高麗大學(xué)：如何提高3D打印糖膏熱穩(wěn)定性同時(shí)避免拉絲拖尾

來源： 食研私享  

早在2014年底,，翻糖女王陳薇制作了世界上第一個(gè)3D打印的婚禮蛋糕,，表皮用的是翻糖,，裝飾部件則是3D打印的可食用糖,。這個(gè)技術(shù)在當(dāng)時(shí)是非常超前的,。并且該技術(shù)獲得了英國伯明翰Cake International國際蛋糕比賽創(chuàng)意類蛋糕銀獎(jiǎng)。

而今,，關(guān)于糖膏型3D食品油墨流變性能的研究還很有限,。此外，糖工藝品是由各種食品成分組成的,，這些成分會(huì)影響其流動(dòng)性和可打印性,。以前的研究并沒有詳細(xì)考慮3D食品油墨反復(fù)加熱的穩(wěn)定性和流變性變化,，這些知識(shí)缺口可能會(huì)限制食品3D打印技術(shù)的進(jìn)步。因此,，優(yōu)化3D打印工藝,，探索新的食品材料或配方是食品3D打印技術(shù)的潛在挑戰(zhàn)。

2022年1月7日,，國外一項(xiàng)最新研究為了填補(bǔ)上述缺口,，首次研究了3D打印糖膏油墨產(chǎn)品在打印和儲(chǔ)存過程中的熱穩(wěn)定性和可打印性。研究結(jié)果顯示,，馬鈴薯淀粉的加入有助于提高3D打印糖膏油墨的反復(fù)加熱穩(wěn)定性和3D模型的保形性，同時(shí)避免了拉絲拖尾現(xiàn)象導(dǎo)致的低打印精度,。

該研究由韓國高麗大學(xué)Hyun Woo Kim教授團(tuán)隊(duì)完成,，相關(guān)研究成果以“Formulation and evaluation of thermoreversible sugar-paste for hot-melt 3D printing(用于熱熔3D打印的熱可逆糖膏的配方與評(píng)價(jià))” 為題發(fā)表在食品專業(yè)領(lǐng)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,。研究人員將糖粉和不同比例的馬鈴薯淀粉PS(0%、10%,、30%和50%wt/wt)混合,，分別標(biāo)記為PS0、PS10,、PS30和PS50,。將明膠溶液、雞蛋清,、玉米糖漿加入到混合粉末中,，揉捏10min，得到均勻的混合物,。將混合物裝入60mL注射器料筒中,，4℃下密封存儲(chǔ)24小時(shí)。配方組成如下表所示,。

△馬鈴薯淀粉(PS)基糖膏配方

隨后,，研究人員對(duì)糖膏油墨進(jìn)行了黏附性測(cè)試。結(jié)果表明,，隨著PS濃度的增加,，糖膏的黏附力(峰高)顯著增加(P<0.05)(下圖A)，其黏附功也顯著增加(P<0.05)(下圖B),，PS50與探針之間的黏附力和功最大,，PS0表現(xiàn)出最低的黏附力和功。因此,，黏附力與黏附功之間存在正相關(guān)關(guān)系,，這與以往的研究一致,。斷裂伸長率(εB)表示斷裂前的拉伸性能，隨著PS含量的增加,，εB顯著降低(P<0.05)(下圖C),。用PS代替部分糖粉，可減小斷裂前的拉伸長度,。也就是說,，PS的加入可能通過減少與探針接觸的非晶形糖的表面積，促進(jìn)了內(nèi)聚破壞向黏附破壞的轉(zhuǎn)變(下圖D),。換句話說,，3D打印過程中的低表面粘性有助于墨水更容易與噴嘴分離，這表明添加PS解決了糖膏的粘性和拉絲行為,。

△探針黏附性測(cè)試結(jié)果：(A)黏附力,，(B)黏附功，(C)斷裂伸長率,，(D)馬鈴薯淀粉基糖膏斷裂光學(xué)測(cè)定,。

接著，研究人員將糖膏油墨按下圖工藝參數(shù)進(jìn)行3D打印測(cè)試,，鑒于PS50油墨能夠從噴嘴順暢擠出,，打印的樣品未出現(xiàn)拉絲拖尾現(xiàn)象并且能保持模型原有的坡度，因此PS50油墨打印的樣品質(zhì)量最佳,。

△3D打印工藝參數(shù)

△馬鈴薯淀粉基糖膏3D打印模型基樣品

最后,，研究人員對(duì)糖膏油墨進(jìn)行了熱循環(huán)測(cè)試，以研究其熱穩(wěn)定性,。

一個(gè)完整的熱循環(huán)設(shè)定如下：(1)以4℃/min的速度加熱到55℃,，(2)保溫10min，(3)以4℃/min的速度冷卻到4℃,，(4)保溫10min,。在試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)，將溫度保持在25℃,，保溫30min,，以達(dá)到熱平衡。

一般來說,，熱循環(huán)結(jié)束時(shí)G′值變化較小,，表明結(jié)構(gòu)變化程度較低，熱穩(wěn)定性較高,。隨著PS比例的增加,，熱循環(huán)中G′值大于G″值。這意味著在較高的溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài),，并在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)成為相對(duì)穩(wěn)定的粘彈性半固態(tài),。在PS50油墨中,，G'和G''在4℃到55°C之間的整個(gè)循環(huán)中幾乎是恒定的，這意味著它在反復(fù)加熱期間是穩(wěn)定的,。

△ 基于PS的糖膏熱循環(huán)測(cè)試結(jié)果：(A)儲(chǔ)能模量G′,，(B)損耗模量G′′。

綜上所述,，該研究提出了一種利用3D食品打印機(jī)在反復(fù)加熱條件下對(duì)糖膏的拉絲拖尾,、可打印性和穩(wěn)定性進(jìn)行控制的新方法。隨著PS含量的增加,，糖膏在反復(fù)加熱循環(huán)中表現(xiàn)出穩(wěn)定的儲(chǔ)能模量,。特別是在添加50%(w/w)PS的糖膏中，拉絲現(xiàn)象得到改善,，并且在流動(dòng)性,、承載能力、打印性能等方面表現(xiàn)最好,。利用熱循環(huán)試驗(yàn)，成功地論證了PS提高了糖膏反復(fù)加熱的穩(wěn)定性,。此外,，該文提出的方法可應(yīng)用于各種需要熱穩(wěn)定的材料(如功能材料)或其他3D打印食品。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2022.110944