基于糙米凝胶的挤压式三维打印研究

论文摘要

3D打印技术拓展了传统加工方式,使得食品加工变得个性化,将给餐饮业、零售食品行业带来新的发展契机。而食品原料是3D打印技术的基础,也是目前制约3D打印技术在食品行业广泛应用的重要因素,大多传统食品原料面临不适合用于3D打印或者打印质量不高的困境。因此,拓展食品原料以及工艺的改良是推动3D食品打印技术发展的首要任务。本文以糙米为原料,探究干燥方式对糙米粉理化性质和流变性质的影响,考虑糙米凝胶的打印可行性,确定最佳的干燥方式;在此基础上,通过添加亲水胶体来进一步改善糙米凝胶的打印特性以适于打印复杂结构;对物料挤出过程中料筒内流道进行仿真模拟分析,为物料选择提供理论指导,并探究工艺参数对糙米凝胶体系打印成型效果的影响以及对样品质量属性的影响。本研究为挤压式三维打印技术在食品中的应用奠定了理论依据和实际运用基础。首先,初步探究了不同干燥方式,热风干燥（HAD）、真空微波干燥（MVD）、真空冷冻干燥（FD）、脉冲微波真空冷冻干燥（PSMFD）对糙米粉的理化性质以及流变特性的影响。结果表明,FD和PSMFD对糙米粉的基本成分及营养成分保留较好。流变测试结果显示不同干燥方式获得的糙米粉均具有剪切变稀的性质,满足3D打印的基本条件,其中FD和PSMFD获得的糙米粉具有更高的黏度和机械强度。与FD相比,PSMFD的干燥时间缩短了62.50%,干燥效率高。其次,以PSMFD获得的糙米粉为原料,探究黄原胶（XG）、瓜尔胶（GG）、黄原胶-瓜尔胶混合物（XG-GG）、羧甲基纤维素钠（CMC）以及琼脂（AG）分别对糙米凝胶的流变性质、质构特性、微观结构和3D打印特性的影响,考察不同样品的打印效果及偏差,并评价最佳配方打印样品的稳定性。结果表明,添加XG-GG的糙米凝胶样品打印效果最好,原料具有良好的剪切变稀性质、具有较高的弹性模量和较低的应力、机械强度和内部支撑能力强。扫描电镜显示与其他样品相比,添加XG-GG的糙米凝胶结构连接紧密,无明显断裂,表面平滑,而相应的打印产品表面光滑,打印偏差最小（直径偏差0.76%,高度偏差-2.96%）,并在12 h内具有良好的稳定性。因此,添加XG-GG的糙米凝胶具备打印复杂结构的能力。接着,针对料筒内不易获得的参数,采用POLYFLOW软件对料筒内流道进行仿真模拟;针对可调节的工艺参数如打印高度、喷嘴直径、喷嘴移动速率、出料速度、双喷头相对位置,探究其对糙米凝胶的成型效果的影响。仿真模拟结果表明,沿着物料挤出的方向,随着料筒内流道由宽变窄,物料的流速也由慢变快,压强由大变小,剪切速率由小变大,黏度剪切变稀,这些条件都有利于物料的稳定挤出。打印参数优化结果表明,单喷头打印时,设置喷嘴直径0.84 mm、初始高度0.84 mm、层高0.84 mm,喷嘴移动速率25 mm/s、物料挤出程度100%,打印糙米凝胶成型效果最好,在边长和高度上打印偏差最小。双喷头打印时,设置双喷头的初始相对位置为x=66.50 mm,y=0.80 mm,其余参数与单喷头打印保持一致,双喷头挤出的物料间连接紧密,拼接完整。最后,设计响应面试验,探究了三个变量:喷嘴直径,外层数和填充度对3D打印样品打印精度和质构特性的影响。结果表明,喷嘴直径对打印样品的尺寸影响很大,当喷嘴直径从1.56 mm减小到0.84 mm,样品高度从14.78 mm增加到16.25 mm,直径从32.84 mm减小到30.40 mm,更接近于设计图案,尺寸偏差小;外层数对尺寸特性有积极作用,表现为随着外层数的增加,样品的高度和直径均增加;而填充度对样品的尺寸没有显著影响。填充度、外层数和喷嘴直径都显著影响了样品的质构特性（P<0.05）,影响程度从大到小依次是填充度、外层数和喷嘴直径。随着喷嘴直径、外层数和填充度的降低,打印样品的硬度和胶着性均显著降低（P<0.05）。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 食品3D打印技术概述
•     1.1.1 食品3D打印技术
•     1.1.2 食品3D打印技术的特点
•     1.1.3 FDM三维打印系统
•   1.2 食品3D打印技术研究进展
•     1.2.1 打印材料
•     1.2.2 打印工艺参数
•     1.2.3 个性化打印
•   1.3 植物凝胶体系及其特征影响的研究进展
•     1.3.1 植物凝胶体系概述
•     1.3.2 植物凝胶性质的影响因素及研究进展
•   1.4 立题背景与意义
•   1.5 主要研究内容
• 第二章 干燥方式对糙米粉理化性质和流变特性的影响
•   2.1 引言
•   2.2 材料与方法
•     2.2.1 试验材料
•     2.2.2 试剂
•     2.2.3 仪器和设备
•   2.3 试验方法
•     2.3.1 糙米的干燥工艺
•     2.3.2 基本成分的测定
•     2.3.3 γ-氨基丁酸（GABA）含量测定
•     2.3.4 色差测定
•     2.3.5 体积密度测定
•     2.3.6 吸水指数（WAI）和水溶性指数（WSI）测定
•     2.3.7 流变特性测定
•     2.3.8 数据分析
•   2.4 结果讨论
•     2.4.1 干燥方式对糙米粉干燥特性的影响
•     2.4.2 基本成分分析
•     2.4.3 干燥方式对糙米粉GABA含量的影响
•     2.4.4 干燥方式对糙米粉颜色的影响
•     2.4.5 干燥方式对糙米粉体积密度的影响
•     2.4.6 干燥方式对糙米粉吸水指数和水溶性指数的影响
•     2.4.7 干燥方式对糙米粉流变特性的影响
•   2.5 本章小结
• 第三章 糙米凝胶体系的建立：亲水胶体对糙米凝胶三维打印特性的影响及优化
•   3.1 引言
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 试验材料
•     3.2.2 试验仪器和设备
•   3.3 试验方法
•     3.3.1 糙米凝胶的制备
•     3.3.2 糙米凝胶的水分分布测定
•     3.3.3 糙米凝胶的静态流变性质测定
•     3.3.4 糙米凝胶的动态流变性质测定
•     3.3.5 糙米凝胶蠕变特性测定
•     3.3.6 糙米凝胶质构测定
•     3.3.7 糙米凝胶微观结构测定
•     3.3.8 打印效果及其精度评价
•     3.3.9 3D打印产品稳定性评价
•     3.3.10 数据分析
•   3.4 结果讨论
•     3.4.1 亲水胶体的添加对糙米凝胶水分分布的影响
•     3.4.2 亲水胶体的添加对糙米凝胶静态流变的影响
•     3.4.3 亲水胶体的添加对糙米凝胶动态流变的影响
•     3.4.4 亲水胶体的添加对糙米凝胶蠕变特性的影响
•     3.4.5 亲水胶体的添加对糙米凝胶质构特性的影响
•     3.4.6 亲水胶体的添加对糙米凝胶微观结构的影响
•     3.4.7 亲水胶体的添加对糙米凝胶的打印效果影响
•     3.4.8 糙米凝胶体系配方优化及其稳定性评价
•   3.5 本章小结
• 第四章 打印参数对糙米凝胶打印成型效果的影响
•   4.1 引言
•   4.2 材料与方法
•     4.2.1 试验材料
•     4.2.2 试验仪器和设备
•   4.3 试验方法
•     4.3.1 样品凝胶的制备
•     4.3.2 料筒内物料的仿真过程
•     4.3.3 打印参数的设置
•     4.3.4 打印效果及其精度评价
•     4.3.5 数据分析
•   4.4 结果讨论
•     4.4.1 料管内流道仿真分析
•     4.4.2 打印高度对糙米凝胶打印成型效果的影响
•     4.4.3 喷嘴直径对糙米凝胶打印成型效果的影响
•     4.4.4 喷嘴移动速率对糙米凝胶打印成型效果的影响
•     4.4.5 物料挤出程度对糙米凝胶打印成型效果的影响
•     4.4.6 双喷头打印参数的优化
•     4.4.7 打印效果图
•   4.5 本章小结
• 第五章 内部结构的构建对糙米凝胶打印精度和质构特性的影响
•   5.1 引言
•   5.2 材料与方法
•     5.2.1 试验材料
•     5.2.2 试验仪器和设备
•   5.3 试验方法
•     5.3.1 糙米凝胶的制备
•     5.3.2 打印过程设计
•     5.3.3 质构测定
•     5.3.4 打印精度评价
•     5.3.5 数据分析
•   5.4 结果讨论
•     5.4.1 打印变量对样品打印效果的影响
•     5.4.2 打印变量对样品尺寸特性的影响
•     5.4.3 打印变量对样品质量的影响
•     5.4.4 打印变量对样品打印效率的影响
•     5.4.5 打印变量对样品质构的影响
•     5.4.6 PCA分析
•   5.5 本章小结
• 主要结论与展望
•   主要结论
•   展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黄梦莎

导师: 张慜

关键词: 干燥方式,食品打印,糙米凝胶,打印特性,工艺参数

来源: 江南大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 轻工业手工业

单位: 江南大学

分类号: TS205;TS201.7

总页数: 66

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