本發(fā)明涉及一種即食調(diào)理土豆泥3D打印精確成型的調(diào)控方法，涉及食品加工工藝，屬于新型食品加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)、快速成型技術(shù)，是通過計算機建模，以連續(xù)的物理層疊形式來實現(xiàn)生產(chǎn)三維結(jié)構(gòu)物體的技術(shù)。待生產(chǎn)三維產(chǎn)品的模型由CAD軟件或3D掃描儀進行制作。理論上3D打印可以生產(chǎn)出任何形狀及外觀的產(chǎn)品，打印材料可以是金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料。通過事先編制好的程序，控制打印機噴頭的運動來打印成各種三維物體。3D打印技術(shù)可以滿足人類個性化的需求，節(jié)約時間和勞力成本。
將3D打印技術(shù)用于食品領(lǐng)域的研究和應(yīng)用還較少，雖然3D打印用于食品領(lǐng)域可以很好的滿足人們對個性化食物的需求，可以根據(jù)目標(biāo)人群制作不同營養(yǎng)成分的食物，可以擴大食材的范圍，但該項技術(shù)仍然面臨一些技術(shù)難題，如怎樣實現(xiàn)精確化打印、怎樣利用常規(guī)的漿狀物料來打印復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)、怎樣使打印食品在后續(xù)的加工過程中保持形狀等，這些問題的解決將很好的促進打印食品工業(yè)的發(fā)展。
將3D打印技術(shù)應(yīng)用于食品的個性化定制生產(chǎn)方面，可以很好地滿足人們的個性化、娛樂化飲食需求，提高人們的飲食品質(zhì)。土豆泥在世界范圍內(nèi)被廣泛食用，即食土豆泥的精細化3D打印可以為現(xiàn)在單一的土豆泥市場增添活力，可將其作為餐飲冷盤來滿足人們的個性化、高品質(zhì)需求。
魏宏輝等（2015）發(fā)明了一種可食用的3D打印材料及其制備方法（公開號：CN 104938562A），其原料包括主料和輔料，主料包括淀粉40%~60%，水12.5%~13.5%，游離糖4%~6%等，輔料包括甲基纖維素酶，礦物質(zhì)和環(huán)狀寡聚糖等。此3D打印材料主要成分為碳水化合物，是人們補充能量的基礎(chǔ)性食物，但該發(fā)明只是講了3D打印材料的制備，沒有具體講到打印參數(shù)對打印性能和精度的影響。而本發(fā)明在確定最優(yōu)的打印材料之后，也具體確定了最優(yōu)的打印參數(shù)，提高了打印的精確性。
陳海佳等（2015）發(fā)明了一種3D面膜的制備方法（公開號：CN 104940113 A），是在一定的加工操作條件下，根據(jù)人體的面部輪廓特征建立特定的3D打印模型，然后在打印軟件的控制下分層打印面膜液和膠原蛋白凝膠，層層打印直至完成面膜的打印。該工藝沒有經(jīng)過高溫的加工過程，而且在無菌的操作條件下，具有無污染，有效成分保留率高等優(yōu)點，同時可以很好的實現(xiàn)個性化生產(chǎn)，具有很好的利用前景。該發(fā)明主要側(cè)重于非食品行業(yè)的3D打印，與本發(fā)明中的食品領(lǐng)域土豆泥的精細化打印有很大不同。
宣鑫龍等（2015）發(fā)明了一種可以用于3D打印的巧克力原料的方法（公開號：CN 104996691A），發(fā)明者將幾種不同的原料，如可可脂、白砂糖、脫脂乳粉等，經(jīng)過預(yù)處理、精煉、灌裝和調(diào)溫等操作工序制成一種漿狀的物料，然后采用3D打印的方式將其打印成型。該種配方條件下打印出的巧克力沒有發(fā)白、變花現(xiàn)象，并且可以實現(xiàn)各種形狀的打印。該發(fā)明主要側(cè)重于糖果類市場的個性化打印原料的開發(fā)，這與本發(fā)明主要研究的以常規(guī)土豆泥為基料的即食化餐飲冷盤的打印有很大不同。
李恒等（2014）發(fā)明了一種3D甜品打印加工裝置及相應(yīng)的加工方法（公開號：CN 103734216 A）。發(fā)明者事先選定目標(biāo)模型，然后經(jīng)過一定的步驟將該目標(biāo)形狀轉(zhuǎn)化成一種可用于打印的程序，然后在該程序的控制下打印出目標(biāo)形狀。該發(fā)明可以制造出形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)精巧、外形美觀的個性化甜品，能夠滿足人們的個性化需求；而且加工方法操作簡單，可在三維方向連續(xù)地裱上奶油，有很好的實用性。該發(fā)明主要講到了一種打印裝置和加工方法，而本發(fā)明則主要研究土豆泥的打印工藝及打印參數(shù)對精細化打印的影響，兩者之間存在著明顯的不同。
魏宏輝等（2015）發(fā)明了一種易于存放的3D打印糖果原料及其制法（公開號：CN 104920755 A），發(fā)明者將葡萄糖、纖維素、木糖醇、麥芽糊精等原料混合均勻后采用3D打印的方式制作糖果，生產(chǎn)的糖果形狀多樣，并且便于長時間存放，具有較好的適用性。該發(fā)明主要側(cè)重在糖果原料的開發(fā)上，對打印技術(shù)沒有進行較多的闡述，而本發(fā)明研究的則是一種即食土豆泥的精細化打印技術(shù)。
趙婉藝等（2014）發(fā)明了一種多口味夾心食品的3D打印生產(chǎn)方法（公開號：CN 104365954 A），該發(fā)明是采用3D打印技術(shù)來生產(chǎn)多口味空間夾心結(jié)構(gòu)的食品?？梢源蛴〕霾煌目臻g結(jié)構(gòu)，并且打印時食品基材和夾心材料分別經(jīng)由不同的打印噴頭噴出，并在模型程序的控制下適時按需打印。該發(fā)明對于改變傳統(tǒng)夾心食品夾心單一的缺點具有較大意義，主要講了多噴頭打印條件下的打印性能，這不同于本發(fā)明研究的單噴頭打印條件下土豆泥的精細化打印特性。
黃海瑚等（2015）發(fā)明了一種植脂奶油3D打印方法（公開號：CN 104687222 A）。在該發(fā)明中，冷卻系統(tǒng)可以很好地實現(xiàn)植脂奶油的固定成型。采用超聲波處理可以將植脂奶油分子粉碎細化，以防止混合不均勻而造成的噴頭堵塞現(xiàn)象，從而可以很好地提高3D打印系統(tǒng)的打印效果。該發(fā)明主要研究的是植物奶油的打印，和本發(fā)明所研究的土豆泥的精細化打印具有較大不同。
魏宏輝等（2015）發(fā)明了一種可用于3D打印的糖果漿料及其制備方法（公開號：CN 104938739 A），其中原料中含有的纖維素可以提高糖果貯存的穩(wěn)定性。添加少量的木糖醇可以增加糖果漿料的流動性，便于料口的迅速出料。該發(fā)明主要側(cè)重的是打印材料的闡述，對打印工藝和打印特性該發(fā)明沒有進行較多的說明，而本發(fā)明在確定最適合用于打印的物料之后也具體確定了最優(yōu)的打印參數(shù)，對提高打印的精確性具有很好的作用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種即食調(diào)理土豆泥3D打印精確成型的調(diào)控方法，其在土豆泥中添加一定量的膠體（如果膠、黃原膠等），以改善土豆泥的流變特性和相應(yīng)的打印特性；添加巧克力粉末，借助于其香甜的口感和加熱融化常溫凝固的特點來改善土豆泥的口感和成型特性；通過調(diào)節(jié)不同的打印參數(shù)，如打印距離、噴頭直徑、打印溫度、噴頭移動速度、出料速度等來達到最優(yōu)的打印條件，以使打印物體的精度較高，為其他研究者實現(xiàn)精確打印提供一定的參考。
本發(fā)明的技術(shù)方案，一種即食調(diào)理土豆泥3D打印精確成型的調(diào)控方法，首先將土豆(濕基含水率為78%~80%)進行清洗、去皮、切片后蒸煮20~25min，然后打漿至漿體細膩發(fā)亮。以打漿后的土豆泥為基準(zhǔn)，加入一些食用膠體（果膠、卡拉膠等），混合均勻后蒸煮以使土豆熟化并使膠體充分溶解。冷卻至室溫后加入一定量的白巧克力粉，借助于巧克力的香甜口味以及熱融冷凝的特點賦予土豆泥較好的口感和良好的打印成型特點。為了實現(xiàn)調(diào)理土豆泥的精細化打印，需要對噴頭直徑、打印距離、打印溫度、噴頭移動速度和出料速度進行調(diào)整。最終打印物體的精確度能夠達到95%以上，且在打印后40~60min內(nèi)不塌陷。
具體步驟如下：
（1）土豆前處理：將土豆用大量水清洗干凈、去皮后，切成厚度約為5mm的薄片，然后蒸煮20~25min，以使淀粉充分糊化；
（2）打漿：將蒸煮后的土豆片用打漿機進行打漿5~6min至漿體細膩，用激光粒度儀測定其粒徑在205~245 μm之間，以防止打印時漿體阻塞噴頭，影響打印效果；
（3）添加膠體：以土豆泥為基準(zhǔn)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%~5%的膠體（黃原膠、果膠、卡拉膠等），混合均勻后蒸煮20~30min以使膠體充分溶解，改善土豆泥的流變特性和相應(yīng)的成型特點。食品膠體的添加可以改變物料的粘彈性，使物料既具有一定的粘度又具有較強的機械強度，從而使打印物體既能很好地成型又能維持復(fù)雜的打印結(jié)構(gòu)；
加入一些食品膠體，如黃原膠、果膠、卡拉膠等，以調(diào)節(jié)調(diào)理土豆泥的流變特性，如彈性模量和粘性模量，從而使其既具有良好的成型性又具有較好的形狀保持率；
（4）添加白巧克力粉：將蒸煮過的混合土豆泥冷卻至室溫后，添加其質(zhì)量10%~20%的白巧克力粉。白巧克力粉呈現(xiàn)白色，又具有香甜的口感，因此可以在不影響土豆泥色澤的前提下賦予土豆泥較好的口感。此外，巧克力粉可以在30~36℃會融化，在常溫下又會迅速固化，通過調(diào)節(jié)打印溫度可以使物料擠出后迅速發(fā)生固化，從而使打印物體很好的保持其形狀；
（5）3D打印：
a、噴頭直徑的確定：一般情況下，噴頭直徑越大，出料越容易，越不易出現(xiàn)斷條現(xiàn)象，但由于出料的線條較粗，打印物體表面較為粗糙，打印精確度較差。噴頭直徑越小，出料線條越細，打印物體的表面越為光滑，精確度越高，但噴頭直徑較小時出料困難，容易出現(xiàn)斷條現(xiàn)象。因此試驗中研究了噴頭直徑在0.8 mm、1.5 mm、2.0mm的條件下打印物體的成型特點。在噴頭直徑為1.5mm時既可以很好的保證出料的連續(xù)性，又能實現(xiàn)較為精確地打??；
b、打印距離的確定：噴頭和打印平臺的距離會顯著影響打印的精確性。過高的打印距離會導(dǎo)致擠出的物料條不能夠完全的和打印平臺或已打印部分進行很好的貼合，從而導(dǎo)致一種類似拖拽的效應(yīng)，使打印的精度較差。打印距離過低時噴頭會擠壓已打印物料，使打印物體變形，打印精度大大降低。在最優(yōu)的噴頭直徑1.5mm條件下，研究不同打印距離對打印特性的影響，確定打印距離在2.5~3.5mm 時打印精度能達到95%以上；
c、打印溫度的確定：較高的打印溫度會使融化的巧克力在擠出后不能夠及時凝固，從而影響成型特性；較低的打印溫度不能使巧克力粉融化，又會在一定程度上影響打印特性。經(jīng)過試驗確定合適的打印溫度為30~36℃；
d、噴頭移動速度：噴頭移動速度也會顯著影響打印的精度。當(dāng)移動速度過高時，擠出的物料條在沒有和打印平臺或已打印部分完全貼合前就會隨著噴頭的移動而移動，從而會顯著影響打印的精度。當(dāng)噴頭移動速度較低時，擠出的物料條會發(fā)生扭曲，使打印物體偏寬、偏大，精度較低。經(jīng)過大量實驗確定噴頭移動速度為25~30 mm/s時打印的精度最好；
e、出料速度：物料的擠出速度和噴頭的移動速度要有一個較好的組合。較快的物料擠出速度會導(dǎo)致打印物體比目標(biāo)物體偏寬偏大，較低的出料速度又會導(dǎo)致物料容易出現(xiàn)斷條現(xiàn)象。因此，經(jīng)研究確定最優(yōu)的出料速度為0.003~0.005cm3/s。
噴頭移動速度和物料擠出速度都會顯著影響打印的精確性。合適的物料擠出速度和噴頭移動速度可以使打印的精確性大大提高。
本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明打印物體的精確度能夠達到95%以上，且在打印后40-60min內(nèi)不塌陷。本發(fā)明所用的打印主要材料為日常餐飲用量較大的土豆泥，可作為餐飲冷盤用的甜點、點心等。
具體實施方式
實施例1：添加果膠和巧克力粉的即食調(diào)理土豆泥的精確化3D打印
首先將濕基含水率為78%的土豆進行清洗、去皮后切成厚度約為5mm的薄片，蒸煮20~25min，然后打漿5~6min至漿體細膩發(fā)亮，采用激光粒度儀分析其粒度直徑在205~245 μm之間，以防止在打印過程中堵塞噴嘴，影響打印效果。以打漿后的土豆泥為基準(zhǔn)，加入2%~5%的果膠，混合均勻后蒸煮20~30min以使膠體充分溶解，改善土豆泥的流變特性和相應(yīng)的成型特點。冷卻至室溫后加入10%~20%的白巧克力粉，借助于巧克力的香甜口味以及熱融冷凝的特點賦予土豆泥較好的口感和良好的打印成型特點。在噴頭直徑為1.5 mm，打印距離為2.5~3.5mm，打印溫度為30~36℃，噴頭移動速度為25~30 mm/s，出料速度為0.003~0.005cm3/s的條件下打印物體的精確度能夠達到95%以上，且在打印后40min內(nèi)不塌陷。
實施例2：添加黃原膠和巧克力粉的即食調(diào)理土豆泥的精確化3D打印
首先將濕基含水率為80%的土豆進行清洗、去皮后切成厚度約為5mm的薄片，蒸煮20~25min，然后打漿5~6min至漿體細膩發(fā)亮，采用激光粒度儀分析其粒度直徑在205~245 μm之間，以防止在打印過程中堵塞噴嘴影響打印效果。以打漿后的土豆泥為基準(zhǔn)，加入3%~4%的黃原膠，混合均勻后蒸煮20~30min以使膠體充分溶解，改善土豆泥的流變特性和相應(yīng)的成型特點。冷卻至室溫后加入10%~20%的白巧克力粉，借助于巧克力的香甜口味以及熱融冷凝的特點賦予土豆泥較好的口感和良好的打印成型特點。在噴頭直徑為1.5 mm，打印距離為2.5~3.5mm，打印溫度為30~36℃，噴頭移動速度為25~30 mm/s，出料速度為0.003~0.005cm3/s的條件下打印物體的精確度能夠達到95%以上，且在打印后60min內(nèi)不塌陷。