顆粒在線訊：使用可食用原料的增材制造被稱為“可食用三維(3D)打印”，這是一種獨特的食物制造方法，通過可定制的營養(yǎng)配方和打印模型生產(chǎn)在視覺上更具有吸引力的食物。在眾多3D打印技術(shù)中，直接寫入墨水(DIW)3D打印因其低成本和易于使用而成為可食用3D打印的熱門選擇。然而，由于許多潛在的食用原料(如食品泥)的粘度低非常不適合DIW打印，所以適合DIW 3D打印的食品種類有限。

2022年4月，來自喬治亞理工學(xué)院機械工程學(xué)院的研究者們，提出了使用纖維素納米晶(CNCS)作為一種安全和可再生的打印原料，實現(xiàn)對各種食品，特別是菠菜泥、番茄泥和蘋果醬的DIW 3D打印，并通過冷凍干燥過程獲得最終的固體結(jié)構(gòu)。

在喬治亞理工學(xué)院機械工程學(xué)院的研究者們的研究中，他們首先分析了食品的流變特性，使用不同體積分數(shù)的碳納米管生產(chǎn)具有剪切變稀特性的可打印油墨。然后通過圖像處理技術(shù)分析了不同油墨的打印質(zhì)量。最后，通過打印包括多材料結(jié)構(gòu)在內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)，證明了能夠數(shù)控油墨的能力。這項研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管是一種有效的食品增材制造原料，在所研究的可食用原料中促進剪切變稀和粘性行為，這是DIW 3D打印自支撐可食用結(jié)構(gòu)所必需的特性。

△將生食品轉(zhuǎn)化為可打印的食物結(jié)構(gòu)的過程。(A)將搗碎成蘋果醬與CNCS混合，制成可剪切變稀的可打印墨水。(B)在切片軟件中章魚模型的正面圖和等軸測圖。(C)用于打印可食用結(jié)構(gòu)的DIW 3D打印機。(D)打印后的章魚模型。(E)用于從凍結(jié)結(jié)構(gòu)中升華冰晶的冷凍干燥器。(F)冷凍干燥的最終產(chǎn)品。

流變性是衡量材料是否適合DIW制造的重要指標。油墨必須具有可調(diào)粘度才能產(chǎn)生粘彈性，從而實現(xiàn)創(chuàng)建自支撐3D結(jié)構(gòu)所需的層堆疊，并表現(xiàn)出剪切稀化行為，以便在打印過程中流經(jīng)沉積噴嘴。研究人員主要我們考察了濃度對粘度、G‘、G’和tanδ的影響，觀察到所有的食用油墨都表現(xiàn)出良好的剪切變稀特性，粘度曲線接近于負冪律趨勢，最大粘度隨著濃度增加。

△材料特性的研究

使用5%和7.5%的可食用油墨和直徑1.194 mm的噴嘴打印各種結(jié)構(gòu)。試驗結(jié)果表明，蘋果醬油墨在冷凍干燥后表現(xiàn)出最好的表面光潔度，而用菠菜和西紅柿油墨打印的結(jié)構(gòu)則會出現(xiàn)空洞或粗糙。

△對打印質(zhì)量進行研究

通過多材料3D打印，將可食用墨水包裹在數(shù)控凝膠中來創(chuàng)建可食用的外層。整齊的凝膠外層作為可生物降解和可食用的保護殼，有可能減少或取消可食用打印結(jié)構(gòu)的包裝。

△打印成品和多材料打印

研究人員還研究了冷凍干燥后可食用的食品結(jié)構(gòu)的機械性能。目前的結(jié)果表明，CNCS可以擴大打印食品的范圍，從而使更多的可食用3D打印應(yīng)用成為可能，具有廣闊的前景。

△食品的機械性能

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2022.111086