華南農(nóng)業(yè)大學(xué)：打印溫度可控制混合凝膠油墨的流變特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較好的成型效果

來源： 食研私享

食品的3D打印過程可分為擠出、回抽和穩(wěn)定三個(gè)階段。在擠出前，食品油墨需要在適當(dāng)?shù)臏囟认萝浕�，使其達(dá)到順暢擠出的狀態(tài)。油墨的軟化是由3D打印機(jī)控制料桶壁溫度來完成。但由于料桶具有一定的直徑，油墨在加熱軟化過程中是通過傳質(zhì)傳熱進(jìn)行的，所以料桶中心溫度與表面溫度并不一致。同時(shí)，混合凝膠油墨含有水凝膠劑和有機(jī)凝膠劑，兩者具有不同的導(dǎo)熱性。混合凝膠油墨在加熱過程中受熱不均勻，不利于油墨的擠出。因此，在打印前需要通過在打印溫度下保溫一段時(shí)間來平衡溫差。

溫度可以改變溫度依賴性材料的流變行為，使其適用于3D打印中的特殊應(yīng)用。水凝膠和蜂蠟是溫度依賴性材料，在不同溫度下表現(xiàn)出特殊的流變特性。因此，該體系對(duì)于食品的3D打印還需要進(jìn)一步分析。大量研究表明，隨著溫度的升高，脂質(zhì)填充凝膠可能以惰性和活性兩種方式與水凝膠相發(fā)生相互作用�；旌夏z凝劑在不同溫度下表現(xiàn)出不同的機(jī)械強(qiáng)度和形變效果。因此，了解混合凝膠油墨在不同溫度下的相互作用機(jī)理對(duì)3D打印食品材料的開發(fā)和應(yīng)用具有重要作用。

2022年1月25日，由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院牽頭在食品專業(yè)領(lǐng)域Top期刊Food Hydrocolloids(1區(qū)；IF：9.147)在線發(fā)表了題為“Effects of incubation temperature on the mechanical and structure performance of beeswax-carrageenan-xanthan hybrid gelator system in 3D printing(保溫溫度對(duì)3D打印中蜂蠟-卡拉膠-黃原膠混合凝膠體系力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能的影響)”的研究論文，這項(xiàng)研究表明，打印溫度可控制混合凝膠油墨的流變特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較好的成型效果。


研究人員研究了保溫溫度(打印溫度)對(duì)蜂蠟-卡拉膠-黃原膠混合凝膠油墨打印性能、流變性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)保溫溫度從25°C升高到35°C時(shí)，蜂蠟的晶體結(jié)構(gòu)由非晶態(tài)向球晶體轉(zhuǎn)變。蜂蠟顆粒在混合凝膠油墨中分散均勻，有聚集的趨勢(shì)�；旌夏�膠油墨的τ0和n分別從23.64Pa增加到33.63Pa，0.20增加到0.26，表明該油墨機(jī)械強(qiáng)度低，不利于成型。當(dāng)保溫溫度超過55°C時(shí)，蜂蠟中出現(xiàn)大量針狀晶體，固體脂肪含量由29.98%增加到30.60%(p<0.05)。蜂蠟熔融形成較大顆粒，在蜂蠟表面觀察到互穿/滲透網(wǎng)絡(luò)。K和n的增加表明油墨顆粒較大，粘度較高，不利于擠出。當(dāng)保溫溫度達(dá)到45℃時(shí)，油墨中同時(shí)出現(xiàn)球晶體和針狀晶體。油墨的τ0、K、n值分別為113.44Pa、248.40Pa·sⁿ和0.34。油墨可順暢擠出，且擠出的絲狀材料具有良好的保真度。打印的空心立方體模型具有良好的形狀保持性。這項(xiàng)研究為新型混合凝膠體系在3D打印中的開發(fā)和應(yīng)用提供了一種研究方法。

圖文摘要

蜂蠟-卡拉膠-黃原膠混合凝膠體系3D打印結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2022.107541