CN115462544B - 一种兼具变形和变色能力的食品4d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于食品加工领域，尤其涉及一种兼具变形和变色能力的食品4D打印方法。步骤为：选择响应型色素与打印原材料混合得到具有打印特性的打印物料；然后根据预测的变形过程对模型的大小和形状进行编写，然后对模型进行切片，设置模型参数，构建自变形三维模型；将自变形三维模型导入3D打印机，再将打印物料装入3D打印机的物料桶中，进行真空排气泡；最后，将打印纸铺垫在打印平台上进行打印操作，3D打印机将按照模型的路径进行打印得到3D打印实物；最后进行后处理加工，即通过施加外界条件刺激打印物中的敏感因子，实现自发变形或变色的4D打印；本发明使用天然动植物色素作为变色响应材料，无副作用，安全性高。
Description
技术领域
本发明属于食品加工领域，尤其涉及一种兼具变形和变色能力的食品4D打印方法。
背景技术
4D打印技术与3D打印技术相比，在X，Y，Z三维度上增加了时间维度，即3D打印物品在特定的环境刺激(温度、压力、湿度、光、pH等)下，在一定的时间范围内能够展现出相应的变化(形状、颜色、气味等)。近些年来，随着科技的发展，4D打印技术其他领域已经得到了广泛的研究，包括航空航天、生物医药、制造等领域，相比之下，4D打印技术在食品领域的研究还处在探索阶段。
随着生活水平的不断提高，消费者对于饮食的要求有了很大提高，不仅要求健康营养，同时还希望食物造型各异以使他们在品尝过程中享受到食物的美感，而传统的食品制造方法专业性强，耗时长，浪费食材，已经很难满足消费者对于食品的外观需求。食品4D打印技术的出现，为其提供了一种数字化制造技术，可以根据消费者的需求在短时间内定制出可自发发生形状或颜色变化的食品。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于解决所述问题之一；提供一种兼具变形和变色能力的食品4D打印方法，通过后处理加工能够使3D物品发生预想的变化，取得了显著的技术效果。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种兼具变形和变色能力的食品4D打印方法，包括以下步骤：
(1)打印物料制备：选择响应型色素与打印原材料混合得到具有打印特性的打印物料；所述响应型色素是指对环境因素敏感的色素，包括pH敏感型色素、温度敏感型色素以及光敏型色素；所述打印原材料具备剪切稀化能力和可打印性，所述打印原材料包括脂肪类食材、碳水化合物、蛋白质类物质和膳食纤维类物质；
(2)自变形三维模型建立：根据预测的变形过程对模型的大小和形状进行编写，然后对模型进行切片，设置模型参数，构建自变形三维模型；
(3)3D打印：首先将步骤(2)中自变形三维模型导入3D打印机，其次将步骤(1)中所制备的打印物料装入3D打印机的物料桶中，进行真空排气泡；最后，将打印纸铺垫在打印平台上进行打印操作，3D打印机将按照模型的路径进行打印得到3D打印实物；
(4)4D打印：将步骤(3)中得到的3D打印实物进行后处理加工，即通过施加外界条件刺激打印物中的敏感因子，实现自发变形或变色的4D打印，得到最终的4D打印实物。
优选的，步骤(1)中所述pH敏感型色素包括花青素、茜素、姜黄素等；所述温度敏感型色素包括花青素、叶绿素、虾青素；所述光敏型色素包括花青素、姜黄素、类胡萝卜素。
优选的，步骤(1)中所述脂肪类食材包括巧克力、奶酪、黄油；所述碳水化合物包括淀粉、土豆泥、山芋泥、米粉；所述蛋白质类物质包括明胶、豆类蛋白、肉制品、昆虫蛋白；所述膳食纤维类物质包括纤维素、果胶、果蔬混合物。
优选的，步骤(1)中所述响应型色素与打印原材料的质量比为0.1～5：100。
优选的，步骤(2)中所述自变形三维模型建立具体使用Solidworks软件构建，模型的自发变形通过调整打印模型的参数实现，所述模型参数具体为：填充率10％～90％，填充角度为-180°～+180°，顺时针方向为﹢；层高为0.2mm～0.8mm、长为30mm～80mm，宽为10mm～50mm，高为1mm～20mm。
优选的，步骤(2)中所述模型切片使用软件Cura进行，并通过该软件设置模型的层数为1～100、打印温度为20℃～30℃和打印速度为15mm/s～25mm/s。
优选的，步骤(3)中所述真空排气泡使用真空腔进行，真空度范围为0.06MPa～0.08MPa，真空时间为3～5min。
优选的，步骤(3)中所述打印纸为opp材质的玻璃纸，形状为正方形，边长大小为60mm～100mm，厚度为0.1mm。
优选的，步骤(4)中所述处理加工的具体方式，即外界条件刺激的方式包括蒸煮、油炸、烘烤、激光、红外以及干燥脱水；所述敏感因子包括pH、湿度、压力、温度、光照。
本发明的优点和技术效果：
(1)本发明使用天然动植物色素作为变色响应材料，无副作用，安全性高。
(2)本发明所述的一种兼具变形和变色能力的食品4D打印食方法，通过不同的烹饪环境(蒸煮、激光、红外、干燥等)诱导打印物中的敏感因子(pH、湿度、压力、温度等)发生变化(形状、颜色、气味等)，不仅可以给消费者在烹饪过程中带来乐趣，还可以根据消费者的需求定制个性化食品，满足消费者的需求。
附图说明
图1为兼具变形和变色的山药泥4D打印实物图。
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：
利用虾青素蛋白复合物和山药泥实现同时具备变形和变色的4D打印；
(1)制备虾青素蛋白复合物：使用物理破碎法从虾蟹类甲壳中制备所需虾青素蛋白复合物，即将虾蟹类甲壳清洗干净后，使用功率为1000W的破壁机粉碎，然后使用150目的过滤筛进行过滤，得到虾青素蛋白复合物滤液，以其作为响应型色素，备用；
(2)打印物料的制备：取100g削皮后的铁棍山药蒸煮45min，取熟化后山药泥与纯水以质量比为7:3的比例在6000r/min的转速下均质成泥，作为打印原材料。
将步骤(1)中所述虾青素蛋白复合物滤液和山药泥物料以质量比为5:100的比例进行混合，在6000r/min的转速下进行均一化处理，得到最终的打印物料；
(3)3D打印模型建立：基于预设形状的变化，使用Solidworks软件构建一个长方体模型用于3D打印，模型物理尺寸长宽比为4:1，即60mm*15mm*1.5mm，填充度为50％，填充角度为90°；然后使用Cura软件对该模型进行切片，设置打印层数为1层，打印速度为15mm/s，打印温度为25℃，得到可进行打印操作的3D打印模型文件；
(4)3D打印：将上述步骤(2)中准备好的打印物料装进容量为60mL的物料筒中填实，并置于真空度为0.075MPa的真空腔操作4min中排除物料中的气泡；将步骤(3)中构建的3D打印模型文件导入3D打印机，然后在打印平台上放一张大小为80mm*80mm，厚度为0.1mm的玻璃纸，磨砂面在上，光滑面在下，进行打印操作，最终得到3D打印实物；
(5)4D打印：将上述步骤(4)中3D打印实物置于烤箱中烘烤实现兼具变形和变色的4D打印。
虾青素蛋白复合物在常温下由于蛋白质分子会扭曲虾青素分子并改变其反射光的方向所以呈现蓝色，当蛋白质在高温下变性后，虾青素被释放出来，呈现其原本的橙红色，而山药泥中具有的水分，在温度的诱导下发生蒸发，水分的蒸发促使物料内部结构成分的状态发生变化，造成物料的收缩或膨胀而发生变形，所以温度的变化可以满足打印物品兼具变色和变形的能力。
利用烤箱对3D打印物进行烹饪，烤箱提前设置200℃，10min进行预热，然后再将打印物置于烤箱中烘烤，条件为200℃，10min。在烘烤过程中，结果如图1所示，A1，A2分别为山药泥打印物变色前正视图和俯视图；B1，B2分别为山药泥打印物烘烤10min后变色的正视图和俯视图。随着烘烤时间的增加，山药泥打印物的颜色从蓝青色(A图)变为红色(B图)，同时，山药泥打印物的形状也随时间发生变化，从长方形的宽边开始，向上卷曲，形成一定的弧度，赋予3D打印物动态美感。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (1)
1.一种兼具变形和变色能力的食品4D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备虾青素蛋白复合物：使用物理破碎法从虾蟹类甲壳中制备所需虾青素蛋白复合物；即将虾蟹类甲壳清洗干净后，使用功率为1000W的破壁机粉碎，然后使用150目的过滤筛进行过滤，得到虾青素蛋白复合物滤液，以其作为响应型色素，备用；
(2)打印物料的制备：取100g削皮后的铁棍山药蒸煮45min，取熟化后山药泥与纯水以质量比为7:3的比例在6000r/min的转速下均质成泥，作为打印原材料；
将步骤(1)中所述虾青素蛋白复合物滤液和山药泥物料以质量比为5:100的比例进行混合，在6000r/min的转速下进行均一化处理，得到最终的打印物料；
(3)3D打印模型建立：基于预设形状的变化，使用Solidworks软件构建一个长方体模型用于3D打印，模型物理尺寸长宽比为4:1，即60mm*15mm*1.5mm，填充度为50％，填充角度为90°；然后使用Cura软件对该模型进行切片，设置打印层数为1层，打印速度为15mm/s，打印温度为25℃，得到可进行打印操作的3D打印模型文件；
(4)3D打印：将上述步骤(2)中准备好的打印物料装进容量为60mL的物料筒中填实，并置于真空度为0.075MPa的真空腔操作4min中排除物料中的气泡；将步骤(3)中构建的3D打印模型文件导入3D打印机，然后在打印平台上放一张大小为80mm*80mm，厚度为0.1mm的玻璃纸，磨砂面在上，光滑面在下，进行打印操作，最终得到3D打印实物；
(5)4D打印：将上述步骤(4)中3D打印实物置于烤箱中烘烤实现兼具变形和变色的4D打印。
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| CN111331836A (zh) * | 2020-04-17 | 2020-06-26 | 吉林大学 | 一种温度响应型4d打印智能水凝胶材料的制备方法 |
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2022
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