基于擠壓的3D打印中卡拉膠-黃原膠-淀粉多組分凝膠體系的流變性和可打印性

來源： 食研私享

2018年8月18日，江南大學(xué)：劉振彬團(tuán)隊(duì)與澳大利亞昆士蘭大學(xué)Bhesh Bhandari教授聯(lián)合在農(nóng)林科學(xué)1區(qū)TOP期刊Food Hydrocolloids（IF：9.147）在線發(fā)表了題為“Linking rheology and printability of a multicomponent gel system of carrageenan-xanthan-starch in extrusion based additive manufacturing”的研究文章。

3D食品打印是一種新興的技術(shù)，具有影響食品制造業(yè)的潛力。食品油墨的流變性能對(duì)其成功進(jìn)行3D打印至關(guān)重要。然而，流變性能與3D打印性能之間的關(guān)系在食品體系中還沒有明確的定義。

該研究旨在提高我們對(duì)食品油墨體系流變性能與3D打印性能之間的相關(guān)性的認(rèn)識(shí)，并且為卡拉膠-黃原膠-淀粉多組分體系的3D食品打印提供參考價(jià)值。在這項(xiàng)研究中，研究人員首先研究了油墨的熱響應(yīng)行為，然后選擇了幾種配方來測(cè)定油墨的流變性能和評(píng)價(jià)3D打印性能。研究人員將3D打印過程分為三個(gè)階段，即擠出階段、恢復(fù)階段和自支撐階段，并測(cè)定了每個(gè)階段對(duì)應(yīng)的油墨流變性能。最后，根據(jù)打印1D結(jié)構(gòu)（線、五角形）、2D結(jié)構(gòu)（晶格支架）和3D結(jié)構(gòu)（圓柱體）的能力評(píng)價(jià)了模型油墨配方的3D可打印性。

圖文摘要

亮點(diǎn)介紹
[1] 在3D打印中采用了觸變性和熱可逆凝膠體系作為模型。
[2] 油墨的流變性和3D打印性能在整個(gè)打印過程中是相互關(guān)聯(lián)的。
[3] 印刷了1D、2D、3D結(jié)構(gòu)并與墨水的流變性相關(guān)聯(lián)。

成果介紹
該研究中，研究人員以k-卡拉膠、黃原膠和土豆淀粉為主要原料，制備了一種凝膠模型多組分體系，并將其用于注射器式擠壓3D食品打印機(jī)。研究人員將3D打印過程分為3個(gè)階段，分別測(cè)定各階段油墨相應(yīng)的流變性能，即擠出階段（屈服應(yīng)力、粘度、剪切變�。�、恢復(fù)階段（剪切恢復(fù)、溫度恢復(fù)）和自支撐階段（復(fù)數(shù)模量 G*和室溫屈服應(yīng)力）。最后，系統(tǒng)地研究了模型油墨的3D打印性能，從打印線/五角星（一維，1D結(jié)構(gòu)）開始，到打印晶格支架（二維，2D結(jié)構(gòu) )，最后打印圓柱體( 三維，3D結(jié)構(gòu) )。

結(jié)果表明，在k-卡拉膠基油墨中添加淀粉和黃原膠提高了油墨的凝膠溫度（Tgelation）、粘度（剪切速率0.01~1001/s）、屈服應(yīng)力、復(fù)數(shù)模量G*、增強(qiáng)了剪切變�。ㄓ|變性）行為和降低了模量的時(shí)間依賴性（溫度恢復(fù)）。屈服應(yīng)力（應(yīng)力掃描試驗(yàn)中G′（彈性模量）等于G′′（粘性模量）的交叉點(diǎn)）和剪切變稀行為（剪切率增加時(shí)粘度下降）的流變學(xué)響應(yīng)與油墨的可擠出性密切相關(guān)。油墨的凝膠溫度（Tgelation）和時(shí)間依賴性行為（凝膠時(shí)間，tgel）顯著影響其印刷性能和形狀保持性能。墨水的機(jī)械強(qiáng)度是自支撐的重要因素，尤其是對(duì)于3D結(jié)構(gòu)。

該項(xiàng)研究成果具有為提高使用親水膠體作為印刷助劑的食品的3D打印性能提供指導(dǎo)意義。

圖1. A：研究框架圖。Tgelation：膠凝溫度；PT：打印溫度；RT：室溫。B：研究中使用的打印機(jī)的照片。C：設(shè)計(jì)的晶格支架模型及尺寸。D：設(shè)計(jì)的空心圓柱體模型及尺寸。

圖2. A：油墨 kC（1）X（0.5）S（2）在35°C、40°C、45°C和50°C打印溫度下的線條印刷表現(xiàn)。B：使用油墨 kC（1）X（0.25）S（2）重疊（a）和不同角度（b、c和d）打印的五角星圖。C：在35°C、40°C、45°C和50°C的溫度下使用油墨 kC（1）X（0.25）S（2）打印的五角星。（注：kC代表k-卡拉膠；X代表黃原膠；S代表土豆淀粉；數(shù)字代表百分比）

圖3. A：不同溫度下使用不同油墨打印的支架圖像。B：不同狀態(tài)下打印的互連通道孔示意圖。C：印刷支架互連通道的平均面積。

圖4. A：從不同方向觀察打印溫度40°C時(shí)印刷的空心圓柱體圖像。B：第一墨層寬度變形（ΔW）示意圖。C：第二墨層寬度變形及其與第一層的融合示意圖。D：使用不同油墨在打印溫度40°C時(shí)印刷的空心圓筒的壁厚。

專 家 簡 介

張 慜

張慜，江南大學(xué)二級(jí)教授、至善特聘教授，江蘇省高�！吧�鮮食品智能加工與保鮮”國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任，入選國家百千萬人才，享受國務(wù)院特殊津貼。長期從事生鮮食品加工高新技術(shù)研究，近十年來在食品高效加工新技術(shù)領(lǐng)域有開創(chuàng)性的研究，培養(yǎng)畢業(yè)研究生/博士后近200名。2007年起先后擔(dān)任Journal of Food Engineering；Drying Technology; International Agrophysics; Foods等SCI刊物的編委/副主編。2013年8月起，被澳大利亞昆士蘭大學(xué)授予食品科學(xué)領(lǐng)域的榮譽(yù)教授。近五年主持國家、省部級(jí)和產(chǎn)學(xué)研重點(diǎn)項(xiàng)目20余項(xiàng)；獲國內(nèi)外發(fā)明專利授權(quán)230余項(xiàng)，榮獲江蘇省“十大杰出專利發(fā)明人獎(jiǎng)”(2012年）和江蘇省專利發(fā)明人獎(jiǎng)（2020年）；以通訊作者發(fā)表SCI論文590余篇，被引總數(shù)超過1.3萬次，H-index數(shù)為70（Web of Science），6度入選ELSIVER“中國高被引學(xué)者”榜單。主持的研究成果獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、江蘇省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國商業(yè)聯(lián)合會(huì)科技特等獎(jiǎng)等科技獎(jiǎng)勵(lì)。

劉振彬

劉振彬，陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工、食品3D打印、食用菌資源創(chuàng)制與高值化利用。主持或參與多項(xiàng)國家及省部級(jí)項(xiàng)目，發(fā)表多篇高水平論文，其中ESI高被引論文三篇。
原文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2018.08.026