华南农业大学：打印温度可控制混合凝胶油墨的流变特性，进而实现较好的成型效果

来源： 食研私享

食品的3D打印过程可分为挤出、回抽和稳定三个阶段。在挤出前，食品油墨需要在适当的温度下软化，使其达到顺畅挤出的状态。油墨的软化是由3D打印机控制料桶壁温度来完成。但由于料桶具有一定的直径，油墨在加热软化过程中是通过传质传热进行的，所以料桶中心温度与表面温度并不一致。同时，混合凝胶油墨含有水凝胶剂和有机凝胶剂，两者具有不同的导热性。混合凝胶油墨在加热过程中受热不均匀，不利于油墨的挤出。因此，在打印前需要通过在打印温度下保温一段时间来平衡温差。

温度可以改变温度依赖性材料的流变行为，使其适用于3D打印中的特殊应用。水凝胶和蜂蜡是温度依赖性材料，在不同温度下表现出特殊的流变特性。因此，该体系对于食品的3D打印还需要进一步分析。大量研究表明，随着温度的升高，脂质填充凝胶可能以惰性和活性两种方式与水凝胶相发生相互作用。混合胶凝剂在不同温度下表现出不同的机械强度和形变效果。因此，了解混合凝胶油墨在不同温度下的相互作用机理对3D打印食品材料的开发和应用具有重要作用。

2022年1月25日，由华南农业大学食品学院牵头在食品专业领域Top期刊Food Hydrocolloids(1区；IF：9.147)在线发表了题为“Effects of incubation temperature on the mechanical and structure performance of beeswax-carrageenan-xanthan hybrid gelator system in 3D printing(保温温度对3D打印中蜂蜡-卡拉胶-黄原胶混合凝胶体系力学和结构性能的影响)”的研究论文，这项研究表明，打印温度可控制混合凝胶油墨的流变特性，进而实现较好的成型效果。


研究人员研究了保温温度(打印温度)对蜂蜡-卡拉胶-黄原胶混合凝胶油墨打印性能、流变性能和微观结构的影响。当保温温度从25°C升高到35°C时，蜂蜡的晶体结构由非晶态向球晶体转变。蜂蜡颗粒在混合凝胶油墨中分散均匀，有聚集的趋势。混合凝胶油墨的τ0和n分别从23.64Pa增加到33.63Pa，0.20增加到0.26，表明该油墨机械强度低，不利于成型。当保温温度超过55°C时，蜂蜡中出现大量针状晶体，固体脂肪含量由29.98%增加到30.60%(p<0.05)。蜂蜡熔融形成较大颗粒，在蜂蜡表面观察到互穿/渗透网络。K和n的增加表明油墨颗粒较大，粘度较高，不利于挤出。当保温温度达到45℃时，油墨中同时出现球晶体和针状晶体。油墨的τ0、K、n值分别为113.44Pa、248.40Pa·sⁿ和0.34。油墨可顺畅挤出，且挤出的丝状材料具有良好的保真度。打印的空心立方体模型具有良好的形状保持性。这项研究为新型混合凝胶体系在3D打印中的开发和应用提供了一种研究方法。

图文摘要

蜂蜡-卡拉胶-黄原胶混合凝胶体系3D打印结构评价

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2022.107541