基于薯类淀粉的3D打印材料的制备方法与流程

本发明涉及3D打印食品加工技术领域，具体涉及一种基于薯类淀粉的3D打印材料的制备方法。

背景技术：

三维快速成型打印，简称3D打印，是指利用计算机软件设计3D模型，通过3D打印机逐层增加材料来制造三维产品的技术。3D打印材料是3D打印的物质基础，材料的发展决定着3D打印的应用前景。目前应用广泛的3D打印材料主要是塑料、金属、陶瓷、树脂、石膏、人造骨粉、细胞生物原料等。

近年来，3D打印技术在食品领域也有一定的发展，但食品类3D打印材料却较匮乏。主要原因在于食品原料独特的原料特性导致其造型难，3D打印后需满足直接食用或可进一步加工的要求高，加工后造型的持久性能差等等。增稠剂、乳化剂、凝固剂、粘结剂等改善组织结构的添加剂可以改变3D打印原料的结构、质构和流变学特性，其添加不被消费者认可和接受。目前，较成熟的食品类3D打印材料主要是巧克力粉，糖粉或面团等原料。食品类3D打印材料的缺乏成为制约3D打印技术在食品领域快速发展的瓶颈。因此，开发食品类3D打印材料变得越来越迫切。

薯类淀粉作为3D打印材料目前已有报道，但该方法在技术、配料、加工及应用领域等方面存在着诸多问题。一是配方组分多，加工操作复杂；二是打印物造型持久性能差，精度低，机械强度低，不能支撑多层打印；三是后续加工手段单一，且加工中物质营养、品质损失大，变形严重。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于薯类淀粉的3D打印材料的制备方法，该3D打印材料组成简单，制备方法简单，打印出的产品成型好，造型逼真，层叠界限不明显，熔合好，适合于食品的各种后续加工。

本发明所述的基于薯类淀粉的3D打印材料的制备方法是，该材料由薯类淀粉、蛋白、水、黄油经混料、糊化、揉制、3D打印成型；其中，各组分的重量百分比为：薯类淀粉23～61％，黄油4～12％，蛋白0.5～8％，水26.4～65％。

其中：

所述薯类淀粉包括马铃薯淀粉、红薯淀粉、木薯淀粉、地瓜淀粉、芋头淀粉或魔芋淀粉中的一种或多种。

所述蛋白为豌豆蛋白或大豆蛋白中的一种或多种。

所述黄油为无盐黄油。

所述3D打印材料外加包括着色剂、染色剂、滋味剂、调味剂、赋香剂或增香剂中的一种或多种，添加比例为本领域技术人员的公知常识。

所述的基于薯类淀粉的3D打印材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按配方量准备原料；

(2)将黄油加热，熔化，备用；

(3)将薯类淀粉与蛋白充分混匀；

(4)将水加入步骤(3)所述的薯类淀粉与蛋白的混合料中，进行糊化；

(5)将步骤(2)的黄油加入到步骤(4)糊化后的混合料中，水浴加热；

(6)搅拌均匀，将其揉制成团，3D打印成型。

其中：

步骤(4)中，糊化温度为56～83℃。

步骤(5)中，水浴加热温度为56～83℃。

打印时，优选采用打印橡皮泥类型物料的3D打印机，也可以采用普通食品类3D打印机。

打印成型的打印物直接使用或经后续加工后食用。打印物包括食材模型、道具、教具、沙盘或食品配料等材料；后续加工包括蒸煮、烘焙、煎炸、烘烤方法等中的一种或多种。

本发明所述的基于薯类淀粉的3D打印材料的制备方法是，将水加入充分混匀的薯类淀粉与蛋白中，水浴加热下充分搅拌，待混合料糊化完全时，加入熔化好的黄油，搅拌均匀后将其揉制成团，得到的物料即可用于3D打印机打印，亦可打印后进行食品加工。另外，揉制成团后，团内无颗粒状物质存在。

本发明所述的蛋白可降低糊化后薯类淀粉的粘附性，使材料在打印过程中不会粘附在打印机喷头内，保持打印机喷头的清洁，黄油可以增加3D打印材料的润滑性，使打印过程更加顺畅，同时赋予打印物良好的气味和风味。此外，更重要的是，在薯类淀粉糊化时，蛋白和薯类淀粉糊化产生的小分子淀粉发生交联作用，形成具有较好弹性、可塑性的力学性能优良的凝胶，此凝胶与黄油结合发生交互作用，即凝胶附着在黄油的海绵状结构上，形成弹性高、韧性大、可塑性强、机械强度大的网状支撑小分子的材料，协同形成满足3D打印要求和后续食品加工方法要求的打印材料。

本发明的有益效果如下：

本发明组分种类少，协同效果好，成本低，加工方法简便，易操作，无需特殊设备，操作环境友好、无污染；同时，本发明避免了增稠剂、乳化剂等改变食品结构的添加剂的使用，保证了材料的安全和人体的健康。

本发明打印物成型好，造型逼真，层叠界限不明显，熔合好，适合于食品的各种后续加工。本发明作为3D打印机原料，可打印任何造型的食材或模型、道具、沙盘等，打印物也可以继续蒸煮、烘焙、煎炸等加工，拓展了橡皮泥3D打印机的应用范围。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的基于马铃薯淀粉的3D打印材料的性能测试图。

图2是本发明实施例1中马铃薯淀粉糊化前后的扫描电镜图。

图3是本发明实施例1制备的打印物。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

一、以质量百分含量计，各组分按照如下配比：马铃薯淀粉45％，豌豆蛋白1％，水45％，黄油9％。

二、制备方法：

(1)按以上比例称取马铃薯淀粉、豌豆蛋白、水、黄油；

(2)将黄油加热，熔化，备用；

(3)将马铃薯淀粉与蛋白充分混匀；

(4)将67℃的水加入到步骤(3)的马铃薯淀粉与豌豆蛋白的混合料中，于67℃下进行糊化；

(5)将步骤(2)的黄油加入到步骤(4)糊化后的混合料中，67℃水浴加热；

(6)搅拌均匀，将其揉制成团，3D打印成型为打印物。

三、应用：

打印成型的打印物直接使用或经后续加工后食用。打印物包括食材模型、道具、教具、沙盘或食品配料；后续加工包括蒸煮、烘焙、煎炸、烘烤方法中的一种或多种。

四、性能测试：

硬度：水为常温(25℃)时，淀粉吸收有限的水分，淀粉颗粒的体积只发生有限的膨胀，结晶结构没有受到影响，整体较散，硬度较低，不适合3D打印。水为67℃时，达到淀粉糊化温度，淀粉颗粒迅速吸水膨胀，体积突然增加，粘度上升，糊化淀粉以自身很强的黏性参与成团，硬度提高，适合3D打印。水为100℃时，硬度最大，但可塑性最差。67℃加入豌豆蛋白，对硬度并没有什么影响，但却可以增加营养成分。

酥脆性：67℃时，淀粉充分糊化，内聚力增强，材料抗破碎能力提升，挤压出丝时不容易挤散。100℃时，虽然面团的抗破碎能力增强，但是其硬度已经超出可打印范围，可塑性太差，所以不适合3D打印。

粘附性和内聚性：25℃时，粘附性>内聚性，材料会粘附在打印机喷头上，不易3D打印。67℃时，内聚性>粘附性，材料不会粘附在打印机喷头内，容易3D打印，可保持打印机喷头洁净。67℃时，粘度适合3D打印，既不会因为太粘而粘在喷头上，又可以很好的堆叠成型。67℃时加豌豆蛋白使其粘附性降低到更适合挤压出丝的程度。

剪切力：水为常温(25℃)时，淀粉吸收有限的水分，淀粉颗粒的体积只发生有限的膨胀，结晶结构没有受到影响，整体较散，抗剪切能力较弱。水为67℃时，达到淀粉糊化温度，淀粉颗粒迅速吸水膨胀，体积突然增加，粘度上升，糊化淀粉以自身很强的黏性参与成团，抗剪切能力提高。水为100℃时，抗剪切力最强，但可塑性最差。

硬度、酥脆性、粘附性和内聚性、剪切力数据具体见图1。

扫描电镜：马铃薯淀粉颗粒是表面光滑、两端没有明显差异的椭球体，而经糊化后的马铃薯淀粉颗粒表面显得粗糙，且淀粉颗粒之间互相交联，这种交联作用增加了淀粉的成团性和抗破碎能力。图2中的左图是马铃薯淀粉糊化前的扫描电镜图，图2中的右图是马铃薯淀粉糊化后的扫描电镜图。

综上所述，本发明的3D打印材料适合作为3D打印机的原料。

实施例2

一、以质量百分含量计，各组分按照如下配比：地瓜淀粉23％，豌豆蛋白8％，水65％，黄油4％。

二、制备方法：

(1)按以上比例称取地瓜淀粉、豌豆蛋白、水、黄油；

(2)将黄油加热，熔化，备用；

(3)将地瓜淀粉与蛋白充分混匀；

(4)将83℃的水加入到步骤(3)的地瓜淀粉与豌豆蛋白的混合料中，于83℃下进行糊化；

(5)将步骤(2)的黄油加入到步骤(4)糊化后的混合料中，83℃水浴加热；

(6)搅拌均匀，将其揉制成团，3D打印成型为打印物。

三、应用如实施例1。

实施例3

一、以质量百分含量计，各组分按照如下配比：红薯淀粉61％，豌豆蛋白0.6％，水26.4％，黄油12％。

二、制备方法：

(1)按以上比例称取红薯淀粉、豌豆蛋白、水、黄油；

(2)将黄油加热，熔化，备用；

(3)将红薯淀粉与豌豆蛋白充分混匀；

(4)将83℃的水加入到步骤(3)的红薯淀粉与豌豆蛋白的混合料中，于83℃下进行糊化；

(5)将步骤(2)的黄油加入到步骤(4)糊化后的混合料中，83℃水浴加热；

(6)搅拌均匀，将其揉制成团，3D打印成型为打印物。

三、应用如实施例1。

实施例4

一、以质量百分含量计，各组分按照如下配比：木薯淀粉45％，豌豆蛋白4％，水47％，黄油4％。

二、制备方法：

(1)按以上比例称取木薯淀粉、豌豆蛋白、水、黄油；

(2)将黄油加热，熔化，备用；

(3)将木薯淀粉与豌豆蛋白充分混匀；

(4)将75℃的水加入到步骤(3)的木薯淀粉与豌豆蛋白的混合料中，于75℃下进行糊化；

(5)将步骤(2)的黄油加入到步骤(4)糊化后的混合料中，75℃水浴加热；

(6)搅拌均匀，将其揉制成团，3D打印成型为打印物。

三、应用如实施例1。

实施例5

一、以质量百分含量计，各组分按照如下配比：马铃薯淀粉45％，大豆蛋白0.5％，水45％，黄油9.5％；最后外加占上述原料总质量0.2％的胭脂树橙色素。

二、制备方法：

(1)按以上比例称取马铃薯淀粉、大豆蛋白、水、黄油、胭脂树橙色素；

(2)将黄油加热，熔化，备用；

(3)将马铃薯淀粉与大豆蛋白充分混匀；

(4)将胭脂树橙色素溶解于67℃的水中，再将溶解有胭脂树橙色素的水加入到步骤(3)的马铃薯淀粉与大豆蛋白的混合料中，于67℃下进行糊化；

(5)将步骤(2)的黄油加入到步骤(4)糊化后的混合料中，67℃水浴加热；

(6)搅拌均匀，将其揉制成团，3D打印成型为打印物。

三、应用如实施例1。

实施例6

一、以质量百分含量计，各组分按照如下配比：马铃薯淀粉45％，豌豆蛋白1％，水45％，黄油9％，最后外加占上述原料总质量0.3％的柠檬香精。

二、制备方法：

(1)按以上比例称取马铃薯淀粉、豌豆蛋白、水、黄油、柠檬香精；

(2)将黄油加热，熔化，备用；

(3)将马铃薯淀粉与豌豆蛋白充分混匀；

(4)将柠檬香精溶解于67℃的水中，再将溶解有柠檬香精的水加入到步骤(3)的马铃薯淀粉与豌豆蛋白的混合料中，于67℃下进行糊化；

(5)将步骤(2)的黄油加入到步骤(4)糊化后的混合料中，67℃水浴加热；

(6)搅拌均匀，将其揉制成团，3D打印成型为打印物。

三、应用如实施例1。