【摘要】：3D打印技術(shù)拓展了傳統(tǒng)加工方式,使得食品加工變得個(gè)性化,將給餐飲業(yè)、零售食品行業(yè)帶來新的發(fā)展契機(jī)。而食品原料是3D打印技術(shù)的基礎(chǔ),也是目前制約3D打印技術(shù)在食品行業(yè)廣泛應(yīng)用的重要因素,大多傳統(tǒng)食品原料面臨不適合用于3D打印或者打印質(zhì)量不高的困境。因此,拓展食品原料以及工藝的改良是推動(dòng)3D食品打印技術(shù)發(fā)展的首要任務(wù)。本文以糙米為原料,探究干燥方式對(duì)糙米粉理化性質(zhì)和流變性質(zhì)的影響,考慮糙米凝膠的打印可行性,確定最佳的干燥方式;在此基礎(chǔ)上,通過添加親水膠體來進(jìn)一步改善糙米凝膠的打印特性以適于打印復(fù)雜結(jié)構(gòu);對(duì)物料擠出過程中料筒內(nèi)流道進(jìn)行仿真模擬分析,為物料選擇提供理論指導(dǎo),并探究工藝參數(shù)對(duì)糙米凝膠體系打印成型效果的影響以及對(duì)樣品質(zhì)量屬性的影響。本研究為擠壓式三維打印技術(shù)在食品中的應(yīng)用奠定了理論依據(jù)和實(shí)際運(yùn)用基礎(chǔ)。首先,初步探究了不同干燥方式,熱風(fēng)干燥(HAD)、真空微波干燥(MVD)、真空冷凍干燥(FD)、脈沖微波真空冷凍干燥(PSMFD)對(duì)糙米粉的理化性質(zhì)以及流變特性的影響。結(jié)果表明,FD和PSMFD對(duì)糙米粉的基本成分及營(yíng)養(yǎng)成分保留較好。流變測(cè)試結(jié)果顯示不同干燥方式獲得的糙米粉均具有剪切變稀的性質(zhì),滿足3D打印的基本條件,其中FD和PSMFD獲得的糙米粉具有更高的黏度和機(jī)械強(qiáng)度。與FD相比,PSMFD的干燥時(shí)間縮短了62.50%,干燥效率高。其次,以PSMFD獲得的糙米粉為原料,探究黃原膠(XG)、瓜爾膠(GG)、黃原膠-瓜爾膠混合物(XG-GG)、羧甲基纖維素鈉(CMC)以及瓊脂(AG)分別對(duì)糙米凝膠的流變性質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特性、微觀結(jié)構(gòu)和3D打印特性的影響,考察不同樣品的打印效果及偏差,并評(píng)價(jià)最佳配方打印樣品的穩(wěn)定性。結(jié)果表明,添加XG-GG的糙米凝膠樣品打印效果最好,原料具有良好的剪切變稀性質(zhì)、具有較高的彈性模量和較低的應(yīng)力、機(jī)械強(qiáng)度和內(nèi)部支撐能力強(qiáng)。掃描電鏡顯示與其他樣品相比,添加XG-GG的糙米凝膠結(jié)構(gòu)連接緊密,無明顯斷裂,表面平滑,而相應(yīng)的打印產(chǎn)品表面光滑,打印偏差最小(直徑偏差0.76%,高度偏差-2.96%),并在12 h內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性。因此,添加XG-GG的糙米凝膠具備打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力。接著,針對(duì)料筒內(nèi)不易獲得的參數(shù),采用POLYFLOW軟件對(duì)料筒內(nèi)流道進(jìn)行仿真模擬;針對(duì)可調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)如打印高度、噴嘴直徑、噴嘴移動(dòng)速率、出料速度、雙噴頭相對(duì)位置,探究其對(duì)糙米凝膠的成型效果的影響。仿真模擬結(jié)果表明,沿著物料擠出的方向,隨著料筒內(nèi)流道由寬變窄,物料的流速也由慢變快,壓強(qiáng)由大變小,剪切速率由小變大,黏度剪切變稀,這些條件都有利于物料的穩(wěn)定擠出。打印參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明,單噴頭打印時(shí),設(shè)置噴嘴直徑0.84 mm、初始高度0.84 mm、層高0.84 mm,噴嘴移動(dòng)速率25 mm/s、物料擠出程度100%,打印糙米凝膠成型效果最好,在邊長(zhǎng)和高度上打印偏差最小。雙噴頭打印時(shí),設(shè)置雙噴頭的初始相對(duì)位置為x=66.50 mm,y=0.80 mm,其余參數(shù)與單噴頭打印保持一致,雙噴頭擠出的物料間連接緊密,拼接完整。最后,設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn),探究了三個(gè)變量:噴嘴直徑,外層數(shù)和填充度對(duì)3D打印樣品打印精度和質(zhì)構(gòu)特性的影響。結(jié)果表明,噴嘴直徑對(duì)打印樣品的尺寸影響很大,當(dāng)噴嘴直徑從1.56 mm減小到0.84 mm,樣品高度從14.78 mm增加到16.25 mm,直徑從32.84 mm減小到30.40 mm,更接近于設(shè)計(jì)圖案,尺寸偏差小;外層數(shù)對(duì)尺寸特性有積極作用,表現(xiàn)為隨著外層數(shù)的增加,樣品的高度和直徑均增加;而填充度對(duì)樣品的尺寸沒有顯著影響。填充度、外層數(shù)和噴嘴直徑都顯著影響了樣品的質(zhì)構(gòu)特性(P0.05),影響程度從大到小依次是填充度、外層數(shù)和噴嘴直徑。隨著噴嘴直徑、外層數(shù)和填充度的降低,打印樣品的硬度和膠著性均顯著降低(P0.05)。
【圖文】：

以便沉積后保持結(jié)構(gòu)[11]。在現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究打印以及高質(zhì)量打印的配方，通過物料性質(zhì)的調(diào)整來滿足打印要求。物料的研究主要分為以下幾類：針對(duì)原生可打印的材料進(jìn)行研究，如淀粉類、蛋白類、巧克力、膠體性質(zhì)稍加修飾即可取得不錯(cuò)的打印效果[8, 12]。巧克力是研究最早也是種食品原料，加熱熔融、遇冷凝固的性質(zhì)使其成為最佳的打印原料之商業(yè)化生產(chǎn)。而一些天然提取或化學(xué)合成的膠體類物質(zhì)，如果膠[13]、明經(jīng)被廣泛研究，也證明適合用于 3D 打印。淀粉類食品本身具有糊化能力，形成穩(wěn)定的固態(tài)或者半固態(tài)的形式，滿足擠出和堆積成型的要的原料有即食型的土豆泥，需要后加工的面團(tuán)等。Liu 等人[15]利用蒸泥進(jìn)行了 3D 打印研究，不添加馬鈴薯淀粉時(shí)，樣品的黏度不夠造成圖 1-2（b）；過量添加則使得樣品黏度過高，線條擠出困難，如圖 1鈴薯淀粉能很好地改善土豆泥的流變特性，使得打印圖案的精確度d）。Yang 等人[16]以面粉為主要原料，復(fù)配了蔗糖、黃油、雞蛋等原印后烘焙得到 3D 打印曲奇。

第三章 糙米凝膠體系的建立：親水膠體對(duì)糙米凝膠三維打印特性的影響及優(yōu)化也表現(xiàn)出類似的趨勢(shì)。理論上，質(zhì)構(gòu)特性的提高有利于打印產(chǎn)品的形狀保持。但是，考慮到半固態(tài)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)屬性，打印產(chǎn)品需要適當(dāng)?shù)挠捕葷M足口感的要求。3.4.6 親水膠體的添加對(duì)糙米凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響添加不同親水膠體的糙米凝膠的顯微結(jié)構(gòu)如圖 3-6 所示。由圖中可以看出，不同樣品間的顯微結(jié)構(gòu)差異明顯。對(duì)照組糙米凝膠結(jié)構(gòu)不緊密，表面粗糙，斷裂眾多，孔洞明顯。XG 也表現(xiàn)出類似的特征，這與后續(xù)打印產(chǎn)品線條的斷裂不連續(xù)的現(xiàn)象保持一致。GG、AG、CMC 則表現(xiàn)出更規(guī)則有序的結(jié)構(gòu)，但是表面粗糙，可以看到明顯的斷裂，，連接不夠緊密且生硬。而 XG-GG 顯示出更加連續(xù)的結(jié)構(gòu)，連接緊密而柔軟光滑，在打印過程中也表現(xiàn)出更好的效果和打印精度，這說明 XG-GG 能與淀粉凝膠體系形成連續(xù)相，形成致密結(jié)構(gòu)[72]，使得糙米凝膠的結(jié)構(gòu)得到了改善。
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TS205;TS201.7

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本文編號(hào)：2632931