一种基于马铃薯淀粉的3D打印食品材料及其制备方法与流程

本发明属于食品3D加工打印技术领域，具体涉及一种基于马铃薯淀粉的3D打印食品材料及其制备方法。

背景技术：

3D打印是迅猛发展的快速成型技术催生而出的一项新兴加工技术，其可将金属、塑料、橡胶、石膏等材料通过熔融挤出、粉末烧结、光敏反应等途径制造出预先设定的形状。由于该技术能将复杂的加工工艺进行模型化、数字化操作，具有精度高、速度快、成本低等优势，因此被认为是推动工业4.0变革的重要技术手段。虽然3D打印技术首先在生物器官、汽车制造、房屋建造、设备加工等方面取得了突破进展，但是在食品制造领域也已崭露头角。利用3D打印加工食品原料，除可较容易的制得一些形状复杂的食品外，也可作为特需食品的高效加工手段得到推广。

目前城市消费者对食品的关注主要集中在营养、口味、外观和方便性等方面。而我国居民的膳食营养结构不平衡是影响国民健康的重要因素。将3D打印技术引入营养健康食品加工领域，采用多品种的原料混合复配，使蛋白、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质及其他功能因子等营养素成分按照需求比例加以平衡，在满足原料3D加工适宜性的前提下，打印成为营养均衡、美味可口、外观优美、方便食用的新型食品，实现对团体人群或个性化精准营养的配餐供应，应用前景十分广阔。

近年来3D打印技术在食品方面的应用鲜有报道，究其原因在于食品原料性质无法满足3D打印所需的机械性能。食品原料大多存在机械强度较低，含水量高，加工后产品保存困难等不足。目前食品3D打印材料主要采用巧克力、糖粉、面团等物质，如何通过添加不同的食品原料，以取得较好的产品感官性质和机械强度，对推动食品3D打印产业具有重大意义。

以淀粉为基材，通过添加其他各种食品原料及食用添加剂，是目前一大研究方向。但现有的淀粉基配方存在着配方复杂、加工难度大及产品精度低、机械性能低、口感差及保存性差等缺陷，难以满足消费者挑剔的审美及食用需求。

技术实现要素：

解决的技术问题：本发明的目的是解决现有食品3D打印材料机械性能不足、保存性不好的技术问题，提供一种基于马铃薯淀粉的3D打印食品材料。

技术方案：一种基于马铃薯淀粉的3D打印食品材料，原料以质量百分比计包括：马铃薯淀粉25-30%，蛋白质5-8%，水50-60%，黄油5-7%，多糖3-5%，无机盐0.3-0.5%；所有原料的质量百分比之和为100%。

进一步地，所述马铃薯淀粉是采用甘肃定西马铃薯制成。

进一步地，所述甘肃定西马铃薯中水分含量占马铃薯鲜重80%，淀粉含量占马铃薯鲜重17%。

进一步地，所述蛋白质为大豆分离蛋白。

进一步地，所述黄油为人造无盐黄油。

进一步地，所述多糖为羧甲基纤维素钠和壳聚糖的混合物。

进一步地，所述羧甲基纤维素钠和壳聚糖的重量比为5：1。

进一步地，所述无机盐为碳酸钙。

进一步地，所述基于马铃薯淀粉的3D打印食品材料的原料还包括着色剂、增香剂、甜味剂、酸度调节剂中的一种或多种。

上述基于马铃薯淀粉的3D打印食品材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，称取原料；

步骤2，将马铃薯淀粉和水混合均匀，水的用量为总水量的80%；

步骤3，在酸性pH条件下加水搅拌壳聚糖，直至完全溶解，再加入羧甲基纤维素，水的用量为总水量的20%；

步骤4，将黄油、蛋白质和无机盐混合并加热；

步骤5，将步骤2、步骤3和步骤4所得到的物料混合并加热，最终使得淀粉完全糊化并混合均匀。

本发明采用的马铃薯淀粉是用甘肃定西马铃薯制成，所选品种为陇薯3号，含水量在81.4%。本发明以马铃薯淀粉为基材，加入大豆分离蛋白可以降低淀粉的附着性，减少黏壁情况发生；黄油可以提高产品润滑性和机械强度；羧甲基纤维素钠与壳聚糖能够粘合物料中各组分，使打印出的产品拥有较好的弹性和光滑的表明。此外，羧甲基纤维素钠和壳聚糖组成的混合多糖与蛋白质能够形成交联，所得到的交联物在钙离子存在的条件下能显著提高产品机械强度。

有益效果：1. 3D打印材料机械强度得到较大提高，可以加工一些比较复杂的造型，壳聚糖的加入除增加物料机械强度外还有抗菌的效果，操作过程中无需额外添加对人体健康不利的防腐剂及食品添加剂。保证了产品的安全性。

2. 打印制得的产品表面光滑，层次性好，可以加工一些形状较为复杂的产品，且可以作为后续加工的食品原料。拓宽了食品3D打印的应用范围，提高了打印精度，延长了食品保存时间。

附图说明

图1为实施例1的3D打印食品材料的SEM照片；

图2为实施例1的3D打印食品材料经3D打印得到的成品照片；

图3为实施例2的3D打印食品材料的SEM照片；

图4为实施例2的3D打印食品材料经3D打印得到的成品照片。

具体实施方式

下面结合具体实施示例及对比例，对本发明实施方法做进一步的说明：

实例1

一、配方

以质量百分数计，本试验所使用物料配方为马铃薯淀粉25%、大豆分离蛋白5%、水60%、人造无盐黄油5%、多糖4.7%、碳酸钙0.3%。

羧甲基纤维素钠和壳聚糖的重量比为5：1。

二、制备方法

1.按照配方称取各种物料；

2. 将水和马铃薯淀粉混合均匀后待用；

3. 在pH=3条件下搅拌壳聚糖，直至完全溶解，然后溶液与羧甲基纤维素混合并加热至70℃并保温待用；

4. 将黄油、大豆分离蛋白和碳酸钙混合并加热至70℃并保温待用；

5. 将步骤2、3、4所述的物料混匀并在70℃下保温，最终使得淀粉完全糊化并所有物料混合均匀。注意加热过程应不停搅拌，搅拌速度以溶液不起泡为界限。

三、应用

将所得物料加入3D打印机的打印仓内，设置温度与淀粉糊化温度一致（67℃），设定打印速度为30 mm/s，喷嘴内径为0.70 mm，选择所需模型进行食材打印，打印产品利用冷风快速降温至25℃。

所得产品可以直接食用，也可以做后续加工。

四、性能测试

1.性能：按照此步骤加工的食品原料，经过冷却处理后能维持一定的机械强度。这与其中的人造黄油含量、羧甲基纤维素钠及淀粉含量有关。在水含量较高的情况下（60%），物料机械强度相对较弱，但是挤出更加容易。产品弹性好且能长期维持柔软的触感。物料分层不明显，表明光滑，如图2所示，产品色泽洁白，表面光滑，可以直接食用也可用于后续加工。

2. 微观结构：如图1所示，物料中各组分发生了交联，形成完整的胶状物质，经冷却后能维持较高的机械强度。显微结构表明物料表面光滑，无突出物及颗粒物。

3. 打印难度：由于配方中较高的含水率使得挤出过程非常流畅，挤出物流动性较强，可以考虑适当增加打印速度。物料仓内壁物黏着，喷嘴无堵塞。

综上所述：本实施得到的3D打印食品材料适合结构较简单的快速3D打印操作。

实例2

一、以质量百分数计，本试验所使用物料配方为：马铃薯淀粉30%、大豆分离蛋白8%、水50%、人造无盐黄油7%、多糖4.5%、碳酸钙0.5%。

羧甲基纤维素钠和壳聚糖的重量比为5：1。

二、制备方法

1.按照配方称取各种物料；

2. 将水和马铃薯淀粉混合均匀后待用；

3. 在pH=3条件下搅拌壳聚糖，直至完全溶解，然后溶液与羧甲基纤维素混合并加热至70℃并保温待用；

4. 将黄油、大豆分离蛋白和碳酸钙混合并加热至70℃并保温待用；

5. 将步骤2、3、4所述的物料混匀并在70℃下保温，最终使得淀粉完全糊化并所有物料混合均匀。注意加热过程应不停搅拌，搅拌速度以溶液不起泡为界限。

三、应用

将所得物料加入3D打印机的打印仓内，设置温度与淀粉糊化温度一致（67℃），设定打印速度为30 mm/s，喷嘴内径为0.70 mm，选择所需模型进行食材打印，打印产品利用冷风快速降温至25℃。

所得产品可以直接食用，也可以做后续加工。

四、性能测试

1.性能：按照此步骤加工的食品原料，由于干物质含量较高，经过冷却处理后能维持较高的机械强度。这与其中的人造黄油含量、羧甲基纤维素钠及淀粉含量有关。此操作参数下物料可以维持较为复杂的性状，产品有一定硬度，不易塌陷，但是淀粉容易失水，使得物料发生皱缩物。产品强度较大。物料分层不明显，表明光滑。如图4所示，由于较好的机械强度使得可以打印结构较复杂的样品，然而打印时间延长，打印难度增大。

2. 微观结构：如图3所示，物料中各组分发生了交联，形成完整的凝胶状物质，由于干物质含量较高使得微观结构表面不如实例1光滑。

3. 打印难度：挤出过程较顺畅，挤出物流动性一般，物料保持较高的机械强度，可以堆叠为较复杂的形状。物料仓内壁物黏着，喷嘴无堵塞。

综上所述：本实施得到的3D打印食品材料适合结构较复杂的3D打印操作。