基于挤压的3D打印中卡拉胶-黄原胶-淀粉多组分凝胶体系的流变性和可打印性

3D打印前沿
2021
11/02
11:03
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来源: 食研私享

2018年8月18日,江南大学:刘振彬团队与澳大利亚昆士兰大学Bhesh Bhandari教授联合在农林科学1区TOP期刊Food Hydrocolloids(IF:9.147)在线发表了题为“Linking rheology and printability of a multicomponent gel system of carrageenan-xanthan-starch in extrusion based additive manufacturing”的研究文章。

3D食品打印是一种新兴的技术,具有影响食品制造业的潜力。食品油墨的流变性能对其成功进行3D打印至关重要。然而,流变性能与3D打印性能之间的关系在食品体系中还没有明确的定义。
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该研究旨在提高我们对食品油墨体系流变性能与3D打印性能之间的相关性的认识,并且为卡拉胶-黄原胶-淀粉多组分体系的3D食品打印提供参考价值。在这项研究中,研究人员首先研究了油墨的热响应行为,然后选择了几种配方来测定油墨的流变性能和评价3D打印性能。研究人员将3D打印过程分为三个阶段,即挤出阶段、恢复阶段和自支撑阶段,并测定了每个阶段对应的油墨流变性能。最后,根据打印1D结构(线、五角形)、2D结构(晶格支架)和3D结构(圆柱体)的能力评价了模型油墨配方的3D可打印性。

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图文摘要

亮点介绍
[1] 在3D打印中采用了触变性和热可逆凝胶体系作为模型。
[2] 油墨的流变性和3D打印性能在整个打印过程中是相互关联的。
[3] 印刷了1D、2D、3D结构并与墨水的流变性相关联。

成果介绍
该研究中,研究人员以k-卡拉胶、黄原胶和土豆淀粉为主要原料,制备了一种凝胶模型多组分体系,并将其用于注射器式挤压3D食品打印机。研究人员将3D打印过程分为3个阶段,分别测定各阶段油墨相应的流变性能,即挤出阶段(屈服应力、粘度、剪切变稀)、恢复阶段(剪切恢复、温度恢复)和自支撑阶段(复数模量 G*和室温屈服应力)。最后,系统地研究了模型油墨的3D打印性能,从打印线/五角星(一维,1D结构)开始,到打印晶格支架(二维,2D结构 ),最后打印圆柱体( 三维,3D结构 )。

结果表明,在k-卡拉胶基油墨中添加淀粉和黄原胶提高了油墨的凝胶温度(Tgelation)、粘度(剪切速率0.01~1001/s)、屈服应力、复数模量G*、增强了剪切变稀(触变性)行为和降低了模量的时间依赖性(温度恢复)。屈服应力(应力扫描试验中G′(弹性模量)等于G′′(粘性模量)的交叉点)和剪切变稀行为(剪切率增加时粘度下降)的流变学响应与油墨的可挤出性密切相关。油墨的凝胶温度(Tgelation)和时间依赖性行为(凝胶时间,tgel)显著影响其印刷性能和形状保持性能。墨水的机械强度是自支撑的重要因素,尤其是对于3D结构。

该项研究成果具有为提高使用亲水胶体作为印刷助剂的食品的3D打印性能提供指导意义。
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图1. A:研究框架图。Tgelation:胶凝温度;PT:打印温度;RT:室温。B:研究中使用的打印机的照片。C:设计的晶格支架模型及尺寸。D:设计的空心圆柱体模型及尺寸。

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图2. A:油墨 kC(1)X(0.5)S(2)在35°C、40°C、45°C和50°C打印温度下的线条印刷表现。B:使用油墨 kC(1)X(0.25)S(2)重叠(a)和不同角度(b、c和d)打印的五角星图。C:在35°C、40°C、45°C和50°C的温度下使用油墨 kC(1)X(0.25)S(2)打印的五角星。(注:kC代表k-卡拉胶;X代表黄原胶;S代表土豆淀粉;数字代表百分比)

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图3. A:不同温度下使用不同油墨打印的支架图像。B:不同状态下打印的互连通道孔示意图。C:印刷支架互连通道的平均面积。

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图4. A:从不同方向观察打印温度40°C时印刷的空心圆柱体图像。B:第一墨层宽度变形(ΔW)示意图。C:第二墨层宽度变形及其与第一层的融合示意图。D:使用不同油墨在打印温度40°C时印刷的空心圆筒的壁厚。

专 家 简 介

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张 慜
张慜,江南大学二级教授、至善特聘教授,江苏省高校“生鲜食品智能加工与保鲜”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。2013年8月起,被澳大利亚昆士兰大学授予食品科学领域的荣誉教授。近五年主持国家、省部级和产学研重点项目20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(Web of Science),6度入选ELSIVER“中国高被引学者”榜单。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特等奖等科技奖励。
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刘振彬
刘振彬,陕西科技大学食品与生物工程学院副教授,硕士生导师。主要研究方向为农产品加工、食品3D打印、食用菌资源创制与高值化利用。主持或参与多项国家及省部级项目,发表多篇高水平论文,其中ESI高被引论文三篇。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2018.08.026


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