秋葵和菠萝蜜粉作为3D打印食品的可食用墨水：性能与应用研究

2025-08-31 10:40:35 3D打印食品,可食用墨水,秋葵菠萝蜜粉

这篇研究探讨了将秋葵粉和菠萝蜜粉作为可食用墨水应用于3D打印食品的可能性。通过调配不同浓度的秋葵粉与菠萝蜜粉，研究团队测试了材料的流变性质、微观结构及打印参数，发现含有2%秋葵粉的复合浆料在打印过程中表现出优异的稳定性和精细的纹理效果。通过优化打印条件（如喷嘴速度、喷嘴直径与高度比例等），确保了打印质量和一致性。研究结果显示，秋葵和菠萝蜜粉的复合材料在3D食品打印中具有很好的应用前景，尤其适用于需要精细结构和高稳定性的食品打印。

这篇研究来自维洛尔理工大学（VIT）和维甘大学（Vignan’s Foundation of Science Technology and Research），他们展示了一种由秋葵粉和菠萝蜜粉组成的复合浆料，经过标准化处理后可作为3D打印的可食用墨水。该研究发表在Springer Nature期刊上，评估了材料的性能、微观结构及打印参数，发现含有最高2%秋葵粉的混合物能生产出稳定且具有一致纹理的精细结构。

研究中，菠萝蜜粉与不同浓度的秋葵粉（0到2%重量比）混合，并与蒸馏水按照5:2的粉水比例调配。浆料使用面团机加工，并在冷藏条件下储存，直到进行测试。研究团队使用印度凯拉拉州Insta 3D公司生产的Foodie Bot 3D打印机，测试了不同喷嘴高度（5到20毫米）和喷嘴直径（0.8、1.5和2.0毫米）。在喷嘴速度为22毫米/秒、挤出率为0.003立方米/秒、喷嘴高度与直径比为1:1.25时，打印精度最高，材料的变形最小，层层之间的均匀性最佳。

在流变学分析中，发现该浆料表现出类塑性行为，即随着剪切速率的增加，粘度下降。这种剪切变稀特性使得该材料在挤出过程中能够轻松流动，同时在沉积后保持原形。储能模量（storage modulus）在整个线性粘弹性区域内大于损耗模量（loss modulus），证明了该材料具备类似凝胶的特性。当秋葵粉浓度增加时，储能模量与损耗模量之比（即tanδ）下降，表明浆料内部分子间的结合力增强。

在纹理分析中，随着秋葵粉含量的增加，凝胶强度几乎翻倍，表明分子之间的膨胀和交联效应增强。秋葵粉浓度的提高还增加了水分保持能力，这是由于多糖分子结合更多水分，增强了电静力相互作用。这些改进使得凝胶更加坚硬，能够支撑多层打印结构。通过使用ANOVA和邓肯多重比较检验，统计分析证明了这些变化在p < 0.05的显著性水平下是有效的。

低频核磁共振（NMR）用于评估浆料中的水分分布。研究发现，样品在四个不同的弛豫峰值（0.5-1.1毫秒T2A，6-10毫秒T2B，40-250毫秒T2C，700-1000毫秒T2D）处表现出不同的水分类型，包括结合水、自由水、固定水和流动水。T2B和T2D峰值变化较小，而T2A和T2C的数值随着秋葵粉浓度的增加而增大，表明水分分子在更高浓度下的结合力增强，改善了质地。

扫描电子显微镜（SEM）进一步揭示了材料的结构。没有秋葵粉的对照样品展示了不规则的孔隙分布和不同的孔隙大小。而随着秋葵粉浓度的增加，孔隙变小且分布更为均匀，形成了更细密的粒子网络。这些结构改进增强了打印过程中的稳定性，改善了层与层之间的粘接性和形状保持能力。

在纹理分析中，硬度、弹性、内聚力和韧性被测量。硬度表示变形所需的力，弹性表示恢复形状的能力，内聚力反映了内部附着力，韧性则表示将半固态结构转变为稳定所需的能量。秋葵粉的添加不断改善了这些性能，使打印出的样品能够抵抗外力而保持结构完整性。研究人员认为，这一性能的提升源于淀粉和蛋白质分子在基质中的分布更为均匀。

喷嘴高度被确定为影响打印质量的关键参数。喷嘴高度与直径的比例为1.25时，打印效果最佳，而较高的比例导致精度下降，较低的比例则可能导致喷嘴堵塞或不均匀挤出。1.5毫米直径的喷嘴提供了分辨率和可靠性之间的最佳平衡。较小的喷嘴能打印更精细的细节，但容易发生堵塞，而较大的喷嘴则降低了精度。

挤出率和喷嘴速度也影响打印结果。超过标准22毫米/秒的喷嘴速度导致挤出材料被拖拽，而速度过慢则导致沉积不均匀。挤出率超过0.004立方米/秒时，浆料扩展速度超过固化速度，导致层间失真。而低于0.002立方米/秒的挤出率则会导致流动不稳定。保持在0.003立方米/秒的挤出率能够确保材料平稳、连续地沉积。

研究结果表明，含2.5克秋葵粉的每100克菠萝蜜粉复合材料具有最适合3D打印食品的特性。增强的凝胶强度、增加的水分保持能力和细化的微观结构都提高了打印模型的稳定性和分辨率。优化的打印条件进一步支持了结果的一致性。