半自动化系统精准调控谷物零食表面沟槽深度实现食品形变新突破

为解决食品形变控制精度不足的问题，研究人员开发了一种半自动化系统，通过精准调控谷物零食表面沟槽深度（300-1200 μm），结合Weibullian模型（r > 0.99）解析烘焙脱水动力学，实现122°-167°可控弯曲。该研究为可持续食品智能制造技术（SFIMT）提供了标准化解决方案，显著提升包装效率与形态可控性。

　　

当前全球食品系统面临严峻挑战，联合国2030年议程中48%的目标进展偏离，而食品产业链贡献了30%的温室气体排放和70%的淡水消耗。在这一背景下，可持续食品智能制造技术（SFIMT）成为迫切需求。传统食品形态静态特性导致包装效率低下，而4D食品打印（4DFP）技术虽能实现动态形变，但依赖3D打印或手工模具存在精度不足、重复性差等问题。意大利Pastificio F.lli Cellino S.p.a.等机构的研究人员通过开发计算机控制的半自动化系统，在谷物基零食表面创建高精度沟槽（误差<6.84%），系统研究了沟槽深度（300-1200 μm）与样品厚度（1.24-3.43 mm）对烘焙形变的影响，成果发表于《Journal of Food Engineering》。

研究采用行星混合机制备面团，通过面片辊压机（Atlas Roller 150）调控厚度，结合3D打印模具与自动化压痕系统实现沟槽精准定位。利用Weibullian模型量化脱水动力学（速率常数0.00859-0.02066 g H₂
O/g w.b.*min），辅以微CT和X射线断层扫描分析微观结构。

Preparation of the snack samples
通过调控辊间距制备不同厚度（1.24-3.43 mm）的面片，自动化系统实现沟槽深度与位移百分比线性关联（如3.43 mm样品在25%位移下产生747.50±51.87 μm沟槽）。

Morphological changes and groove impact
较薄样品（1.24 mm）在900 μm沟槽深度下烘焙50分钟后弯曲达167°，而厚样品（>2.60 mm）因水分蒸发形成气穴导致分层，形变失控。脱水速率与沟槽深度正相关，Weibullian模型拟合优度r>0.99。

Conclusions
研究证实自动化系统可精准控制沟槽几何特征，薄样品（<1.89 mm）形变效果显著，而厚样品因边缘分层需优化加热均匀性。该技术为4DFP提供了可替代的标准化方案，推动食品包装减量化与形态定制化发展。

讨论指出，沟槽通过差异化脱水速率诱导非对称收缩，但厚度超过临界值（2.60 mm）时微观气穴形成破坏结构完整性。未来需结合热场模拟优化加热均匀性，并探索多材料复合体系的协同形变机制。研究为SFIMT提供了新范式，其自动化工艺可扩展至面食、植物蛋白基产品等领域。