南財(cái)楊帆團(tuán)隊(duì)研究“馬鈴薯淀粉復(fù)合凝膠的流變學(xué)和3D打印性能”

來源：食研私享

南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院：Ying Cui（1作）.....、楊帆*（通訊）聯(lián)合新西蘭奧克蘭大學(xué)：Fan Zhu*（共通訊）等在農(nóng)林科學(xué)1區(qū)Top期刊Journal of Food Engineering（IF：5.354）在線發(fā)表了題為“Rheological & 3D printing properties of potato starch composite gels”的研究文章。

3D打印是一種通過逐層沉積來制造具有目標(biāo)模型產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。淀粉基凝膠可以用來3D打印制備食品。淀粉凝膠結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)可以增加擠出后印刷產(chǎn)品的形狀穩(wěn)定性。海藻酸鈉和黃原膠是工業(yè)多糖，已被證實(shí)具有調(diào)整食品3D打印流變特性的潛力。不同實(shí)驗(yàn)配方的初步研究表明，由淀粉、水和海藻酸鈉組成的淀粉復(fù)合凝膠具有3D可打印性。然而，添加海藻酸鈉和黃原膠對基于變性淀粉復(fù)合凝膠的印刷產(chǎn)品幾何精度和結(jié)構(gòu)的影響尚不明確。

已有一些報(bào)道專注于添加食用膠對3D打印行為的影響。但這些研究沒有從宏觀的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 模擬和材料微觀物理性質(zhì)的角度來系統(tǒng)地闡明控制3D形狀精度的機(jī)制。因此，該文旨在研究不同配方的淀粉復(fù)合凝膠對3D打印性能的影響，利用宏觀的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 模擬和材料的微觀物理分析，系統(tǒng)地探索控制3D形狀精度的機(jī)制，并對3D打印材料的物理性能 (如流變性能) 區(qū)域進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。還分析了3D打印過程中材料分子結(jié)構(gòu)可能的演化模型。

圖2.淀粉復(fù)合凝膠3D打印過程的示意圖。

成果介紹
該研究中，研究人員以不同添加量的海藻酸鈉 (4%、5%和6% w/w，干基) 、黃原膠 (4%、5%和6% w/w，干基) 和海藻酸鈉/黃原膠 (2%/2%、2.5%/2.5%和3%/3% w/w，干基) 為原料，評(píng)估了基于擠壓的3D打印產(chǎn)品的幾何精度、流變性能、水態(tài)分布和掃描電子顯微鏡圖像。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 方法來模擬3D打印過程。結(jié)果表明，形成了具有較高擠出性和形狀穩(wěn)定性的假塑性凝膠。添加海藻酸鈉和黃原膠 (2.5%/2.5% w/w，干基)的3D打印淀粉凝膠具有最佳的幾何精度。印刷后的形狀也得以保持并具有適當(dāng)?shù)哪z形成特征和物理性質(zhì)。添加適當(dāng)水平的海藻酸鈉和黃原膠有助于形成具有潛在食品應(yīng)用技術(shù)可行性的3D打印淀粉基產(chǎn)品。建立了3D打印過程的數(shù)學(xué)模型，該模型解釋了由于直徑變化而導(dǎo)致的流道內(nèi)速度分布的不均勻性，并且這種不均勻性導(dǎo)致了3D打印過程中的噴嘴擠出材料的膨脹。

圖3.目標(biāo)模型及其相應(yīng)3D打印樣品代表照片 (A：添加海藻酸鈉的材料；B：添加黃原膠的材料；C：添加海藻酸鈉/黃原膠的材料)

圖4.速度-幅值分布的橫截面視圖。(a) 在0.1s時(shí)刻；(b) 在2.0s時(shí)刻

圖5.用于打印的注射器橫截面上的運(yùn)動(dòng)粘度分布。(a) 在0.1s時(shí)刻；(b)在2.0 s時(shí)刻

專 家 簡 介
楊  帆
楊帆（通訊），博士，南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院講師。研究領(lǐng)域及方向：(1)自主搭建了實(shí)驗(yàn)室的食品3D打印研究平臺(tái)，初步建立了食品3D打印成型效果評(píng)價(jià)體系，探明了不同因素對食品體系的物料擠出特性、產(chǎn)品的3D打印成型效果及穩(wěn)定性的影響規(guī)律；(2)系統(tǒng)研究了面團(tuán)在3D打印過程的相變和流變學(xué)，同時(shí)表征該復(fù)雜體系中的淀粉、蛋白質(zhì)和油脂種類和添加量的變化對面團(tuán)的物性及凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響，并研究其對產(chǎn)品3D打印形狀精確度的影響；(3)仿真模擬面團(tuán)3D打印擠出過程，揭示3D打印擠出行為對物料在料筒內(nèi)部的物理場的影響機(jī)制；(4)面團(tuán)3D打印的超聲波前處理、微波真空干燥后處理技術(shù)，提高了3D打印產(chǎn)品的打印特性及其打印后的穩(wěn)定性，發(fā)表了4篇食品3D打印相關(guān)的研究型論文，其中包括一篇進(jìn)入ESI前0.1%的熱點(diǎn)論文。

Fan Zhu
Fan Zhu（共通訊），博士，新西蘭奧克蘭大學(xué)化學(xué)科學(xué)學(xué)院資深講師，研究領(lǐng)域：淀粉化學(xué)、谷物科學(xué)、抗氧化劑和功能性食品、食物中的水分關(guān)系。
原文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110756