新研究：纤维素纳米晶(CNCS)可扩大食物3D打印的材料范围！菠菜，番茄，苹果都可打印！

导读：使用可食用原料的增材制造被称为“可食用三维(3D)打印”，这是一种独特的食物制造方法，通过可定制的营养配方和打印模型生产在视觉上更具有吸引力的食物。在众多3D打印技术中，直接写入墨水(DIW)3D打印因其低成本和易于使用而成为可食用3D打印的热门选择。然而，由于许多潜在的食用原料(如食品泥)的粘度低非常不适合DIW打印，所以适合DIW 3D打印的食品种类有限。

2022年4月，南极熊获悉，来自乔治亚理工学院机械工程学院的研究者们，提出了使用纤维素纳米晶(CNCS)作为一种安全和可再生的打印原料，实现对各种食品，特别是菠菜泥、番茄泥和苹果酱的DIW 3D打印，并通过冷冻干燥过程获得最终的固体结构。让我们看看他们的具体研究吧！



在乔治亚理工学院机械工程学院的研究者们的研究中，他们首先分析了食品的流变特性，使用不同体积分数的碳纳米管生产具有剪切变稀特性的可打印油墨。然后通过图像处理技术分析了不同油墨的打印质量。最后，通过打印包括多材料结构在内的各种结构，证明了能够数控油墨的能力。这项研究发现，碳纳米管是一种有效的食品增材制造原料，在所研究的可食用原料中促进剪切变稀和粘性行为，这是DIW 3D打印自支撑可食用结构所必需的特性。



△将生食品转化为可打印的食物结构的过程。(A)将捣碎成苹果酱与CNCS混合，制成可剪切变稀的可打印墨水。(B)在切片软件中章鱼模型的正面图和等轴测图。(C)用于打印可食用结构的DIW 3D打印机。(D)打印后的章鱼模型。(E)用于从冻结结构中升华冰晶的冷冻干燥器。(F)冷冻干燥的最终产品。

流变性是衡量材料是否适合DIW制造的重要指标。油墨必须具有可调粘度才能产生粘弹性，从而实现创建自支撑3D结构所需的层堆叠，并表现出剪切稀化行为，以便在打印过程中流经沉积喷嘴。研究人员主要我们考察了浓度对粘度、G‘、G’和tanδ的影响，观察到所有的食用油墨都表现出良好的剪切变稀特性，粘度曲线接近于负幂律趋势，最大粘度随着浓度增加。



△材料特性的研究

使用5%和7.5%的可食用油墨和直径1.194 mm的喷嘴打印各种结构。试验结果表明，苹果酱油墨在冷冻干燥后表现出最好的表面光洁度，而用菠菜和西红柿油墨打印的结构则会出现空洞或粗糙。


△对打印质量进行研究

通过多材料3D打印，将可食用墨水包裹在数控凝胶中来创建可食用的外层。整齐的凝胶外层作为可生物降解和可食用的保护壳，有可能减少或取消可食用打印结构的包装。


△打印成品和多材料打印

研究人员还研究了冷冻干燥后可食用的食品结构的机械性能。目前的结果表明，CNCS可以扩大打印食品的范围，从而使更多的可食用3D打印应用成为可能，具有广阔的前景。


△食品的机械性能

更多信息可以查看原文：https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2022.111086