麻薯配方與3D打印特性研究

楊 帆， 張 慜*， 王維琴

（1.江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.海通食品有限公司，浙江 寧波 315000）

3D打印技術(shù)是利用層與層疊加的方法來制造具有立體形狀的產(chǎn)品的技術(shù)[1-3]。 麻薯（mochi）是日語的音譯詞，是指以糯米粉等其他淀粉類物質(zhì)及水為主要原料，經(jīng)過蒸煮及定型制成的團(tuán)狀糕點(diǎn)類食品。傳統(tǒng)的麻薯食品因加工技術(shù)的限制，外型不夠好，口感也有待改善。3D打印技術(shù)因其可以完成任何想象得到的形狀的優(yōu)勢，被引入到麻薯食品的生產(chǎn)中，以期改善麻薯食品的外型及口感。

芝麻油由于可以改善3D打印過程中麻薯的擠出性而被直接添加到配方中。芝麻油可以降低流體與噴嘴壁之間的摩擦力，一定程度上讓物料的表面黏度降低到維持連續(xù)打印擠出必要的物料的流動性。

經(jīng)過一系列的預(yù)實(shí)驗(yàn)，證明改良配方的麻薯是適合擠出式3D打印的原料。配料中的親水性膠體可改善麻薯體系在3D打印過程中需要的流變特性，直接影響到打印過程中打印材料的擠出性、打印后打印產(chǎn)品的精度、形狀穩(wěn)定性、質(zhì)構(gòu)特性及口感等[4-11]。作者通過改變配方組成及出料溫度設(shè)置來優(yōu)化麻薯3D打印的成型效果。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

糯米粉：河南黃國糧業(yè)股份有限公司提供；異麥芽糖漿：上海海通食品有限公司提供；高麥芽糖漿：上海海通食品有限公司提供；芝麻油：上海益海嘉里投資有限公司提供；水：實(shí)驗(yàn)室專用的超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

物性分析儀：TA.XT2i型，英國SMS公司產(chǎn)品；旋轉(zhuǎn)流變儀：AR-1000型，美國TA儀器公司產(chǎn)品；低場核磁共振儀：MiroMR20-030V-I型，蘇州紐邁電子科技有限公司產(chǎn)品；食品打印機(jī)：FSE 2型，昆山博力邁三維打印科技有限公司產(chǎn)品。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 麻薯樣品的制備 先將裝高麥芽糖漿水浴融化，水溫55℃，20 min。再將異麥芽糖和高麥芽糖漿依次加入，攪拌均勻，確認(rèn)底部無結(jié)塊。將混合料放在不銹鋼碗里，加入常溫水（分2次加入）攪拌均勻，無結(jié)塊；把蒸煮鍋里加入水燒開，把混合好的物料放入鍋內(nèi)，蓋上鍋蓋先蒸煮6 min，取出攪拌一下，再放入，繼續(xù)蒸煮13 min即可，出鍋溫度65℃；將溫度符合要求的原料出鍋，表面刷芝麻油，用保鮮膜蓋住表面冷卻至室溫即可進(jìn)行下一步打印。糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 24.62%、29.37%、34.13%，變化的部分由水補(bǔ)足。

1.3.2 3D打印 取1.3.1中制備的麻薯樣品，打印溫度設(shè)置為25、30、35℃。噴頭直徑選用的是0.8、1.5、2.0 mm。在非討論條件下，打印溫度設(shè)置為30℃，噴頭直徑選用的是0.8 mm，絲徑值（打印擠出線條的橫截面的直徑）設(shè)置為2.30 mm，噴頭移動速度選用的是25 mm/s，噴頭高度選擇的是2.40 mm。作者選用的打印模型是蘋果公司商標(biāo)，打印模型的長寬高分別為45.00，45.00，25.00 mm。打印產(chǎn)品需保持至少打印后20 min不坍塌，并測量打印產(chǎn)品的長寬高，越接近目標(biāo)模型的長寬高說明打印產(chǎn)品的打印精度越高、成型效果越好。

1.3.3 靜態(tài)剪切流變特性的測試 取1.3.1中制備的麻薯樣品于流變儀上，平板直徑為2 000 μm，設(shè)置間隙設(shè)置為2 cm，應(yīng)變設(shè)置為0.2%，測量溫度為25 ℃，記錄剪切速率（shear rate）在 0～100 s-1遞增范圍內(nèi)樣品表觀粘度的變化。

1.3.4 水分狀態(tài)分布 取1.3.1中制備的麻薯樣品，測定溫度為25℃，掃描時間為120 s，測定麻薯樣品中不同狀態(tài)水分的比例。

1.3.5 常溫動態(tài)黏彈性測定 取1.3.1中制備的麻薯樣品，測定溫度25℃，掃描應(yīng)變0.2%，記錄在0.1～100 rad/s角頻率（angular frequency）遞增范圍內(nèi)貯能模量（G′）和損耗模量（G″）的變化。

1.3.6 升溫動態(tài)黏彈性測定 取1.3.1中制備的麻薯樣品，溫度設(shè)置為25～45℃，頻率為1 Hz，掃描應(yīng)變?yōu)?.2%，記錄在設(shè)置的溫度范圍內(nèi)的內(nèi)貯能模量（G′）及損耗模量（G″）的變化。

1.3.7 質(zhì)構(gòu)特性分析 取1.3.1中制備的麻薯樣品于物性分析儀上，測定溫度設(shè)置為（25±0.2）℃，測試探頭設(shè)置為P/0.35型，應(yīng)力值設(shè)置為25%，平臺與測試探頭的初始間距設(shè)置為3 cm，探頭下降、擠壓及回復(fù)的速度分別設(shè)置為2.0、1.0、2.0 mm/s。測定樣品的質(zhì)構(gòu)特性。

1.3.8 統(tǒng)計分析 實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，采用Origin8.5軟件，實(shí)驗(yàn)數(shù)值間以Duncan法（p＜0.05）進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)糯米粉的打印樣品的成型效果分析

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)糯米粉的打印樣品的照片見圖1，相應(yīng)的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)糯米粉的打印樣品的三維結(jié)構(gòu)分析見表1。經(jīng)統(tǒng)計分析表明，糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.37%時，打印產(chǎn)品的長寬高與模型的最接近，打印表面最光滑，打印成型效果最好。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)糯米粉的打印樣品Fig.1 Representative photos of printed products with different contents of glutinous rice flour

表1 不同糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的打印樣品的三維結(jié)構(gòu)分析Table 1 Three-dimensional structure analysis of printed products with different contents of glutinous rice flour

圖2是不同糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的樣品的表觀黏度。如圖2所示，糯米粉的添加可以顯著提高樣品的表觀粘度。在糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的范圍內(nèi)，糯米粉的添加可以提高打印樣品維持自身形狀的能力，即形狀穩(wěn)定性。而當(dāng)糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定閾值后，材料過高的表觀粘度會導(dǎo)致材料自身的擠出性降低，不利于打印過程的進(jìn)行，從而使打印精度嚴(yán)重下降。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)糯米粉樣品的表觀黏度Fig.2 Apparent viscosity of samples with different contents of glutinous rice flour

表2是不同糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)樣品的質(zhì)構(gòu)特性分析。圖3是不同糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)樣品的動態(tài)模量分析。如表2所示，隨著糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，樣品的粘結(jié)性逐漸增加，但是彈性和內(nèi)聚性卻均逐漸降低，這也反映在圖3的樣品的粘彈性隨糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而逐漸降低，說明樣品的可打印性在逐漸降低。

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)糯米粉的樣品的質(zhì)構(gòu)分析Table 2 Certain key relevant index of texture analysis of of samples with different contents of glutinous rice flour

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)糯米粉樣品的動態(tài)模量分析Fig.3 Elastic and viscous modulus of samples with different contents of glutinous rice flour

圖4是低場核磁測定的不同糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)樣品的水分狀態(tài)分布。T2代表不同狀態(tài)的水的弛豫時間。T21代表結(jié)合水，T22代表非結(jié)合水，T23代表自由水。在麻薯樣品體系中，0＜T21＜3 ms＜T22＜20 ms＜T23＜100 ms。如圖4所示，隨著糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，T23的峰值逐漸降低，所占面積逐漸減小，說明麻薯樣品內(nèi)自由水的狀態(tài)分布范圍減小，從另一個側(cè)面間接證明了麻薯樣品的凝膠強(qiáng)度及硬度的逐漸增強(qiáng)。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)糯米粉樣品的水分分布Fig.4 Water distribution of samples with different contents of glutinous rice flour

2.2 不同打印溫度條件下打印樣品的成型效果分析

常溫下由于麻薯自身過高的黏度使得麻薯的可打印性很差。適當(dāng)?shù)靥岣邷囟瓤梢愿纳坡槭淼牧鲃有允蛊湟子诒粩D出，從而提高了可打印性[5]。圖5是不同打印溫度設(shè)置下打印樣品的照片。表3是不同溫度設(shè)置下打印樣品的三維結(jié)構(gòu)分析。從圖5和表3可以看出，當(dāng)噴頭加熱溫度為30℃時，打印產(chǎn)品的長寬高與目標(biāo)模型的最接近，打印產(chǎn)品表面最光滑，打印產(chǎn)品的成型效果最好。較低溫度（25℃）的樣品的擠出性較差。較高溫度（35℃）的樣品則容易發(fā)生坍塌現(xiàn)象。

圖5 不同噴頭加熱溫度下打印樣品的照片F(xiàn)ig.5 Representative photos of printed products with different extruding temperature

表3 不同噴頭加熱溫度下打印樣品的三維結(jié)構(gòu)分析Table 3 Three-dimensional structure analysis of printed products under different extruding temperature

圖6是25～45℃范圍內(nèi)樣品的動態(tài)模量分析。如圖6所示，在測試的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度上升，粘彈性先升高再下降，并且在30℃附近獲得最大的粘彈性，說明具有最好的可打印性。因此，處于適中糯米粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（29.37%）及適中打印溫度（30℃）的樣品具有最理想的粘彈性，能夠保證既能有較好的擠出性，又能有較強(qiáng)的維持自身形狀的穩(wěn)定性。

圖7 不同噴頭直徑條件下打印樣品的照片F(xiàn)ig.7 Representative photos of printed products with different nozzle diameter

2.3 不同噴頭直徑條件下打印樣品的成型效果分析

噴頭直徑大小決定了擠出物料的直徑大小，因此噴頭直徑主要影響打印樣品的表面精細(xì)程度和打印精度。噴頭直徑越小，樣品的打印精度越高。圖7是不同噴頭直徑條件下打印樣品的圖片。表4是不同噴頭直徑條件下打印樣品的三維結(jié)構(gòu)分析。從圖7和表4可以看出，隨著噴頭直徑的變小，打印樣品的表面越來越細(xì)膩光滑、打印精度也越高。當(dāng)噴頭直徑為0.8 mm時，打印樣品的長寬高與目標(biāo)模型的最接近。

表4 不同噴頭直徑條件下打印樣品的三維結(jié)構(gòu)分析Table 4 Three-dimensional structure analysis of printed products under different nozzle diameter

3 結(jié)語

作者研究了不同麻薯配方中糯米粉含量、打印溫度及噴頭直徑對打印產(chǎn)品成型效果的影響，并探究了打印樣品的流變特性、質(zhì)構(gòu)特性及水分狀態(tài)分布，解釋了配方、打印溫度及噴頭直徑影響打印產(chǎn)品成型效果的原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)配方為m（糯米粉）:m（水）:m（異麥芽糖漿）:m（高麥芽糖漿）:m（芝麻油）=29.37:33.99:16.20:19.44:1.00,噴頭擠出溫度為30℃及噴頭直徑為0.8 mm時，打印產(chǎn)品的成型效果最好。與原麻薯配方體系相比，添加糯米粉可增加麻薯樣品的表觀黏度、粘結(jié)性及粘彈性，但是也一定程度上稍微降低了糯米粉的彈性和內(nèi)聚性，因此可打印性隨糯米粉含量表現(xiàn)出先升高后降低。升高打印溫度可以改善麻薯體系的流動性，一定程度上提高了可打印性，但是如果溫度設(shè)置超過一定閾值，過高的溫度反而會造成打印產(chǎn)品容易發(fā)生坍塌現(xiàn)象。噴頭直徑大小決定了擠出物料的直徑大小，因此噴頭直徑主要影響打印樣品的表面精細(xì)程度和打印精度。噴頭直徑越小，樣品的打印精度越高?？傊?，打印產(chǎn)品的品質(zhì)或成型效果主要取決于兩個方面：擠出性和維持形狀的穩(wěn)定性。因此，如何平衡好擠出性和維持形狀的穩(wěn)定性是今后實(shí)際3D打印產(chǎn)品的生產(chǎn)中關(guān)鍵問題及注意點(diǎn)。