基于挤出成型的食材3D打印工艺研究

摘要

三维打印作为增材制造技术具有灵活性高、造型能力强等特点。在食品制造领域，三维打印不仅能赋予食品新颖的造型，还可以实现多种食材的混合打印，因此在食品零售、食品营养领域均有广阔的应用前景。但目前打印精度较高的食品打印机使用的材料均局限于巧克力、糖等在室温可以冷却固化的材料，对面粉等主食材料只能实现二维打印。此外食品三维打印在食品营养领域的应用范围较小，打印材料多为特制的胶状混合物。本文对基于挤出成型的食材3D打印工艺进行了深入探索，并对其在食品营养领域的拓展应用展开研究。
　　本文的研究目标分为两部分:一是实现主食材料较高精度的三维打印，并提高打印层数，得到良好的三维打印效果;二是扩展食品三维打印在食品营养中的应用。
　　首先结合面粉性质，设计对应的挤出机构和挤出头，完成面粉打印机的搭建。
　　其次是结合挤出理论提出四种打印工艺，在此基础上进行打印工艺的可行性对比实验，以线宽和最大打印层数为标准，最终确定高温糊化面团打印工艺为最优方案。
　　接下来对面粉三维打印工艺进行了深入分析，通过六组单一变量实验，得到打印工艺参数的最佳分布范围，并将之应用到实例打印中，结果证明高温糊化面团打印工艺的精度和沉积成型能达到预设目标。
　　最后以人体必须且易损耗的维生素C为例，对面粉三维打印产品存留营养物质的能力进行探究。将市售辣椒作为对照组，模拟烘烤、水煮、蒸煮的烹调过程，测定含有维生素C的营养面团和辣椒经过烹制后的维生素C损失率，证明面粉三维打印产品具有抑制营养物质流失的能力，具有实际应用价值。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．1．1 3D打印的应用

1．1．2 食品3D打印的优势

1．1．3 课题意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 三维打印方法简介

1．2．2 食品三维打印的研究现状

1．2．3 现有食品三维打印技术的瓶颈

1．2．4 食品三维打印在食品营养领域的研究现状

1．2．5 食品三维打印在食品营养领域的应用难点

1．3 论文主要研究内容与框架

1．3．1 论文主要研究内容

1．3．2 论文架构

1．4 本章小结

第2章 打印机系统

2．1 挤出方式选取

2．1．1 气体辅助挤出

2．1．2 螺杆挤出

2．1．3 活塞挤出

2．2 四种工艺对应挤出系统的设计

2．2．1 面粉-蛋清混合加热打印工艺的挤出机构

2．2．2 其他打印工艺的挤出机构

2．2．3 蛋清-面团混合加热打印工艺的挤出头

2．2．4 蛋清-面团打印后加热工艺和高温糊化面团打印工艺的挤出头

2．2．5 蛋清外壳面团打印工艺的挤出头

2．3 打印机系统总装结构

2．3．1 蛋清-面团和糊化面团打印机

2．3．2 蛋清外壳面团打印机

2．4 本章小结

第3章 面粉的挤出式三维打印工艺可行性探究

3．1 面粉和蛋清的组成和特性

3．1．1 面粉的成分

3．1．2 面团的力学特性

3．2 挤出式打印中材料变形的分布和影响

3．2．1 弹性变形段

3．2．2 弹塑性变形段

3．2．3 挤出胀大段

3．2．4 沉积成型段

3．3 面筋网络和淀粉糊对挤出成型的影响

3．3．1 蛋清的组成和性质

3．4 四种打印工艺的原理

3．4．1 面粉-蛋清混合加热打印

3．4．2 面粉-蛋清混合打印后加热

3．4．3 蛋清外壳面团打印

3．4．4 高温糊化面团打印

3．5 四种打印工艺的可行性验证实验

3．5．1 实验原料与设备

3．5．2 实验方案

3．5．3 实验结果与分析

3．5．4 打印工艺的选取

3．6 本章小结

第4章 面粉的挤出式三维打印工艺研究

4．1 高温糊化面团打印的影响因素分析

4．2 温度对挤出成型的影响

4．3 面粉与水比例影响

4．4 喷嘴直径影响

4．5 挤出头相对平台距离影响

4．6 挤出头相对平台的速度和活塞进给速率影响

4．7 分析总结和实体打印

4．7．1 面团调配参数范围

4．7．2 挤出头参数范围

4．7．3 面团FDM三维打印实例

4．7．4 打印工艺实验总结

4．8 本章小结

第5章 营养面食的三维打印研究

5．1 食品营养和维生素C

5．2 维生素C面团样品的制备

5．2．1 维生素C面团的配制

5．2．2 测试样品的打印

5．3 维生素C损失率测定实验

5．3．1 维生素C测定方法的选定

5．3．2 维生素C测定方案

5．4 烘烤条件下维生素C损失率测定

5．5 水煮条件下维生素C损失率测定

5．6 蒸煮条件下维生素C损失率测定

5．7 结果分析

5．8 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献