突破温度限制！可在室温下3D打印的任意形状巧克力

来源：江苏激光联盟

近年来，3D打印机已开始摆脱使用塑料细丝、金属粉末等打印领域，现在也被用于由可食用材料以及利用全新食材打印产品，比如3D打印肉类、3D打印肯德基、3D打印牛奶甜点等，既有助于利用食用材料，便捷地制作非传统食品，也能为消费者带去更健康、更符合其个性化需求的产品。

数字制造（尤其是3D打印）方面的最新进展使得能够使用塑料、金属和其他原材料自由地制造3D结构和设备。迄今为止，3D打印结构已展示了广泛的应用，包括传感、组织工程和生理血管建模。3D打印的最新前沿集中于可食用材料的直接打印。其实，3D打印对巧克力行业产生影响也就不足为奇了。过去几年来，多家公司一直在尝试3D打印巧克力，3D打印为行业带来创意和创新。据了解，大多数巧克力3D打印机都使用CAD文件，就像普通的3D打印机一样。巧克力3D打印机通过挤出机头移动并铺设熔化的巧克力，其形状为所需的形状，之后巧克力冷却并变成固体。

不过，巧克力3D打印机目前还不适合大规模生产，其主要问题是温度。巧克力须加热到足以融化，同时须冷却和干燥以保持其形状。温度不适宜的话，导致3D打印巧克力由于温度和重力而失去其形状。还有3D打印巧克力的过程非常耗时，这是由于温度造成的。来自新加坡科技与设计大学(STDU)的研究人员首次使用直接墨水书写(DIW)3D打印机直接在液相中打印巧克力基墨水，从而无需温度控制即可建模复杂的3D形状。研究人员将此方法称为基于巧克力的墨水3D打印(Ci3DP)。

▲Ci3DP

3D食品打印允许打印具有定制营养成分的食品，原则上可以根据生物特征和基因组信息对营养进行优化。与其他3D打印技术类似，3D食品打印依赖于基于CAD数据和2D层顺序沉积的逐层制造。可以通过食物的基本成分（如碳水化合物，蛋白质和脂肪）的协调组合来定制食物油墨。对于3D食品打印，已经证明了不同的3D打印技术，选择性激光烧结(SLS)、喷墨打印、热熔挤出和粘合剂喷射。其中，挤出是3D食品打印中最流行的方法。在挤压过程中，材料（液态、半固态或固态）通过喷嘴以制造3D对象。共有三种挤出技术：冷、热熔和凝胶成型挤出。冷挤压在室温下进行而没有相变。热熔挤出主要基于类似于熔融沉积建模(FDM)的机制：（1）加热以使墨水流出喷嘴;（2）冷却以固化床中的熔融巧克力。凝胶形成挤出涉及液体材料挤出后的相变。基于挤出的技术在打印物体的稳定性和自支撑性能方面存在局限性。然而，由于其简单性，挤出已被用于印刷不同类型的食物。

巧克力是由糖和可可粉组成的细小固体颗粒，在连续的脂肪相中形成的复合乳状液，是人们普遍喜爱的食品。作为一种材料，巧克力在室温（20至25°C）下为固体，并在人的口和唾液（37°C）中融化。巧克力的融化特性和质地取决于可可粉和其他成分的类型和比例，以及混合和加工它们的方法。在加工过程中混合，精炼和精炼各成分，以便在回火之前获得合适的巧克力粘度。巧克力通常用于3D食品打印的展示，因为它可以通过热熔挤出进行图案化，并在室温下变为固体。

在之前的研究人员进行的实验中，将巧克力融化并在31至36°C的温度下分配。由于熔融巧克力的流变特性对温度敏感，因此需要注意温度。巧克力的热熔挤出在简单性和可及性方面具有优势，而其印刷机制也存在固有的缺点，需要在狭窄的工作温度范围内进行控制，狭窄的工作温度范围可能具有很高的局限性和灵活性。而冷挤压仅取决于工作温度下印刷油墨的流变性，不需要控制温度，并且整个打印可以在室温下进行。但是由于缺乏具有适当流变性的油墨，在2020年之前，没有对通过冷挤压的巧克力基材料进行3D建模进行深入研究。

而使用Ci3DP方法，将容易获得的巧克力产品（如糖浆和糊状物）与可可粉混合，以改变墨水的流变性。具有高浓度可可粉的巧克力基油墨具有高粘度的剪切稀化特性。油墨还具有类似牙膏的特性，在静止时不会流动。

▲巧克力基墨水3D打印（Ci3DP）的概念涉及将液态巧克力产品与食用添加剂混合，并在室温下通过直接墨水书写（DIW）3D打印机进行打印。配制的墨水可轻松通过注射器和喷嘴挤出，并在挤出后形成自支撑层以保持印刷结构。

Ci3DP的简单性和灵活性为制造复杂的基于巧克力的产品提供了巨大的潜力，而无需进行温度控制。为进一步证明这种方法的灵活性，通过使用多种类型的墨水，将相同的方法扩展到制造具有不同质地的巧克力。一块巧克力可以被制成具有半固体外壳并同时填充液体（如下图）。

多材料食品Ci3DP。（a）室温下多种食物材料的DIW涉及的步骤示意图。步骤的顺序允许打印带有内部填充物的巧克力。（b）包含液体巧克力糖浆作为填充物的锥形外壳的3D结构。（c）突出显示从3D打印外壳流出的液态巧克力糖浆的光学图像。比例尺= 1 cm。

Ci3DP能够用多种材料制作定制食物，这些材料具有定制的质地和优化的营养成分。这种新方法还扩展了行业在3D食品打印中的能力，对温度敏感的食品的冷挤压。

通过直接墨水打印方法制作的牛奶基甜品

本文来源：Rahul Karyappa et al, Chocolate-based Ink Three-dimensional Printing (Ci3DP), Scientific Reports (2019).  DOI: 10.1038/s41598-019-50583-5