CN114343118A - 一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3d打印的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3D打印的方法，属于食品加工技术领域。本发明使用适用于微重力环境的微波协同食品双喷头3D打印机进行包子的制作，以面粉和乳清蛋白粉为主要原料，添加酵母制作包子面皮，以常见的植物或肉类凝胶(豆沙、猪肉馅等)作为包子馅料，添加维生素D强化营养，并加入结冷胶改善其吞咽性。该发明使用的3D打印机包括微波协同食品3D打印机、离心舱、驱动装置和连接装置，可以提供离心力模拟重力环境，克服航空中的真空和失重环境。采用本发明方法加工得到的包子机械强度高，营养物质丰富，易于吞咽，适合用于制作符合航天要求的食品。
Description
技术领域
本发明属于食品加工技术领域，具体涉及一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3D打印的方法。
背景技术
3D太空食品是为宇航员准备的。与地面环境相比，空间环境更加困难，飞船的载荷和舱内的空间都是有限的。太空食品应该体积小、重量轻、便于携带且易于咀嚼。航天食品按加工和贮藏方式分类，可分为补水食品、生鲜食品、罐头食品和“一口”食品。在航天飞行过程中，航天员的胃肠功能会受到影响，从而导致他们对营养物质的吸收利用不足，他们还面临着骨质流失和肌肉质量流失的问题。因此，与普通食物相比，太空食物应该含有更多的营养成分。为了适应失重环境，航天食品还应该便于吞咽。与以往相比，太空食品的种类有所增加。除了压缩饼干、罐头等传统航天食品外，航天员在航天飞行中还可以吃到具有民族特色的食品。目前，为中国航天员研制的食品有100多种。
乳清蛋白是牛奶中常见的蛋白质，具有丰富的营养，并且易消化吸收，含有多种活性成分。还能增强人体的免疫力，符合航天员对营养的需求。乳清蛋白目前在食品的开发上有着广泛的应用，在面食的制作中，它还可以时面点的口感更好。太空中航天员容易肌肉萎缩，要求食品提供充足的优质蛋白质，骨钙丢失要求食品提供充足的钙，维生素D可以对其起到补钙的作用。
3D打印技术也被成为增材制造技术。是一种集计算机技术、精密传动技术、数控技术和材料科学技术于一体的新型快速成型技术。过程与传统打印技术相近，以连续的物理层叠形式实现生三维结构物体。目前它在食品领域有着一定的应用。通过3D打印技术可以制作符合消费者要求的形状或风味的食物，提高进食的趣味性。还可以针对特殊人群的需求进行定制含有特殊营养的食物。除此之外，3D打印料筒还具有便于储存的优点。在打印过程中，喷嘴尺寸、填充图案、填充密度等印刷参数会影响3D打印食品的印刷性能。有研究表明，填充密度可以影响最终产品的打印精度，并且它还和3D打印食品的机械强度和咀嚼性有关。目前该技术在航天食品的开发上有着一定的应用。2013年，美国航空航天食品局便开始研发3D打印航空食品了。在中国航天员中心航天营养与食品研究室实验室，也有针对3D打印机的研发项目。航天员可以根据自己的需要对3D打印的原料进行调配，补充所需的元素和营养物质，定制特需的食品，增加进食的乐趣。双喷头3D打印技术也是一热门话题，两个喷头轮流工作，可以将多个物料组合为符合要求的食品。
在太空中，材料不受重力的作用，因此要求材料不可过稀，避免产生爬壁。同时需要使用以给定速率旋转的离心机产生离心力，模拟出和地球相近的重力克服失重，确保材料沉积到位。
微波加热技术是以物料吸收微波能使物料中极性分子与微波电磁场相互作用，使电磁能转换成热能，从而起到加热物料的作用。微波协同的3D打印机装有实时微波加热装置，对已经挤出的物料起到快速固化以及熟化处理的作用，提高材料机械强度，减少在失重环境中的不稳定性。微波功率和打印速度以及挤出速度应该相匹配。如果微波功率过大会导致物料过度脱水，使其形状改变，不利于物料堆积。同时物料失水过多时，物料之间的粘合也会受影响，使层与层之间的粘合不够紧密，影响打印样品的稳定性；微波功率过小时，无法有效熟化以及固化挤出的物料。
张慜、杨帆里等(专利申请号201810161433.3)公开了一种利用浓缩果浆3D打印双色夹心点心的方法。将两份充分混合的果汁凝胶进行均质、保温、冷却和装料处理，随后使用双喷头打印机，根据事先做好的双色夹心3D打印模型进行3D打印。该发明是基于浓缩果汁的3D打印配方和参数的优化。本发明与其不同之处为是使用了适用于微重力环境的微波协同食品双喷头3D打印机，可以在失重环境下打印物料，使用离心机提供离心力克服失重，并在打印中进行微波协同处理，使物料实时熟化以及固化。。
张慜、刘振彬等(专利申请号201810178797.2)公开了一种易吞咽的双色土豆泥/紫薯泥冷盘3D精确打印方法。将新鲜的土豆和紫薯制备成紫薯泥，分别加入结冷胶和果胶的复配体系。将添加胶体后的土豆泥和紫薯泥保温，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。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。该发明是制造一种适合老年人易吞咽的双色土豆泥/紫薯泥冷盘3D打印技术。本发明与其不同之处是使用了适用于微重力环境的微波协同食品双喷头3D打印机，可以在失重环境下打印物料，使用离心机提供离心力克服失重，并在打印中进行微波协同处理，使物料实时熟化以及固化。。
张慜、刘振彬等(专利申请号201911992864.6)公开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。打印装置除了打印机之外，还有内置的实时微波加热固化装置，可以实现微波协同打印。微波加热实时固化可以达到快速固化提高打印精度，缩短全流程下的3D打印食品的生产时间。本发明与其不同之处是使用了适用于微重力环境的微波协同食品双喷头3D打印机，可以在失重环境下打印物料，使用离心机提供离心力克服失重，并使用双喷头打印，打印过程中两个喷头轮流工作，分别打印不同的物料。
沈震、宋奕霄等(专利申请号202010801379.1)公开了及一种适用于微重力环境的光固化3D打印系统及方法。其包括光固化3D打印机、受力调整装置以及中央控制系统；受力调整装置通过驱动装置驱动旋转舱旋转，以调整旋转舱内部光固化3D打印机的受力，使得光固化3D打印机在微重力环境下完成打印。主要是用于高密度金属的打印，并在打印过程中进行光固化以及使用在线监测系统对其进行实时监测调控。本发明与其不同之处是针对食品原料进行3D打印，并且在打印过程中使用双喷头打印机，两个喷头轮流工作。以及使用的固化方式为微波协同处理。
发明内容
本发明的目的在于是利用适用于微重力环境的微波协同食品双喷头3D打印机，克服重力环境进行航天3D打印，使用微波进行协同后处理，开发一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3D打印的方法，从而制作易吞咽、机械强度高的包子。
本发明的技术方案：
一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3D打印的方法，采用微重力环境下的微波协同双喷头食品3D打印机打印，所述3D打印机包括微波协同食品3D打印机、离心舱、驱动装置和连接装置；
所述的微波协同食品3D打印机还包括顶部储料舱，两个物料桶、两个喷头、打印舱、物料堆积面板和微波发射装置；
所述微波协同食品3D打印机和驱动装置平行于半径方向安装在离心舱中，所述3D打印机的料液挤出方向与离心舱半径方向相同，打印过程中开启离心舱，模拟重力环境；两个喷头设置于对应的两个物料桶底部，分别为第一喷头和第二喷头，所述第二个喷头相较于第一个喷头，x轴的偏移量为66.5mm，y轴的偏移量为0.3mm；
所述离心机的转速为n＝(a/r)1/2/2π，其中a为模拟重力加速度，与地球上的重力加速度相近，r为离心半径；
所述3D打印的主要步骤如下：
(1)面团制备：将面粉、乳清蛋白粉、酵母混合均匀，加水揉制10min得到面团，将面团在室温25℃中醒发30～40min，备用；
(2)拌馅：将结冷胶加水，加热处理，冷却后与植物或肉类馅料、维生素D混合，搅拌5min，使其搅打细腻，得到馅料，备用；
(3)填料：将步骤(1)得到的面团和步骤(2)得到的馅料分别填充到微波协同双喷头食品3D打印机的两个3D打印物料桶中，压实备用；
(4)打印：将物料桶装到顶部储料舱中，开启微波协同双喷头食品3D打印机，选择合适的打印参数以及微波功率，选择合适的离心速度，按照事先绘制好的双色3D打印模型进行打印；
(5)打印的每层样品在离心力的作用下，克服失重进行堆叠，并在微波的作用下固化以及熟化，最终成型。
所述使用的面粉可以为低筋面粉、中筋面粉、全麦面粉中的一种；原料配方按重量份计如下：面粉80～100份，乳清蛋白粉16～20份，酵母的添加量占面粉的0.2～0.4份，水70～80份。
所述使用的馅料配方按重量份计如下：结冷胶0.05～0.1份，水16～20份，维生素D2～5份，植物或肉类馅料100份；所述的结冷胶溶液的加热温度为75～90℃，加热时间为25～40min。
所述打印过程中打印机的打印参数为，两个喷头的打印速度为8～13mm/s，挤出速率为8～15mm/s，微波功率为20～50w；在打印中同步进行微波处理，实现物料在挤出的同时固化和熟化。
所述双色3D打印模型为嵌套半球体，外皮模型的直径为50～65mm，内馅模型的直径为35～45mm；所选模型的填充比为65％-80％，填充模式为十字交叉直线打印模式或是蜂巢打印模式。
所述的面团和馅料的弹性模量为8000～15000Pa，粘性模量为2500～3000Pa，粘度为5000～10000Pa·s。
所述的微波协同食品3D打印机的喷头高20mm，顶部出料口直径为1.5mm；物料筒可以进行前后左右四个方向移动。
所述的打印过程中，每打印一层，物料堆积面板向物料箱中下沉相应的层高，使新的物料可以进行继续堆积。
所述的打印得到的易吞咽带馅包子硬度为1000～1500gf，弹性为0.75～0.85，咀嚼性为150～250gf。
本发明的有益效果：
(1)在面粉中添加了乳清蛋白粉，增加了面团的营养物质含量，可以补充航天员在航行过程的营养缺失。
(2)在馅料中添加结冷胶来增大保水性，使物料更加细腻，并且改善其吞咽特性，使其符合IDSSI 6级食品的标准，是柔软易吞咽的，符合航天食品的要求。
(3)在馅料中添加维生素D来增加其营养物质含量，起到补充钙的作用。
(4)通过改善3D打印过程中的填充比可以改善样品的质构特性，制作出机械强度和咀嚼性都适宜的样品，得到的包子的硬度为1000～1500gf，弹性为0.75～0.85，咀嚼性仅为150～250gf。
(5)采用适用于微重力环境的微波协同食品双喷头3D打印机，起到熟化和固化的作用，省去了后处理的步骤，提高了生产效率。
(6)使用双喷头打印机，根据个人喜好以及需求绘制模型，调配皮和馅的占比，定制特殊食品。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为适用于微重力环境的微波协同食品双喷头3D打印机的结构示意图。
图2为微波协同食品双喷头3D打印机的结构示意图。
其中1为离心舱、2为驱动装置、3为连接装置，4为微波协同食品3D打印机，5为顶部储料舱，6为物料桶，7为喷头，8为打印舱，9为料堆积面板，10为微波发射装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实例进一步说明本发明。
实施例1适合航天要求的添加苦荞的3D打印豆沙馅包子的方法
将100份低筋面粉、20份乳清蛋白粉、0.4份酵母混合均匀，然后加水揉制10min得到面团。将得到的面团在25℃下醒发30min。
将100份豆沙、5份苦荞粉、2份维生素D、0.08份结冷胶混合均匀，并用手持搅拌机搅打均匀细腻。将馅料在65℃的水浴锅中保温35min。然后冷却至室温。
分别将两种物料装到打印筒中，选择嵌套半球体模型进行双色打印，外皮模型的直径为60mm，内馅模型的直径为40mm。填充比为75％，填充图案为蜂巢形。设置打印速度为8mm/s，挤出速率为10mm/s，在打印过程中同步开启微波装置和离心装置，微波功率为30w，打印过程中微波功率需要和打印速度、挤出速度相匹配，同时要考虑物料特性，避免过度熟化或熟化不及时。由于豆沙容易熟化，因此使用的微波功率为30w。经测试，该微波功率适用于打印该物料。使用的离心机的离心半径为0.1m，转速约为1.6r/s。由公式n＝(a/r)1/2/2π可知，在此条件下，模拟的重力加速度的大小为10.1m/s2，和地球上的重力加速度相近，可以在微重力环境下模拟重力场。按照设定好的程序，两个喷头轮流工作，每打印完一层物料面板向下移动1.5mm，使物料可以按层堆积，直至打印结束。根据国际吞咽困难饮食标准化倡议(IDDSI)，经过叉勺分离测试、叉压测试和勺压测试，打印后的包子的馅料可以归类到6级，是柔软易吞咽的。而测试包子的质构特性可知，得到的包子的硬度为1250gf，弹性为0.8，机械强度较高，咀嚼性为120gf，是易于咀嚼的。经测试，在上述条件下打印的样品的重量为50.00g左右，打印的精度可以达到95％以上，并保持形状良好。
实施例2适合航天要求的韭菜馅3D打印包子的方法
将100份低筋面粉、20份乳清蛋白粉、0.3份酵母混合均匀，然后加水揉制30min得到面团，将得到的面团在25℃下醒发30min。
将100份韭菜，0.1份结冷胶，5份维生素D、20份水搅打成韭菜泥。
分别将两种物料装到打印筒中，选择嵌套半球体模型进行双色打印，外皮模型的直径为55mm，内馅模型的直径为35mm。填充比为75％，填充图案为十字交叉直线。选择打印速度为10mm/s，挤出速率为12mm/s，在打印过程中同步开启微波装置和离心装置，微波功率为20w，经测试，该微波功率适用于打印该物料。使用的离心机的离心半径0.1m，转速约为1.6r/s，由公式n＝(a/r)1/2/2π可知，在此条件下，模拟的重力加速度的大小为10.1m/s2，和地球上的重力加速度相近，可以在微重力环境下模拟重力场。，按照设定好的程序，两个喷头轮流工作，每打印完一层物料面板向下移动1.5mm，使物料可以按层堆积，直至打印结束。根据国际吞咽困难饮食标准化倡议(IDDSI)，经过叉勺分离测试、叉压测试和勺压测试，打印后的包子馅了可以归类到6级，是柔软易吞咽的食品。而测试包子的质构特性可知，得到的包子的硬度为1000gf，弹性为0.75，机械强度较高，咀嚼性为150gf，是易于咀嚼的。经测试，在上述条件下打印的样品的重量为50.00g左右，精度可以达到95％以上，并保持形状良好。
实施例3适合航天要求的纯肉馅3D打印包子的方法
将100份低筋面粉、20份乳清蛋白粉、0.4份酵母混合均匀，然后加水揉制30min得到面团。将得到的面团在25℃下醒发30min。
将100份猪肉馅，0.05份结冷胶，2份维生素D，10份水搅打均匀。
分别将两种物料装到打印筒中，选择嵌套半球体模型进行双色打印，外皮模型的直径为60mm，内馅模型的直径为45mm。填充比为70％，填充图案为蜂巢形。选择打印速度为8mm/s，挤出速率为8mm/s，在打印过程中同步开启微波装置和离心装置，由于猪肉馅不易熟化，选择微波功率为50w。经测试，该微波功率适用于打印该物料。使用的离心机的离心半径为0.1m，转速约为1.6r/s，由公式n＝(a/r)1/2/2π可知，在此条件下，模拟的重力加速度的大小为10.1m/s2，和地球上的重力加速度相近。在打印过程中开启离心装置，可以在微重力环境下模拟重力场。按照设定好的程序，两个喷头轮流工作，每打印完一层物料面板向下移动1.5mm，使物料可以按层堆积，直至打印结束。根据国际吞咽困难饮食标准化倡议(IDDSI)，经过叉勺分离测试、叉压测试和勺压测试，打印后的包子馅料可以归类到6级，是柔软易吞咽的食品。而检测包子的质构特性可知，得到的包子的硬度为1400gf，弹性为0.85，机械强度较高，咀嚼性为160gf，是易于咀嚼的。经测试，在上述条件下打印的样品的重量为50.00g左右，打印的精度可以达到95％以上，并保持形状良好。
Claims (9)
1.一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3D打印的方法，其特征在于，采用微重力环境下的微波协同双喷头食品3D打印机打印，所述3D打印机包括微波协同食品3D打印机、离心舱、驱动装置和连接装置；
所述的微波协同食品3D打印机还包括顶部储料舱，两个物料桶、两个喷头、打印舱、物料堆积面板和微波发射装置；
所述微波协同食品3D打印机和驱动装置平行于半径方向安装在离心舱中，所述3D打印机的料液挤出方向与离心舱半径方向相同，打印过程中开启离心舱，模拟重力环境；两个喷头设置于对应的两个物料桶底部，分别为第一喷头和第二喷头，所述第二个喷头相较于第一个喷头，x轴的偏移量为66.5mm，y轴的偏移量为0.3mm；
所述离心机的转速为n＝(a/r)1/2/2π，其中a为模拟重力加速度，与地球上的重力加速度相近，r为离心半径；
所述3D打印的主要步骤如下：
(1)面团制备：将面粉、乳清蛋白粉、酵母混合均匀，加水揉制10min得到面团，将面团在室温25℃中醒发30～40min，备用；
(2)拌馅：将结冷胶加水，加热处理，冷却后与植物或肉类馅料、维生素D混合，搅拌5min，使其搅打细腻，得到馅料，备用；
(3)填料：将步骤(1)得到的面团和步骤(2)得到的馅料分别填充到微波协同双喷头食品3D打印机的两个3D打印物料桶中，压实备用；
(4)打印：将物料桶装到顶部储料舱中，开启微波协同双喷头食品3D打印机，选择合适的打印参数以及微波功率，选择合适的离心机的转速，按照事先绘制好的双色3D打印模型进行打印；
(5)打印的每层样品在离心力的作用下，克服失重进行堆叠，并在微波的作用下固化以及熟化，最终成型。
2.根据权利要求1所述的一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3D打印的方法，其特征在于，步骤(1)中使用的面粉可以为低筋面粉、中筋面粉、全麦面粉中的一种；原料配方按重量份计如下：面粉80～100份，乳清蛋白粉16～20份，酵母的添加量占面粉的0.2～0.4份，水70～80份。
3.根据权利要求1所述的一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3D打印的方法，其特征在于，步骤(2)中馅料配方按重量份计如下：结冷胶0.05～0.1份，水16～20份，维生素D2～5份，植物或肉类馅料100份；所述的结冷胶溶液的加热温度为75～90℃，加热时间为25～40min。
4.根据权利要求1所述的一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3D打印的方法，其特征在于，步骤(4)中：打印机的打印参数为：两个喷头的打印速度为8～13mm/s，挤出速率为8～15mm/s，微波功率为20～50w；在打印中同步进行微波处理，实现物料在挤出的同时固化和熟化。
5.根据权利要求1所述的一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3D打印的方法，其特征在于，步骤(4)中所述双色3D打印模型为嵌套半球体，外皮模型的直径为50～65mm，内馅模型的直径为35～45mm；所选模型的填充比为65％-80％，填充模式为十字交叉直线打印模式或是蜂巢打印模式。
6.根据权利要求1所述的一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3D打印的方法，其特征在于，所述的面团和馅料的弹性模量为8000～15000Pa，粘性模量为2500～3000Pa，粘度为5000～10000Pa·s。
7.根据权利要求1所述的一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3D打印的方法，其特征在于，所述的微波协同食品3D打印机的喷头高20mm，顶部出料口直径为1.5mm；所述物料桶可以进行前后左右四个方向移动。
8.根据权利要求1所述的一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3D打印的方法，其特征在于，在打印过程中，每打印一层，物料堆积面板向物料箱中下沉相应的层高，使新的物料可以进行继续堆积。
9.根据根据权利要求1所述的一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3D打印的方法，其特征在于，打印得到的易吞咽带馅包子硬度为1000～1500gf，弹性为0.75～0.85，咀嚼性为150～250gf。
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| CN202210004826.XA CN114343118A (zh) | 2022-01-05 | 2022-01-05 | 一种适合航天要求的易吞咽带馅包子同步3d打印的方法 |
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