3D打印结合微波处理可开发脆性膨化薯片

2021年9月25日，江南大学-食品科学与技术国家重点实验室：滕秀秀（1作）......、张慜*（通讯）等在农林科学1区TOP期刊LWT-Food Science and Technology （IF：4.952）在线发表了题为“Strategies for controlling over-puffing of 3D-printed potato gel during microwave processing”的研究文章。

3D食品打印是一种增材制造技术，可用于提供个性化营养，简化食品供应链，拓宽可食用食品原料来源。在食品打印领域，淀粉基材料打印的产品往往需要经过热处理才能将其转化为风味更佳的可食用产品，例如3D打印饼干/比萨的烘焙、3D打印食品的微波加热、3D打印年糕的蒸煮等。
然而，淀粉基材料对热处理非常敏感，容易导致产品膨胀严重，最终失去3D打印的意义。微波作为加热源时，由于其快速加热作用，不可避免地会增加淀粉基3D打印产品的膨胀性，从而导致明显的变形。因此，有必要寻找一种既能使微波膨化食品保持其原有的形状，又能使其变得酥脆的方法。
目前，对于3D打印后处理微波加工及其膨化效果的研究还很有限，并且现有研究没有考虑保持3D打印产品的初始形状。该团队基于已发表的研究报告，采用来自豆渣的大豆不溶性膳食纤维（SIDF）和改变3D模型内部结构用于控制微波加工过程中3D打印马铃薯凝胶的过度膨化，旨在研制出具有预先设计好的形状和适当的脆度的微波膨化薯片。

图1. 实验设计流程图

注：SIDF为大豆不溶性膳食纤维的简称。

亮点介绍
1. 微波处理是一种制作膨化产品极其优秀的方法。
2. SIDF能够控制微波诱导3D打印马铃薯凝胶的膨胀。
3. SIDF改变了马铃薯全粉网络结构的物理性质。
4. 模型设计时应选择孔隙率较高的平行线结构。
5. 提高了豆渣的附加值和3D打印产品的营养。

成果介绍
为了开发出具有预设形状和适当脆度的微波膨化薯片，该团队研究了大豆不溶性膳食纤维（SIDF）不同添加量（马铃薯全粉质量的5%、10%、15%）和粒径（≤150、150~180、180~250 μm）对3D打印马铃薯凝胶膨胀率的调节作用。然后，测定了水分分布、流变性能、凝胶强度、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和微观可视化，用来说明SIDF对3D打印产物膨胀的影响。最后，利用3D软件（Simplify 3D）设计了具有不同内部结构的模型，以进一步控制膨胀速率。

实验结果表明，SIDF添加量和粒径如果掌握不好，会导致3D打印产品经微波热处理后会过度膨化或硬化。SIDF添加量为10%（w/w），粒径为150~180μm，在保持3D打印产品形状的同时，提供了较好的脆度。SIDF能够控制膨胀率可归因于可以使食品油墨水分流动性降低，机械强度增强和马铃薯凝胶变形能力下降。内部结构应选择平行线和高孔隙率，最大内部充填密度一般小于70%。除了能控制变形外，还能将豆渣加入食品油墨中做成3D打印膨化薯片来增加豆渣的附加值。

综上所述，从豆渣中提取的SIDF和改变模型内部结构为3D打印淀粉基产品过度膨化问题提供了解决方案。微波作为一种快速制备薯片等低脂膨化食品的处理方法，适用于小规模工业或家庭生产。

表1. 不同含水量的3D打印马铃薯凝胶经微波处理后的膨胀状态

表2. 微波处理后含SIDF的3D打印马铃薯凝胶的膨胀状态（50%填充密度）

注：大豆不溶性膳食纤维（SIDF）的添加量以马铃薯全粉质量为基准，加水量为整个混合物质量的4倍。

表3. 内部结构设计对印刷产品膨胀率的影响

注：马铃薯全粉与大豆不溶性膳食纤维（SIDF）的质量比为 10:1，加水量为整个混合物质量的4倍。

专 家 简 介

张 慜
张慜教授是浙江平湖人，曾完成两站博士后研究，现为江南大学二级教授，食品学院责任教授、博士生导师,兼任食品资源开发与综合利用方向负责人。主要从事生鲜食品资源加工、贮藏保鲜机理和工程研究。1998年起他招收硕士生，培养硕士生121名【已毕业104名】；2000年起招收博士生，培养博士生46名【已毕业32名】；2004年起招收博士后和高访学者，培养博士后7名、高访学者2名。2000年入选江苏省“青蓝工程”和江苏省“333工程”。2004年入选首批“新世纪百千万人才工程”国家级人选，2006年享受国务院政府特殊津贴, 2005年起担任瑞典国际科学基金委（IFS）食品学科科学顾问；2007年起先后担任3个SCI学术刊物（Journal of Food Engineering；Drying Technology; International Agrophysics）以及《食品与生物技术学报》、《食品安全质量检测学报》、《干燥技术与设备》等国内学术刊物的编委。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。他已在国家级出版社出版专、译著26部，其中与多家龙头企业出版联合专著8部；国家十二五重点图书1部，主编英文版国际系列会议论文集1本，应邀出版BOOK CHAPTER10个，共同主编英文专著2本；以责任作者在SCI国际刊物上发表了252篇论文，其中影响因子3.0以上的论文28篇，影响因子2.0-3.0的论文74篇；被引总数3765次，他引2820篇次，h-index数为33。申报了194项国家发明专利（156项已获授权）和18项国际专利（德国、日本、法国、韩国、瑞士、澳大利亚、美国、比利时、卢森堡等国专利，以及3项PCT专利），荣获“江苏省第五届十大杰出专利发明人”称号。主持的项目获国家科技进步二等奖1项，江苏省科技进步一等奖1项、二等奖1项，中国轻工业联合会科技进步一等奖1项、二等奖3项，中国商业联合会科技进步特等奖2项、一等奖3项，教育部科技进步二等奖2项，中国食品工业协会科技进步一等奖1项、二等奖2项。

滕秀秀
滕秀秀，山东威海人，江南大学博士生，导师张慜教授，研究方向：食品资源与综合利用。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.lwt.2021.112508