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 行業資訊 1479天前
近年來，3D打印機已開始擺脫使用塑料細絲、金屬粉末等打印領域，現在也被用于由可食用材料以及利用全新食材打印產品，比如3D打印肉類、3D打印肯德基、3D打印牛奶甜點等，既有助于利用食用材料，便捷地制作非傳統食品，也能為消費者帶去更健康、更符合其個性化需求的產品。
數字制造（尤其是3D打印）方面的最新進展使得能夠使用塑料、金屬和其他原材料自由地制造3D結構和設備。迄今為止，3D打印結構已展示了廣泛的應用，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，3D打印對巧克力行業產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打印為行業帶來創意和創新。據了解，大多數巧克力3D打印機都使用CAD文件，就像普通的3D打印機一樣。巧克力3D打印機通過擠出機頭移動并鋪設熔化的巧克力，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打印機目前還不適合大規模生產，其主要問題是溫度。巧克力須加熱到足以融化，同時須冷卻和干燥以保持其形狀。溫度不適宜的話，導致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，這是由于溫度造成的。來自新加坡科技與設計大學(STDU)的研究人員首次使用直接墨水書寫(DIW)3D打印機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養成分的食品，原則上可以根據生物特征和基因組信息對營養進行優化。與其他3D打印技術類似，3D食品打印依賴于基于CAD數據和2D層順序沉積的逐層制造。可以通過食物的基本成分（如碳水化合物，蛋白質和脂肪）的協調組合來定制食物油墨。對于3D食品打印，已經證明了不同的3D打印技術，選擇性激光燒結(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、半固態或固態）通過噴嘴以制造3D對象。共有三種擠出技術：冷、熱熔和凝膠成型擠出。冷擠壓在室溫下進行而沒有相變。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。基于擠出的技術在打印物體的穩定性和自支撐性能方面存在局限性。然而，由于其簡單性，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小固體顆粒，在連續的脂肪相中形成的復合乳狀液，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，因為它可以通過熱熔擠出進行圖案化，并在室溫下變為固體。
在之前的研究人員進行的實驗中，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溫度敏感，因此需要注意溫度。巧克力的熱熔擠出在簡單性和可及性方面具有優勢，而其印刷機制也存在固有的缺點，需要在狹窄的工作溫度范圍內進行控制，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，并且整個打印可以在室溫下進行。但是由于缺乏具有適當流變性的油墨，在2020年之前，沒有對通過冷擠壓的巧克力基材料進行3D建模進行深入研究。
而使用Ci3DP方法，將容易獲得的巧克力產品（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，在靜止時不會流動。
▲巧克力基墨水3D打印（Ci3DP）的概念涉及將液態巧克力產品與食用添加劑混合，并在室溫下通過直接墨水書寫（DIW）3D打印機進行打印。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構。
Ci3DP的簡單性和靈活性為制造復雜的基于巧克力的產品提供了巨大的潛力，而無需進行溫度控制。為進一步證明這種方法的靈活性，通過使用多種類型的墨水，將相同的方法擴展到制造具有不同質地的巧克力。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結構。（c）突出顯示從3D打印外殼流出的液態巧克力糖漿的光學圖像。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地和優化的營養成分。這種新方法還擴展了行業在3D食品打印中的能力，對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
