CN114304548A - 一种利用内部填充蜂窝结构改善3d打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法，涉及食品加工工艺，属新型食品加工3D打印领域。该方法首先将新鲜果蔬蒸煮，打成匀浆后再添加少许果蔬粉及食品胶体，混合均匀后填料，随后设计特定的3D打印模型和对应的3D打印参数。本发明在打印时选择内部填充模式为不同填充率的蜂窝结构，在相同的填充率下与其他填充结构如网格和交叉波纹等相比能显著减少样品打印后的冻融后汁液流失，无需其他设备进行后处理，节省了行业设备成本和能耗。该程序将允许创造出具有吸引力的食品，以供在餐厅或家中食用，同时能减少冻融后的汁液流失，提高冷冻3D打印果蔬食品质量。

Description

一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后 汁液流失的方法

技术领域

本发明涉及一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法，涉及食品加工工艺，属于食品加工技术中的3D打印领域。

背景技术

3D打印，也称为增材制造(AM)，可创建由计算机辅助设计(CAD)及犀牛(Rhino)等计算机软件设计的三维模型。该技术具有设计与生产相结合的特点，适用于广泛的印刷材料，包括聚合物陶瓷、粉末基油墨、细胞培养或生物基油墨、粘土、混凝土、金属和食品。3D食品打印技术因其营养个性化、形状和质地复杂、效率高、减少食物浪费、快速成型和定制食品等主要优势而最近变得流行。在食品行业，挤出打印、喷墨打印、粘合剂喷射和选择性烧结是主要的3D打印技术，其中挤出打印最容易开发，应用最广泛。该技术通过嵌入在沿表面移动的机械臂中的注射器的喷嘴逐层挤出材料来堆积设计的模型。

水果和蔬菜具有受环境因素影响的高生物变异性和由于其高水分含量而导致的低粘度，可能被认为是最难打印的材料。同时，由于水分含量高，它们极易腐烂。最近的研究表明，3D打印的含有尽可能少的食品胶体的新鲜蔬菜，而不是脱水和冻干的蔬菜粉，这可能适用于吞咽困难的老年人。冷冻是在包装、冷却、干燥等过程中最常用的方法之一，以保持新鲜细胞食品的质量和安全。冷冻过程中冰晶的形成是影响冷冻效率和冷冻产品质量的关键步骤。影响冷冻产品质量的其他因素是植物组织的物理特性，例如细胞间隙的孔隙率和通常与细胞大小相关的组织孔隙率。解冻是冷冻的逆过程，对冷冻产品的质量和理化性质影响很大。解冻后，汁液流失和质地损失(硬度损失)会降低解冻产品的质量。

蜂窝是大自然的神奇产物，是自然界中多孔结构最具代表性的例子。蜂窝状蜂窝结构源自巢中的天然蜂窝，由均匀分布的双层六边形蜂窝组成。构建细胞壁的材料是蜂蜡和蜂胶(一种植物树脂)。由于与蜜蜂的蜂窝非常相似，科学家们发现六边形结构表现出色，可用空间最大，显示出巨大的机械潜力。对蜂窝结构特性的研究已经进行了数千年，然而，蜂窝结构直到大约70年前才被纳入人类社会的大规模应用中，此后出现了许多由各种材料制成的蜂窝结构，用于制造蜂窝结构的技术也逐渐进步。特别是，在过去的二十年中，我们见证了蜂窝结构从工程领域进一步扩展到纳米和生物医学领域，例如阳极氧化铝中的纳米孔阵列、聚合物薄膜中的微孔阵列、活性炭蜂窝和光子带隙蜂窝结构。特别是在1999年，Hales最终证明了这个猜想，蜜蜂建造蜂巢的方式是通过使用最少的蜂蜡来提供最大的细胞空间，表明六边形蜂窝结构对自然界来说是最稳定的。最近，Karihalo和他的同事揭示了天然蜂巢中圆形蜂窝状细胞快速转变为圆形六边形结构的机制，即由“热”工蜂加热的熔融粘弹性蜡的形成在相邻的圆形细胞的三重连接点附近流动。这一发现见证了关于蜂窝是盲目物理学的一个例子还是精致的生物工程的长期争论的有力延续。

张慜等(2019)发明了一种含玫瑰碎花非均质重组食品的单喷头3D打印方法(CN109700063 A)，该发明首先将白芸豆洗净并冷水浸泡12h后去皮，然后蒸煮40min使白芸豆变软，之后将打浆后的浆体与白砂糖混合并小火慢煮至豆沙粘稠，待豆沙冷却至室温后加入黄油、细砂糖、淡奶油打法，最后加入不同添加量、不同尺寸的经表面油性处理的玫瑰花碎花。本发明所用于打印的主要材料为白豆沙，可作为餐饮冷盘用的甜点、点心。该发明利用单喷头实现了含玫瑰碎花非均质重组食品3D打印的方法。玫瑰花中富含多种营养成分，此方法将原先作为下脚料的玫瑰花碎花变废为宝。该发明没有复杂的长时间处理过程，节约了制作成本，可操作性强。

张慜等(2020)发明了一种利用玫瑰花粉和高糖水果碎屑开发含益生菌的3D打印食品的方法(CN 111802636 A)，该发明通过将冻干玫瑰花瓣/碎屑和高糖水果碎屑在低温条件下粉碎过筛后，与牛奶混合，并引入0.5％～1.5％的食品胶体，在无菌条件下进行3D打印。通过控制喷嘴直径和打印温度，结合高糖水果中的低聚糖类物质，最终实现3D打印的食品的益生菌数量为9～10log cfu/g，4℃下储藏7天后益生菌数量在8～9log cfu/g。益生菌存活率超过85％。

张慜等(2018)发明了一种易吞咽的双色土豆泥/紫薯泥冷盘3D精确打印方法(CN108477545 A)。该发明的步骤如下：(1)将新鲜土豆和紫薯清洗、去皮后切片，蒸煮并打浆；(2)在土豆泥和紫薯泥中分别加入黄原胶和果胶的复配体系；(3)将添加胶体后的土豆泥和紫薯泥保温；(4)冷却至室温后，在土豆泥中加入适量盐、调料和橄榄油；在紫薯泥中加入蜂蜜和橄榄油；(5)选择喷头直径；(6)确定打印速度；(7)确定双喷头的相对位置；(8)确定打印时的填充比和填充模式；(9)借助双喷头打印机，运用双颜色3D打印模型将土豆泥/紫薯泥打印成型。本申请的方法能更好的保障老年人的正常营养供应和饮食吞咽安全。

张慜等(2020)发明了一种微波协同三维打印装置及用于植物凝胶体系的精确高效打印方法(CN 110742294 A)，该发明的装置包括三维打印机，内置的实时微波加热固化装置，柔性的微波屏蔽箱体，内嵌式在线微波实时控制器等。微波源为固态微波源，功率在20～200W范围内连续可调。采用旋转天线的方式实现微波馈能，可确保打印过程中微波被物料层的均匀吸收。该装置可实现在3D打印过程中微波的实时加热固化，达到快速固化提高打印精度，缩短全流程下3D打印生产食品的效率。根据物料性质，如流变特性和介电特性，将3D打印过程中物料的打印挤出速度和微波实时加热功率建立起匹配关系，实现物料的适速固化，从而实现95％以上的打印精度，且在后续过程中不发生变形。

张慜等(2018)发明了一种利用浓缩果浆预后处理改善3D打印效果的方法(CN108294257 A)，该发明将制好的浓缩果浆凝胶加入到3D打印机的料斗中，选定3D打印的模型和体系对应的3D打印参数进行3D打印，对打印产品按照目标模型的形状进行适量修边，最后对打印产品表面涂膜和快速冷冻。本发明从改变打印喷头尺寸以及制备过程中釆用高速均质细化物料质地来改善3D精确打印性能，直接作为产品配方及工艺步骤所使用原料健康营养，不添加任何人工合成色素成份，安全可靠；本发明没有复杂的长时间处理过程，节约成本，操作性强，并且完整地提供了加工与储运的全过程工艺及建议事项。

张慜等(2017)发明了一种改善高糖体系成型及3D精确打印性能的配方调控方法(CN 107334140 A)，该发明采取三个关键方面的控制来达到改善高糖体系成型及3D打印性能的目的，一是泡发，确保明胶完全溶解，得到均一致密的高糖凝胶体系。二是搅拌，确保明胶最终能完全溶解，体系稳定化、颗粒细小化。三是用蒸煮，起到杀菌的效果，最终得到直接可以吃的成品，同时这也能促进各配料的融合，最终得到均一稳定的体系。根据需要添加适量的弱防腐剂柠檬酸和干燥的纳米果蔬粉；添加纳米果蔬粉可明显降低物料的延展性，从而降低打印后发生形变或坍塌的可能。该发明研究了打印喷头尺寸及釆用高速均质细化物料质地来改善3D精确打印性能，没有复杂的长时间处理过程，节约成本，操作性强。

张慜等(2020)发明了一种利用微波诱导自发形变实现4D打印艺术冷盘的方法(CN111543664 A)，该发明首先将果葡糖浆、水、马铃薯全粉、马铃薯淀粉、食品胶体混合均匀后，对其分别进行均质、蒸煮、冷却、装料，随后选定3D打印模型和对应的3D打印参数在食品级PA/PE垫纸上进行3D打印，根据打印样品形状对垫纸进行适当裁剪得到马铃薯泥/纸双层结构。对打印样品进行微波诱导，样品将垂直于打印路径自发弯曲变形。在3D打印的基础上实现了第四维度的变化。本发明通过设计不同的模型和设置不同的打印参数，可以将物料打印出不同二维形状，经微波诱导转变为三维空间结构，使食品具有更丰富的视觉效果，实现产品的多元化、个性化、自动化制作。

张慜等(2020)发明了一种利用蓝莓花青素自发变色实现彩色果冻4D打印的方法，该发明分别将两份原料充分混合，对其分别进行调配、均质、凝胶化、冷却、装料、脱气，随后使用双喷头打印机根据建立好的3D打印模型进行多物料的载色层和控色层逐层交替的3D打印。打印完成的载色层果冻的颜色将从紫红色在2min内根据接触的变色层的pH值分别变化为：红色；紫色；蓝色。在3D打印的基础上实现第四维度的变化。经这种方法打印出的食品具有更丰富的视觉效果，可实现产品的个性化、多元化制作。

以上几种发明实现了多种食品体系如多糖、淀粉基及其重组体系的3D打印，并解决了食品凝胶体系打印精确性差的问题，此外还在3D打印的基础上进行后处理实现了变形和变色的4D打印。但以上几种发明主要侧重于3D打印本身，而本发明则关注3D打印后的食品保藏，为提高冷冻重组果蔬质量(冻融后汁液流失方面)提供了一种简单而有效的方法。

发明内容

本发明的目的是在食品3D打印后开发一种利用内部填充蜂窝结构改善重组果蔬冻融后汁液流失的方法，提高3D打印重组果蔬的冷冻质量。

本发明的技术方案：

一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法，将制备好的果蔬浆料填入针筒并装入到3D打印机的物料筒中，选定3D打印模型和对应的打印参数包括填充模式为蜂窝结构进行3D打印，将果蔬浆打印在食品级PA/PE塑料纸上，之后对其进行冻融处理，比较相同填充率下不同内部填充结构解冻后测定汁液流失，具体步骤如下：

(1)重组果蔬浆料的制备：将新鲜果蔬彻底清洗并蒸煮直到组织柔软。将蒸好的果蔬沥干水分，放入食物搅拌机中搅拌5-10min。将果蔬浆与胡萝卜粉以质量比88:10-68:30充分混合，并加入果蔬浆与胡萝卜粉总质量2％的黄原胶，之后用均质机均质2-5min；

(2)3D打印：选定3D打印模型，填充模式为蜂窝结构，设置3D打印参数后在打印垫纸上进行打印，打印完成后包装储存。

进一步地，经过3D打印后的果蔬食品的冻融后汁液流失率的实验方法具体为：

(A)冷冻：将步骤(2)所得打印产品放入-80℃冰箱冷冻6-12h；

(B)解冻：将步骤(A)冻结的打印样品称重w_f并放在预先称重w₀的滤纸上，然后采用静态空气法，即在玻璃培养皿中解冻并包装在聚乙烯袋中。整个解冻过程在室温25±1℃下进行3-6h。

(C)冻融后汁液流失的确定：解冻完成后，称重滤纸w_t计算汁液流失，数学表达式如下：

。

进一步地，所述步骤(1)中，所用的食品原料包括了新鲜果蔬，果蔬浆的含水率与新鲜青菜的相近。

进一步地，所述步骤(2)中，不同填充率下3D打印样品的孔隙率计算方法为：孔隙率(％)＝(V_de—V_ac)/V_de×100％，其中V_de为设计模型的体积，V_ac为打印样品的实际体积。重组果蔬浆料的密度使用体积排除法测量。量筒中乙醇的初始体积记为V₁，放入用保鲜膜包裹的重组果蔬浆料后的体积记为V₂。重组果蔬浆料的重量预先测量为M，因此其密度(g/cm³)＝M/(V₂-V₁)。

进一步地，所述步骤(2)打印时，打印模型为30×30×8mm的长方体，喷嘴直径为0.8mm，层高8mm，打印速度为22mm/s，填充模式为蜂窝结构(Honey-comb)，填充角度0°，填充比例20％-100％。

进一步地，所述步骤(2)中，打印所用的垫纸为食品级PA/PE塑料纸，厚度为0.2mm，耐冻且耐热，打印重组果蔬冷冻后易于从纸上脱落。

本发明的有益效果：本发明首次通过内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬的冻融后汁液流失。与其他的填充模式相比，在相同的填充率即孔隙率下，可以有效改善重组果蔬的冻融后汁液流失，提高高水分冷冻3D打印食品的质量。

附图说明

图1实施例中填充率为60％的内部填充蜂窝结构模型俯视图。

图2实施例1中填充率为60％的内部填充网格结构模型俯视图。

图3实施例2中填充率为60％的内部填充交叉波纹结构模型俯视图。

图4实施例3中填充率为60％的内部填充三角结构模型俯视图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明，这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。

实施例1：内部填充蜂窝结构与网格结构条件下青菜凝胶体系冻融后汁液流失的比较

首先将上海青彻底清洗并蒸煮15min直到组织柔软。将蒸好的上海青沥干水分，放入食物搅拌机中搅拌5min。将青菜浆、胡萝卜粉84:14的质量比充分混合，加入其总质量2％的黄原胶并用均质机均质2min；

将重组果蔬浆填入针筒后装入打印机物料筒中，选定3D打印模型(30×30×8mm的长方体)，将其.stl文件导入Simplify3D软件中，设置两个打印进程。进程1的填充模式为蜂窝结构，填充角度为0°，进程2的填充模式为网格，填充角度为45°和-45°，其他参数均保持一致如喷嘴直径为0.8mm、打印速度22mm/s，外壳圈数2，填充率为20％、40％、60％、80％和100％，它分别对应的打印孔隙率为54.97％、38.25％、21.82％、1.06％和0％；打印工艺参数设置好之后开始切片，然后将模型的打印垫纸固定在打印平台上，进行打印操作。

打印完成后，将样品放入-80℃冷冻8h，之后将冻结的打印样品称重(w_f)并放在预先称重(w₀)的滤纸上，然后在玻璃培养皿中解冻并包装在聚乙烯袋中(静态空气法)。整个解冻过程在室温(25±1℃)下进行4h，汁液流失如表1所示。随着孔隙率的降低，汁液流失显著减少(p<0.05)，同时在相同孔隙率下，内部填充蜂窝结构比网格结构的汁液流失要少。

表1蜂窝结构与网格结构对冻融后汁液流失的影响

实施例2：内部填充蜂窝结构与交叉波纹结构条件下黄桃凝胶体系冻融后汁液流失的比较

首先将黄桃彻底清洗并蒸煮15min直到组织柔软。将蒸好的黄桃沥干水分，去皮后放入食物搅拌机中搅拌5min。将黄桃浆、胡萝卜粉和黄原胶以88:10的质量比充分混合，加入其总质量2％的黄原胶并用均质机均质2min；

将重组果蔬浆填入针筒后装入打印机物料筒中，选定3D打印模型(30×30×8mm的长方体)，将其.stl文件导入Simplify3D软件中，设置两个打印进程。进程1的填充模式为蜂窝结构，填充角度为0°，进程2的填充模式为交叉波纹结构，填充角度为0°和90°，其他参数均保持一致如喷嘴直径为0.8mm、打印速度22mm/s，填充率为20％、40％、60％、80％和100％，外壳圈数2，它分别对应的打印孔隙率为54.97％、38.25％、21.82％、1.06％和0％；打印工艺参数设置好之后开始切片，然后将模型的打印垫纸固定在打印平台上，进行打印操作。

打印完成后，将样品放入-80℃冷冻8h，之后将冻结的打印样品称重(w_f)并放在预先称重(w₀)的滤纸上，然后在玻璃培养皿中解冻并包装在聚乙烯袋中(静态空气法)。整个解冻过程在室温(25±1℃)下进行4h，汁液流失如表2所示。随着孔隙率的降低，汁液流失显著减少(p<0.05)，同时在相同孔隙率下，内部填充蜂窝结构比交叉波纹结构的汁液流失要少。

表2蜂窝结构与交叉波纹结构对冻融后汁液流失的影响

实施例3：内部填充蜂窝结构与三角结构条件下胡萝卜凝胶体系冻融后汁液流失的比较

首先将胡萝卜彻底清洗并蒸煮15min直到组织柔软。将蒸好的胡萝卜沥干水分，放入食物搅拌机中搅拌5min。将胡萝卜浆、胡萝卜粉以80:18的质量比充分混合，加入其总质量2％的黄原胶并用均质机均质2min；

将重组果蔬浆填入针筒后装入打印机物料筒中，选定3D打印模型(30×30×8mm的长方体)，将其.stl文件导入Simplify3D软件中，设置两个打印进程。进程1的填充模式为蜂窝结构，填充角度为0°，进程2的填充模式为三角结构，填充角度为0°、60°和-60°，其他参数均保持一致如喷嘴直径为0.8mm、打印速度22mm/s，填充率为20％、40％、60％、80％和100％，外壳圈数2，它分别对应的打印孔隙率为54.97％、38.25％、21.82％、1.06％和0％；打印工艺参数设置好之后开始切片，然后将模型的打印垫纸固定在打印平台上，进行打印操作。

打印完成后，将样品放入-80℃冷冻8h，之后将冻结的打印样品称重(w_f)并放在预先称重(w₀)的滤纸上，然后在玻璃培养皿中解冻并包装在聚乙烯袋中(静态空气法)。整个解冻过程在室温(25±1℃)下进行4h，汁液流失如表2所示。随着孔隙率的降低，汁液流失显著减少(p<0.05)，同时在相同孔隙率下，内部填充蜂窝结构比三角结构的汁液流失要少。

表3蜂窝结构与三角结构对冻融后汁液流失的影响

Claims (10)

1.一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)重组果蔬浆料的制备：将果蔬彻底清洗并蒸煮直到组织柔软；将蒸好的果蔬沥干水分，放入食物搅拌机中搅拌5-10min；将果蔬浆与胡萝卜粉以质量比88:10-68:30充分混合，并加入果蔬浆与胡萝卜粉总质量2％的黄原胶，之后用均质机均质2-5min；

(2)3D打印：选定3D打印模型，填充模式为蜂窝结构，设置3D打印参数后在打印垫纸上进行打印，打印完成后包装储存。

2.根据权利要求1所述的一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法，其特征在于，经过3D打印后的果蔬食品的冻融后汁液流失率的实验方法具体为：

(A)冷冻：将步骤(2)所得打印产品放入-80℃冰箱冷冻6-12h；

(B)解冻：将步骤(A)冻结的打印样品称重w_f并放在预先称重w₀的滤纸上，然后采用静态空气法，即在玻璃培养皿中解冻并包装在聚乙烯袋中；整个解冻过程在室温25±1℃下进行3-6h；

(C)冻融后汁液流失的确定：解冻完成后，称重滤纸w_t计算汁液流失，数学表达式如下：

。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所用的食品原料包括了新鲜果蔬，果蔬浆的含水率与新鲜果蔬的相近。

4.根据权利要求1或2所述的一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，不同填充率下3D打印样品的孔隙率计算方法为：孔隙率(％)＝(V_de—V_ac)/V_de×100％，其中V_de为设计模型的体积，V_ac为打印样品的实际体积；重组果蔬浆料的密度使用体积排除法测量；量筒中乙醇的初始体积记为V₁，放入用保鲜膜包裹的重组果蔬浆料后的体积记为V₂；重组果蔬浆料的重量预先测量为M，因此其密度(g/cm³)＝M/(V₂-V₁)。

5.根据权利要求3所述的一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，不同填充率下3D打印样品的孔隙率计算方法为：孔隙率(％)＝(V_de—V_ac)/V_de×100％，其中V_de为设计模型的体积，V_ac为打印样品的实际体积；重组果蔬浆料的密度使用体积排除法测量；量筒中乙醇的初始体积记为V₁，放入用保鲜膜包裹的重组果蔬浆料后的体积记为V₂；重组果蔬浆料的重量预先测量为M，因此其密度(g/cm³)＝M/(V₂-V₁)。

6.根据权利要求1、2或5所述的一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法，其特征在于，所述步骤(2)打印时，打印模型为30×30×8mm的长方体，喷嘴直径为0.8mm，层高0.8mm，打印速度为22mm/s，填充模式为蜂窝结构，填充角度0°，填充比例20％-100％。

7.根据权利要求3所述的一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法，其特征在于，所述步骤(2)打印时，打印模型为30×30×8mm的长方体，喷嘴直径为0.8mm，层高0.8mm，打印速度为22mm/s，填充模式为蜂窝结构，填充角度0°，填充比例20％-100％。

8.根据权利要求4所述的一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法，其特征在于，所述步骤(2)打印时，打印模型为30×30×8mm的长方体，喷嘴直径为0.8mm，层高0.8mm，打印速度为22mm/s，填充模式为蜂窝结构，填充角度0°，填充比例20％-100％。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，打印所用的垫纸为食品级PA/PE塑料纸，厚度为0.2mm，耐冻且耐热，打印重组果蔬冷冻后易于从纸上脱落。

10.根据权利要求6所述的一种利用内部填充蜂窝结构改善3D打印重组果蔬食品冻融后汁液流失的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，打印所用的垫纸为食品级PA/PE塑料纸，厚度为0.2mm，耐冻且耐热，打印重组果蔬冷冻后易于从纸上脱落。

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