江南大学张慜团队：材料性能和加热机制对4D打印食用凝胶结构脱水触发的形状转变的影响

材料性能和加热机制对4D打印食用凝胶结构脱水触发的形状转变的影响

导读

2021年1月18日，江南大学：刘振彬（第一作者）.....、张慜*（通讯作者）等在Food Hydrocolloids（影响因子：7.053；分区:Q1/2区）发表了题为“Dehydration-triggered shape transformation of 4D printed edible gel structure affected by material property and heating mechanism”的研究型文章。

据作者所知，目前还没有关于脱水干燥触发3D打印食品结构的程序化形状转变的文献报道。因此，该研究采用微波干燥（MD）、红外干燥（ID）和风干（AD）三种不同的加热机制，研究它们对3D打印食品结构的形状变化行为的影响。值得注意的是，比较不同脱水方式对产物形状变化的影响，并不是为了确定使形状变化最大的最优的脱水干燥方法，而是旨在研究不同脱水机制下印刷样品的形状变化行为。

该研究首次采用基于食用淀粉的模型凝胶体系，研究了材料性质(水迁移率、粘附性、介电性)对微波辐射诱导样品形变行为的影响。然后采用不同的脱水方法并进行比较，最后通过调整3D打印样品的填充结构来研究复杂的形状结构变化。

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DIO：10.1016/j.foodhyd.2021.106608

正文共1857字，15图，预计阅读时间5分钟

▌▍▎成果介绍

3D打印结构说明了打印后程序化的形状变化可以定义为4D打印。目前，脱水诱导的3D打印可食用结构的形状变化尚未见报道。该研究首次报道了可食用淀粉材料3D打印结构的自发脱水变形。研究了材料的性能、加热机理与变形行为之间的关系。结果表明，要实现印刷样品的程序化变形，需要印刷材料具有一定的附着力。基于食用淀粉的3D打印结构，在微波干燥（MD）和风干（AD）的触发下，材料的性质显著影响3D打印结构的形状变化行为。在不影响样品形状变化的前提下，印刷样品下面的垫纸应柔软、薄、防水且耐热。遵循这一概念，由食用淀粉和亲水胶体制成的薄而软的薄膜也可能适用于3D打印样品的形状变化。弯曲程度与水分蒸发量和收缩率成正比，与介电常数损耗系数(ε”)成反比。微波干燥(MD)的快速脱水速率和内部加热模式不利于印刷样品的弯曲。而在风干(AD)过程中，较大的收缩率和由表面向内脱水机制引起的“弯曲累积效应”有利于提高印刷样品的弯曲程度。此外，通过调整填充方向和填充水平创建了类似蝴蝶的复杂三维结构。最终实现了几种具有自发形状变化的3D打印真实食品，如重组紫薯片、柠檬果皮、重组猪肉干等。该研究所获得的成果将为不同脱水方法引发的可变形3D打印食品的生产提供参考价值。

▌▍▎图文赏析

▲图1.微波干燥（MD）和风干（AD）触发的淀粉基凝胶浆料在塑料薄膜上的粘附性和印刷样品的弯曲角度。

▲图2. A：不同果糖糖浆含量的马铃薯片/马铃薯淀粉基凝胶浆液中水质子弛豫时间的分布。B：具有不同果糖糖浆含量的淀粉基凝胶浆料的粘合性。C：具有不同果糖糖浆含量的淀粉基凝胶浆料的介电性能。D：微波干燥（MD）（1 W / g）和风干（AD）（50℃）触发了3D打印样品的形状转变以及相应的果糖浆含量不同的样品侧视图。注：对于AD样品，当果糖糖浆：水= 0：100时，弯曲度大于360°，这表明样品弯曲了不止一圈。

▲图3. A：具有不同NaCl含量的马铃薯片/马铃薯凝胶浆液中水质子弛豫时间的分布。B：具有不同NaCl含量的淀粉基凝胶浆料的粘合性能。C：具有不同NaCl含量的凝胶浆料的介电性能。D：微波干燥（MD）（1 W/g）和风干（AD）（50℃）触发了3D打印样品的形状转变以及不同NaCl含量的样品相应侧视图。

▲图4.A：不同微波功率水平下的微波干燥特性。B：不同微波功率水平下印刷样品的弯曲角度和收缩率。

▲图5.A：不同温度下的红外辐射干燥特性。B：不同温度下印刷样品的弯曲角度和收缩率。

▲图6.A：不同温度下的风干特性。B：不同温度下印刷样品的弯曲角度和收缩率。

▲图7.A：3D打印凝胶产品在不同干燥条件下的弯曲度；B：收缩率与弯曲角的相关分析。

▲图8. 不同脱水机制引发的样品形态变化。MD：微波干燥；ID：红外干燥；AD：风干

【原文链接】

https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.106608

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