CN105394801A

CN105394801A - 一种食品3d打印的快速成型方法

Info

Publication number: CN105394801A
Application number: CN201510705716.6A
Authority: CN
Inventors: 陈龙; 邱思齐; 吕霖; 谭楚颖; 藤英来
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2016-03-16

Abstract

本发明公开了一种食品3D打印的快速成型方法，包括步骤：1)将食材与成型剂A充分混合，食材为固体食材，则需先绞碎；2)将食材和成型剂A的混合物置于3D打印机喷头的挤出筒中，将成型剂B置于3D打印机的喷雾筒中；3)开启3D打印机，3D打印机会自动依据模型分层信息将食材与成型剂A的混合物挤出于其可移动的工作平台上，制得中间成型材料，同时，3D打印机的喷雾筒将成型剂B均匀喷涂于刚挤出的中间成型材料上，中间成型材料会与成型剂B发生化学反应固化，在食材表面形成硬质薄层，一层固化完成后，工作平台下移一个层的距离后继续打印，依此类推，最终堆叠出所需的三维实体食物。本发明可应用于食品加工领域，可应用材料多，不受材料限制，同时不依赖温差凝固成型。

Description

一种食品3D打印的快速成型方法

技术领域

本发明涉及食品加工的技术领域，尤其是指一种食品3D打印的快速成型方法。

背景技术

近年来，3D打印技术方兴未艾，逐渐影响传统行业的生产方式，也包括食品加工技术。3D食品打印技术是将食品原材料通过3D打印机，以电脑设计的3维图为指导，制作特殊形状食物实体的方法。现有3D食品成型常见的方法主要为熔融沉积成型，即采用加热型挤压喷头，在相对高温下，将材料融化成半流动状态，按CAD分层数据控制的路径挤压并沉积在指定位置，挤出后快速降温，从而使食品凝固成型。此类应用的案例有NaturalMachine公司的Foodini3D打印机，3DSystems公司推出的Chefjet糖果打印机，三纬国际推出的XYZprinting打印机等。但是熔融沉积技术用于食品3D打印，有明显的局限性，其情况如下：

1、可用于打印的食材非常有限。熔融沉积需经温差使材料发生一定质构变化，从半流体变为固体，然后凝固成型。所以，只有少数食材如巧克力、薄荷糖或软糖等能实现这种温差引起的质构变化。这就决定了大部分食材，都不能用于打印。如蔬菜、肉类等高温下仍为固体，故无法被使用。

2、打印加热会破坏食品原有的天然成分，如维生素、天然酮类、酸类，导致营养价值下降。

3、已被应用的材料，主要是糖浆、巧克力、薄荷糖等含糖高的食材，热量高，不符合现代社会倡导的营养健康饮食理念。

4、部分可以打印肉类、面粉甚至碎蔬菜的打印机，由于食材不能因温度发生质构变化，只能在某个平面上打印，不能实现真正的3D成型。如XYZprinting的烘焙食品打印机，由于所用面粉糊不能因温度成型，强度很差，只能在平面上打印2维形状，不是真正意义的3D打印机。

浙江大学王权在《3D打印海藻酸钠/羟基磷灰石水凝胶复合Atsttrin蛋白用于骨缺损修复的研究》中利用3D凝胶纤维沉积技术，以海藻酸钠、羟基磷灰石、明胶、蛋白混合作为成型材料，将挤出的凝胶纤维浸泡到氯化钙溶液中，氯化钙与海藻酸钠交联成型，制备海藻酸钠/羟基磷灰石生物活性支架，应用于骨组织工程。然而由于以下原因，此方法并不适于食品加工：

1、上述方法凝胶的真正支撑材料为没有营养价值的羟基磷灰石，是支撑结构的“脚手架”，而海藻酸钠与钙盐形成的半固体凝胶仅起到临时包裹的作用，并不提供结构强度。

2、上述方法目前应用于生物工程，因而对原材料在纯度等方面有较高的要求，加之其加工步骤复杂，成型速度慢，加工成本高昂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种安全可靠的食品3D打印的快速成型方法，该方法的可应用材料多，不受材料限制，扩大使用范围，利于人们根据自身营养健康需求和饮食习惯制备成型食品，同时不依赖温差凝固成型，扩大了对成型食品温度的选择范围。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种食品3D打印的快速成型方法，包括以下步骤：

1)将食材与成型剂A充分混合，其中，所述成型剂A为可食用的天然胶类，若食材为固体食材，则需先绞碎再与成型剂A进行混合；

2)将食材和成型剂A的混合物置于3D打印机喷头的挤出筒中，将成型剂B置于3D打印机的喷雾筒中，其中，所述成型剂B为可食用的钙盐水溶液；

3)开启3D打印机，3D打印机会自动依据模型分层信息将食材与成型剂A的混合物挤出于其可移动的工作平台上，制得中间成型材料，同时，3D打印机的喷雾筒将成型剂B均匀喷涂于刚挤出的中间成型材料上，中间成型材料会与成型剂B发生化学反应固化，在食材表面形成硬质薄层，一层固化完成后，工作平台下移一个层的距离后继续打印，依此类推，最终堆叠出所需的三维实体食物，由于原先固化的层面仍残留有成型剂B，故层与层之间可以粘合固定。

当需要提升成型食品的强度时，在步骤1)中加入可食用的赋形剂C与食材和成型剂A进行充分混合，而在步骤2)中则是将食材、成型剂A、赋形剂C的混合物置于3D打印机喷头的挤出筒中，其中，所述赋形剂C是能够与成型剂A、B产生协同作用的食品添加剂。

所述成型剂A为海藻酸钠、海藻酸钾、卡拉胶中的一种或两种以上的组合，浓度范围为0.5％～3.0％，单位为w/v。

所述成型剂B为葡萄糖酸钙、乳酸钙、氯化钙中的一种或两种以上的组合，浓度范围为0.5％～5.0％，单位为w/v。

所述赋形剂C为明胶、羧甲基淀粉、黄原胶中的一种或两种以上的组合。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、不受材料限制，普通固体和半固体食品可被打印为固体食品，甚至液体食品，如果汁、饮料等，也可以被打印为半固体的食品，大大增加了3D食品打印的使用领域。

2、不依赖温差凝固成型，无需经历高温加热过程，利于保留食品原有的风味和营养成分。

3、因不需要预热打印头，减少了打印的时间消耗，普通3D打印机需要较长预热时间，而本发明开机即可打印。

4、减少了维护工作量。现有3D食品打印机，因关机后食材冷却，容易堵塞打印口，使用后必须立即清洗。而本发明成型前食材均为半流体状态，不会堵塞管路，使用方便。

5、所需添加的天然可食用成型剂含有大量钙盐，最后成型的食品，钙质丰富，能起到补钙的作用。

附图说明

图1为3D打印机成型原理图。

具体实施方式

下面结合多个具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明所述的食品3D打印的快速成型方法，包括以下步骤：

1)将食材与成型剂A充分混合，其中，所述成型剂A为可食用的天然胶类，为海藻酸钠、海藻酸钾、卡拉胶中的一种或两种以上的组合，浓度范围为0.5％～3.0％(w/v)，而在本实施例中优选海藻酸钠，浓度为1％。若食材为固体食材，则需先绞碎再与成型剂A进行混合。

2)将食材和成型剂A的混合物置于3D打印机喷头的挤出筒中，将成型剂B置于3D打印机的喷雾筒中，其中，所述成型剂B为可食用的钙盐水溶液，为葡萄糖酸钙、乳酸钙、氯化钙中的一种或两种以上的组合，浓度范围为0.5％～5.0％(w/v)，而在本实施例中优选氯化钙，浓度为1％。

3)开启3D打印机(3D打印机的成型原理如图1所示)，3D打印机会自动依据模型分层信息将食材与成型剂A的混合物挤出于其可移动的工作平台上，制得中间成型材料，同时，3D打印机的喷雾筒将成型剂B均匀喷涂于刚挤出的中间成型材料上，中间成型材料会与成型剂B发生化学反应固化，在食材表面形成硬质薄层，一层固化完成后，工作平台下移一个层的距离后继续打印，依此类推，最终堆叠出所需的三维实体食物。由于原先固化的层面仍残留有一定量的成型剂B，故层与层之间可以粘合固定。

综上所述，本实施例的反应机制如下：

海藻酸钠(成型剂A)+氯化钙(成型剂B)→成型实体

海藻酸钠(sodiumalginate)是海藻酸衍生物中的一种，从褐藻类的海带或马尾藻中提取的一种多糖碳水化合物，是由1,4-聚-β-D-甘露糖醛酸和α-L-古罗糖醛酸组成的一种线型聚合物，也称褐藻酸钠或海带胶和海藻胶，其分子式为(C₆H₇O₆Na)n，海藻酸钠中的α-L-古罗糖醛酸结构能与除镁汞以外的二价金属离子发生快速的离子交换反应，生成海藻酸盐凝胶而固化成型，其中以与氯化钙形成的凝胶强度为最大。

成型效果：成型速度快，食品呈凝胶状，硬度适中，表面无脆壳。

实施例2

与实施例1不同的是本实施例采用的成型剂A为1％的海藻酸钠和0.5％的卡拉胶混合材料，其反应机制如下：

(海藻酸钠+卡拉胶)(成型剂A)+氯化钙(成型剂B)→成型实体

卡拉胶(carrageenan)又名角叉胶，是以红藻为原料制取的水溶性非均一性多糖类食品胶体，是由硫酸基化或非硫酸基化的D-半乳糖和3,6-脱水-L-半乳糖通过α-1，3糖苷键和β-1，4键连接而成，其分子式为(C₁₂H₁₈O₉)n，食品工业中应用较多的两种类型的卡拉胶为κ-型、ι-型卡拉胶。卡拉胶的硫酸酯基阴离子可与Ca2+、K+等通过静电作用缔合，提高凝胶硬度。另外，利用卡拉胶与海藻酸钠的协同作用，将两者按一定比例复配作为成型材料，可提升成型食品的强度。

成型效果：相比实施例1，成型食品硬度提高。

实施例3

与实施例1不同的是本实施例在步骤1)中增加可食用的赋形剂C，即将赋形剂C与食材和成型剂A进行充分混合，而在步骤2)中则是将食材、成型剂A、赋形剂C的混合物置于3D打印机喷头的挤出筒中，其中，所述赋形剂C是能够与成型剂A、B产生协同作用的食品添加剂，为明胶、羧甲基淀粉、黄原胶中的一种或两种以上的组合，而在本实施例中优选0.5％的羧甲基淀粉。其反应机制如下：

海藻酸钠(成型剂A)+氯化钙(成型剂B)+羧甲基淀粉(赋形剂C)→成型实体

羧甲基淀粉(CMS)是一种用羧甲基醚化的变性淀粉，它无味、无毒、不易霉变、易溶于水，在食品工业中广泛用为增稠剂、悬浮剂、稳定剂和粘合剂等,也能代替部分价格高的植物胶。另外，羧甲基淀粉与海藻酸钠两者有良好的相容性，将两者按一定比例复配作为成型材料，可提升成型食品的强度。

成型效果：相比实施例1，成型食品硬度提高，韧性提高，适合做成丝状食品。

实施例4

与实施例1不同的是本实施例选用0.5％的海藻酸钠和0.5％的氯化钙。

成型效果：相比实施例1，成型速度较慢，食品呈软质胶状，硬度较差，表面无脆壳。

实施例5

与实施例1不同的是本实施例选用0.5％的海藻酸钠和5％的氯化钙。

成型效果：相比实施例1，成型速度较慢，食品内部呈软质胶状，整体硬度较差，表面有脆壳。

实施例6

与实施例1不同的是本实施例选用3％的海藻酸钠和0.5％的氯化钙。

成型效果：相比实施例1，成型速度较慢，食品呈凝胶状，表面无脆壳。

实施例7

与实施例1不同的是本实施例选用3％的海藻酸钠和5％的氯化钙。

成型效果：相比实施例1，成型速度较慢，食品呈凝胶状，硬度较大，表面有薄层脆壳。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种食品3D打印的快速成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种食品3D打印的快速成型方法，其特征在于：当需要提升成型食品的强度时，在步骤1)中加入可食用的赋形剂C与食材和成型剂A进行充分混合，而在步骤2)中则是将食材、成型剂A、赋形剂C的混合物置于3D打印机喷头的挤出筒中，其中，所述赋形剂C是能够与成型剂A、B产生协同作用的食品添加剂。

3.根据权利要求1所述的一种食品3D打印的快速成型方法，其特征在于：所述成型剂A为海藻酸钠、海藻酸钾、卡拉胶中的一种或两种以上的组合，浓度范围为0.5％～3.0％，单位为w/v。

4.根据权利要求1所述的一种食品3D打印的快速成型方法，其特征在于：所述成型剂B为葡萄糖酸钙、乳酸钙、氯化钙中的一种或两种以上的组合，浓度范围为0.5％～5.0％，单位为w/v。

5.根据权利要求2所述的一种食品3D打印的快速成型方法，其特征在于：所述赋形剂C为明胶、羧甲基淀粉、黄原胶中的一种或两种以上的组合。