水稻是全球重要的谷类作物,世界上一半以上的人以水稻作为主食[1]。我国每年加工稻米超过1亿t,在此过程中,产生了15%～20%的碎米副产物[2]。碎米的营养价值与整米相当,但其市场价格却明显低于整米[3]。碎米中除了含有丰富的淀粉外,还含有蛋白质、脂质、维生素和矿物质等[4]。蛋白质是碎米中的第二大组分,碎米蛋白含有18种氨基酸,包括人体所需的8种必需氨基酸;此外,碎米还富含维生素B1、维生素B2、铁、锌等维生素和矿物质。目前碎米的主要用途是饲料加工、酿造、制糖等,利用价值不高。因此,将碎米进行利用转化为更有价值的产品,是满足社会需求和实现可持续发展的有效途径。
随着社会和时代的发展,人们逐渐重视饮食健康,对食品质量也提出了更高的要求,更加追求精准营养、个性化以及可持续性的食品。在此情况下,3D打印技术应运而生。3D打印技术又称增材制造技术,通过计算机辅助软件设计和切片软件分别进行建模和分层,并利用3D打印设备构建三维实体[5]。3D打印可以将设计的数字模型直接转化为三维实体,使制造过程更加灵活、准确和高效[6]。3D打印技术可以将粉末,液体和其他可黏合材料通过分层打印成各种3D产品[7]。同时,3D打印技术在食品加工方面有很多优点。针对特殊的人群如病人、老人、儿童,3D打印技术可以为其设计独特的保健食品[8]。这项技术还可以生产一些传统食品生产无法实现的个性化食品[9]。目前,3D食品打印技术在探索个性化食品定制、精准营养膳食、开发新食品资源、食品加工产业链升级等方面具有巨大潜力[10]。
将3D打印技术与农业副产品(如碎米)结合的研究逐渐兴起。碎米作为一种常见的农业副产品,具有丰富的淀粉含量和较低的成本,是理想的3D打印材料之一。近年来,大米被广泛应用于3D打印技术。LIU等[11]研究了打印大米(糯稻、粳稻和籼稻)糊的可行性,以及海藻酸钠对其理化和结构特性的影响。同时,研究人员探讨了打印参数对大米淀粉与大米蛋白的影响[12-13]。此外,ARORA等[14]优化了米粉、杂粮和水的3D食品打印配方和工艺参数。
目前,以米为原料的3D打印研究大多数探讨了大米淀粉体系的流变和可打印性,而有关“碎米粉-水胶体系”作为3D打印墨水的系统优化研究仍较为欠缺,而有关原料配比(碎米粉-水胶体系)及打印参数对打印样品影响的研究鲜有报道。因此,本研究以粳碎米为原料,探究原料配比对样品流变性能以及打印米制品成型性、精确度和稳定性的影响,同时探究打印参数对打印米制品成型性、精确度和稳定性的影响,从而确定3D打印米制品的最佳条件。此外,对打印米制品进行质构、微观结构以及热力学分析,探究原料配比与打印参数对打印米制品理化性质的影响。本研究旨在将碎米重新利用进行3D打印,为后续以米作为3D打印油墨的应用提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
粳碎米,上海益海嘉里金龙鱼食品集团股份有限公司;黄原胶(xanthan gum, XG),上海源叶生物科技有限公司。
1.2 仪器与设备
FOODBOT食品3D打印机,杭州时印科技有限公司;MARS60哈克流变仪,美国Thermo Fisher Scientific公司;Quanta FEG 250扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM),美国FEI公司;TA.XT plus质构仪,英国Stable Micro Systems公司;DSC250差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry, DSC),美国TA公司;FW177高速万能粉碎机,北京市永光明医疗仪器有限公司;HH-8数显恒温水浴锅,常州苏瑞仪器有限公司;ME3002E电子天平,上海梅特勒-托利多仪器有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 材料制备
将粳碎米用粉碎机粉碎后过80目筛,样品放置4 ℃冰箱保存。称取一定量的蒸馏水,加热到75 ℃,向其中加入XG,至XG完全溶解时,冷却到室温,将一定量的粳碎米粉加入其中并搅拌均匀。
1.3.2 流变特性测定
使用混合流变仪表征材料的流变特性[15]。选择直径为35 mm的平板,设置间隙为1 mm,25 ℃下进行后续测试。测试前样品静置5 min以达到稳定状态。静态流变性质:在流动应力模式下,设置剪切速率为0.01～100 s-1,记录随剪切速率变化的表观黏度数值。动态流变性质:在动态频率扫描模式下,设置固定应变值为0.1%(线性黏弹区间为0.01%～100%),扫描频率为0.1～100 Hz,记录样品的储能模量(G′)和损耗模量(G″)数值。
1.3.3 打印样品制备
将1.3.1节中的样品转入专用塑料注射器中,并对样品的原料配比与打印参数进行不同的设定,使用3D打印机打印尺寸大小为20 mm×15 mm×15 mm长方体模型。
1.3.4 原料配比及打印参数对打印样品的影响
1.3.4.1 XG添加量对打印样品的影响
1.3.3节制备样品时添加不同质量分数(0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)的XG,在室温下,选择米水比100∶100,填充密度为90%,打印速度为20 mm/s,喷嘴直径为0.84 mm打印目标长方体模型。
1.3.4.2 米水比对打印样品的影响
1.3.3节制备样品时添加不同质量比的米水比(80∶100、85∶100、90∶100、95∶100、100∶100,g∶mL),在室温下,选择XG添加量为0.2%,填充密度为90%,打印速度为20 mm/s,喷嘴直径为0.84 mm打印目标长方体模型。
1.3.4.3 填充密度对打印样品的影响
在室温下,选择XG添加量为0.2%,米水比100∶100,打印速度为20 mm/s,喷嘴直径为0.84 mm,在不同填充密度(60%、70%、80%、90%、100%)下打印目标长方体模型(为了更好黏附打印平台,因此对打印样品顶层和底层设置填充密度为100%,样品内部设置不同的填充密度)。
1.3.4.4 打印速度对打印样品的影响
在室温下,选择XG添加量为0.2%,米水比100∶100,填充密度为90%,喷嘴直径为0.84 mm,在不同的打印速度(10、15、20、25、30 mm/s)下打印目标长方体模型。
1.3.4.5 喷嘴孔径对打印样品的影响
在室温下,选择XG添加量为0.2%,米水比100∶100,打印速度为20 mm/s,填充密度为90%,在不同的喷嘴直径(0.60、0.84、1.20、1.55、2.00 mm)下打印目标长方体模型。
1.3.5 3D打印材料成型性测定
视觉直观观察分析3D打印物成型性,即3D打印物打印形状、成型效果等评价指标。
1.3.6 打印精确度和打印稳定性测定
使用游标卡尺测量3D打印制品的长度、宽度以及高度,分别对应模型的x轴、y轴和z轴,与模型越接近的样品打印偏差量越小,样品的打印精度越高[16],打印精确度用偏差量表示。打印偏差量计算见公式(1)。将打印好的样品在室温下放置2 h,之后使用游标卡尺测定样品的长度、宽度以及高度,观察打印稳定性。打印稳定性计算见公式(2):
打印偏差量/%
(1)
打印稳定性
(2)
式中:Hs、Ls和Ds表示模型的长度、宽度和高度,mm;L1、D1和H1分别表示3D打印刚完成样品的长度、宽度和高度,mm;L2、D2和H2分别表示3D打印刚完成样品的长度、宽度和高度,mm。
1.3.7 质构特性的测定
将样品放置在质构仪样品台,测试探头型号为P/36,测前速度1 mm/s,测试速度1 mm/s,测后速度1 mm/s,时间间隔5 s,触发力5 g,压缩比例为70%。
1.3.8 表观形貌观察
采用SEM在5.0 kV电压下观察样品的横截面微观结构,测试前将冻干后的打印样品取出横截面垂直部分固定在双面碳带上,然后在真空环境中进行喷金处理,转移至SEM样品室进行观察。
1.3.9 热力学特性的测定
利用DSC测定样品的热力学特性,具体方法如下:称取约3 mg样品于DSC铝盒中并加入9 μL去离子水,然后将铝盒密封置于室温下平衡12 h,以空白铝盒为对照,氮气为保护气体,加热温度20～120 ℃,加热速率10 ℃/min。
1.4 数据处理与分析
所有的实验均重复3次,结果用“平均值±标准差”表示,采用IBM SPSS Statistics 22软件通过单因素方差分析对数据进行显著性差异分析。P<0.05被认为具有统计学意义。使用Origin 2024b软件作图。
2 结果与分析
2.1 原料配比对样品流变性的影响
流变学特性是基于挤压的3D打印中至关重要的属性之一,在进行3D打印时利用流变特性可以预测食品原材料的3D打印性能[17-18]。3D打印挤出样品的难易程度,剪切恢复性和支撑性都可以通过流变特性来表征和辅助说明[19]。黏度对3D打印特性及产品稳定性有重要影响。不同原料配比的黏度曲线见图1-a、图1-b,样品黏度随着剪切速率增大而减小,说明样品具有剪切变稀性,剪切稀化可以使油墨能够容易通过喷嘴孔径挤出,这满足食品的3D适印性[20]。水胶体可以通过形成凝胶网络来改变样品的黏度[21]。因此添加XG的样品黏度更大,XG质量分数越大,样品的黏度越大。然而,高机械强度的油墨通常具有高黏度和高屈服应力的特点,这容易堵塞喷嘴尖端,导致印刷过程失败[20]。由图1-b可知,当剪切速率在1～10 s-1时,样品的黏度下降明显,当剪切速率继续增大时,黏度下降速率逐渐变慢,曲线趋于平缓。并且当米粉的添加量增大时,黏度逐渐增加,米水比为100∶100时,样品的黏度最大。
a-不同XG添加量样品的黏度;b-不同米水比样品的黏度;c、e-不同XG添加量样品的动态流变曲线;d、f-不同米水比样品的动态流变曲线
图1 不同原料配比的样品流变曲线图
Fig.1 Rheological curves of samples with different raw material ratios
动态黏弹性通过动态振荡来测量所有米粉面团的黏弹性性质。不同原料配比的样品动态流变曲线见图1-c～图1-f,G′也称弹性模量,表示了油墨的弹性大小,并且反映了弹性固体状行为;G″也称黏性模量,表示了油墨黏性的大小,并且与液体特征有关[22-23]。G″>G′表明主要是黏性特征,相反,G″<G′表明类似固体的行为[24]。随着XG添加量与米水比的增大,G′和G″均呈上升趋势,并且G′始终大于G″。这说明样品的弹性和黏性在增大,并且样品表现更多的弹性。弹性结构在外力作用下能够保持相对稳定,更利于样品进行3D打印时在沉积平台上时各层之间的抗形变能力[25]。
2.2 原料配比对3D打印米制品成型性的影响
原料配比影响3D打印米制品的打印成型性。不同原料配比样品的3D打印情况见图2。亲水胶体具有较好的凝胶性、增稠性和稳定性,因此可作为增稠剂、胶凝剂和品质改良剂广泛应用于食品工业[26]。本研究选择的亲水胶体是XG。与其他食品胶体相比,XG易溶、增黏、稳定,耐酸碱、抗冻热并且适用于多种食品[27]。由图2可知,当米水比为100∶100时,XG添加量不同的样品3D打印效果不同。当XG添加量为0%和0.1%时,打印完成时的米制品呈上窄下宽的形状,且与设置的模型差距较大,打印米制品放置2 h后向下沉积,高度下降明显;当XG添加量为0.2%、0.3%、0.4%时,打印完成时的米制品表面纹路清晰、层层堆积紧密、结构支撑性良好。但是打印过程中,XG添加量为0.3%和0.4%的样品更难顺利挤出,并且会出现堵塞针头的情况,从而导致打印失败。当XG添加量为0.2%时,样品中米水比不同,米制品打印效果不同。米水比为80∶100、85∶100、90∶100时,打印完成时的米制品形状清晰,打印效果好。但打印米制品放置2 h后出现塌陷情况,米制品打印完成2 h与打印完成时差别较大;样品中米水比为95∶100、100∶100时,打印的米制品线条流畅,图案完整,打印效果良好。这说明样品中原料配比会影响3D打印的效果。
A1～A5-XG添加量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%打印完成时的米制品;B1～B5-XG添加量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%打印完成2 h的米制品;C1～C5-米水比分别为80∶100、85∶100、90∶100、95∶100、100∶100打印完成时的米制品;D1～D5-米水比分别为80∶100、85∶100、90∶100、95∶100、100∶100打印完成2 h的米制品
图2 不同原料配比的样品3D打印情况
Fig.2 3D printing of samples with different raw material ratios
2.3 原料配比对3D打印米制品精确度和稳定性的影响
不同原料配比3D打印米制品的打印精确度和稳定性见图3。不同添加量的XG对3D打印米制品精确度和稳定性的影响见图3-a(XG添加量为0%时,样品塌陷严重,因此未测定该打印米制品的精确度和稳定性)。随着XG添加量的增大,打印偏差量总体呈下降趋势,因此打印精确度总体呈上升趋势,说明添加XG可以使打印米制品保持更好的精确度,打印效果更佳。不同添加量的XG同时影响米制品的打印稳定性,XG添加量的增大可以有效提高米制品的打印稳定性,XG作为增稠剂加入到样品中可以使打印米制品更加稳定。随着XG添加量增大,打印稳定性逐渐增强,但是XG添加量过大会导致样品具有较强的增稠性,从而样品更加难以从3D打印机中挤出,导致打印失败。综上,在其他条件相同时,XG添加量为0.2%时,米制品的打印精确度和打印稳定性最好。
a-不同添加量XG;b-不同米水比
图3 不同原料配比3D打印米制品的打印精确度和稳定性
Fig.3 The printing accuracy and stability of 3D printed rice products with different raw material ratios
注:同一指标不同大(小)写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
同样,米水比也对样品的可打印性有重要影响[28]。不同米水比对3D打印米制品精确度和稳定性的影响见图3-b。随着米水比的增大,偏差量总体呈下降趋势,因此打印精确度总体呈上升的趋势,说明更高的米水比可以使打印米制品保持更好的精确度,打印效果更佳。同时,随着米水比的增大,打印稳定性总体呈上升趋势,可能是因为米粉增多充分与XG结合形成更加稳定的凝胶网络结构,这表明米水比的增多可以有效提高米制品的打印稳定性。综上,在其他条件相同时,米水比为100∶100时,米制品的打印精确度和打印稳定性最好。
2.4 填充密度对3D打印米制品成型性、精确度和稳定性的影响
填充密度影响打印样品的打印时间和材料消耗。由图4-a可知,打印过程中设置的填充密度不同,打印的米制品纹理清晰,打印效果良好。由图4-b可知,随着填充密度的增大,偏差量呈先下降后上升的趋势,因此打印精确度呈先升高后降低的趋势。填充密度较低时,层与层之间缺少足够的样品填充物因此导致线条间黏合程度较低,从而导致米制品内部塌陷,打印精确度较低。随着填充密度增大,米制品内部填充物增多,线条之间黏合程度增大,打印精确度逐渐增大。但是当填充密度为100%时,米制品内部由于填充过度产生溶胀现象,打印精确度较低。因此,填充密度为90%时,米制品打印精确度最高,打印效果最佳。同时,填充密度越低,机械强度越小,不足以维持3D打印米制品结构的稳定性[29]。随着填充密度的增大,打印稳定性总体呈上升趋势。填充密度较低时,打印的米制品在室温下放置2 h后,由于内部黏合度不够导致米制品逐渐向内部塌陷,因此打印稳定性低。随着填充密度增加,米制品内部黏合较好,打印稳定性呈上升趋势。但是当填充密度为100%时,米制品内部填充过度,逐渐向外挤压,从而导致样品稳定性达到101.88%。综上,在其他条件相同时,填充密度为90%时,米制品的打印精确度和打印稳定性最好。
a-打印情况(A1～A5-填充密度分别为60%、70%、80%、90%、100%打印完成时的米制品;B1～B5-填充密度分别为60%、70%、80%、90%、100%打印完成2 h的米制品);b-打印精确度和打印稳定性
图4 不同填充密度3D打印米制品的打印情况、打印精确度和打印稳定性
Fig.4 The printing situation, printing accuracy and printing stability of 3D printing rice products with different filling densities
2.5 打印速度对3D打印米制品成型性、精确度和稳定性的影响
打印速度影响打印样品的打印效率和打印质量。由图5-a可知,打印过程中设置的打印速度不同,打印米制品的几何形状没有太大的差异,与设定模型相似。由图5-b可知,随着打印速度的增大,偏差量总体呈上升趋势,因此打印精确度呈下降趋势。打印速度较慢时,层与层之间线条间黏合程度较好,因此导致打印米制品与模型偏差量小,打印精确度高,但是打印速度过低会导致打印效率降低。打印速度较快时,单位时间内油墨挤出过少,油墨还未完全挤出并且与先前打印层未进行融合时便被打印机喷头移走,因此导致打印米制品与模型偏差量大,打印精确度低。因此,打印速度为20 mm/s时,米制品打印精确度最高,打印效果最佳。打印速度较快时,打印的米制品在室温下放置2 h后,由于油墨过少并且融合不完全导致米制品逐渐向内部塌陷,因此打印稳定性低。打印速度过快或过慢都会对打印米制品产生不利影响[30]。综上,在其他条件相同时,考虑打印样品需要较高的效率,因此打印速度为20 mm/s时,米制品的打印精确度和打印稳定性最好。
a-打印情况(A1～A5-打印速度分别为10、15、20、25、30 mm/s打印完成时的米制品;B1～B5-打印速度分别为10、15、20、25、30 mm/s打印完成2 h的米制品);b-打印精确度和打印稳定性
图5 不同打印速度3D打印米制品的打印情况、打印精确度和打印稳定性
Fig.5 The printing situation, printing accuracy and printing stability of 3D printing rice products at different printing speeds
2.6 喷嘴孔径对3D打印米制品成型性、精确度和稳定性的影响
喷嘴孔径影响样品的打印效果和表面光滑度[31]。由图6-a可知,打印过程中选择的喷嘴孔径不同,米制品打印效果不同。当喷嘴孔径为0.60 mm时,油墨由于尺寸过大,导致油墨堵塞喷嘴孔径,打印终止。喷嘴孔径较大时,油墨顺利从喷嘴孔径挤出,按照设置的模型进行打印,直至打印完成。但是喷嘴孔径越大,线条越粗,打印米制品的表面精度下降,影响整体美观。由图6-b可知,随着喷嘴孔径的增大,偏差量由4.50%增大到11.00%,因此打印精确度呈下降趋势。经喷嘴挤压的油墨在喷嘴释放后直径略大于喷嘴直径,导致米制品边长大于目标设定值[32]。喷嘴孔径越大,单位时间内挤出的油墨越多,导致油墨的实际尺寸远大于喷嘴孔径,因此打印的米制品与模型相差较大,偏差量较大,表面光滑度较低,打印精确度较低[33]。因此,喷嘴孔径为0.84 mm时,米制品打印精确度最高,打印效果最佳。喷嘴孔径越大,单位时间内挤出的油墨越多,线条越粗,样品层数越少,同时样品沉积一层需要更少的时间,打印的米制品在室温下放置2 h后,由于打印米制品线条较粗,导致米制品由于自身重力发生压缩变形,因此打印稳定性较低。综上,在其他条件相同时,喷嘴孔径为0.84 mm时,米制品的打印精确度和打印稳定性最好。
a-打印情况(A1～A4-喷嘴孔径分别为0.84、1.20、1.55、2.00 mm打印完成时的米制品;B1～B4-喷嘴孔径分别为0.84、1.20、1.55、2.00 mm打印完成2 h的米制品);b-打印精确度和打印稳定性
图6 不同喷嘴孔径3D打印米制品的打印情况、打印精确度和打印稳定性
Fig.6 The printing situation, printing accuracy and printing stability of 3D printing rice products with different nozzle apertures
2.7 不同原料配比和打印参数3D打印米制品的质构特性
质构是食品品质的重要指标之一。由表1可知,随着XG添加量的增大,硬度、黏附性、弹性以及内聚性逐渐增大。XG添加量由0%增大到0.4%时,硬度由817.85 g增大到6 477.39 g,并且黏附性、弹性以及内聚性均明显增大。这可能是因为随着XG添加量的增大,胶体与淀粉结合更加充分,从而导致凝胶网络结合更加充分。因此,当XG添加量为0.4%时,硬度、黏附性、弹性以及内聚性达到最大值。与此同时,随着米水比的增加,硬度、黏附性、弹性以及内聚性逐渐增大。这可能是因为水分含量的增多会使凝胶网络结构更加松散,具有更多的孔,导致不能以平滑有序的方式交联,从而降低了质构性能;此外,随着米粉含量的增加,溶胀的淀粉颗粒可以吸附在凝胶网络结构的孔隙中,从而增大硬度、黏附性、弹性以及内聚性。因此,当米水比为100∶100时,硬度、黏附性、弹性以及内聚性分别达到最大值2 513.10 g、-158.36 g·s、1.14×10-1以及1.03×10-1。
表1 不同原料配比3D打印米制品的质构特性
Table 1 Texture characteristics of 3D printed rice products with different raw material ratios
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
原料配比硬度/g黏附性/(g·s)弹性/(×10-1)内聚性/(×10-1)0% XG,米水比100∶100817.85±9.36h-54.73±3.80h0.61±0.00f0.78±0.02g0.1% XG,米水比100∶1001 444.38±13.14f-134.70±0.51e0.78±0.03e0.88±0.01e0.2% XG,米水比100∶1002 513.10±62.41c-158.36±9.43c1.14±0.04c1.03±0.01c0.3% XG,米水比100∶1004 778.90±27.29b-274.36±1.51b1.40±0.05b1.12±0.02b0.4% XG,米水比100∶1006 477.39±119.43a-365.97±4.49a1.78±0.10a1.25±0.01a0.2% XG,米水比80∶1001 034.17±47.18g-79.39±5.82g0.54±0.03g0.73±0.00h0.2% XG,米水比85∶1001 378.54±39.15f-115.23±2.64f0.65±0.00f0.78±0.00g0.2% XG,米水比90∶1002 026.74±21.43e-127.21±6.08e0.68±0.00f0.85±0.00f0.2% XG,米水比95∶1002 375.88±22.61d-144.74±1.84d0.89±0.03d0.97±0.01d
由表2可知,填充密度增大、打印速度减小以及喷嘴孔径增大,打印样品的硬度增大。并且填充密度由60%增大到100%时,硬度由1 226.62 g增大到3 180.37 g;打印速度由10 mm/s增大到30 mm/s时,硬度由3 578.30 g减小到1 767.62 g;喷嘴孔径由0.84 mm增大到2.00 mm时,硬度由2 513.10 g增大到3 673.25 g。这可能是因为填充密度过小、打印速度过快会增大打印米制品的孔隙率从而导致硬度、黏附性、弹性以及内聚性减小。同时,喷嘴尺寸不仅改变孔隙率,而且改变沉积的层数,从而间接影响硬度、黏附性、弹性和内聚性[34]。
表2 不同打印参数3D打印米制品的质构特性
Table 2 Texture characteristics of 3D printed rice products with different printing parameters
填充密度/%打印速度/(mm/s)喷嘴孔径/mm硬度/g黏附性/(g·s)弹性/(×10-1)内聚性/(×10-1)60200.841 226.62±17.05j-88.27±3.40g0.66±0.00g0.83±0.00j70200.841 656.50±26.07i-126.92±5.22f1.10±0.09e0.89±0.00h80200.842 339.78±36.95f-138.94±0.85f1.23±0.02d0.93±0.00f90200.842 513.10±62.41e-158.36±9.43e1.14±0.04e1.03±0.01d100200.843 180.37±83.98b-247.29±15.23c1.58±0.04b1.10±0.00b90100.843 578.30±72.48a-299.58±11.86b1.71±0.05a1.17±0.03a90150.842 855.80±120.78c-202.36±20.68d1.44±0.04c1.08±0.01c90250.842 201.74±71.29g-140.03±0.40f1.24±0.01d0.90±0.00g90300.841 767.62±28.89h-127.21±6.08f0.64±0.00g0.85±0.00i90201.202 641.40±38.38d-171.41±3.83e1.30±0.02d0.95±0.00e90201.553 162.33±88.16b-259.45±9.43c1.29±0.01d0.84±0.00j90202.003 673.25±24.75a-327.67±7.40a0.99±0.01f0.80±0.01k
2.8 不同原料配比和打印参数3D打印米制品的微观结构
微观结构能直观反映出3D打印样品的结构与特性。不同原料配比和打印参数3D打印米制品的微观结构见图7。当XG添加量为0%和0.1%时,微观结构有明显的孔隙;之后随着XG添加量增大,XG与淀粉结合更加致密,无明显孔隙,微观结构更加紧凑。这可能是因为XG质量分数增大,胶体充分与淀粉结合,导致凝胶网络更致密。与此同时,米水比为80∶100的微观结构有更多孔隙,随着米粉的增多,孔隙数量减少,这可能是因为溶胀的淀粉颗粒吸附在凝胶网络结构的孔隙中。填充密度为60%～80%时,微观结构有明显孔隙,填充密度继续增大,微观结构孔隙不明显。
A1～A5-XG添加量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%;B1～B5-米水比分别为80∶100、85∶100、90∶100、95∶100、100∶100;C1～C5-填充密度分别为60%、70%、80%、90%、100%;D1～D5-打印速度分别为10、15、20、25、30 mm/s;E1～E4-喷嘴孔径分别为0.84、1.20、1.55、2.00 mm
图7 不同原料配比和打印参数3D打印米制品的微观结构
Fig.7 Microstructure of 3D printed rice products with different raw material ratios and printing parameters
当打印速度为10～20 mm/s时,微观结构更加紧密,速度为25和30 mm/s时,微观结构有明显孔隙,这可能是因为打印速度过快,导致油墨未与先前打印层未进行融合时便被打印机喷头移走。喷嘴孔径不同,微观结构存在不太明显的孔隙。这一结果与质构研究的结果大致一致。
2.9 不同原料配比和打印参数3D打印米制品的DSC分析
淀粉糊化是其由天然半晶体结构向非晶态进行转变的过程。DSC分析可以反映糊化过程中的能量吸收以及晶体结构的变化。不同原料配比和打印参数3D打印米制品的DSC曲线见图8。无论是原料配比不同还是打印参数不同,所有样品在糊化过程中均表现出一个明显的吸热峰,且吸热峰的形状和面积相似,此外吸热峰峰值温度均在67 ℃左右。这表明所有的样品具有相似的糊化特性,类似的结晶结构,并且在热性质上具有高度的一致性。这说明原料配比和打印参数并没有改变3D打印米制品的热力学性质。
a-不同添加量XG;b-不同米水比;c-不同填充密度;d-不同打印速度;e-不同喷嘴孔径
图8 不同原料配比和打印参数3D打印米制品的DSC图
Fig.8 DSC diagram of 3D printed rice products with different raw material ratios and printing parameters
3 结论
本研究构建了一种以碎米为原料进行3D打印的体系,探讨了原料配比对样品流变性能、打印成型性、精确度和稳定性的影响以及打印参数对米制品打印成型性、精确度和稳定性的影响。研究发现,添加XG和增加米水比增大了样品的黏度、G′、G″,有利于样品进行3D打印并且保持打印米制品的形状稳定性。当XG添加量为0.2%、0.3%、0.4%时,米制品的打印精确度和稳定性较好,但是XG添加量为0.3%和0.4%时,样品挤出需要较大的压力,导致打印失败。米水比为100∶100时,米制品的打印成型性更好。填充密度为90%时,米制品具有更好的支撑性和稳定性。根据打印效率和打印成型性,打印速度选20 mm/s。喷嘴孔径为0.84 mm时,米制品有更好的打印精确度和打印稳定性。因此以碎米为原料进行3D打印的最佳条件:XG添加量0.2%,米水比100∶100,填充密度90%,打印速度20 mm/s,喷嘴孔径0.84 mm。此外,增大XG添加量和米水比、增大填充密度、减小打印速度以及增大喷嘴孔径可以增大3D打印米制品的质构特性,并且凝胶内部孔隙结构逐渐变得均匀,网状结构更致密;但原料配比和打印参数不会改变3D打印米制品的热力学性质。本研究为以碎米为原料在3D打印中的应用提供了一定理论基础。然而,当前研究仍存在一些不足之处,未来还需要研究成品的感官质量和成品的后处理阶段以提高消费者的满意度。
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