江南大學張慜教授團隊：微波誘導果蔬淀粉基漿料4D打印的形狀、顏色和香味的同時變化

來源：食研私享


2022年4月4日，江南大學張慜教授團隊在國際期刊Food Research International(中科院一區(qū)；IF: 6.475)上在線發(fā)表了題為“Investigation on Simultaneous Change of Deformation, Color and Aroma of 4D Printed Starch-based Pastes from Fruit and Vegetable as Induced by Microwave(微波誘導果蔬淀粉基漿料4D打印的形狀、顏色和香味的同時變化)”的研究性論文。郭超凡為第一作者，張慜教授為通訊作者。該研究旨在開發(fā)一種可由家用微波爐觸發(fā)4D打印的家庭烹飪方法，以此為3D打印技術在家庭烹飪中的普及提供新思路。

常規(guī)的3D打印技術由于需要一個能夠形成更多層的支撐層而存在很大的局限性。因此，缺乏這種層的結構即使設計出來，也不可能被打印出來。為此，該文提出了一種允許將簡單3D打印物體4D變形為復雜懸空結構的新方法，其利用微波輻射用于誘導所需的定向變形。該研究以黃桃-蕎麥漿料為油墨材料，研究了模型結構和微波功率對定向4D變形行為的影響。然后，采用有限元模擬方法研究了微波輻射對打印物體的影響。

實驗和模擬表明，微波(200W)產生的局部高溫在熱點處引起定向微膨脹，形成驅動力，使3D打印物體在90s內迅速發(fā)生4D變形。驗證試驗也證明了膨脹是驅動4D變形的主要因素。該策略可與變色、變味微膠囊相結合，在家用微波爐(700W)上實現15s內變形、變色、變香的同步4D打印過程。該研究提供的一種新的4D打印方法，能夠實現在短時間內與消費者互動，可應用于兒童食品。

圖1. (a)不同設計結構特征的3D打印模型、物體、微波形變效果和紅外熱成像；(b)設計的4D打印形變示意圖。


圖2. 單瓣3D打印樣品用不同微波功率處理后的(a)變形特性、(b)彎曲角度和(c)溫度分布。


圖3. 四瓣3D打印樣品經不同微波功率處理后的(a)預變形和(b)彎曲角。


圖4. 微波加熱(200 W，30s)后打印物體紅外熱圖的(a)側視圖和(b)俯視圖；
計算機模擬得到的印刷物體(c)表面溫度分布圖、(d)截面溫度分區(qū)分布圖、(e)截面電場分布圖和(f)截面體積應變分布圖；(g)4D變形機制圖。


圖5. 單瓣印刷樣品用(a)50℃、(b)105℃對流熱風處理后的變形特性。


圖6. (a)單瓣和四瓣多孔基底結構花瓣切片模型及打印物體數字圖像；(b)200w微波加熱后印刷樣品變形特性。


圖7. 通過3D打印直接打印和4D打印通過家用微波(700 W)加熱間接打印的懸空結構示意圖。


圖8. (a)未添加(對照)和添加5%微膠囊的黃桃-蕎麥凝膠在微波(700W)誘導下的4D變形和變色特性的數字圖像及(b)其L*，a*，b*值；(c)添加5%微膠囊的黃桃-蕎麥凝膠在不同微波(700 W)加熱時間下的電子鼻信號值。

關于張慜

張慜 教授
江南大學食品學院

張慜，江南大學二級教授、至善特聘教授，江蘇省“生鮮食品智能加工與品質監(jiān)控”國際聯合實驗室主任，入選國家百千萬人才，享受國務院特殊津貼。長期從事生鮮食品加工/保鮮高新技術研究，近十年來在食品高效加工新技術領域有開創(chuàng)性的研究，培養(yǎng)畢業(yè)研究生/博士后近200名。2007年起先后擔任Journal of Food Engineering、Drying Technology、International Agrophysics、Foods等SCI刊物的編委/副主編。并兼任瑞典國際科學基金會(IFS)科學顧問、澳大利亞昆士蘭大學食品科學榮譽教授。近20年主持十三五國家重點研發(fā)項目1項、國家自然科學基金項目6項、十二五/十一五國家863課題2項以及產學研重點項目30余項；獲國內外發(fā)明專利授權230余項，榮獲江蘇省“十大杰出專利發(fā)明人獎”(2012年）和江蘇省專利發(fā)明人獎（2020年）；以通訊作者發(fā)表SCI論文590余篇，被引總數超過1.3萬次，H-index數為70，入選ELSIVER“中國高被引學者”榜單（2014-至今）和Clarivate全球“高被引科學家”榜單（2021年）。主持的研究成果獲國家科技進步獎二等獎、江蘇省科技進步獎一等獎、中國商業(yè)聯合會科技獎特等獎、中國輕工業(yè)聯合會科技進步獎一等獎等科技獎勵。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.foodres.2022.111214