高丽大学：如何提高3D打印糖膏热稳定性同时避免拉丝拖尾

来源： 食研私享  

早在2014年底，翻糖女王陈薇制作了世界上第一个3D打印的婚礼蛋糕，表皮用的是翻糖，装饰部件则是3D打印的可食用糖。这个技术在当时是非常超前的。并且该技术获得了英国伯明翰Cake International国际蛋糕比赛创意类蛋糕银奖。

而今，关于糖膏型3D食品油墨流变性能的研究还很有限。此外，糖工艺品是由各种食品成分组成的，这些成分会影响其流动性和可打印性。以前的研究并没有详细考虑3D食品油墨反复加热的稳定性和流变性变化，这些知识缺口可能会限制食品3D打印技术的进步。因此，优化3D打印工艺，探索新的食品材料或配方是食品3D打印技术的潜在挑战。

2022年1月7日，国外一项最新研究为了填补上述缺口，首次研究了3D打印糖膏油墨产品在打印和储存过程中的热稳定性和可打印性。研究结果显示，马铃薯淀粉的加入有助于提高3D打印糖膏油墨的反复加热稳定性和3D模型的保形性，同时避免了拉丝拖尾现象导致的低打印精度。

该研究由韩国高丽大学Hyun Woo Kim教授团队完成，相关研究成果以“Formulation and evaluation of thermoreversible sugar-paste for hot-melt 3D printing(用于热熔3D打印的热可逆糖膏的配方与评价)” 为题发表在食品专业领域Top期刊Journal of Food Engineering(IF：5.354)上。

首先，制作用于3D打印的糖膏油墨。研究人员将糖粉和不同比例的马铃薯淀粉PS(0%、10%、30%和50%wt/wt)混合，分别标记为PS0、PS10、PS30和PS50。将明胶溶液、鸡蛋清、玉米糖浆加入到混合粉末中，揉捏10min，得到均匀的混合物。将混合物装入60mL注射器料筒中，4℃下密封存储24小时。配方组成如下表所示。

△马铃薯淀粉(PS)基糖膏配方

随后，研究人员对糖膏油墨进行了黏附性测试。结果表明，随着PS浓度的增加，糖膏的黏附力(峰高)显著增加(P<0.05)(下图A)，其黏附功也显著增加(P<0.05)(下图B)，PS50与探针之间的黏附力和功最大，PS0表现出最低的黏附力和功。因此，黏附力与黏附功之间存在正相关关系，这与以往的研究一致。断裂伸长率(εB)表示断裂前的拉伸性能，随着PS含量的增加，εB显著降低(P<0.05)(下图C)。用PS代替部分糖粉，可减小断裂前的拉伸长度。也就是说，PS的加入可能通过减少与探针接触的非晶形糖的表面积，促进了内聚破坏向黏附破坏的转变(下图D)。换句话说，3D打印过程中的低表面粘性有助于墨水更容易与喷嘴分离，这表明添加PS解决了糖膏的粘性和拉丝行为。

△探针黏附性测试结果：(A)黏附力，(B)黏附功，(C)断裂伸长率，(D)马铃薯淀粉基糖膏断裂光学测定。

接着，研究人员将糖膏油墨按下图工艺参数进行3D打印测试，鉴于PS50油墨能够从喷嘴顺畅挤出，打印的样品未出现拉丝拖尾现象并且能保持模型原有的坡度，因此PS50油墨打印的样品质量最佳。

△3D打印工艺参数

△马铃薯淀粉基糖膏3D打印模型基样品

最后，研究人员对糖膏油墨进行了热循环测试，以研究其热稳定性。

一个完整的热循环设定如下：(1)以4℃/min的速度加热到55℃，(2)保温10min，(3)以4℃/min的速度冷却到4℃，(4)保温10min。在试验开始和结束时，将温度保持在25℃，保温30min，以达到热平衡。

一般来说，热循环结束时G′值变化较小，表明结构变化程度较低，热稳定性较高。随着PS比例的增加，热循环中G′值大于G″值。这意味着在较高的温度下转变为橡胶态，并在试验温度范围内成为相对稳定的粘弹性半固态。在PS50油墨中，G'和G''在4℃到55°C之间的整个循环中几乎是恒定的，这意味着它在反复加热期间是稳定的。

△ 基于PS的糖膏热循环测试结果：(A)储能模量G′，(B)损耗模量G′′。

综上所述，该研究提出了一种利用3D食品打印机在反复加热条件下对糖膏的拉丝拖尾、可打印性和稳定性进行控制的新方法。随着PS含量的增加，糖膏在反复加热循环中表现出稳定的储能模量。特别是在添加50%(w/w)PS的糖膏中，拉丝现象得到改善，并且在流动性、承载能力、打印性能等方面表现最好。利用热循环试验，成功地论证了PS提高了糖膏反复加热的稳定性。此外，该文提出的方法可应用于各种需要热稳定的材料(如功能材料)或其他3D打印食品。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2022.110944