3D打印紫薯南瓜粉混合物的烘焙特性：丝径与烘焙方式对水分迁移及杨氏模量的影响机制

针对3D打印食品后处理中水分迁移与机械性能调控的难题，研究人员以紫薯南瓜粉混合物(PPM)为墨水，探究不同3D打印丝径(3D-PFD)和烘焙方式(烤箱/微波)对有效水分扩散系数(Deff )和杨氏模量的影响。发现Deff 随3D-PFD减小而增大(1.2mm时为2.20×10?9 m2 s?1 )，微波烘焙Deff 显著高于烤箱烘焙，杨氏模量与丝径、变形度正相关，为3D打印食品工艺优化提供理论依据。

　　

随着3D打印技术在食品领域的快速发展，如何控制后处理过程中的水分迁移与机械性能变化成为制约产品品质的关键瓶颈。传统研究多聚焦于墨水配方和打印参数，却忽视了3D打印丝径(3D-PFD)这一决定材料堆叠密度的核心参数对烘焙过程中水分再分布和质地形成的深远影响。更棘手的是，现有水分扩散模型往往忽略温度动态变化对扩散系数的调控作用，而杨氏模量预测也缺乏整合水分含量与形变参数的综合模型。这些认知空白严重限制了3D打印食品在特殊膳食(如吞咽障碍患者食品)领域的精准应用。

针对这些挑战，江苏大学的研究团队创新性地选取兼具营养功能性和打印适性的紫薯南瓜粉混合物(PPM)作为模型材料，系统研究不同3D-PFD(0.8-1.2mm)下打印样品经烤箱和微波烘焙后的水分迁移规律与力学特性变化。通过建立温度依赖的水分扩散模型和整合水含量-形变量的杨氏模量预测模型，揭示了3D-PFD通过改变材料孔隙结构影响水分扩散路径的机制，相关成果发表在《Journal of Stored Products Research》。

研究采用三大关键技术：首先通过流变特性筛选确定PPM最佳配比，采用挤出式3D打印机实现不同丝径(0.8/1.0/1.2mm)样品的精确制备；其次结合Fick定律与Arrhenius方程构建温度依赖的水分扩散模型，量化不同烘焙方式下D_eff
的变化；最后建立包含水分含量、3D-PFD和形变量的多元杨氏模量预测模型。所有实验均采用国家自然科学基金支持的标准化检测设备完成。

【材料与方法】
研究选用江苏亿生生物科技公司提供的紫薯粉和南瓜粉，通过预实验确定含黄油、糖粉和鸡蛋的PPM最佳配方。采用可控温湿度3D打印机，通过更换喷嘴实现不同丝径样品的制备。

【烘焙特性】
显微结构显示，较小3D-PFD(0.8mm)样品呈现更疏松的多孔结构。温度监测表明微波烘焙的升温速率是烤箱的3.2倍。这种结构差异导致0.8mm样品的D_eff
达4.87×10^?9
m²
s^?1
，显著高于1.2mm样品的2.25×10^?9
m²
s^?1
，且微波处理的D_eff
始终高于烤箱处理。

【水分扩散动力学】
建立的温度依赖模型成功捕捉到D_eff
随烘焙温度(50-120°C)呈指数增长的趋势。值得注意的是，相同温度下，3D-PFD每减小0.1mm可使D_eff
增加约18.7%，这归因于更细丝径形成的更大比表面积加速了水分蒸发。

【机械性能分析】
杨氏模量模型揭示三重依赖关系：与3D-PFD正相关(1.2mm样品模量比0.8mm高34%)，与烘焙形变量正相关，但与水分含量呈负相关。微波烘焙样品因更快脱水导致模量比烤箱样品平均高22%。

【结论与展望】
该研究首次阐明3D-PFD通过调控材料介观结构影响水分迁移和最终质构的机制，建立的温度-水分-力学耦合模型为3D打印食品的精准制造提供新范式。特别在临床营养领域，通过精确控制丝径可实现吞咽食品的软硬度定制。未来研究可拓展至更多食材体系和复杂结构，推动食品3D打印从"形状定制"迈向"功能定制"的新阶段。