南财杨帆团队研究“马铃薯淀粉复合凝胶的流变学和3D打印性能”

来源：食研私享

南京财经大学食品科学与工程学院：Ying Cui（1作）.....、杨帆*（通讯）联合新西兰奥克兰大学：Fan Zhu*（共通讯）等在农林科学1区Top期刊Journal of Food Engineering（IF：5.354）在线发表了题为“Rheological & 3D printing properties of potato starch composite gels”的研究文章。

3D打印是一种通过逐层沉积来制造具有目标模型产品的生产过程。淀粉基凝胶可以用来3D打印制备食品。淀粉凝胶结构的增强可以增加挤出后印刷产品的形状稳定性。海藻酸钠和黄原胶是工业多糖，已被证实具有调整食品3D打印流变特性的潜力。不同实验配方的初步研究表明，由淀粉、水和海藻酸钠组成的淀粉复合凝胶具有3D可打印性。然而，添加海藻酸钠和黄原胶对基于变性淀粉复合凝胶的印刷产品几何精度和结构的影响尚不明确。

已有一些报道专注于添加食用胶对3D打印行为的影响。但这些研究没有从宏观的计算流体动力学 (CFD) 模拟和材料微观物理性质的角度来系统地阐明控制3D形状精度的机制。因此，该文旨在研究不同配方的淀粉复合凝胶对3D打印性能的影响，利用宏观的计算流体动力学 (CFD) 模拟和材料的微观物理分析，系统地探索控制3D形状精度的机制，并对3D打印材料的物理性能 (如流变性能) 区域进行标准化。还分析了3D打印过程中材料分子结构可能的演化模型。

图2.淀粉复合凝胶3D打印过程的示意图。

成果介绍
该研究中，研究人员以不同添加量的海藻酸钠 (4%、5%和6% w/w，干基) 、黄原胶 (4%、5%和6% w/w，干基) 和海藻酸钠/黄原胶 (2%/2%、2.5%/2.5%和3%/3% w/w，干基) 为原料，评估了基于挤压的3D打印产品的几何精度、流变性能、水态分布和扫描电子显微镜图像。采用计算流体动力学 (CFD) 方法来模拟3D打印过程。结果表明，形成了具有较高挤出性和形状稳定性的假塑性凝胶。添加海藻酸钠和黄原胶 (2.5%/2.5% w/w，干基)的3D打印淀粉凝胶具有最佳的几何精度。印刷后的形状也得以保持并具有适当的凝胶形成特征和物理性质。添加适当水平的海藻酸钠和黄原胶有助于形成具有潜在食品应用技术可行性的3D打印淀粉基产品。建立了3D打印过程的数学模型，该模型解释了由于直径变化而导致的流道内速度分布的不均匀性，并且这种不均匀性导致了3D打印过程中的喷嘴挤出材料的膨胀。

图3.目标模型及其相应3D打印样品代表照片 (A：添加海藻酸钠的材料；B：添加黄原胶的材料；C：添加海藻酸钠/黄原胶的材料)

图4.速度-幅值分布的横截面视图。(a) 在0.1s时刻；(b) 在2.0s时刻

图5.用于打印的注射器横截面上的运动粘度分布。(a) 在0.1s时刻；(b)在2.0 s时刻

专 家 简 介
杨  帆
杨帆（通讯），博士，南京财经大学食品科学与工程学院讲师。研究领域及方向：(1)自主搭建了实验室的食品3D打印研究平台，初步建立了食品3D打印成型效果评价体系，探明了不同因素对食品体系的物料挤出特性、产品的3D打印成型效果及稳定性的影响规律；(2)系统研究了面团在3D打印过程的相变和流变学，同时表征该复杂体系中的淀粉、蛋白质和油脂种类和添加量的变化对面团的物性及凝胶微观结构的影响，并研究其对产品3D打印形状精确度的影响；(3)仿真模拟面团3D打印挤出过程，揭示3D打印挤出行为对物料在料筒内部的物理场的影响机制；(4)面团3D打印的超声波前处理、微波真空干燥后处理技术，提高了3D打印产品的打印特性及其打印后的稳定性，发表了4篇食品3D打印相关的研究型论文，其中包括一篇进入ESI前0.1%的热点论文。

Fan Zhu
Fan Zhu（共通讯），博士，新西兰奥克兰大学化学科学学院资深讲师，研究领域：淀粉化学、谷物科学、抗氧化剂和功能性食品、食物中的水分关系。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110756