基于糙米凝胶的挤压式三维打印研究

发布时间：2020-04-19 04:37

【摘要】：3D打印技术拓展了传统加工方式,使得食品加工变得个性化,将给餐饮业、零售食品行业带来新的发展契机。而食品原料是3D打印技术的基础,也是目前制约3D打印技术在食品行业广泛应用的重要因素,大多传统食品原料面临不适合用于3D打印或者打印质量不高的困境。因此,拓展食品原料以及工艺的改良是推动3D食品打印技术发展的首要任务。本文以糙米为原料,探究干燥方式对糙米粉理化性质和流变性质的影响,考虑糙米凝胶的打印可行性,确定最佳的干燥方式;在此基础上,通过添加亲水胶体来进一步改善糙米凝胶的打印特性以适于打印复杂结构;对物料挤出过程中料筒内流道进行仿真模拟分析,为物料选择提供理论指导,并探究工艺参数对糙米凝胶体系打印成型效果的影响以及对样品质量属性的影响。本研究为挤压式三维打印技术在食品中的应用奠定了理论依据和实际运用基础。首先,初步探究了不同干燥方式,热风干燥(HAD)、真空微波干燥(MVD)、真空冷冻干燥(FD)、脉冲微波真空冷冻干燥(PSMFD)对糙米粉的理化性质以及流变特性的影响。结果表明,FD和PSMFD对糙米粉的基本成分及营养成分保留较好。流变测试结果显示不同干燥方式获得的糙米粉均具有剪切变稀的性质,满足3D打印的基本条件,其中FD和PSMFD获得的糙米粉具有更高的黏度和机械强度。与FD相比,PSMFD的干燥时间缩短了62.50%,干燥效率高。其次,以PSMFD获得的糙米粉为原料,探究黄原胶(XG)、瓜尔胶(GG)、黄原胶-瓜尔胶混合物(XG-GG)、羧甲基纤维素钠(CMC)以及琼脂(AG)分别对糙米凝胶的流变性质、质构特性、微观结构和3D打印特性的影响,考察不同样品的打印效果及偏差,并评价最佳配方打印样品的稳定性。结果表明,添加XG-GG的糙米凝胶样品打印效果最好,原料具有良好的剪切变稀性质、具有较高的弹性模量和较低的应力、机械强度和内部支撑能力强。扫描电镜显示与其他样品相比,添加XG-GG的糙米凝胶结构连接紧密,无明显断裂,表面平滑,而相应的打印产品表面光滑,打印偏差最小(直径偏差0.76%,高度偏差-2.96%),并在12 h内具有良好的稳定性。因此,添加XG-GG的糙米凝胶具备打印复杂结构的能力。接着,针对料筒内不易获得的参数,采用POLYFLOW软件对料筒内流道进行仿真模拟;针对可调节的工艺参数如打印高度、喷嘴直径、喷嘴移动速率、出料速度、双喷头相对位置,探究其对糙米凝胶的成型效果的影响。仿真模拟结果表明,沿着物料挤出的方向,随着料筒内流道由宽变窄,物料的流速也由慢变快,压强由大变小,剪切速率由小变大,黏度剪切变稀,这些条件都有利于物料的稳定挤出。打印参数优化结果表明,单喷头打印时,设置喷嘴直径0.84 mm、初始高度0.84 mm、层高0.84 mm,喷嘴移动速率25 mm/s、物料挤出程度100%,打印糙米凝胶成型效果最好,在边长和高度上打印偏差最小。双喷头打印时,设置双喷头的初始相对位置为x=66.50 mm,y=0.80 mm,其余参数与单喷头打印保持一致,双喷头挤出的物料间连接紧密,拼接完整。最后,设计响应面试验,探究了三个变量:喷嘴直径,外层数和填充度对3D打印样品打印精度和质构特性的影响。结果表明,喷嘴直径对打印样品的尺寸影响很大,当喷嘴直径从1.56 mm减小到0.84 mm,样品高度从14.78 mm增加到16.25 mm,直径从32.84 mm减小到30.40 mm,更接近于设计图案,尺寸偏差小;外层数对尺寸特性有积极作用,表现为随着外层数的增加,样品的高度和直径均增加;而填充度对样品的尺寸没有显著影响。填充度、外层数和喷嘴直径都显著影响了样品的质构特性(P0.05),影响程度从大到小依次是填充度、外层数和喷嘴直径。随着喷嘴直径、外层数和填充度的降低,打印样品的硬度和胶着性均显著降低(P0.05)。
【图文】：

设计图,土豆泥,打印效果,淀粉

以便沉积后保持结构[11]。在现阶段，国内外学者的研究打印以及高质量打印的配方，通过物料性质的调整来满足打印要求。物料的研究主要分为以下几类：针对原生可打印的材料进行研究，如淀粉类、蛋白类、巧克力、胶体性质稍加修饰即可取得不错的打印效果[8, 12]。巧克力是研究最早也是种食品原料，加热熔融、遇冷凝固的性质使其成为最佳的打印原料之商业化生产。而一些天然提取或化学合成的胶体类物质，如果胶[13]、明经被广泛研究，也证明适合用于 3D 打印。淀粉类食品本身具有糊化能力，形成稳定的固态或者半固态的形式，满足挤出和堆积成型的要的原料有即食型的土豆泥，需要后加工的面团等。Liu 等人[15]利用蒸泥进行了 3D 打印研究，不添加马铃薯淀粉时，样品的黏度不够造成图 1-2（b）；过量添加则使得样品黏度过高，线条挤出困难，如图 1铃薯淀粉能很好地改善土豆泥的流变特性，使得打印图案的精确度d）。Yang 等人[16]以面粉为主要原料，复配了蔗糖、黄油、鸡蛋等原印后烘焙得到 3D 打印曲奇。

亲水胶体,糙米

第三章糙米凝胶体系的建立：亲水胶体对糙米凝胶三维打印特性的影响及优化也表现出类似的趋势。理论上，质构特性的提高有利于打印产品的形状保持。但是，考虑到半固态产品的结构属性，打印产品需要适当的硬度满足口感的要求。3.4.6 亲水胶体的添加对糙米凝胶微观结构的影响添加不同亲水胶体的糙米凝胶的显微结构如图 3-6 所示。由图中可以看出，不同样品间的显微结构差异明显。对照组糙米凝胶结构不紧密，表面粗糙，断裂众多，孔洞明显。XG 也表现出类似的特征，这与后续打印产品线条的断裂不连续的现象保持一致。GG、AG、CMC 则表现出更规则有序的结构，但是表面粗糙，可以看到明显的断裂，，连接不够紧密且生硬。而 XG-GG 显示出更加连续的结构，连接紧密而柔软光滑，在打印过程中也表现出更好的效果和打印精度，这说明 XG-GG 能与淀粉凝胶体系形成连续相，形成致密结构[72]，使得糙米凝胶的结构得到了改善。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS205;TS201.7

【相似文献】