3D打印結合微波處理可開發(fā)脆性膨化薯片

2021年9月25日，江南大學-食品科學與技術國家重點實驗室：滕秀秀（1作）......、張慜*（通訊）等在農(nóng)林科學1區(qū)TOP期刊LWT-Food Science and Technology （IF：4.952）在線發(fā)表了題為“Strategies for controlling over-puffing of 3D-printed potato gel during microwave processing”的研究文章。

3D食品打印是一種增材制造技術，可用于提供個性化營養(yǎng)，簡化食品供應鏈，拓寬可食用食品原料來源。在食品打印領域，淀粉基材料打印的產(chǎn)品往往需要經(jīng)過熱處理才能將其轉化為風味更佳的可食用產(chǎn)品，例如3D打印餅干/比薩的烘焙、3D打印食品的微波加熱、3D打印年糕的蒸煮等。
然而，淀粉基材料對熱處理非常敏感，容易導致產(chǎn)品膨脹嚴重，最終失去3D打印的意義。微波作為加熱源時，由于其快速加熱作用，不可避免地會增加淀粉基3D打印產(chǎn)品的膨脹性，從而導致明顯的變形。因此，有必要尋找一種既能使微波膨化食品保持其原有的形狀，又能使其變得酥脆的方法。
目前，對于3D打印后處理微波加工及其膨化效果的研究還很有限，并且現(xiàn)有研究沒有考慮保持3D打印產(chǎn)品的初始形狀。該團隊基于已發(fā)表的研究報告，采用來自豆渣的大豆不溶性膳食纖維（SIDF）和改變3D模型內(nèi)部結構用于控制微波加工過程中3D打印馬鈴薯凝膠的過度膨化，旨在研制出具有預先設計好的形狀和適當?shù)拇喽鹊奈⒉ㄅ蚧砥?br />

圖1. 實驗設計流程圖

注：SIDF為大豆不溶性膳食纖維的簡稱。

亮點介紹
1. 微波處理是一種制作膨化產(chǎn)品極其優(yōu)秀的方法。
2. SIDF能夠控制微波誘導3D打印馬鈴薯凝膠的膨脹。
3. SIDF改變了馬鈴薯全粉網(wǎng)絡結構的物理性質。
4. 模型設計時應選擇孔隙率較高的平行線結構。
5. 提高了豆渣的附加值和3D打印產(chǎn)品的營養(yǎng)。

成果介紹
為了開發(fā)出具有預設形狀和適當脆度的微波膨化薯片，該團隊研究了大豆不溶性膳食纖維（SIDF）不同添加量（馬鈴薯全粉質量的5%、10%、15%）和粒徑（≤150、150~180、180~250 μm）對3D打印馬鈴薯凝膠膨脹率的調節(jié)作用。然后，測定了水分分布、流變性能、凝膠強度、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）和微觀可視化，用來說明SIDF對3D打印產(chǎn)物膨脹的影響。最后，利用3D軟件（Simplify 3D）設計了具有不同內(nèi)部結構的模型，以進一步控制膨脹速率。

實驗結果表明，SIDF添加量和粒徑如果掌握不好，會導致3D打印產(chǎn)品經(jīng)微波熱處理后會過度膨化或硬化。SIDF添加量為10%（w/w），粒徑為150~180μm，在保持3D打印產(chǎn)品形狀的同時，提供了較好的脆度。SIDF能夠控制膨脹率可歸因于可以使食品油墨水分流動性降低，機械強度增強和馬鈴薯凝膠變形能力下降。內(nèi)部結構應選擇平行線和高孔隙率，最大內(nèi)部充填密度一般小于70%。除了能控制變形外，還能將豆渣加入食品油墨中做成3D打印膨化薯片來增加豆渣的附加值。

綜上所述，從豆渣中提取的SIDF和改變模型內(nèi)部結構為3D打印淀粉基產(chǎn)品過度膨化問題提供了解決方案。微波作為一種快速制備薯片等低脂膨化食品的處理方法，適用于小規(guī)模工業(yè)或家庭生產(chǎn)。

表1. 不同含水量的3D打印馬鈴薯凝膠經(jīng)微波處理后的膨脹狀態(tài)

表2. 微波處理后含SIDF的3D打印馬鈴薯凝膠的膨脹狀態(tài)（50%填充密度）

注：大豆不溶性膳食纖維（SIDF）的添加量以馬鈴薯全粉質量為基準，加水量為整個混合物質量的4倍。

表3. 內(nèi)部結構設計對印刷產(chǎn)品膨脹率的影響

注：馬鈴薯全粉與大豆不溶性膳食纖維（SIDF）的質量比為 10:1，加水量為整個混合物質量的4倍。

專 家 簡 介

張 慜
張慜教授是浙江平湖人，曾完成兩站博士后研究，現(xiàn)為江南大學二級教授，食品學院責任教授、博士生導師,兼任食品資源開發(fā)與綜合利用方向負責人。主要從事生鮮食品資源加工、貯藏保鮮機理和工程研究。1998年起他招收碩士生，培養(yǎng)碩士生121名【已畢業(yè)104名】；2000年起招收博士生，培養(yǎng)博士生46名【已畢業(yè)32名】；2004年起招收博士后和高訪學者，培養(yǎng)博士后7名、高訪學者2名。2000年入選江蘇省“青藍工程”和江蘇省“333工程”。2004年入選首批“新世紀百千萬人才工程”國家級人選，2006年享受國務院政府特殊津貼, 2005年起擔任瑞典國際科學基金委（IFS）食品學科科學顧問；2007年起先后擔任3個SCI學術刊物（Journal of Food Engineering；Drying Technology; International Agrophysics）以及《食品與生物技術學報》、《食品安全質量檢測學報》、《干燥技術與設備》等國內(nèi)學術刊物的編委。2013年8月起，被澳大利亞昆士蘭大學授予食品科學領域的榮譽教授。他已在國家級出版社出版專、譯著26部，其中與多家龍頭企業(yè)出版聯(lián)合專著8部；國家十二五重點圖書1部，主編英文版國際系列會議論文集1本，應邀出版BOOK CHAPTER10個，共同主編英文專著2本；以責任作者在SCI國際刊物上發(fā)表了252篇論文，其中影響因子3.0以上的論文28篇，影響因子2.0-3.0的論文74篇；被引總數(shù)3765次，他引2820篇次，h-index數(shù)為33。申報了194項國家發(fā)明專利（156項已獲授權）和18項國際專利（德國、日本、法國、韓國、瑞士、澳大利亞、美國、比利時、盧森堡等國專利，以及3項PCT專利），榮獲“江蘇省第五屆十大杰出專利發(fā)明人”稱號。主持的項目獲國家科技進步二等獎1項，江蘇省科技進步一等獎1項、二等獎1項，中國輕工業(yè)聯(lián)合會科技進步一等獎1項、二等獎3項，中國商業(yè)聯(lián)合會科技進步特等獎2項、一等獎3項，教育部科技進步二等獎2項，中國食品工業(yè)協(xié)會科技進步一等獎1項、二等獎2項。

滕秀秀
滕秀秀，山東威海人，江南大學博士生，導師張慜教授，研究方向：食品資源與綜合利用。
原文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.lwt.2021.112508