材tan δ<1。
3.2.3 蠕变恢复：通过蠕变恢复试验发现DF使蠕变应变由0% DF的约304%降至约1–46%，9% Barhi和IP应变较高，Neghal和Shishi较低，表明DF增强抗变形能力。
3.2.4 颜色、pH和水分：通过颜色、pH和水分测定发现DF使墨材pH略降至约5.5–6.0，加深墨材和饼干颜色，增加饼干水分但各配方间无显著差异。
3.2.5 质构剖面性质：通过质构分析发现DF提高墨材硬度和黏附性，9%时内聚性下降，3%时弹性最佳；Shishi墨材最硬，IP较小颗粒更易整合而较软。
3.3 烘焙3D打印饼干：
3.3.1 质构剖面分析：通过烘焙饼干质构测定发现DF提高硬度和断裂性，Barhi 9%最硬，断裂性增加与墨材内聚性降低一致。
3.3.2 保真度：通过打印与烘焙后尺寸及图像比较发现打印尺寸保真度约100–105%，9% Shishi和Neghal直径较大；DF减少烘焙尺寸变化并保持高度，9%导致结构变形和层错位，6%打印精度最佳。
3.3.3 PCA和相关矩阵：通过PCA和相关分析发现PC1与PC2解释86.25%变异，硬度、黏附性和内聚性VIP>1，是打印精度主要驱动因素；硬度、黏附性与打印精度正相关，内聚性负相关，tan δ与硬度正相关、与内聚性和弹性负相关。
3.3.4 热剖面：通过DSC发现DF降低热转变温度，3%时最低，随DF增至9%峰温升高，9% Neghal最高（193°C），9% IP最低（139°C），表明水结合增强。
3.3.5 微观结构：通过SEM发现DF使饼干结构更致密，3%时颗粒填充气室并桥接网络，9%时纤维聚集形成团簇和较大孔隙，Barhi和IP更明显。
3.4 与商业小麦麸（WB）比较：通过6% WB对照发现其G′约0.008 MPa，低于相应DF配方，硬度和断裂性与Barhi、Shishi DF饼干相当，尺寸保真度与DF相当，表明DF对弹性网络增强更明显。

讨论与结论：讨论认为DF可通过填料效应、提高堆积密度及与水/蛋白相互作用增强墨材网络；大颗粒高持水DF在3%改善黏弹性，高浓度导致纤维聚集、网络不连续和打印缺陷；木质素较高者压实结构、限制膨胀并提高硬度；共存可溶性组分有助于连续凝胶网络和抑制铺展；PCA表明需平衡质构与弹性行为以获得良好打印质量。研究结论（译）：DF可作为纤维来源并具有3D食品打印潜力，尤其用于打印饼干；DF添加导致更高模量，DF与面团配料间相互作用可能促成该行为；Neghal和Shishi中较高阿拉伯木聚糖、果胶和半乳甘露聚糖可能是3%以内黏弹性能增强的原因，Barhi和IP较高木质素与9% DF后网络结构降低相关；墨材硬度和黏附性随DF增加而增加，内聚性和弹性下降；打印精度与硬度和黏附性正相关、与内聚性负相关，tan δ与硬度正相关、与内聚性和弹性负相关；较高DF浓度下饼干最终水分显示更高持水能力，IP更明显；DF烘焙打印饼干硬度和断裂性更高；DF可保持打印饼干形状并防止烘焙后尺寸偏差，6%更明显，9%产生大尺寸偏差和打印不连续；DF促进纤维-纤维相互作用形成更致密结构。研究局限于饼干3D打印理化特性，挤出力、速度、喷嘴尺寸、感官和消费者接受度、工业放大、货架期、营养生物利用度和体外消化等需进一步研究。