江南大学张慜教授团队：微波诱导果蔬淀粉基浆料4D打印的形状、颜色和香味的同时变化

来源：食研私享


2022年4月4日，江南大学张慜教授团队在国际期刊Food Research International(中科院一区；IF: 6.475)上在线发表了题为“Investigation on Simultaneous Change of Deformation, Color and Aroma of 4D Printed Starch-based Pastes from Fruit and Vegetable as Induced by Microwave(微波诱导果蔬淀粉基浆料4D打印的形状、颜色和香味的同时变化)”的研究性论文。郭超凡为第一作者，张慜教授为通讯作者。该研究旨在开发一种可由家用微波炉触发4D打印的家庭烹饪方法，以此为3D打印技术在家庭烹饪中的普及提供新思路。

常规的3D打印技术由于需要一个能够形成更多层的支撑层而存在很大的局限性。因此，缺乏这种层的结构即使设计出来，也不可能被打印出来。为此，该文提出了一种允许将简单3D打印物体4D变形为复杂悬空结构的新方法，其利用微波辐射用于诱导所需的定向变形。该研究以黄桃-荞麦浆料为油墨材料，研究了模型结构和微波功率对定向4D变形行为的影响。然后，采用有限元模拟方法研究了微波辐射对打印物体的影响。

实验和模拟表明，微波(200W)产生的局部高温在热点处引起定向微膨胀，形成驱动力，使3D打印物体在90s内迅速发生4D变形。验证试验也证明了膨胀是驱动4D变形的主要因素。该策略可与变色、变味微胶囊相结合，在家用微波炉(700W)上实现15s内变形、变色、变香的同步4D打印过程。该研究提供的一种新的4D打印方法，能够实现在短时间内与消费者互动，可应用于儿童食品。

图1. (a)不同设计结构特征的3D打印模型、物体、微波形变效果和红外热成像；(b)设计的4D打印形变示意图。


图2. 单瓣3D打印样品用不同微波功率处理后的(a)变形特性、(b)弯曲角度和(c)温度分布。


图3. 四瓣3D打印样品经不同微波功率处理后的(a)预变形和(b)弯曲角。


图4. 微波加热(200 W，30s)后打印物体红外热图的(a)侧视图和(b)俯视图；
计算机模拟得到的印刷物体(c)表面温度分布图、(d)截面温度分区分布图、(e)截面电场分布图和(f)截面体积应变分布图；(g)4D变形机制图。


图5. 单瓣印刷样品用(a)50℃、(b)105℃对流热风处理后的变形特性。


图6. (a)单瓣和四瓣多孔基底结构花瓣切片模型及打印物体数字图像；(b)200w微波加热后印刷样品变形特性。


图7. 通过3D打印直接打印和4D打印通过家用微波(700 W)加热间接打印的悬空结构示意图。


图8. (a)未添加(对照)和添加5%微胶囊的黄桃-荞麦凝胶在微波(700W)诱导下的4D变形和变色特性的数字图像及(b)其L*，a*，b*值；(c)添加5%微胶囊的黄桃-荞麦凝胶在不同微波(700 W)加热时间下的电子鼻信号值。

关于张慜

张慜 教授
江南大学食品学院

张慜，江南大学二级教授、至善特聘教授，江苏省“生鲜食品智能加工与品质监控”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/保鲜高新技术研究，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。并兼任瑞典国际科学基金会(IFS)科学顾问、澳大利亚昆士兰大学食品科学荣誉教授。近20年主持十三五国家重点研发项目1项、国家自然科学基金项目6项、十二五/十一五国家863课题2项以及产学研重点项目30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，入选ELSIVER“中国高被引学者”榜单（2014-至今）和Clarivate全球“高被引科学家”榜单（2021年）。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奖特等奖、中国轻工业联合会科技进步奖一等奖等科技奖励。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.foodres.2022.111214