食品材料體系4D智能打印技術(shù)研究

隨著3D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，4D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。4D打印的關(guān)鍵技術(shù)包括4D打印機(jī)制、打印機(jī)和軟件設(shè)計(jì)(或數(shù)學(xué)建模)等。相較于3D打印，4D打印主要采用智能材料，并在3D打印實(shí)現(xiàn)智能靜態(tài)結(jié)構(gòu)后，通過外界刺激，實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)結(jié)構(gòu)向動態(tài)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。外界刺激是用來觸發(fā)4D打印結(jié)構(gòu)發(fā)生形狀、特性、功能變化的外在應(yīng)力，刺激形成用于驅(qū)動過程，將材料的狀態(tài)驅(qū)動到預(yù)定配置，刺激包括水、熱、光、p H、化學(xué)或溶劑、聲音、離子強(qiáng)度、電壓、磁場或其組合，刺激的選擇取決于應(yīng)用的具體要求，不同的材料需要不同的外界刺激，同一種材料也可對多種刺激產(chǎn)生響應(yīng)。4D打印可以制造具有形狀、特性或功能可調(diào)節(jié)的動態(tài)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)自組裝、多功能和自我修復(fù)。

4D食品打印技術(shù)主要基于大豆分離蛋白、淀粉和水凝膠等，通過重組食品材料的材料特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空間布置來實(shí)現(xiàn)，引起3D打印產(chǎn)品變化的刺激因素主要包括pH值、吸水率、微波和溫度等，導(dǎo)致產(chǎn)品變形、顏色、風(fēng)味和營養(yǎng)價(jià)值發(fā)生改變。近年來，在食品加工技術(shù)領(lǐng)域，以江南大學(xué)張慜教授團(tuán)隊(duì)為首的科研人員為了實(shí)現(xiàn)食品材料4D打印，對擠出打印機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并開發(fā)相應(yīng)的軟件，從不同食品材料的重組和4D食品打色改變顏色、形狀、風(fēng)味和營養(yǎng)的原因等方面進(jìn)行了有益的嘗試。Shi Yameng等（2022）研究了微波誘導(dǎo)紫薯泥和油凝膠在4D打印中的自發(fā)變形。其利用微波熱作為外部熱刺激，制造出自動改變形狀特征的4D食品打印產(chǎn)品。采用不同固液比的油凝膠和紫薯泥進(jìn)行雙噴嘴打印。分析了油凝膠與不同配方紫薯泥的流變性能、介電性能、水分分布和楊氏模量的差異，并對紫薯泥的可印刷性和微波處理變形的原因進(jìn)行了表征。以彎曲角度和模型高度作為變形的主要參數(shù)分析了微波時(shí)間和功率對變形的影響。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，微波功率和時(shí)間與模型彎曲角度呈線性關(guān)系，為食品4D打印的自發(fā)變形提供了新的思路。Chen Chen（2021）探討了利用微波刺激3D打印姜黃素藕片凝膠變色的可行性。其制備姜黃素乳液，加入藕粉凝膠中進(jìn)行3D打印。微波產(chǎn)生的熱量使姜黃素暴露在堿性環(huán)境中。黃變紅是通過姜黃素的脫質(zhì)子作用實(shí)現(xiàn)的。測量了微波處理前后印刷樣品的顏色變化，分析了乳液添加量和微波處理時(shí)間對其的影響。Chang He（2022）研究了4D打印可自發(fā)變色的土豆泥/紫色甘薯泥。通過使用雙擠出打印機(jī)，采用富含花青素的紫色甘薯泥和土豆泥，實(shí)現(xiàn)4D即食食品的自發(fā)顏色變化。中國專利CN202010387087.8公開了一種利用微波誘導(dǎo)的4D打印機(jī)及其應(yīng)用，位于4D打印平臺上的微波倉主要由微波屏蔽材料構(gòu)成的微波防漏倉和置于平臺下部的微波場發(fā)生裝置構(gòu)成。其中，微波防漏倉可隨打印機(jī)噴頭移動，并通過軟性防微波泄露材料連接。微波固態(tài)源產(chǎn)生的微波能通過同軸電纜傳輸至置于微波防漏倉側(cè)面的旋轉(zhuǎn)天線涂布微波能量。微波功率可調(diào)節(jié)，物件溫度可控。打印的物件可受微波倉內(nèi)的微波場誘導(dǎo)，在打印過程中發(fā)生實(shí)時(shí)4D自發(fā)變化。同時(shí)，建立4D自發(fā)變化的預(yù)測模型以實(shí)現(xiàn)可控變化。該打印機(jī)可用于微波誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)食品色、香、形自發(fā)變化的4D打印，精度能夠達(dá)到預(yù)測模型的90%～95%。CN202010318602.7公開了一種利用微波誘導(dǎo)自發(fā)形變實(shí)現(xiàn)4D打印藝術(shù)冷盤的方法。首先將果葡糖漿、水、馬鈴薯全粉、馬鈴薯淀粉、食品膠體混合均勻后，對其分別進(jìn)行均質(zhì)、蒸煮、冷卻、裝料，隨后選定3D打印模型和對應(yīng)的3D打印參數(shù)在食品級PA/PE墊紙上進(jìn)行3D打印，根據(jù)打印樣品形狀對墊紙進(jìn)行適當(dāng)裁剪得到馬鈴薯泥/紙雙層結(jié)構(gòu)。對打印樣品進(jìn)行微波誘導(dǎo)，樣品將垂直于打印路徑自發(fā)彎曲變形，在3D打印的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了第四維度的變化。CN201910420994.5提供一種利用藍(lán)莓花青素自發(fā)變色實(shí)現(xiàn)彩色果凍4D打印的方法，分別將兩份原料充分混合，對其分別進(jìn)行調(diào)配、均質(zhì)、凝膠化、冷卻、裝料、脫氣，隨后使用雙噴頭打印機(jī)根據(jù)建立好的3D打印模型進(jìn)行多物料的載色層和控色層逐層交替的3D打印。打印完成的載色層果凍的顏色將從紫紅色在2 min內(nèi)根據(jù)接觸的變色層的pH值分別變化為：紅色；紫色；藍(lán)色。在3D打印的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)第四維度的變化。經(jīng)這種方法打印出的食品具有更豐富的視覺效果，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個性化、多元化制作。

4D打印術(shù)體現(xiàn)了新材料、新工藝、新技術(shù)、新性能和新應(yīng)用的新方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前4D食品打印還處于研究階段，需要科研人員從研發(fā)高精度3D打印機(jī)、開發(fā)多功能特性智能打印材料、開發(fā)4D打印仿真軟件，加大研究外界激勵機(jī)制等,進(jìn)行多學(xué)科交叉融合，才能具有更長遠(yuǎn)的發(fā)展。