高麗大學(xué)：如何提高3D打印糖膏熱穩(wěn)定性同時避免拉絲拖尾

來源： 食研私享  

早在2014年底，翻糖女王陳薇制作了世界上第一個3D打印的婚禮蛋糕，表皮用的是翻糖，裝飾部件則是3D打印的可食用糖。這個技術(shù)在當(dāng)時是非常超前的。并且該技術(shù)獲得了英國伯明翰Cake International國際蛋糕比賽創(chuàng)意類蛋糕銀獎。

而今，關(guān)于糖膏型3D食品油墨流變性能的研究還很有限。此外，糖工藝品是由各種食品成分組成的，這些成分會影響其流動性和可打印性。以前的研究并沒有詳細考慮3D食品油墨反復(fù)加熱的穩(wěn)定性和流變性變化，這些知識缺口可能會限制食品3D打印技術(shù)的進步。因此，優(yōu)化3D打印工藝，探索新的食品材料或配方是食品3D打印技術(shù)的潛在挑戰(zhàn)。

2022年1月7日，國外一項最新研究為了填補上述缺口，首次研究了3D打印糖膏油墨產(chǎn)品在打印和儲存過程中的熱穩(wěn)定性和可打印性。研究結(jié)果顯示，馬鈴薯淀粉的加入有助于提高3D打印糖膏油墨的反復(fù)加熱穩(wěn)定性和3D模型的保形性，同時避免了拉絲拖尾現(xiàn)象導(dǎo)致的低打印精度。

該研究由韓國高麗大學(xué)Hyun Woo Kim教授團隊完成，相關(guān)研究成果以“Formulation and evaluation of thermoreversible sugar-paste for hot-melt 3D printing(用于熱熔3D打印的熱可逆糖膏的配方與評價)” 為題發(fā)表在食品專業(yè)領(lǐng)域Top期刊Journal of Food Engineering(IF：5.354)上。

首先，制作用于3D打印的糖膏油墨。研究人員將糖粉和不同比例的馬鈴薯淀粉PS(0%、10%、30%和50%wt/wt)混合，分別標(biāo)記為PS0、PS10、PS30和PS50。將明膠溶液、雞蛋清、玉米糖漿加入到混合粉末中，揉捏10min，得到均勻的混合物。將混合物裝入60mL注射器料筒中，4℃下密封存儲24小時。配方組成如下表所示。

△馬鈴薯淀粉(PS)基糖膏配方

隨后，研究人員對糖膏油墨進行了黏附性測試。結(jié)果表明，隨著PS濃度的增加，糖膏的黏附力(峰高)顯著增加(P<0.05)(下圖A)，其黏附功也顯著增加(P<0.05)(下圖B)，PS50與探針之間的黏附力和功最大，PS0表現(xiàn)出最低的黏附力和功。因此，黏附力與黏附功之間存在正相關(guān)關(guān)系，這與以往的研究一致。斷裂伸長率(εB)表示斷裂前的拉伸性能，隨著PS含量的增加，εB顯著降低(P<0.05)(下圖C)。用PS代替部分糖粉，可減小斷裂前的拉伸長度。也就是說，PS的加入可能通過減少與探針接觸的非晶形糖的表面積，促進了內(nèi)聚破壞向黏附破壞的轉(zhuǎn)變(下圖D)。換句話說，3D打印過程中的低表面粘性有助于墨水更容易與噴嘴分離，這表明添加PS解決了糖膏的粘性和拉絲行為。

△探針黏附性測試結(jié)果：(A)黏附力，(B)黏附功，(C)斷裂伸長率，(D)馬鈴薯淀粉基糖膏斷裂光學(xué)測定。

接著，研究人員將糖膏油墨按下圖工藝參數(shù)進行3D打印測試，鑒于PS50油墨能夠從噴嘴順暢擠出，打印的樣品未出現(xiàn)拉絲拖尾現(xiàn)象并且能保持模型原有的坡度，因此PS50油墨打印的樣品質(zhì)量最佳。

△3D打印工藝參數(shù)

△馬鈴薯淀粉基糖膏3D打印模型基樣品

最后，研究人員對糖膏油墨進行了熱循環(huán)測試，以研究其熱穩(wěn)定性。

一個完整的熱循環(huán)設(shè)定如下：(1)以4℃/min的速度加熱到55℃，(2)保溫10min，(3)以4℃/min的速度冷卻到4℃，(4)保溫10min。在試驗開始和結(jié)束時，將溫度保持在25℃，保溫30min，以達到熱平衡。

一般來說，熱循環(huán)結(jié)束時G′值變化較小，表明結(jié)構(gòu)變化程度較低，熱穩(wěn)定性較高。隨著PS比例的增加，熱循環(huán)中G′值大于G″值。這意味著在較高的溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)，并在試驗溫度范圍內(nèi)成為相對穩(wěn)定的粘彈性半固態(tài)。在PS50油墨中，G'和G''在4℃到55°C之間的整個循環(huán)中幾乎是恒定的，這意味著它在反復(fù)加熱期間是穩(wěn)定的。

△ 基于PS的糖膏熱循環(huán)測試結(jié)果：(A)儲能模量G′，(B)損耗模量G′′。

綜上所述，該研究提出了一種利用3D食品打印機在反復(fù)加熱條件下對糖膏的拉絲拖尾、可打印性和穩(wěn)定性進行控制的新方法。隨著PS含量的增加，糖膏在反復(fù)加熱循環(huán)中表現(xiàn)出穩(wěn)定的儲能模量。特別是在添加50%(w/w)PS的糖膏中，拉絲現(xiàn)象得到改善，并且在流動性、承載能力、打印性能等方面表現(xiàn)最好。利用熱循環(huán)試驗，成功地論證了PS提高了糖膏反復(fù)加熱的穩(wěn)定性。此外，該文提出的方法可應(yīng)用于各種需要熱穩(wěn)定的材料(如功能材料)或其他3D打印食品。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2022.110944