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3D食品打印技术离我们又近了一步,不了解 [复制链接]

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背景:本年11月,BiancaC.Maniglia等人在ScienceDirect上发表了最新研究成果论文《Dryheatingtreatment:Apotentialtooltoimprovethewheatstarchpropertiesfor3Dfoodprintingapplication》。研究者开发了以变性淀粉为基础的水凝胶,用作3D打印食品的原料,取得了良好的效果。简单、廉价,易于在工业规模上实施,用3D打印机生产食物已经成为可能,有望提供符合消费者口味和营养偏好的产品。

3D打印技术可以直接根据计算机中的图形数据生成食物形状,在不需要模具的情况下就可以加工食物。作为一种新兴的食品加工技术,其集成了数字化技术和食品加工技术等多种技术,具有个性化、营养、安全、形状多样等优点,能够根据配方和营养成分的不同对食品营养组分进行优化,方便快捷制造出可满足不同人群需求的健康食品(如低糖、低盐和高维生素等),丰富食品种类,改善食品品质。

图片来源:蜂鸟发现3D打印

01

3D食品打印机的开发历程

世界上第一台3D食品打印机是由西班牙创业公司NaturalMachines研制的,名为Foodini。内设5个所谓“墨盒”用来存储碳水化合物、蛋白质和其他营养物质制成的食材,就如同普通的打印机装有不同颜色的墨盒一样,但是Foodini并不能让烹饪过程完全实现自动化,也不能烹制食品。不过,由于采用一个加热组件,它可能让食品保温。

年美国纽约康奈尔大学开发出专门用于制造食物的3D注射型打印设备,原料主要是液态食物,可以逐点逐层打印出可口的饭菜。同年,英国埃克塞特大学研究人员制作出世界首台以巧克力为原料的3D打印机,可以用来打造属于自己的个性巧克力,此打印机经过技术改进,于年进入市场,以巧克力浆作为墨汁来进行打印,还具有保温和冷却系统。

年,德国公司Biozoon研发出一款食物3D打印机,用来为老年人制作美味可口又易于吞咽的食品,其中的食品级凝结剂能够让逐层形成的食物融合为一个整体,确保打印出来的食物形状完整并且精美。同年,美国的Serizawa等也开发了一个3D食用胶打印机来为不能吞咽食物的老人打印柔软的食品。

年5月,郝亮开发出第二代巧克力3D打印机ChocCreator2.0,作为升级版本,新一代的3D巧克力打印机以融化的巧克力为“油墨”,能够快速精确地打印出客户定制的图案或模型,比如一只蝴蝶图案的巧克力,打印只需5min。

02

3D打印的食品种类

2.1巧克力

巧克力是3D食品打印研发的首个对象,巧克力原料的物理性质适于进行3D打印,且打印后可直接食用,是食品打印研究的重点。3D巧克力打印应用FDM,原料结晶机制、自我支撑能力会影响巧克力的打印效果。

巧克力打印过程中需要控制喷头的温度,保证在挤出时粘度、流动性能符合成型的要求。打印出的每一层巧克力经过冷却凝结不易坍塌,层层打印堆叠制成立体巧克力。除此之外,还要防止温度过低原料凝固造成喷头堵塞,一般情况下,需要喷头温度比凝固温度高1℃。

2.2冰激凌

冰激凌是一种半流固态冷冻甜品,口感细腻、香滑,与奶油相似,具有一定的塑性,也是3D食品打印的主要研究对象。保证冰激凌成功打印的首要条件是运用螺旋式挤出喷头,双向均速挤出原料的方式可以防止回流。冰激凌挤出装置的精度应该在1mm以下,冰激凌具有一定的粘度,若孔径过大,会使摩擦力增大,挤出困难,若孔径过小,影响打印速度。

冰激凌的原料含有乳脂肪、非脂乳固体、甜味剂、固形物、稳定剂、乳化剂等成分,可通过控制稳定剂的配比使其黏度为~MPa·S。冰激凌的挤出过程与巧克力的类似,不同之处在于挤出的冰激凌原料需要在成型系统中快速冷却成型。

2.3糖果

常见的打印糖果分为软糖跟硬糖。软糖是由淀粉糖浆为主要原料,以明胶、果胶等作为凝固剂,有利于糖果打印成型,且不用担心食品安全问题。在进行配制打印原料时,用卡拉糖等高粘度糖做原料时,糖浆浓度不能过高,否则后续添加的物料会受到限制,且不利于转移、挤出、成型;用明胶等低粘度糖做原料时,糖浆浓度需要大量添加,有利于成型、挤出,但不利于干燥,提高了生产成本。硬糖以白砂糖、果葡糖浆为主要原料,硬糖含水量较低,3D打印过程中温度控制比较困难,在生产中相对困难。

2.4奶片

奶片的打印原料主要是脱脂奶粉,采用注射器式挤出方式。奶片原料粘度较高,需要从后端填装,挤出装置中食品原料应紧密接触,避免产生气泡。打印出的成品应立即风干、快速成型,无需额外的冷却装置。3D打印可以制作各种口味、各种造型的奶片,吸引儿童的注意,增加食欲,补充营养。

03

3D食品打印技术发展的影响因素

虽然3D打印技术已经在食品加工行业中得到了初步的应用,但仍然存在很多的限制性因素,技术也有待进一步的成熟。具体来说,主要在以下4个方面存在明显的限制:

(1)材料方面的限制。当前,能够直接应用3D打印技术的食品材料并不多,很多材料都需要经过一定的处理,如添加特定的成分之后才能应用于3D打印。

(2)机器设备的限制。当前,3D食品打印技术只能用于打印一种或者几种食品材料,应用的范围比较狭窄,这对该技术应用范围的拓展造成了不良的影响,因此在未来研制能一次性打印几十种甚至几百种食品材料的3D打印机十分有必要。

(3)成本的限制。当前,无论是3D食品打印机,还是食品打印材料,费用都比较高昂,这已经成为3D打印技术在食品加工行业普及的一个重要阻碍。因此,在未来发展的过程中逐步缩减成本、开发新型廉价的食品材料将会是一个重要的趋势。

(4)3D食品打印的安全性。3D食品打印机打印出来的每件产品都是用来食用的,必须保证其安全性。此外,研究人员还需对选用的相关食材、打印出的食品的微生物检测、剩余原料的保藏和产品贮藏等问题进行深入的探索研究。

04

食品3D打印原料

食品3D打印的原料主要有三类,分别为天然具有打印特性的食品材料、不具有3D打印特性的食品原料和替代原料。食品3D打印过程中,食品材料可能会因自身重量发生崩塌、变形,所以打印材料应具有良好支撑性和稳定性,从而保证3D打印产品具有良好的三维空间结构。

根据食品打印材料的成分不同,根据成分主要分为三大类(见表1)。在食品的复合体系中,淀粉、蛋白质、脂肪和果蔬类等营养成分的变化也会影响食品材料在3D打印过程中的熔融行为、玻璃态和塑化性等性质。

表13D打印材料种类

4.1淀粉类原料

淀粉在糊化过程中发生分子间相互作用,使淀粉凝胶体系具有一定的粘度、流变性能和成型性,符合三维打印对材料的基本要求。将淀粉添加到不可打印的食品材料中,可以使其具有打印性。其中,马铃薯淀粉具有良好的保水性、透明性和抗老化性,是食品3D打印技术最有前途的增稠剂之一。

杨帆等在芒果浓浆中加入马铃薯淀粉来提高芒果浓浆的流变性能,当芒果浓浆与马铃薯淀粉的比例为86.96:13.04时,得到的芒果浓浆凝胶体系打印成型效果及稳定性最好。

Liu等向马铃薯泥中添加不同浓度的马铃薯淀粉(0%、1%、2%和4%),评估混合体系的打印效果。结果表明,增加淀粉含量可以增加体系的粘度,但当马铃薯淀粉含量达到4%时,体系粘度过高,流动性差,不能从喷嘴顺利挤出。当马铃薯淀粉含量为2%时,打印样品表现出最佳的打印性能,分辨率良好,可以长时间保持形状稳定性。

Yang等研究了柠檬汁和不同浓度的马铃薯淀粉(10%、12.5%、15%、17.5%和20%)混合对打印材料流变学和力学性能的影响。结果显示,添加15%马铃薯淀粉打印的柠檬汁凝胶样品表面最光滑,更好地匹配目标形状,无压缩变形现象。

4.2蛋白质类原料

蛋白的凝胶性有利于3D食品的成型,在3D打印过程中,要选择合适的蛋白种类和添加量来改变材料流变特性。冷热处理、加酸碱盐离子、酶水解均可使蛋白质发生聚集,形成有序的空间网状结构,提高蛋白质的胶凝性,促使胶凝空间结构的形成。

JeffreyLipton等利用处理过的火鸡肉、芹菜进行了实验,发现加入转谷氨酰胺酶可使食品打印材料具有更好的成型稳定性,可经受更长时间的烹饪处理。在原料中加入酶可有效改变原料的空间结构,有效改善了蛋白质的加工适宜性。

3D打印前,将酶与蛋白质混合,蛋白质通过酶的作用交联,使其具有良好的流变性能,具有较好支撑性和成型性。明胶是对胶原纤维结构进行不可逆处理而得到的一种衍生蛋白质。蛋白质分子溶于水后,与水相互作用构成了螺旋结构,形成的凝胶降温后可迅速固化,打印出的产品不易变形、富有弹性。在凝胶中加入营养成分,也可有效提高产品的营养品质。

岑培倩等利用明胶为原料研究得到了适于3D打印的载有中药提取复合多糖的凝胶软糖基质,3D打印后成型性良好。

4.3脂肪类原料

高脂类食品原料内部存在大量的脂肪结晶,脂肪结晶网络结构的不同,3D打印脂类内部结构、机械性能、硬度不同,脂肪结晶网络结构呈现具有特定流变学性质的软材料,具有较强的可塑性,目前,巧克力、肉泥等高脂类食品材料作为3D打印食品材料已在在食品3D打印技术中得到应用。

宾夕法尼亚大学的研究团队于年最先利用3D打印技术,以糖和脂肪为原料进行肉类产品3D打印,打印的生肉纹理、质地和口感与普通生肉无明显差别。Narine等研究表明脂肪结晶网络结构的机械性能将会影响产品的软硬程度、质地等性质。巧克力3D打印过程中,脂肪结晶有助于提高原料的机械性能,改善产品的空间结构,并对空间结构提供具有支撑作用的骨架结构。

在3D打印肉类食品生产中,肉的感官品质和保质期受甘油三酯影响,其中脂肪酸碳原子数越多熔点越高,双键数越多熔点越低。因此,脂肪酸碳链长度、双键数量具有调节脂类3D打印原料的熔点和支撑性能的作用。

4.4果蔬类原料

果蔬原料的3D打印加工工序主要包括以下几个步骤:

(1)选择水果和蔬菜种类;

(2)确定食品配方(即不同原辅料配比);

(3)确定打印浆料的制备工艺流程;

(4)确定打印条件,设计三维虚拟模型;

(5)选择合适的工艺方法,延长印刷品的货架寿命。

大多数果蔬原料含水量高,粘度低,破碎成浆后流动性强,不满足3D打印对材料的基本要求。故用于果蔬原料3D打印的配方首先要考虑其打印性,一般通过加入水胶体来改善果蔬浆料的流变特性。

除了要考虑果蔬浆料的流变特性,还要考虑最终产品的营养和感官质量。特别是在营养设计方面,正确选择原材料可以为不同性别、年龄、文化的特定消费者群体提供个性化的营养打印食品。

目前,在果蔬原料制作的3D打印食品配方方面已取得了一些研究成果。例如Derossi等为3-10岁的儿童设计了一种基于水果的创新性3D零食,利用香蕉、白豆、蘑菇、脱脂牛奶和柠檬汁,加入果胶溶液使体系具有均匀的流动性,制作了含有维生素D(0.75-1.5mg/天)、铁(0.58-1.2mg/天)和钙(49-97.5mg/天)等营养素的复杂食品体系,可为儿童提供5%~10%的能量、钙、铁和维生素D;

Azam等实现了富含维生素D的浓缩橙汁小麦淀粉共混物的打印;Severini等将多种果蔬(梨、胡萝卜、猕猴桃、西兰花和鳄梨)按比例混合,加入1%的鱼胶原蛋白来增加浆料的粘度,得到营养更丰富的“可打印冰沙”,并设计了新颖的金字塔形状,以期对消费者更具吸引力。

图片来源:3D打印在线

4.5其他

单一食品原料很难满足3D打印的要求,单一食品原料在色泽、形状、口味等很难满足现代人对营养追求。通过研究原料的种类和添加量来改善3D打印材料的特性的流变特性和质构特性,蛋白质、碳水化合物、脂肪和果蔬等食品原料的不同配比也将影响其溶化温度、流动性、塑化温度等,通过改变食品原料的结构特性使其具有较好的3D打印成型效果。

05

食品3D打印技术的种类及原理

5.13D食品打印机器的工作原理和打印流程

3D食品打印机的工作原理和操作方法与普通3D打印机相似,主要由控制电脑、自动化食材注射器、输送装置等几部分组成。打印前将可食用的食物材料和相关配料放入容器内,输入食谱,开启“打印”按键后,注射器上的喷头就会将食材逐行、逐层地铺上去,打印出立体食物产品。使用者可以充分发挥想象力和创造力,无需机械加工或模具,只需要通过调节电脑中CAD制作的3D模型来自主决定食物的形状、高度、体积等,打印出各式各样有趣的食物产品。

打印的流程为:三维设计模型(或3D扫描)→原料预处理→墨盒加料→切片处理→叠加打印[15]→打印完成→表面修整。

5.2常见的食品3D打印技术

常见的食品3D打印技术有选择性激光烧结打印(SelectiveLaserSintering,SLS)、喷墨打印(Inkjetprinting,IJP)和挤压型3D打印技术。

表23D打印技术的应用

5.2.1选择性激光烧结打印(SelectiveLaserSintering,SLS)

SLS技术采用红外激光器作能源,使材料凝结成型,其工作原理采用“分层制造、逐层累加”的制作方式,首先使用激光对目标区域内的粉末进行扫描,使其熔化并粘结在下一层粉末上,在该层粉末烧结完成后,开始下一层的烧结,逐层重复此步骤,直到制件最终成型。但其具体的成型原理根据打印材料的不同略有差别。

5.2.2喷墨打印(Inkjetprinting,IJP)

喷墨打印常用作打印其他食品上的装饰或表面填充,其原理是将流动的原料通过挤出喷嘴打印到基片上(常用披萨饼、饼干等作为基片),装饰品原料在打印过程中需维持流动状态。不同于SLS技术,喷墨食品3D打印不是逐层打印,而是采用局部打印的形式,最终完成一个整体。由于喷墨打印头结构复杂,喷孔直径较小(一般为20μm-40μm),如果“墨水”做的不好,会出现断墨、散点、堵头等现象,对打印材料的表面张力、粘度、颗粒度有较高要求。

5.2.3挤压型3D打印技术

挤压型3D打印技术分为熔融沉积技术(FusedDepositionModeling,FDM)和常温挤出技术,其中常温挤出技术又分为注射器式挤出、气压式挤出和螺杆式挤出3种方式。在3D食品打印中,FDM技术应用最为广泛,其材料选择多、设备简单、局限性少等优点,备受人们

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