CN115708539B - 一种适用于高精度打印的复合食品墨水及3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用于高精度打印的复合食品墨水及3D打印方法，其中，所述的复合食品墨水包含质量百分比为10～30％的大豆分离蛋白干粉、质量百分比为1～5％的黄原胶干粉以及质量百分比为14～16％的大米淀粉，余量为水；复合食品墨水采用如下制备方法进行制备：(1)将大豆分离蛋白干粉和黄原胶干粉充分混合后，室温加水搅拌均匀得到大豆分离蛋白和黄原胶混合物；(2)向大豆分离蛋白和黄原胶混合物中加入大米淀粉干粉，揉搓后使其混合均匀，得到适用于打印微丝宽度≤100μm的大豆分离蛋白‑大米淀粉‑黄原胶复合食品墨水。利用本发明，能够实现百微米级别的微丝打印，大大提高打印出的食品外在视觉美观度和口感。
Description
技术领域
本发明属于食品材料加工技术领域，尤其是涉及一种适用于高精度打印的复合食品墨水及3D打印方法。
背景技术
3D打印技术因其可自由成型、生产效率高以及材料利用率高等的优点，被广泛应用于机械工程、生物医药等领域。将3D打印技术应用于食品加工行业，不仅可以提高食品外观的趣味性，也可以个性化定制营养、口味各异的食品，以满足不同人群的需求。目前3D食品打印技术应用发展受限的原因之一是部分常见的食品原料的打印精度较低。高打印精度的食品结构可以改善食品的视觉美观度，而且，由于人体口腔黏膜中层状机械感受小体为微米级尺寸，高精度打印可以更好地提高打印食品的口感。因此提高食品原料的打印的精度是一个亟待解决的难题。
大豆分离蛋白是一种常见的植物性蛋白，含有高水平的必需和非必需氨基酸，是传统动物蛋白的优质替代品。因其具有较高的营养价值和丰富的功能特性，且获取方便、价格低廉，从而广泛应用于食品加工领域。然而，天然状态下的大豆分离蛋白凝胶水溶性差，并且在挤出剪切力下呈现出高脆性，因此不适宜用作3D打印的食品墨水。部分研究仅采取添加亲水性胶体(如卡拉胶、黄原胶等)的方法以改变食品墨水的性质，但打印效果仍然较差，多数打印后的产品容易坍塌。
公开号为CN 114409924 A的中国专利文献公开了一种适用于3D打印的金针菇多糖-大豆蛋白凝胶及其制备方法，它是将大豆蛋白与金针菇多糖水溶液混匀得到多糖-蛋白质冷凝胶，再经加热-冷却处理，得到了打印性较好的食品墨水。
公开号为CN108208768A的中国专利文献公开了一种基于马铃薯淀粉的3D打印食品材料及其制备方法，该3D打印食品材料的原料包括：马铃薯淀粉、蛋白质、水、黄油、多糖、无机盐。其制备方法是先将水和马铃薯淀粉混合，再将壳聚糖和羧甲基纤维素制成混合溶液，然后将黄油、蛋白质和无机盐混合，最后将上述物料混合加热，使得淀粉完全糊化并混合均匀。
然而，上述方法打印出的微丝精度仍然较低，外形美观度有待提高。
发明内容
本发明提供了一种适用于高精度打印的复合食品墨水及3D打印方法，能够实现百微米级别的微丝打印，大大提高打印出的食品外在视觉美观度和口感。
一种适用于高精度打印的复合食品墨水，包含质量百分比为10～30％的大豆分离蛋白干粉、质量百分比为1～5％的黄原胶干粉以及质量百分比为14～16％的大米淀粉，余量为水；
所述的复合食品墨水采用如下制备方法进行制备：
(1)将大豆分离蛋白干粉和黄原胶干粉充分混合后，室温加水搅拌均匀得到大豆分离蛋白和黄原胶混合物；
(2)向大豆分离蛋白和黄原胶混合物中加入大米淀粉干粉，揉搓后使其混合均匀，得到适用于最高打印精度为微丝宽度≤100μm的大豆分离蛋白-大米淀粉-黄原胶复合食品墨水。
优选地，所述大豆分离蛋白干粉的质量百分比为15～20％。
优选地，所述大米淀粉的质量百分比为15％。当大米淀粉的质量百分比为15％时，对应于大豆分离蛋白干粉和黄原胶干粉的质量分数可调节的范围较广。
进一步地，步骤(1)的具体过程为：
将称量好的大豆分离蛋白干粉和黄原胶干粉放置于透明塑料布上，用玻璃棒小心搅拌后使其混合均匀；向均匀的干粉中分批次加水，不断搅拌，同时使用保鲜膜辅助按压，15～25分钟后得到无结块的均一的大豆分离蛋白和黄原胶混合物。
进一步地，步骤(2)中，向大豆分离蛋白和黄原胶混合物中分批次加入大米淀粉干粉，揉搓0.5～1小时后使其混合均匀。
本发明还提供了一种高精度的3D打印方法，采用上述复合食品墨水，包括如下步骤：
(1’)确定大米淀粉的质量百分数为15％，通过调整大豆分离蛋白与黄原胶的质量百分数，配置不同浓度配比的大豆分离蛋白-大米淀粉-黄原胶复合食品墨水；测试不同浓度配比的复合食品墨水在200μm的锥形打印针头内的挤出性质，从而确定复合食品墨水的可打印浓度区间；
(2’)根据可打印浓度区间以及打印精度要求，配置大豆分离蛋白-大米淀粉-黄原胶复合食品墨水；打印过程中，固定挤出流量，改变打印针头的移动速率，得到在平台上连续沉积的高精度微丝。
具体的，步骤(1’)中，复合食品墨水的可打印浓度区间具体为：
当大豆分离蛋白质量分数为15％，黄原胶浓度为3～5％；大豆分离蛋白质量分数为20％时，黄原胶浓度为1～4％。
步骤(2’)中，挤出流量固定为32.56mL/min，打印针头的移动速率范围为200～1500mm/min；进一步地，打印针头的移动速率范围为1000～1400mm/min
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明制备了均匀的基于大豆分离蛋白的复合食品墨水，制备方法所用时间短，原料常见，成本低。
2、本发明高精度的3D打印方法实现了食品加工领域的微米级尺寸的3D打印，最高精度为微丝宽度≤100μm，不仅提高了打印出的食品结构的视觉美观度，还更为接近人体口腔黏膜中层状机械感受小体的尺寸，为更好提升打印食品的口感提供了一种解决方法。
3、本发明能够打印复杂的食品结构，实现了3D打印个性化定制食品。
4、本发明打印产品的蛋白质含量高，且为优质的植物性蛋白，能迎合地应用于消费者的人造肉需求。
附图说明
图1为实施例1、对比例1和对比例2配置的三种基于大豆分离蛋白的复合食品墨水的流变性能对比图；其中，A为粘度随剪切速率变化图，B为模量随频率变化图。
图2为实施例2、对比例1和对比例2配置的三种基于大豆分离蛋白的复合食品墨水的可打印性能对比；其中，A是实施例2得到的食品墨水的可打印性能图，B是对比例1得到的食品墨水的可打印性能图，C是对比例2得到的食品墨水的可打印性能图。
图3为由实施例1和实施例2得到的打印针头不同移动速度下微丝精度的显微放大图；其中，A是实施例1得到的微丝沉积图，B是实施例2得到的微丝沉积图。
图4为实施例2打印的孔隙率约35％的长2cm、宽2cm、高1cm的长方体结构的显微放大图及正面和侧面图。
图5为对比例3打印的孔隙率约35％的长2cm、宽2cm、高1cm的长方体结构的显微放大图及正面和侧面图。
图6为实施例1打印的仿生章鱼和鲤鱼三维结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
一种适用于高精度打印的复合食品墨水，包含质量百分比为10～30％的大豆分离蛋白干粉、质量百分比为1～5％的黄原胶干粉以及质量百分比为14～16％的大米淀粉，余量为水；
制备过程包括以下步骤：
步骤(1)，将大豆分离蛋白干粉和黄原胶干粉充分混合后，室温加水搅拌均匀得到大豆分离蛋白和黄原胶混合物；
步骤(2)，向大豆分离蛋白和黄原胶混合物中加入大米淀粉干粉，揉搓0.5～1小时使其混合均匀，得到大豆分离蛋白-大米淀粉-黄原胶复合食品墨水。
步骤(1)中，大豆分离蛋白和黄原胶混合物是由以下方法制备的：将称量好的大豆分离蛋白干粉和黄原胶干粉放置于透明塑料布上，用玻璃棒小心搅拌10分钟使其混合均匀，向均匀的干粉中分批次加水，不断搅拌，同时使用保鲜膜辅助按压，约20分钟后得到无结块的均一的大豆分离蛋白和黄原胶混合物。
步骤(2)中，均匀的大豆分离蛋白-大米淀粉-黄原胶复合食品墨水是通过向均匀的大豆分离蛋白和黄原胶混合物中加入大米淀粉，使用保鲜膜辅助按压，揉搓0.5～1小时后得到的。
本发明通过调整墨水各成分的加料顺序，采用先混合大豆分离蛋白干粉和黄原胶干粉后加水的办法，解决了单独配置黄原胶溶液花费时间长、易结块以及单独配置大豆蛋白溶液易破碎、不聚集的难题，最终能得到较为均匀的大豆分离蛋白和黄原胶混合物。最后分批次加入大米淀粉，得到了较为均一不结块的大豆分离蛋白-大米淀粉-黄原胶复合食品墨水。且整个过程仅需1～2小时即可完成，节约了墨水配置的时间成本。
采用上述复合食品墨水进行3D打印的方法，包括如下步骤：
步骤(1’)，根据正交实验法，配置不同浓度配比的大豆分离蛋白-大米淀粉-黄原胶复合食品墨水，并探究其在200μm的锥形针头内的可挤出性质。
步骤(2’)，根据正交实验确定大米淀粉质量分数为15％，调整大豆分离蛋白与黄原胶的质量分数，确定食品墨水的可打印区间。
步骤(3’)，固定挤出流量，改变打印针头的移动速率，得到在平台上可连续沉积的高精度微丝(宽度≤100μm)。
大米淀粉质量分数是由以下方法确定的：由正交实验得到要测试的组别，将这些组别的墨水分别按前述制备方法制备后，装入打印机料筒，配置的挤出针头为锥形200μm，尝试是否能连续挤出既不堵塞针头又不粘附在针头周围的均匀的微丝。经尝试后，大米淀粉质量分数为15％的组别可得到均匀微丝的占比较大，意味着大豆分离蛋白和黄原胶质量分数可调节的范围较广，因此最终确定大米淀粉质量分数为15％。
实施例1
复合食品墨水的制备包括如下步骤：
(1)称取10g大豆分离蛋白干粉和1.5g黄原胶干粉放置于透明塑料布上，用玻璃棒小心搅拌10min使其混合均匀，向均匀的干粉中分批次加入共31g水，不断搅拌，同时使用保鲜膜辅助按压，约20min后得到无结块的均一的大豆分离蛋白和黄原胶混合物。
(2)向步骤(1)中得到的无结块的均一的大豆分离蛋白和黄原胶混合物中加入大米淀粉干粉7.5g，使用保鲜膜辅助按压，揉搓0.5～1h使其混合均匀，得到大豆分离蛋白-大米淀粉-黄原胶复合食品墨水。其中大豆分离蛋白质量分数为20％，黄原胶质量分数为3％，大米淀粉质量分数为15％。
打印过程为：
将上述制备的基于大豆分离蛋白的复合食品墨水装入挤出打印机的料筒中，采用注射泵挤出，设置挤出流量为32.56mL/min，打印针头的移动速度为1400mm/min，挤出针头为锥形200μm针头。
实施例2
复合食品墨水的制备包括如下步骤：
(1)称取10g大豆分离蛋白干粉和1.5g黄原胶干粉放置于透明塑料布上，用玻璃棒小心搅拌10min使其混合均匀，向均匀的干粉中分批次加入共31g水，不断搅拌，同时使用保鲜膜辅助按压，约20min后得到无结块的均一的大豆分离蛋白和黄原胶混合物。
(2)向步骤(1)中得到的无结块的均一的大豆分离蛋白和黄原胶混合物中加入大米淀粉干粉7.5g，使用保鲜膜辅助按压，揉搓0.5～1h使其混合均匀，得到大豆分离蛋白-大米淀粉-黄原胶复合食品墨水，其中大豆分离蛋白质量分数为20％，黄原胶质量分数为3％，大米淀粉质量分数为15％。
打印过程为：
将上述制备的基于大豆分离蛋白的复合食品墨水装入挤出打印机的料筒中，采用注射泵挤出，设置挤出流量为32.56mL/min，打印针头的移动速度为1000mm/min，挤出针头为锥形200μm针头。
对比例1
复合食品墨水的制备包括如下步骤：
(1)称取5g大豆分离蛋白干粉和0.5g黄原胶干粉放置于透明塑料布上，用玻璃棒小心搅拌10min使其混合均匀，向均匀的干粉中分批次加入共37g水，不断搅拌，同时使用保鲜膜辅助按压，约20min后得到无结块的均一的大豆分离蛋白和黄原胶混合物。
(2)向步骤(1)中得到的无结块的均一的大豆分离蛋白和黄原胶混合物中加入大米淀粉干粉7.5g，使用保鲜膜辅助按压，揉搓0.5～1h使其混合均匀，得到大豆分离蛋白-大米淀粉-黄原胶复合食品墨水，其中大豆分离蛋白质量分数为10％，黄原胶质量分数为1％，大米淀粉质量分数为15％。
打印过程为：
将上述制备的基于大豆分离蛋白的复合食品墨水装入挤出打印机的料筒中，采用注射泵挤出，设置挤出流量为16.28mL/min，打印针头的移动速度为1000～1400mm/min，挤出针头为锥形200μm针头。
对比例2
复合食品墨水的制备包括如下步骤：
(1)称取12.5g大豆分离蛋白干粉和2g黄原胶干粉放置于透明塑料布上，用玻璃棒小心搅拌10min使其混合均匀，向均匀的干粉中分批次加入共28g水，不断搅拌，同时使用保鲜膜辅助按压，约20min后得到无结块的均一的大豆分离蛋白和黄原胶混合物。
(2)向步骤(1)中得到的无结块的均一的大豆分离蛋白和黄原胶混合物中加入大米淀粉干粉7.5g，使用保鲜膜辅助按压，揉搓0.5～1h使其混合均匀，得到大豆分离蛋白-大米淀粉-黄原胶复合食品墨水，其中大豆分离蛋白质量分数为25％，黄原胶质量分数为4％，大米淀粉质量分数为15％。
打印过程为：
将上述制备的基于大豆分离蛋白的复合食品墨水装入挤出打印机的料筒中，采用注射泵挤出，设置挤出流量为32.56mL/min，打印针头的移动速度为1000～1400mm/min，挤出针头为锥形200μm针头。
对比例3
复合食品墨水的制备包括如下步骤：
(1)称取10g大豆分离蛋白干粉和1.5g黄原胶干粉放置于透明塑料布上，用玻璃棒小心搅拌10min使其混合均匀，向均匀的干粉中分批次加入共31g水，不断搅拌，同时使用保鲜膜辅助按压，约20min后得到无结块的均一的大豆分离蛋白和黄原胶混合物。
(2)向步骤(1)中得到的无结块的均一的大豆分离蛋白和黄原胶混合物中加入大米淀粉干粉7.5g，使用保鲜膜辅助按压，揉搓0.5～1h使其混合均匀，得到大豆分离蛋白-大米淀粉-黄原胶复合食品墨水，其中大豆分离蛋白质量分数为20％，黄原胶质量分数为3％，大米淀粉质量分数为15％。
打印过程为：
将上述制备的基于大豆分离蛋白的复合食品墨水装入挤出打印机的料筒中，采用注射泵挤出，设置挤出流量为32.56mL/min，打印针头的移动速度为1400mm/min，挤出针头为锥形600μm针头。
如图1所示，可以看出，实施例1、对比例1和对比例2配置的三种基于大豆分离蛋白的复合食品墨水均具有良好剪切变稀性能(如图1中A所示)。在高剪切速率(～100s-1)下，对比例1制备的食品墨水的粘度较低为29.9Pa·s，挤出的微丝在挤出头附近聚集(如图2中B所示)，这是因为过少的大豆分离蛋白和黄原胶的含量不能为食品墨水提供足够的粘弹性和稳定性。对比例2制备的食品墨水的粘度为3.66×102Pa·s，因粘度过高无法从喷嘴挤出(如图2中C所示)，这是因为过高的大豆分离蛋白和黄原胶的添加量会导致食品墨水的强烈的分子缠结，注射泵的压力不足以挤出该食品墨水。而实施例1得到的食品墨水具有合适的粘度，因此适用于3D打印(如图2中A所示)。频率扫描图可以反映墨水内部结构信息，其中储能模量(G’)表示弹性材料引起的储能，而损耗模量(G”)反映了流变学中粘性变形引起的能量损失。根据图1中B所示，所有食品油墨的G'和G”随着频率的增加而稳定上升，而且G'优于G”，这表明油墨主要具有弹性和固体特性。高G’值意味着材料具有较强的抗坍塌能力和硬度，而高G”值意味着该材料更不易流动。对比例1制备的食品墨水G'较低，材料在挤出后更容易坍塌。对比例2制备的食品墨水G'较高，材料难以通过200μm喷嘴挤出。实施例1得到的食品墨水具有合适的模量，因此适用于200μm微丝的挤出。
由图2可以看出，实施例2具有可连续挤出200μm微丝的能力，对比例2聚集在挤出喷嘴处无法形成细丝，对比例1无法从喷嘴处挤出。
由图3可以看出，实施例1中平台移动速度为1400mm/min时，微丝宽度约为97.36μm；实施例2中平台移动速度为1000mm/min时，微丝宽度约为200μm。这说明在一定范围内，打印针头的移动速度越快，沉积的微丝越细，精度越高。
图4和图5对比可以看出同样孔隙率前提下，使用200μm的打印针头比600μm的打印针头打印出来的结构精度更高，视觉美观度更高。
图6可以看出，本发明可以打印较为复杂的精度较高的仿生3D结构。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种适用于高精度打印的复合食品墨水，其特征在于，由以下原料组成：质量百分比为20％的大豆分离蛋白干粉、质量百分比为3％的黄原胶干粉以及质量百分比为15％的大米淀粉，余量为水；
所述的复合食品墨水采用如下制备方法进行制备：
(1)将大豆分离蛋白干粉和黄原胶干粉充分混合后，室温加水搅拌均匀得到大豆分离蛋白和黄原胶混合物；
(2)向大豆分离蛋白和黄原胶混合物中加入大米淀粉干粉，揉搓后使其混合均匀，得到适用于最高打印精度为微丝宽度≤100μm的大豆分离蛋白-大米淀粉-黄原胶复合食品墨水。
2.根据权利要求1所述的适用于高精度打印的复合食品墨水，其特征在于，步骤(1)的具体过程为：
将称量好的大豆分离蛋白干粉和黄原胶干粉放置于透明塑料布上，用玻璃棒小心搅拌后使其混合均匀；向均匀的干粉中分批次加水，不断搅拌，同时使用保鲜膜辅助按压，15～25分钟后得到无结块的均一的大豆分离蛋白和黄原胶混合物。
3.根据权利要求1所述的适用于高精度打印的复合食品墨水，其特征在于，步骤(2)中，向大豆分离蛋白和黄原胶混合物中分批次加入大米淀粉干粉，揉搓0.5～1小时后使其混合均匀。
4.一种高精度的3D打印方法，其特征在于，打印过程为：
将权利要求1～3所述的复合食品墨水装入挤出打印机的料筒中，采用注射泵挤出，设置挤出流量为32.56mL/min，打印针头的移动速度为1000～1400mm/min，挤出针头为锥形200μm针头。
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