高麗大学：3Dプリントされた砂糖ペーストの熱安定性を向上させながら、引き延ばしやテーリングを回避する方法

出典: Food Research Private

2014年末には、フォンダンの女王チェン・ウェイが世界初の3Dプリントウェディングケーキを制作した。ケーキの皮はフォンダンで作られ、装飾部分は3Dプリントされた食用砂糖だった。この技術は当時としては非常に先進的でした。この技術は、英国バーミンガムで開催されたケーキ国際ケーキコンペティションのクリエイティブケーキ部門でも銀メダルを獲得しました。

現在、砂糖ペーストベースの 3D 食品インクのレオロジー特性に関する研究は限られています。さらに、シュガークラフトはさまざまな食品成分で構成されているため、流動性や印刷性に影響します。これまでの研究では、繰り返し加熱した際の 3D 食品インクの安定性とレオロジー変化については詳細に考慮されておらず、こうした知識のギャップが食品 3D 印刷技術の進歩を制限する可能性があります。したがって、3D 印刷プロセスを最適化し、新しい食品材料や配合を探索することは、食品 3D 印刷技術にとって潜在的な課題です。

2022年1月7日、最近の海外の研究では、上記のギャップを埋めるために、3Dプリントされた砂糖ペーストインク製品の印刷中および保管中の熱安定性と印刷性を初めて研究しました。研究結果によると、ジャガイモ澱粉を添加すると、3Dプリントされた砂糖ペーストインクの繰り返し加熱安定性と3Dモデルの適合性が向上し、同時に、ワイヤードローイングとテーリングによる印刷精度の低下を回避できることが示されています。

この研究は、韓国の高麗大学のキム・ヒョンウ教授のチームによって行われた。関連する研究結果は、食品分野のトップジャーナルであるJournal of Food Engineering（IF：5.354）に「ホットメルト3Dプリント用熱可逆性砂糖ペーストの配合と評価」というタイトルで掲載された。

まずは3Dプリント用のシュガーペーストインクを作ります。研究者らは、粉砂糖をさまざまな割合のジャガイモデンプンPS（0%、10%、30%、50% wt/wt）と混合し、それぞれPS0、PS10、PS30、PS50と表示しました。混ぜた粉にゼラチン溶液、卵白、コーンシロップを加え、均一になるまで10分間こねます。混合物を60 mLシリンジバレルに充填し、密封して4°Cで24時間保存した。配合組成は次の表の通りです。

△ジャガイモデンプン（PS）ベースのシュガーペースト配合その後、研究者らはシュガーペーストインクの接着試験を実施しました。結果は、PS濃度の増加に伴い、砂糖ペーストの接着力（ピーク高さ）が大幅に増加し（P<0.05）（下図A）、接着仕事も大幅に増加した（P<0.05）（下図B）ことを示しました。PS50とプローブ間の接着力と仕事は最大で、PS0は最も低い接着力と仕事を示しました。したがって、接着力と接着仕事の間には正の相関関係があり、これは以前の研究と一致しています。破断伸び（εB）は破断前の引張特性を示します。PS含有量が増加すると、εBは大幅に減少します（P<0.05）（下の図C）。粉砂糖の一部をPSに置き換えると、破断するまでの引張長さを短縮できます。つまり、PS の添加により、プローブと接触する非晶質糖の表面積が減少し、凝集破壊から接着破壊への移行が促進される可能性があります (下図 D)。つまり、3D プリント時の表面粘着性が低いと、インクがノズルから分離しやすくなります。これは、PS の添加によって砂糖ペーストの粘着性と糸引き性が解決されることを示しています。

△プローブ接着試験結果：（A）接着力、（B）接着仕事、（C）破断時の伸び、（D）ジャガイモ澱粉ベースのペースト破壊の光学的判定。
次に、研究者らは、下図に示すプロセスパラメータに従って、シュガーペーストインクの3Dプリントテストを実施しました。PS50インクはノズルからスムーズに押し出すことができるため、印刷されたサンプルには引き伸ばしや尾引き現象が見られず、モデルの本来の傾斜を維持でき、PS50インクで印刷されたサンプルの品質が最も優れていました。
△3Dプリントプロセスパラメータ △ジャガイモ澱粉ベースの砂糖ペースト3Dプリントモデルベースサンプル最後に、研究者らは砂糖ペーストインクの熱サイクルテストを実施し、その熱安定性を研究しました。

完全な熱サイクルは次のように設定された：（1）4℃/分の速度で55℃まで加熱、（2）10分間保温、（3）4℃/分の速度で4℃まで冷却、（4）10分間保温。試験の開始時と終了時には、熱平衡を達成するために温度を 25 °C に 30 分間維持しました。

一般的に、G′ 値は熱サイクルの終了時にあまり変化せず、構造変化の程度が低く、熱安定性が高いことを示します。 PS 比率が増加すると、熱サイクル中に G′ 値が G″ 値より大きくなります。これは、高温でゴム状態に変化し、テスト温度範囲内で比較的安定した粘弾性半固体状態になることを意味します。PS50 インクでは、G′ と G″ は 4°C から 55°C の間でサイクル全体を通じてほぼ一定であり、繰り返し加熱しても安定していることを意味します。

△PSベースシュガーペーストの熱サイクル試験結果：（A）貯蔵弾性率G′、（B）損失弾性率G′′。
要約すると、本研究では、3D フードプリンターを使用して、繰り返し加熱条件下での砂糖ペーストの糸引き、印刷性、安定性を制御する新しい方法を提案しました。 PS 含有量が増加すると、マスキットは繰り返し加熱サイクル中に安定した貯蔵弾性率を示しました。特にPSを50%(w/w)添加したシュガーペーストでは糸引き現象が改善され、流動性、耐荷重性、印刷性能が最も良好であった。熱サイクル試験により、PS が繰り返し加熱下における砂糖マスキットの安定性を向上させることが実証されました。さらに、本論文で提案した方法は、熱安定性が求められるさまざまな材料（機能性材料など）やその他の3Dプリント食品にも応用できる。

論文リンク:
https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2022.110944

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