脱脂大豆粉也能3D打印？

导读：3DFP代表了一种创新技术，可以打印具有精细结构和复杂形状的食品，这是使用其他制造技术难以实现的。使用 3DFP 制作的食品可以根据个人健康状况和喜好在营养价值、口味、质地和外观方面进行定制。研究人员已广泛研究基于挤出的印刷以使用 3DFP 制备食品。在这种技术中，食品材料通过计算机控制的喷嘴挤出打印各种形状的食品。半固态或糊状的不同类型的食品可用作挤出式打印机中的墨水。那么脱脂大豆粉在3D打印中的表现如何呢？



2022年8月，南极熊获悉最近发表在《食品工程杂志》上的一篇论文展示了在3D食品打印机 (3DFP) 中使用脱脂大豆粉 (DSF) 打印具有所需质量和形状的食品的可行性。研究人员研究了脱脂大豆粉在3D食品打印机的适用性，以及研磨方法对3D打印食品的可打印性和质量的影响。

背景



3D打印食物主要有以下几个步骤：使用3D计算机辅助设计 (CAD) 预先设计食物形状，然后使用切片器软件将其转换为几何代码 (G-code)，以控制喷嘴运动、分配速度和行进速度，最后加载到打印机中。脱脂大豆含有 25-30% 的碳水化合物和 50% 的蛋白质，是高膳食纤维和其他营养物质的极好来源，但它们作为食品成分的用途仍然有限。 DSF 被认为适合作为 3DFP 的原材料，因为它价格低廉且具有很高的营养价值。然而，直到现在还没有进行调查在 3DFP 中使用 DSF 的可行性的研究。

此外，食品材料（例如基于挤出的 3DFP 中的 DSF 糊剂）的可打印性取决于形成3D模型并在打印后在特定时间内保持其形状的能力。食品材料的打印参数和流变特性对打印适性有重要影响。例如，食品材料必须表现出剪切稀化行为和足够的流动性，以便通过打印机喷嘴轻松挤出，并且具有必要的机械强度来支撑它们的重量和顶层的重量。DSFs的物理化学性质因其生产方法和粒径的相关变化而不同。然而，尚未进行任何研究来评估 DSF 的可打印性和粒径之间的关系。

研究



在这项研究中，研究人员使用锤磨机和气流粉碎机对脱脂大豆进行研磨，生产出不同粒径的 DSF，并研究了不同粒径对 DSF 糊的适印性和理化性质以及打印物表面结构和质地的影响。本研究的主要原料是短直径和长直径分别为 2 mm 和 4 mm 的颗粒状脱脂大豆。使用包含 12 个可移动锤的锤磨机和喷射磨机分别获得具有粗颗粒和细颗粒的 DSF。将 DSF与蒸馏水手动混合 5 分钟，以制备 DSF 糊状物，用作食品打印机中的油墨。制备的浆料中的水含量保持在 74、72、70 和 68% wb，以确保浆料的适印性。

研究人员进行了研磨粉末的粒度分布测量和 DSF 糊剂的流变测量，并评估了基于螺杆挤出机的3DFP对使用DSF糊剂进行3D打印食品的适用性。使用干粉系统模块获得了 90% (D 90 )、50% (D 50 ) 和 10% (D 10 ) 粒径的累积体积。

研究人员了一个 10 毫米高、10 毫米内径和 20 毫米外径的空心圆柱体的 3D 模型。可打印性是通过评估外观并使用卡尺测量打印结构的直径和高度并将它们与最初设计的模型进行比较来确定的。研究人员将损耗模量、储能模量和复数粘度作为频率的函数同时还分析了 3D 打印食品的表面结构和表面轮廓。



结论和展望
●使用螺旋式 3DFP 和 DSF 浆料作为原材料/打印机墨水成功地对食品进行 3D 打印。脱脂大豆研磨后的粒度分布形状接近正态分布。然而，与使用锤磨机制备的 DSF 相比，在使用喷射磨机制备的 DSF 中观察到更高比例的细颗粒。因此，气流粉碎机更适合制备颗粒更细、均匀度更高的粉末。

●DSF 浆料由弹性凝胶状结构组成，使其在3D打印后能够保持其形状。浆料的损耗模量和储能模量随着含水量的增加而降低，导致DSF浆料的粘度和强度降低。与从较细 DSF 获得的浆料相比，当水分含量为 68-74% wb 时，在由较粗 DSF 生产的 DSF 浆料中观察到更高的损耗和储能模量。此外，DSF 浆料的复数粘度随着频率的升高呈线性下降。

●DSF 浆料的剪切变稀行为，是从 3DFP 喷嘴挤出浆料所必需的。此外，粗 DSF 的复数粘度比细 DSF 高，并且随着水分含量的增加，差异增加。这些流变特性的差异影响了打印性能。

●具有较细颗粒和 70-74% 水分含量的 DSF 浆料的可打印性与具有较粗颗粒的浆料相比更高，使其适用于在实际应用中改善打印食品的外观。当水分含量低于 70% 时，浆料的硬度没有显着差异。然而，当水分含量高于70%时，硬度会发生变化，与水分含量为 72%的较粗 DSF 相比，较细的 DSF 显示出更高的硬度。在质地特性中也观察到这些变化，在 70% wb 水分含量的较粗 DSF 中观察到较高的粘性、内聚性和粘附性。

此外，由于颗粒尺寸之间纹理分布的变化，打印样品的表面结构因 DSF 颗粒尺寸而异，用更细的 DSF 打印的样品具有更少的凹凸和光滑的表面结构。总而言之，这项研究的结果有效地证明了更精细的 DSF 可以有效地用于 3DFP 打印具有所需形状、质量和外观的食品。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2022.111237