基于挤压的3D打印中卡拉胶-黄原胶-淀粉多组分凝胶体系的流变性和可打印性

来源： 食研私享

2018年8月18日，江南大学：刘振彬团队与澳大利亚昆士兰大学Bhesh Bhandari教授联合在农林科学1区TOP期刊Food Hydrocolloids（IF：9.147）在线发表了题为“Linking rheology and printability of a multicomponent gel system of carrageenan-xanthan-starch in extrusion based additive manufacturing”的研究文章。

3D食品打印是一种新兴的技术，具有影响食品制造业的潜力。食品油墨的流变性能对其成功进行3D打印至关重要。然而，流变性能与3D打印性能之间的关系在食品体系中还没有明确的定义。

该研究旨在提高我们对食品油墨体系流变性能与3D打印性能之间的相关性的认识，并且为卡拉胶-黄原胶-淀粉多组分体系的3D食品打印提供参考价值。在这项研究中，研究人员首先研究了油墨的热响应行为，然后选择了几种配方来测定油墨的流变性能和评价3D打印性能。研究人员将3D打印过程分为三个阶段，即挤出阶段、恢复阶段和自支撑阶段，并测定了每个阶段对应的油墨流变性能。最后，根据打印1D结构（线、五角形）、2D结构（晶格支架）和3D结构（圆柱体）的能力评价了模型油墨配方的3D可打印性。

图文摘要

亮点介绍
[1] 在3D打印中采用了触变性和热可逆凝胶体系作为模型。
[2] 油墨的流变性和3D打印性能在整个打印过程中是相互关联的。
[3] 印刷了1D、2D、3D结构并与墨水的流变性相关联。

成果介绍
该研究中，研究人员以k-卡拉胶、黄原胶和土豆淀粉为主要原料，制备了一种凝胶模型多组分体系，并将其用于注射器式挤压3D食品打印机。研究人员将3D打印过程分为3个阶段，分别测定各阶段油墨相应的流变性能，即挤出阶段（屈服应力、粘度、剪切变稀）、恢复阶段（剪切恢复、温度恢复）和自支撑阶段（复数模量 G*和室温屈服应力）。最后，系统地研究了模型油墨的3D打印性能，从打印线/五角星（一维，1D结构）开始，到打印晶格支架（二维，2D结构 )，最后打印圆柱体( 三维，3D结构 )。

结果表明，在k-卡拉胶基油墨中添加淀粉和黄原胶提高了油墨的凝胶温度（Tgelation）、粘度（剪切速率0.01~1001/s）、屈服应力、复数模量G*、增强了剪切变稀（触变性）行为和降低了模量的时间依赖性（温度恢复）。屈服应力（应力扫描试验中G′（弹性模量）等于G′′（粘性模量）的交叉点）和剪切变稀行为（剪切率增加时粘度下降）的流变学响应与油墨的可挤出性密切相关。油墨的凝胶温度（Tgelation）和时间依赖性行为（凝胶时间，tgel）显著影响其印刷性能和形状保持性能。墨水的机械强度是自支撑的重要因素，尤其是对于3D结构。

该项研究成果具有为提高使用亲水胶体作为印刷助剂的食品的3D打印性能提供指导意义。

图1. A：研究框架图。Tgelation：胶凝温度；PT：打印温度；RT：室温。B：研究中使用的打印机的照片。C：设计的晶格支架模型及尺寸。D：设计的空心圆柱体模型及尺寸。

图2. A：油墨 kC（1）X（0.5）S（2）在35°C、40°C、45°C和50°C打印温度下的线条印刷表现。B：使用油墨 kC（1）X（0.25）S（2）重叠（a）和不同角度（b、c和d）打印的五角星图。C：在35°C、40°C、45°C和50°C的温度下使用油墨 kC（1）X（0.25）S（2）打印的五角星。（注：kC代表k-卡拉胶；X代表黄原胶；S代表土豆淀粉；数字代表百分比）

图3. A：不同温度下使用不同油墨打印的支架图像。B：不同状态下打印的互连通道孔示意图。C：印刷支架互连通道的平均面积。

图4. A：从不同方向观察打印温度40°C时印刷的空心圆柱体图像。B：第一墨层宽度变形（ΔW）示意图。C：第二墨层宽度变形及其与第一层的融合示意图。D：使用不同油墨在打印温度40°C时印刷的空心圆筒的壁厚。

专 家 简 介

张 慜

张慜，江南大学二级教授、至善特聘教授，江苏省高校“生鲜食品智能加工与保鲜”国际联合实验室主任，入选国家百千万人才，享受国务院特殊津贴。长期从事生鲜食品加工高新技术研究，近十年来在食品高效加工新技术领域有开创性的研究，培养毕业研究生/博士后近200名。2007年起先后担任Journal of Food Engineering；Drying Technology; International Agrophysics; Foods等SCI刊物的编委/副主编。2013年8月起，被澳大利亚昆士兰大学授予食品科学领域的荣誉教授。近五年主持国家、省部级和产学研重点项目20余项；获国内外发明专利授权230余项，荣获江苏省“十大杰出专利发明人奖”(2012年）和江苏省专利发明人奖（2020年）；以通讯作者发表SCI论文590余篇，被引总数超过1.3万次，H-index数为70（Web of Science），6度入选ELSIVER“中国高被引学者”榜单。主持的研究成果获国家科技进步奖二等奖、江苏省科技进步奖一等奖、中国商业联合会科技特等奖等科技奖励。

刘振彬

刘振彬，陕西科技大学食品与生物工程学院副教授，硕士生导师。主要研究方向为农产品加工、食品3D打印、食用菌资源创制与高值化利用。主持或参与多项国家及省部级项目，发表多篇高水平论文，其中ESI高被引论文三篇。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2018.08.026