从潜在的姜加工废弃物中提取的快速凝胶化淀粉：通过多尺度结构分析实现高精度3D打印，应用于以健康为导向的食品领域

《Food Hydrocolloids》：Rapid-gelating starch from potential ginger processing waste: Multi-scale structural analysis enabling high-precision 3D printing for health-focused food applications

本研究从废弃生姜根茎中提取五种不同品种的淀粉，通过多尺度结构分析和物化特性研究，发现CPS（Curcuma phaeocaulis Valeton淀粉）和CLS（Curcuma longa L.淀粉）具有快速凝胶化（1-2分钟）、高打印精度（95.40-96.08%）等特性，其结构特征包括高直链淀粉含量（31.81-33.47%）、短支链淀粉链（AP1含量高）及致密的结晶-无定形层状结构，形成稳定的三维网络。CLS还表现出低消化性（53.79%）和高抗性淀粉含量（44.55%），适用于健康食品制造。该研究首次系统阐明生姜淀粉多尺度结构与凝胶性能的关联机制，为农业废弃物高值化利用和智能食品制造提供新策略。

　　在当前食品工业和可持续制造技术的背景下，寻找具有良好性能的可食用和环保材料成为研究的热点。淀粉作为一种可再生、生物相容性高且可食用的生物聚合物，因其可调节的流变特性而成为3D打印材料的优选。然而，传统合成聚合物基3D打印凝胶存在食用性差、环境降解效率低以及成本高等问题，这些限制了其在食品和环保领域的应用。因此，研究人员开始探索天然淀粉作为3D打印材料的可能性，以克服这些限制。本研究聚焦于从不同品种姜中提取的淀粉，特别是从Curcuma phaeocaulis Valeton和Curcuma longa L.中提取的淀粉，因其表现出快速凝胶化、高打印精度以及优异的结构稳定性，成为研究的重点。

### 多尺度结构对淀粉凝胶性能的影响

淀粉的凝胶性能与其多尺度结构密切相关。本研究通过多种分析手段，包括显微镜技术、X射线散射、红外光谱、拉曼光谱和X射线衍射，对姜淀粉的多尺度结构进行了系统研究。结果显示，Curcuma phaeocaulis Valeton淀粉（CPS）和Curcuma longa L.淀粉（CLS）在低浓度（6%）下能够实现快速凝胶化（1-2分钟），并且在3D打印过程中表现出高达95.40-96.08%的打印精度。这种优异的凝胶性能归因于其独特的多尺度结构，包括较高的直链淀粉含量和较短的支链淀粉链。这些结构特征促进了分子链之间的物理缠结，从而加速了凝胶化过程，其凝胶化速度是传统淀粉（如马铃薯淀粉）的10-21倍。

淀粉的多尺度结构包括从分子链架构到颗粒形态的多个层级。在分子层面上，直链淀粉的高含量和短支链淀粉链的分布是关键因素。直链淀粉由于其线性结构，更容易形成稳定的三维网络，而短支链淀粉则有助于增强分子链的缠结能力。在颗粒层面上，CPS和CLS表现出较大的颗粒尺寸和较高的颗粒均匀性，这些特征可能与其在凝胶化过程中形成更密集的网络结构有关。此外，CPS和CLS在光学显微镜和扫描电子显微镜下显示出相似的颗粒形态，具有平滑表面和特定的“种子状”结构，这表明它们在结构上具有较高的一致性。

在更广泛的结构分析中，CPS和CLS表现出较高的半结晶层状结构，这种结构能够有效增强淀粉的机械性能和结构稳定性。半结晶层状结构的厚度和分布对淀粉的凝胶性能具有重要影响。CPS和CLS在X射线散射分析中显示出较大的层状重复距离（DB）和长周期（LP），表明它们具有更厚的结晶-非结晶层交替结构。这种结构不仅增强了淀粉的机械强度，还使其在冷却过程中能够保持稳定的凝胶网络，从而提高3D打印的精度。

### 热力学和流变学特性分析

淀粉的热力学行为对其凝胶性能和3D打印适用性具有决定性影响。通过差示扫描量热仪（DSC）和快速粘度分析仪（RVA）对姜淀粉的热性质和粘度特性进行了详细研究。结果显示，CPS和CLS在热处理过程中表现出较高的热稳定性，其凝胶化温度范围较窄，表明其在高温下能够保持较好的结构完整性。相比之下，其他姜淀粉（如HZS）表现出较宽的凝胶化温度范围，这可能与其较低的直链淀粉含量和较高的非结晶区域比例有关。

在流变学分析中，CPS和CLS表现出显著的剪切稀化行为，其存储模量（G′）和损失模量（G?）在冷却过程中均保持较高值，且G′始终大于G?，表明其具有较强的弹性行为。这种特性使得CPS和CLS在3D打印过程中能够形成稳定的凝胶网络，从而提高打印精度和结构稳定性。此外，CPS和CLS在动态频率扫描测试中表现出较高的存储模量，进一步验证了其优异的弹性性能。在剪切回收测试中，CPS和CLS的凝胶材料能够快速恢复粘度，这表明其具有良好的可逆性，有助于3D打印过程中的结构保持。

### 3D打印性能评估

3D打印的可行性主要取决于材料的流变特性、凝胶化速度以及结构稳定性。本研究采用热挤压3D打印技术对不同姜淀粉进行了测试。结果显示，CPS和CLS在6%浓度下能够实现快速凝胶化，且打印后的结构具有较高的形状保真度和精度。相比之下，HZS和CAS（马铃薯淀粉）的凝胶化速度较慢，导致打印后的结构不稳定，容易发生塌陷。此外，CPS和CLS的打印精度显著优于其他淀粉，这与其较高的存储模量和良好的剪切回收能力密切相关。

在打印过程中，淀粉凝胶的形态和结构对打印结果有重要影响。CPS和CLS在冷却过程中能够形成均匀且封闭的孔结构，这种结构有助于限制水分的迁移，从而减少因脱水引起的收缩。而HZS和CAS则表现出不均匀的层状和蜂窝状结构，这可能限制了其在3D打印中的应用。此外，CPS和CLS在打印过程中表现出较高的粘度恢复能力，这有助于维持结构的稳定性，提高打印精度。

### 淀粉的消化特性分析

淀粉的消化特性对于其在食品中的应用至关重要。本研究通过体外消化实验评估了不同姜淀粉的消化性能。结果显示，CLS表现出较低的消化率（53.79%）和较高的抗性淀粉含量（44.55%），这表明其在健康食品应用中具有巨大潜力。相比之下，KGS表现出较高的消化率（75.32%），这与其较高的A链（短支链淀粉）含量和较低的抗性淀粉比例有关。A链的高含量有助于淀粉颗粒的膨胀，从而提供更多的酶结合位点，加速初始消化过程。

淀粉的消化特性还受到其分子结构的影响。CPS和CLS由于其较高的直链淀粉含量和较短的支链淀粉链，能够形成更密集的物理交联网络，从而在消化过程中形成一定的物理屏障，减少酶的直接接触。这种结构特性使得CLS在体外消化过程中表现出较低的总体消化率，但其快速消化淀粉（RDS）和抗性淀粉（RS）的比例较高，这表明其在控制释放和营养释放方面具有优势。相比之下，KGS由于其较低的A链含量和较高的慢消化淀粉（SDS）比例，表现出较高的消化率，但其在3D打印中的应用受限于其较差的凝胶性能。

### 研究意义与未来展望

本研究通过系统分析姜淀粉的多尺度结构、热力学特性、流变行为以及消化性能，揭示了其在3D打印应用中的独特优势。CPS和CLS由于其快速凝胶化、高打印精度和良好的结构稳定性，成为理想的3D打印材料。此外，CLS的低消化率和高抗性淀粉含量使其在健康食品制造中具有重要价值，能够提供更持久的饱腹感和更稳定的营养释放。

在可持续发展和资源循环利用的背景下，将农业废弃物转化为高附加值的3D打印材料具有重要意义。本研究不仅为农业废弃物的高价值利用提供了新的策略，还为精准健康食品制造技术的发展提供了理论支持和创新材料。未来的研究可以进一步探索姜淀粉与其他食品成分（如蛋白质和脂质）的相互作用，以优化其在复杂食品配方中的应用。此外，对姜淀粉在储存和口腔处理过程中的结构稳定性进行评估，也将有助于其在食品工业中的规模化应用。

### 研究结论

综上所述，本研究通过系统分析不同姜淀粉的多尺度结构、热力学特性、流变行为以及消化性能，揭示了其在3D打印应用中的优异表现。CPS和CLS在低浓度条件下能够实现快速凝胶化，其形成的三维网络结构具有较高的稳定性和可逆性，从而提高了3D打印的精度和结构完整性。此外，CLS的低消化率和高抗性淀粉含量使其在健康食品制造中具有巨大潜力。本研究不仅为农业废弃物的高价值利用提供了新的思路，也为精准健康食品制造技术的发展奠定了基础，有助于推动食品工业的可持续发展。