《Food Chemistry》：Germination-driven modifications in pulse carbohydrates for optimized 3D food printing inks and structures
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通过发芽处理提升扁豆和豌豆碳水化合物富集面粉的流变学与物理特性，优化3D食品打印墨水性能。研究显示发芽可降解不可溶膳食纤维并增强流变学特性，其中发芽豌豆面粉（PCRFG）因高弹性和剪切稀化行为表现出最佳打印性能，12%浓度与80℃挤出温度为最佳参数。扫描电镜和微CT证实发芽面粉形成均匀孔隙结构，机械强度提升显著。分隔符
Muhammad Usman|Yu Lu|Zhao Jin|Jiajia Rao|Minwei Xu
北达科他州立大学植物科学系，美国北达科他州法戈市58108
摘要
本研究探讨了利用富含碳水化合物的扁豆和豌豆副产品粉体制备基于挤出技术的3D食品打印（3DFP）墨水的方法，分别考察了发芽前后墨水的变化。发芽作为一种自然的改性方法，通过减少不溶性膳食纤维和增加糊化粘度，改善了3DFP墨水的流变学和质地特性，尤其是在富含碳水化合物的豌豆粉（PCRF）中。一天时间的发芽处理显著提升了发芽后的PCRF（PCRFG）的剪切稀化行为和粘弹性模量，从而提高了其打印性能。在80°C条件下，使用12%的PCRF时获得了最佳的打印效果。挤出机温度、Z轴进料速率、行进进料速率以及原料浓度对墨水的硬度和弹性有显著影响。由于PCRFG具有更好的粘弹性，因此其打印出的物体比发芽后的扁豆粉（LCRFG）具有更高的机械强度。扫描电子显微镜和微CT分析显示，PCRFG样品形成了均匀的孔结构，且空气体积减少。这些发现表明，短期发芽能够提升脉冲粉的功能性和流变学特性，从而增强其作为3DFP墨料的适用性。
引言
豆类是全球最古老的农作物之一，包括干豆、干豌豆、鹰嘴豆和扁豆等营养丰富的可食用种子。豆类蛋白（如豌豆（Pisum sativum L.）和扁豆（Lens culinaris Merr.）被广泛用作植物性食品原料，尤其是在植物性肉制品中（Usman, Swanson, Chen, & Xu, 2023）。豆类蛋白的副产品富含碳水化合物，主要包括淀粉和纤维。在西方的国家，这些副产品通常被用于动物饲料或填埋处理。因此，迫切需要开发一个新的市场来利用这些富含碳水化合物的副产品。
研究人员和行业界正在不断探索创新方法，以高效利用豆类碳水化合物，减少浪费并最大化其价值（Roasa, De Villa, Mine, & Tsao, 2021）。基于挤出的3D食品打印（3DFP）技术作为一种新兴技术，旨在利用豆类碳水化合物开发新的食品产品。3DFP是一种创新的制造工艺，能够通过逐层堆积的方式制造复杂的物体（Dankar, Haddarah, Omar, Sepulcre, & Pujolà, 2018; Godoi, Prakash, & Bhandari, 2016），适用于粉末、液体或糊状材料。该技术的优势在于能够根据不同人群的需求（如职业、年龄和生活方式）采用个性化的生产技术来定制食品（Zhao, Zhang, Chitrakar, & Adhikari, 2021）。
豆类碳水化合物在3DFP中有很大的应用潜力，但仍需解决一些挑战。豆类中存在的不溶性纤维以及较差的糊化性能会负面影响打印墨水的流变学、质地和结构特性，从而降低打印质量。例如，大豆粕中的不溶性膳食纤维（IDF）限制了其功能性应用；然而，通过球磨和酶水解（使用纤维素酶、木聚糖酶和半乳糖醛酸酶）将其转化为可溶性膳食纤维（SDF）后，其物理化学和流变学性质得到了显著改善（Deng et al., 2024）。Cheng等人（2024）还发现，当IDF含量超过10%时，打印产品的结构恢复能力下降，导致打印精度降低。这表明将豆类碳水化合物转化为SDF可以提高其适用于3DFP的程度。
发芽是一种可持续、环保且自然的改性方法，能够将IDF分解为SDF并改善其糊化性能。研究表明，扁豆和黄豌豆种子经过一天时间的发芽处理后，其糊化性能得到改善，表现为峰值粘度和恢复粘度的增加，表明淀粉降解程度较低且凝胶结构更佳（Xu et al., 2019）。此外，发芽还能改变基于豆类蛋白的肉制品的质地（Zahari, ?stbring, Purhagen, & Rayner, 2022）。
本研究旨在探索发芽作为一种自然手段，用于改善来自扁豆和豌豆的富含碳水化合物粉体的物理化学、流变学和质地特性，以提高其作为3DFP墨料的适用性。选择这两种豆类是因为它们在全球农业中的重要性、丰富的副产品以及不同的成分特性，这为评估发芽对其成分的具体影响提供了基础。具体而言，研究目标是探讨发芽如何改变这些豆类碳水化合物的组成、糊化行为和结构特性，并优化打印参数以制备高质量的3DFP制品。这项工作的意义在于将未被充分利用的豆类碳水化合物副产品转化为功能性打印材料，从而推动可持续食品创新和豆类加工废弃物的增值利用。
部分内容摘录
植物材料和化学品
扁豆和豌豆来自三个不同的供应商：JM Grain（北达科他州加里森）、Viterra Inc.（北达科他州格兰德福克斯）和AGT Food and Ingredients（北达科他州米诺特）。为了更好地代表样本的多样性，在发芽前将同类型的豆类混合。种子储存在聚乙烯容器中，温度控制在4°C，并在发芽前进行清洗。总淀粉检测试剂盒K-TSTA-50A购自Megazyme（伊利诺伊州芝加哥）。其他所有化学品均购自VWR International。发芽对富含碳水化合物的豆类粉体化学成分的影响
富含碳水化合物的豌豆粉（PCRF）的灰分、蛋白质和总淀粉含量略高于富含碳水化合物的扁豆粉（LCRF）（p > 0.05），而脂质含量则存在显著差异（p < 0.05），分别为4.56%和3.27%（表1）。PCRF（13.53% IDF, 3.44% SDF）与LCRF（13.47% IDF, 3.80% SDF）之间的IDF和SDF含量差异不显著。豆类的发芽是一种常见处理方式，会对其化学成分产生影响。
结论
发芽改变了富含淀粉的粉体的功能特性，尤其是其糊化行为和IDF向SDF的转化过程。本研究专门评估了发芽对PCRF和LCRF作为3DFP墨料及其打印制品的流变学和质地性能的影响。结果表明，由于IDF转化为SDF，PCRFG墨料表现出良好的剪切稀化行为和类似固体的特性，同时淀粉和直链淀粉含量也有所增加，糊化性能得到改善。
作者贡献声明
Muhammad Usman：撰写初稿、数据可视化、软件应用、实验设计、数据分析及数据整理。Yu Lu：撰写内容审阅与编辑。Zhao Jin：研究概念的提出。Jiajia Rao：资源协调。Minwei Xu：撰写内容审阅与编辑、项目监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了农业实验站（AES）Hatch项目ND 02248的支持。作者衷心感谢国家科学基金会（NSF）为购买实验仪器提供的资金支持。
