南菜大学のヤン・ファンのチームは「ジャガイモデンプン複合ゲルのレオロジーおよび3Dプリント特性」を研究した。

出典: Food Research Private

南京財経大学食品科学工学学院：Ying Cui（筆頭著者）、Yang Fan*（責任著者）、およびニュージーランドのオークランド大学：Fan Zhu*（共同責任著者）は、農林科学分野のトップジャーナルであるJournal of Food Engineering（IF：5.354）に「ジャガイモ澱粉複合ゲルのレオロジー特性と3Dプリント特性」と題するオンライン研究論文を発表しました。

3Dプリンティングは、ターゲットモデルを層ごとに積層して製品を製造する製造プロセスです。デンプンベースのゲルは食品の 3D プリントに使用できます。デンプンゲル構造の強化により、押し出し後の印刷製品の形状安定性が向上します。アルギン酸ナトリウムとキサンタンガムは、食品 3D プリントのレオロジー特性を調整する可能性があることが示されている工業用多糖類です。さまざまな実験配合による予備研究により、デンプン、水、アルギン酸ナトリウムからなるデンプン複合ゲルは 3D プリント可能であることが示されました。しかし、アルギン酸ナトリウムとキサンタンガムの添加が、改質デンプン複合ゲルに基づく印刷製品の幾何学的精度と構造に与える影響はまだ明らかではありません。

食用接着剤の添加が 3D プリント動作に与える影響に焦点を当てた報告がいくつかあります。しかし、これらの研究では、マクロな数値流体力学（CFD）シミュレーションと材料のミクロな物理的特性の観点から、3D形状精度を制御するメカニズムを体系的に解明していません。したがって、本論文の目的は、異なる配合のデンプン複合ゲルが 3D 印刷の性能に及ぼす影響を研究し、マクロな計算流体力学 (CFD) シミュレーションと材料のミクロな物理分析を使用して 3D 形状の精度を制御するメカニズムを体系的に探究し、さまざまな領域における 3D 印刷材料の物理的特性 (レオロジー特性など) を標準化することです。 3D プリントプロセス中の材料分子構造の可能な進化モデルも分析されました。

図 2. デンプン複合ゲル 3D 印刷プロセスの概略図。
実績紹介<br /> 本研究では、研究者らは、原料としてアルギン酸ナトリウム（乾燥基準で4%、5%、6% w/w）、キサンタンガム（乾燥基準で4%、5%、6% w/w）、アルギン酸ナトリウム/キサンタンガム（乾燥基準で2%/2%、2.5%/2.5%、3%/3% w/w）を異なる添加量で使用し、押し出しベースの3Dプリント製品の幾何学的精度、レオロジー特性、水分分布、走査型電子顕微鏡画像を評価しました。 3D 印刷プロセスをシミュレートするために、数値流体力学 (CFD) 手法が使用されました。その結果、高い押し出し性と形状安定性を備えた擬似塑性ゲルが形成されたことが示されました。アルギン酸ナトリウムとキサンタンガム（2.5%/2.5% w/w、乾燥基準）を添加した 3D プリントされたデンプンゲルは、最高の幾何学的精度を示しました。印刷された形状も維持され、適切なゲル形成特性と物理的特性を備えていました。適切なレベルのアルギン酸ナトリウムとキサンタンガムを添加することで、食品用途に技術的に実現可能な可能性のある 3D プリントされたデンプンベースの製品を形成することができました。 3D 印刷プロセスの数学的モデルが確立され、直径の変化による流路内の速度分布の不均一性が説明され、この不均一性が 3D 印刷プロセス中にノズルから押し出された材料の膨張につながります。

図3. 対象モデルとそれに対応する3Dプリントサンプルの代表写真（A：アルギン酸ナトリウムを添加した材料、B：キサンタンガムを添加した材料、C：アルギン酸ナトリウム/キサンタンガムを添加した材料）
図4. 速度振幅分布の断面図。 (a) 0.1 秒時、(b) 2.0 秒時図 5. 印刷に使用した注射器の断面における動粘度分布。 (a) 0.1秒後、(b) 2.0秒後
専門家プロフィール<br /> ヤン・ファンヤン・ファン（通信教育）博士は、南京財経大学食品科学工学学院の講師です。研究分野と方向：（1）実験室は、食品3D印刷研究プラットフォームを独立して構築し、食品3D印刷成形効果評価システムを事前に確立し、食物システムの材料押出特性に対するさまざまな要因の影響を調査しました。生地の物理的特性とゲルの微細構造が特徴付けられ、3D印刷の精度に対する効果が研究されました。 ESIの上位0.1％に入った1つのホットペーパーを含む、3D印刷後の4つの研究論文が発行されました。

ファン・チュー
Fan Zhu (共同通信) 博士は、ニュージーランドのオークランド大学化学学部の上級講師です。研究対象は、デンプン化学、穀物科学、抗酸化物質と機能性食品、食品中の水分関係などです。
オリジナルリンク
https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110756

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