突破溫度限制！可在室溫下3D打印的任意形狀巧克力

魔猴君  行業(yè)資訊   1448天前

近年來，3D打印機(jī)已開始擺脫使用塑料細(xì)絲、金屬粉末等打印領(lǐng)域，現(xiàn)在也被用于由可食用材料以及利用全新食材打印產(chǎn)品，比如3D打印肉類、3D打印肯德基、3D打印牛奶甜點(diǎn)等，既有助于利用食用材料，便捷地制作非傳統(tǒng)食品，也能為消費(fèi)者帶去更健康、更符合其個(gè)性化需求的產(chǎn)品。

數(shù)字制造（尤其是3D打印）方面的最新進(jìn)展使得能夠使用塑料、金屬和其他原材料自由地制造3D結(jié)構(gòu)和設(shè)備。迄今為止，3D打印結(jié)構(gòu)已展示了廣泛的應(yīng)用，包括傳感、組織工程和生理血管建模。3D打印的最新前沿集中于可食用材料的直接打印。其實(shí)，3D打印對(duì)巧克力行業(yè)產(chǎn)生影響也就不足為奇了。過去幾年來，多家公司一直在嘗試3D打印巧克力，3D打印為行業(yè)帶來創(chuàng)意和創(chuàng)新。據(jù)了解，大多數(shù)巧克力3D打印機(jī)都使用CAD文件，就像普通的3D打印機(jī)一樣。巧克力3D打印機(jī)通過擠出機(jī)頭移動(dòng)并鋪設(shè)熔化的巧克力，其形狀為所需的形狀，之后巧克力冷卻并變成固體。

不過，巧克力3D打印機(jī)目前還不適合大規(guī)模生產(chǎn)，其主要問題是溫度。巧克力須加熱到足以融化，同時(shí)須冷卻和干燥以保持其形狀。溫度不適宜的話，導(dǎo)致3D打印巧克力由于溫度和重力而失去其形狀。還有3D打印巧克力的過程非常耗時(shí)，這是由于溫度造成的。來自新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)(STDU)的研究人員首次使用直接墨水書寫(DIW)3D打印機(jī)直接在液相中打印巧克力基墨水，從而無需溫度控制即可建模復(fù)雜的3D形狀。研究人員將此方法稱為基于巧克力的墨水3D打印(Ci3DP)。

▲Ci3DP

3D食品打印允許打印具有定制營(yíng)養(yǎng)成分的食品，原則上可以根據(jù)生物特征和基因組信息對(duì)營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行優(yōu)化。與其他3D打印技術(shù)類似，3D食品打印依賴于基于CAD數(shù)據(jù)和2D層順序沉積的逐層制造?？梢酝ㄟ^食物的基本成分（如碳水化合物，蛋白質(zhì)和脂肪）的協(xié)調(diào)組合來定制食物油墨。對(duì)于3D食品打印，已經(jīng)證明了不同的3D打印技術(shù)，選擇性激光燒結(jié)(SLS)、噴墨打印、熱熔擠出和粘合劑噴射。其中，擠出是3D食品打印中最流行的方法。在擠壓過程中，材料（液態(tài)、半固態(tài)或固態(tài)）通過噴嘴以制造3D對(duì)象。共有三種擠出技術(shù)：冷、熱熔和凝膠成型擠出。冷擠壓在室溫下進(jìn)行而沒有相變。熱熔擠出主要基于類似于熔融沉積建模(FDM)的機(jī)制：（1）加熱以使墨水流出噴嘴;（2）冷卻以固化床中的熔融巧克力。凝膠形成擠出涉及液體材料擠出后的相變。基于擠出的技術(shù)在打印物體的穩(wěn)定性和自支撐性能方面存在局限性。然而，由于其簡(jiǎn)單性，擠出已被用于印刷不同類型的食物。

巧克力是由糖和可可粉組成的細(xì)小固體顆粒，在連續(xù)的脂肪相中形成的復(fù)合乳狀液，是人們普遍喜愛的食品。作為一種材料，巧克力在室溫（20至25°C）下為固體，并在人的口和唾液（37°C）中融化。巧克力的融化特性和質(zhì)地取決于可可粉和其他成分的類型和比例，以及混合和加工它們的方法。在加工過程中混合，精煉和精煉各成分，以便在回火之前獲得合適的巧克力粘度。巧克力通常用于3D食品打印的展示，因?yàn)樗梢酝ㄟ^熱熔擠出進(jìn)行圖案化，并在室溫下變?yōu)楣腆w。

在之前的研究人員進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，將巧克力融化并在31至36°C的溫度下分配。由于熔融巧克力的流變特性對(duì)溫度敏感，因此需要注意溫度。巧克力的熱熔擠出在簡(jiǎn)單性和可及性方面具有優(yōu)勢(shì)，而其印刷機(jī)制也存在固有的缺點(diǎn)，需要在狹窄的工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行控制，狹窄的工作溫度范圍可能具有很高的局限性和靈活性。而冷擠壓僅取決于工作溫度下印刷油墨的流變性，不需要控制溫度，并且整個(gè)打印可以在室溫下進(jìn)行。但是由于缺乏具有適當(dāng)流變性的油墨，在2020年之前，沒有對(duì)通過冷擠壓的巧克力基材料進(jìn)行3D建模進(jìn)行深入研究。

而使用Ci3DP方法，將容易獲得的巧克力產(chǎn)品（如糖漿和糊狀物）與可可粉混合，以改變墨水的流變性。具有高濃度可可粉的巧克力基油墨具有高粘度的剪切稀化特性。油墨還具有類似牙膏的特性，在靜止時(shí)不會(huì)流動(dòng)。

▲巧克力基墨水3D打印（Ci3DP）的概念涉及將液態(tài)巧克力產(chǎn)品與食用添加劑混合，并在室溫下通過直接墨水書寫（DIW）3D打印機(jī)進(jìn)行打印。配制的墨水可輕松通過注射器和噴嘴擠出，并在擠出后形成自支撐層以保持印刷結(jié)構(gòu)。

Ci3DP的簡(jiǎn)單性和靈活性為制造復(fù)雜的基于巧克力的產(chǎn)品提供了巨大的潛力，而無需進(jìn)行溫度控制。為進(jìn)一步證明這種方法的靈活性，通過使用多種類型的墨水，將相同的方法擴(kuò)展到制造具有不同質(zhì)地的巧克力。一塊巧克力可以被制成具有半固體外殼并同時(shí)填充液體（如下圖）。

多材料食品Ci3DP。（a）室溫下多種食物材料的DIW涉及的步驟示意圖。步驟的順序允許打印帶有內(nèi)部填充物的巧克力。（b）包含液體巧克力糖漿作為填充物的錐形外殼的3D結(jié)構(gòu)。（c）突出顯示從3D打印外殼流出的液態(tài)巧克力糖漿的光學(xué)圖像。比例尺= 1 cm。

Ci3DP能夠用多種材料制作定制食物，這些材料具有定制的質(zhì)地和優(yōu)化的營(yíng)養(yǎng)成分。這種新方法還擴(kuò)展了行業(yè)在3D食品打印中的能力，對(duì)溫度敏感的食品的冷擠壓。

通過直接墨水打印方法制作的牛奶基甜品

來源：Rahul Karyappa et al, Chocolate-based Ink Three-dimensional Printing (Ci3DP), Scientific Reports (2019). DOI: 10.1038/s41598-019-50583-5