特殊な食用菌類やでんぷん質食品の3Dプリントに関する研究の進展

出典: フレッシュフードリサーチ

穀物と食用キノコは我が国の最も代表的なバルク食品原料である。その生産量は年々増加しているが、加工の割合と深加工レベルは低く、大部分は依然として粗加工と一次製品のレベルにとどまっており、それが直接的に経済利益の低さ、市場競争力の低さ、農産物産業の発展の遅れにつながっている。

近年、国立自然科学青年基金プロジェクトと江蘇省の主要な科学技術プロジェクト - 現代農業プロジェクト、Yang博士の研究グループは、財務および経済学のHu Qiuhuiが率いるチーム「栄養学の栄養と深い処理」の星を使用しますバルク食用真菌と澱粉中の高品質の多糖類の分子テクスチャを再構築し、澱粉と食用の真菌多糖の間の分子相互作用を使用して、対応する食品のレオロジー特性を改善し、それによって、特徴の3D印刷特性と星の特徴の構造の構造の構造を確立しました。 3D印刷技術を使用して、再構築されたシステムの添加剤処理をカスタマイズし、食用菌類の澱粉の再設計のための重要なコア処理テクノロジーを形成し、食品基板の「精度」および「カスタマイズ」処理を実現し、新しいカスタマイズ可能な健康食品の開発のための新しいアイデアを提供しました。具体的な研究成果は以下の通りです。

1. エボシタケ多糖類を含む特殊な食用菌類食品の3Dプリントに関する研究の進捗

大豆タンパク質分離ゲル食品の3Dプリントに関する研究は数多く行われていますが、ゲル成形に問題があります。 3D プリントされたハイドロゲルの物理的特性を改善するために、大豆タンパク質分離物は、Flammulina velutipes 多糖類などの他のハイドロコロイドと複合体を形成できます。研究チームは、大豆タンパク質分離物とエノコログサ多糖類複合体の 3D プリントの精度と安定性を研究し、評価しました。 3Dプリント後に熱処理された複合材料のゲル精度は99.7％以上、安定性は99.9％以上です。 Flammulina velutipes 多糖類を添加して熱処理することで、ゲルの粘性が低下し、強度が増し、微細構造がより均一で高密度になりました。大豆タンパク質の熱変性と、βフォールディングを強化するためのFlammulina velutipes多糖類からの-OHの導入が、ゲル特性の改善の理由であると考えられます。研究では、エノキタケ多糖類と熱処理により、ゲルの食品3Dプリント処理特性を強化でき、子供、高齢者、その他の特別なニーズを持つ消費者向けの栄養補給用に設計できることがわかりました。

図1. エボシタケ多糖類を含む特殊な食用菌類食品の3Dプリントに関する研究
2. デンプン質マルチスケール構造を含む特産食品の3Dプリント研究の進展

デンプンベースのゲルを 3D プリントして食品を作ることができます。予備実験では、アルギン酸ナトリウムをデンプンゲルに添加すると、対応する 3D プリント製品の形状安定性が向上することが示されました。このことから、私たちは、同じく一般的な増粘剤であるキサンタンガムが、3D 印刷実験におけるデンプン複合ゲルの構造化において同様の役割を果たす可能性があるという仮説を立てました。異なる量のアルギン酸ナトリウムとキサンタンガムを添加し、押し出し用のアルギン酸ナトリウム/キサンタンガム 3D プリントを行うことで、製品の幾何学的精度とレオロジー特性、水分状態分布、走査型電子顕微鏡画像が得られました。 3D 印刷プロセスをシミュレートするために、数値流体力学 (CFD) シミュレーションが使用されました。その結果、比較的高い押し出し性と形状保持性を備えた擬似塑性ゲルが形成されたことが示されました。アルギン酸ナトリウムとキサンタンガムを添加した最適化された配合を使用した 3D プリントされたデンプンゲルは、最高の幾何学的精度、形状安定性、適切なゲル形成特性、および物理的特性を示しました。適切な量のアルギン酸ナトリウムとキサンタンガムを加えると、食品として技術的に実現可能な可能性のある 3D プリントされたデンプンベースの製品を形成するのに役立ちます。 3D 印刷プロセスをシミュレートする CFD モデルは、直径の変化による流路内の速度分布を説明し、この不均一性により 3D 印刷プロセス中に流体が膨張します。

研究チームは、デンプン複合ゲルの3Dプリント用の増粘剤として、最も一般的に使用されているアルギン酸ナトリウムを選択しました。しかし、デンプンの組成、SA 3D 印刷ゲルの印刷ウィンドウとメカニズムは不明のままです。幾何学的精度、レオロジー特性、小角X線散乱SAXS、走査型電子顕微鏡（SEM）を使用して、デンプン複合ゲルとその製品を評価し、構造、特性、3D印刷機能と精度を取得しました。 3D 印刷プロセスをシミュレートするために、数値流体力学 (CFD) シミュレーションが使用されました。結果は、SA がデンプンゲル 3D プリントの実現可能性を向上できることを示しました。しかし、印刷に成功する領域は、通常のコーンスターチ (NMS)/SA 複合ゲル用に用意された 3D 印刷ウィンドウによって制限されていました。 SAXS データは、メッシュサイズを小さくすると貯蔵弾性率が向上することを示しています。主成分分析 (PCA) と相関分析により、幾何学的精度は複合ゲルのレオロジー特性と密接に関連していることが示されました。 CFD モデルは、流路内の不均一な速度分布の原因、つまり 3D 印刷プロセス中に押し出し膨張効果を引き起こす押し出し材料の直径の変動を説明します。この研究は、デンプンベースの 3D 印刷材料の標準化と品質管理の理論的基礎を提供します。

図2.食品3Dプリントにおけるデンプンのマルチスケール構造のメカニズム研究
3. デンプン含有複合ゲル食品の3Dプリント研究の進捗状況<br /> 研究チームは、メカニズムモデルシステムを使用して、3Dプリントプロセス中にデンプンが最初に展開し、次に互いに絡み合うことを説明しました。デンプンとミルクタンパク質間の電荷によって形成される化学親和性により、ゲルのレオロジー特性（流動性と形状安定性の両方）が向上し、3Dプリント特性が向上します。目的は、3Dプリントプロセスのパラメータを調整してミルク複合ゲルを3Dプリントし、異なる咀嚼能力を持つ人々向けに設計されたパーソナライズされた食品の製造に新しいアイデアを提供することです。

新興製造技術として、3Dプリント技術は、層ごとの付加製造方法を通じて、すでに人気のあるミルク複合ゲル（一般に「クリームキューブ」として知られています）の食感と味をさらに向上させることができます。本研究では、まず元の乳タンパク質複合ゲル材料の製造方法を調整し、元の良好な味が基本的に変わらないようにしながら、材料の印刷特性を最適化しました。次に、統一された3Dプリントモデルを確立し、3Dプリント制御ソフトウェアを使用して3Dプリント条件（主に充填周囲、充填度、充填パターンなど）を変更しました。事前に最適化された印刷特性を持つミルク複合ゲル材料を3Dプリントし、同じ印刷モデルに基づいて異なる内部構造を持つ3Dプリント製品を得ました。最後に、3D プリント製品のレオロジー特性、幾何学的精度、構造特性、微細構造の包括的な比較と分析が行われました。最終的に、3D プリント食品技術は、充填円周、充填度、充填パターンなどの 3D プリントプロセスパラメータを調整および制御することで、特殊な食感特性を持つ 3D プリント食品をカスタマイズする新しい方法を提供できることが実証されました。

図3. デンプンを含む複合ゲル食品の3Dプリントに関する研究
チームについて<br /> 楊凡博士（修士指導教員）は、2013年から2018年まで江南大学食品科学工学学院の張敏教授のチームで博士号取得のために研究しました。卒業後は、南京財経大学の食用菌類の栄養と高度加工研究チームに参加しました。ヤン・ファン博士は、穀物、果物、野菜などの 3D プリント食品の研究、開発、応用に取り組んでいます。彼は現在、国家自然科学青年基金、江蘇省自然科学基金、江蘇省高等教育自然科学基金など、いくつかの垂直プロジェクトを担当しています。関連する成果として、注目論文、高引用論文、カバー論文を含む SCI 論文 14 件が発表されました。彼は、Carbohydrate Polymers、Food Hydrocolloids、Food Research International など、いくつかの主流の TOP SCI ジャーナルの査読者です。発明特許5件を出願し、うち3件が認可された。学校と企業の連携による横断的なプロジェクトを実施し、多くの企業との連携で関連技術の実証を行ってきました。
南京財経大学の食用菌類の栄養と高度加工研究チームは、中国国家自然科学基金や江蘇省科学技術庁の重点プロジェクトなど、数十以上の省および省庁レベルの科学技術プロジェクトを主宰し、300本近くの研究論文を発表し、数十件以上の発明特許を取得しました。チームは江蘇省重点実験室に依存しており、主な研究方向は次のとおりです。

（１）食品機能性成分の効率的な調製と活性評価
（２）食用キノコの収穫後の保存・加工技術の開発と工程の精密制御
（３）食用菌類の多糖類、タンパク質等の機能性成分の構造特性、理化学的性質、栄養機能機構に関する研究
（4）食用菌類の生産、加工、保存過程における成分の機能特性の変化などの技術的、理論的なボトルネックを解決し、基礎理論研究と応用革新を進め、学際的な研究プラットフォームと科学研究チームを形成する。関連する研究内容は、食用菌類の新たな機能成分の探索と関連する作用メカニズムの解明に重点を置き、食用菌類の加工と総合的利用のレベル向上の基礎を築きます。過去5年間で、彼は教育部科学発明二等賞、江蘇省科学技術進歩一等賞、江蘇省教育功績一等賞などの栄誉を獲得しました。

△南京財経大学の楊凡博士が率いる食用菌類の栄養と深加工研究チームの最近の集合写真

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