南財楊帆團隊研究“馬鈴薯淀粉復合凝膠的流變學和3D打印性能”

來源：食研私享

南京財經(jīng)大學食品科學與工程學院：Ying Cui（1作）.....、楊帆*（通訊）聯(lián)合新西蘭奧克蘭大學：Fan Zhu*（共通訊）等在農(nóng)林科學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，已被證實具有調(diào)整食品3D打印流變特性的潛力。不同實驗配方的初步研究表明，由淀粉、水和海藻酸鈉組成的淀粉復合凝膠具有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算流體動力學 (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形狀精度的機制。因此，該文旨在研究不同配方的淀粉復合凝膠對3D打印性能的影響，利用宏觀的計算流體動力學 (CFD) 模擬和材料的微觀物理分析，系統(tǒng)地探索控制3D形狀精度的機制，并對3D打印材料的物理性能 (如流變性能) 區(qū)域進行標準化。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。采用計算流體動力學 (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?shù)哪�膠形成特征和物理性質(zhì)。添加適當水平的海藻酸鈉和黃原膠有助于形成具有潛在食品應用技術(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)學模型，該模型解釋了由于直徑變化而導致的流道內(nèi)速度分布的不均勻性，并且這種不均勻性導致了3D打印過程中的噴嘴擠出材料的膨脹。

圖3.目標模型及其相應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時刻；(b) 在2.0s時刻

圖5.用于打印的注射器橫截面上的運動粘度分布。(a) 在0.1s時刻；(b)在2.0 s時刻

專 家 簡 介
楊  帆
楊帆（通訊），博士，南京財經(jīng)大學食品科學與工程學院講師。研究領(lǐng)域及方向：(1)自主搭建了實驗室的食品3D打印研究平臺，初步建立了食品3D打印成型效果評價體系，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)研究了面團在3D打印過程的相變和流變學，同時表征該復雜體系中的淀粉、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制；(4)面團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，其中包括一篇進入ESI前0.1%的熱點論文。

Fan Zhu
Fan Zhu（共通訊），博士，新西蘭奧克蘭大學化學科學學院資深講師，研究領(lǐng)域：淀粉化學、谷物科學、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