江南大學(xué)張慜教授團(tuán)隊(duì)：微波誘導(dǎo)果蔬淀粉基漿料4D打印的形狀、顏色和香味的同時(shí)變化

來源：食研私享


2022年4月4日，江南大學(xué)張慜教授團(tuán)隊(duì)在國際期刊Food Research International(中科院一區(qū)；IF: 6.475)上在線發(fā)表了題為“Investigation on Simultaneous Change of Deformation, Color and Aroma of 4D Printed Starch-based Pastes from Fruit and Vegetable as Induced by Microwave(微波誘導(dǎo)果蔬淀粉基漿料4D打印的形狀、顏色和香味的同時(shí)變化)”的研究性論文。郭超凡為第一作者，張慜教授為通訊作者。該研究旨在開發(fā)一種可由家用微波爐觸發(fā)4D打印的家庭烹飪方法，以此為3D打印技術(shù)在家庭烹飪中的普及提供新思路。

常規(guī)的3D打印技術(shù)由于需要一個(gè)能夠形成更多層的支撐層而存在很大的局限性。因此，缺乏這種層的結(jié)構(gòu)即使設(shè)計(jì)出來，也不可能被打印出來。為此，該文提出了一種允許將簡單3D打印物體4D變形為復(fù)雜懸空結(jié)構(gòu)的新方法，其利用微波輻射用于誘導(dǎo)所需的定向變形。該研究以黃桃-蕎麥漿料為油墨材料，研究了模型結(jié)構(gòu)和微波功率對(duì)定向4D變形行為的影響。然后，采用有限元模擬方法研究了微波輻射對(duì)打印物體的影響。

實(shí)驗(yàn)和模擬表明，微波(200W)產(chǎn)生的局部高溫在熱點(diǎn)處引起定向微膨脹，形成驅(qū)動(dòng)力，使3D打印物體在90s內(nèi)迅速發(fā)生4D變形。驗(yàn)證試驗(yàn)也證明了膨脹是驅(qū)動(dòng)4D變形的主要因素。該策略可與變色、變味微膠囊相結(jié)合，在家用微波爐(700W)上實(shí)現(xiàn)15s內(nèi)變形、變色、變香的同步4D打印過程。該研究提供的一種新的4D打印方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)與消費(fèi)者互動(dòng)，可應(yīng)用于兒童食品。

圖1. (a)不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特征的3D打印模型、物體、微波形變效果和紅外熱成像；(b)設(shè)計(jì)的4D打印形變示意圖。


圖2. 單瓣3D打印樣品用不同微波功率處理后的(a)變形特性、(b)彎曲角度和(c)溫度分布。


圖3. 四瓣3D打印樣品經(jīng)不同微波功率處理后的(a)預(yù)變形和(b)彎曲角。


圖4. 微波加熱(200 W，30s)后打印物體紅外熱圖的(a)側(cè)視圖和(b)俯視圖；
計(jì)算機(jī)模擬得到的印刷物體(c)表面溫度分布圖、(d)截面溫度分區(qū)分布圖、(e)截面電場(chǎng)分布圖和(f)截面體積應(yīng)變分布圖；(g)4D變形機(jī)制圖。


圖5. 單瓣印刷樣品用(a)50℃、(b)105℃對(duì)流熱風(fēng)處理后的變形特性。


圖6. (a)單瓣和四瓣多孔基底結(jié)構(gòu)花瓣切片模型及打印物體數(shù)字圖像；(b)200w微波加熱后印刷樣品變形特性。


圖7. 通過3D打印直接打印和4D打印通過家用微波(700 W)加熱間接打印的懸空結(jié)構(gòu)示意圖。


圖8. (a)未添加(對(duì)照)和添加5%微膠囊的黃桃-蕎麥凝膠在微波(700W)誘導(dǎo)下的4D變形和變色特性的數(shù)字圖像及(b)其L*，a*，b*值；(c)添加5%微膠囊的黃桃-蕎麥凝膠在不同微波(700 W)加熱時(shí)間下的電子鼻信號(hào)值。

關(guān)于張慜

張慜 教授
江南大學(xué)食品學(xué)院

張慜，江南大學(xué)二級(jí)教授、至善特聘教授，江蘇省“生鮮食品智能加工與品質(zhì)監(jiān)控”國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任，入選國家百千萬人才，享受國務(wù)院特殊津貼。長期從事生鮮食品加工/保鮮高新技術(shù)研究，近十年來在食品高效加工新技術(shù)領(lǐng)域有開創(chuàng)性的研究，培養(yǎng)畢業(yè)研究生/博士后近200名。2007年起先后擔(dān)任Journal of Food Engineering、Drying Technology、International Agrophysics、Foods等SCI刊物的編委/副主編。并兼任瑞典國際科學(xué)基金會(huì)(IFS)科學(xué)顧問、澳大利亞昆士蘭大學(xué)食品科學(xué)榮譽(yù)教授。近20年主持十三五國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目1項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目6項(xiàng)、十二五/十一五國家863課題2項(xiàng)以及產(chǎn)學(xué)研重點(diǎn)項(xiàng)目30余項(xiàng)；獲國內(nèi)外發(fā)明專利授權(quán)230余項(xiàng)，榮獲江蘇省“十大杰出專利發(fā)明人獎(jiǎng)”(2012年）和江蘇省專利發(fā)明人獎(jiǎng)（2020年）；以通訊作者發(fā)表SCI論文590余篇，被引總數(shù)超過1.3萬次，H-index數(shù)為70，入選ELSIVER“中國高被引學(xué)者”榜單（2014-至今）和Clarivate全球“高被引科學(xué)家”榜單（2021年）。主持的研究成果獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、江蘇省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國商業(yè)聯(lián)合會(huì)科技獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)、中國輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等科技獎(jiǎng)勵(lì)。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.foodres.2022.111214