添加柑橘果胶的小麦面团3D打印性能关键挤出参数优化研究

《Foods》：Investigation of Extrusion Parameters Affecting 3D Print Performance of Wheat Flour and Citrus Pectin Dough

　　

本研究以小麦面粉和柑橘果胶为原料制备了三维（3D）打印面团样品。添加0.2 g、0.5 g和0.7 g柑橘果胶的面团配方展现出较优的打印性能。获得优异打印性能的压缩压力、喷嘴移动速度、喷嘴孔径和填充率的最佳值分别为350 kPa、15 mm/s、1 mm和30%。350 kPa的压缩压力使样品C和H获得最佳打印性能。当喷嘴速度为15 mm/s时，打印样品呈现最高的打印质量（4.52 ± 0.14），具有均匀的层厚、清晰的轮廓和优异的堆叠性能。样品C获得最高评分（4.45 ± 0.18），表明其打印性能最佳。当填充率为30%时，打印样品的整体外观和结构完整性以及内部空隙的数量和尺寸与设计结构高度匹配。质构剖面分析（TPA）表明，果胶作为改良剂可改变面团的内部结构，并且3D打印技术在一定程度上可改善面团制品的感官特性。因此，在面团中添加果胶并采用3D打印技术，不仅改善了面团的内部结构，还提高了产品可接受性，并为打印参数、形状稳定性与食品墨水材料特性之间的关系提供了总体见解。最后，3D打印技术为打印参数、形状稳定性与食品墨水材料特性之间的关系提供了普遍性认识。

# 小麦面粉与柑橘果胶面团3D打印性能及挤出参数优化研究解读

## 一、研究背景与问题

食品三维（3D）打印作为一种新兴的智能制造成型技术，能够根据三维数字模型数据逐层构建产品，具有减少材料浪费、降低生产成本等优势，可实现食品外观个性化和健康膳食定制。蛋白质和碳水化合物作为食品原料中的主要宏量营养素，以二者为主体的食材成为3D打印食品开发的重点。然而，单一食品材料往往难以同时满足3D打印成功成型的要求和现代消费者对营养、色泽、形状及味道的期待。已有研究通过调整米粉配比、添加亲水胶体等手段改善打印材料的挤出性能和结构保真度，但针对小麦面粉与柑橘果胶复合体系的打印工艺参数系统优化仍不充分。挤出压力、喷嘴移动速度、喷嘴孔径和内部填充率等制造设置变量直接决定打印样品的轮廓精度和综合质量，有必要系统考察这些参数对小麦面团打印性能的影响。因此，本研究以小麦面粉和柑橘果胶粉为原料制备3D打印面团，系统探究水、柑橘果胶和小麦面粉配比对打印质量的影响，并优化关键挤出工艺参数，以确定适用于高性能3D食品打印的参数组合。

## 二、研究开展的工作与主要结论

研究人员以商业小麦面粉、柑橘果胶粉和水为原料，按不同配比制备八种面团配方（样品A–H），利用配备空气泵挤出系统的3D打印机在室温下打印圆锥和圆柱模型，系统评价了柑橘果胶添加量、压缩压力、喷嘴移动速度、喷嘴孔径和内部填充率对打印性能的影响。通过打印结构尺寸测量、五点制评分、质构剖面分析（TPA）和统计检验，确定了最优配方和工艺参数。研究结果表明：添加0.2 g、0.5 g和0.7 g柑橘果胶的面团配方打印性能优异；最佳工艺参数组合为压缩压力350 kPa、喷嘴移动速度15 mm/s、喷嘴孔径1 mm、内部填充率30%。在此条件下，样品C获得最高打印质量评分（4.45 ± 0.18，成型评分体系下），打印样品轮廓清晰、层厚均匀、堆叠性能优异。TPA结果显示，果胶可降低面团硬度、增加黏着性和弹性，3D打印过程进一步改变了面团内部结构，改善了质构特性。该研究为挤出式3D食品打印中打印参数、形状稳定性与食品墨水材料特性之间的关系提供了系统性认识。

## 三、主要关键技术方法

研究人员使用商业小麦面粉（金沙河面业集团，中国邢台）、柑橘果胶粉（帝斯曼-芬美意果胶有限公司，中国山东烟台）和超市购得的水制备食品墨水。面团经混合机揉制≥10 min后于4 ℃保存。3D打印系统由喂料器、气泵挤出系统和X–Y–Z定位单元（Wiiboox Sweetin，南京）构成，通过自设计的JAVA程序控制运动路径。打印结构采用圆锥（直径24 mm，高20 mm）和圆柱（40 × 40 × 10 mm³）模型，使用Slic3r软件（4.1.1版）生成打印路径。尺寸测量采用游标卡尺和ImageJ软件，打印质量采用五点制评分，误差按公式P_error = (X_measured ? Y_designed)/Y_designed × 100计算。质构特性采用TPA法，使用P/0.5探头，压缩至初始高度50%，记录硬度、黏着性、弹性和咀嚼性。所有数据以平均值±标准差表示，n = 6，采用SPSS软件进行单因素方差分析和Duncan多重比较（p < 0.05）。

## 四、研究结果

### 4.1 柑橘果胶面团的可打印性

在固定含水量条件下，研究人员改变柑橘果胶添加量，以350 kPa压力、20 mm/s速度和30%填充率打印圆锥和圆柱样品。结果表明，未添加果胶时，随打印层数增加，打印难度和结构变形频率增大；添加适量果胶后，水胶体强化了面筋与淀粉颗粒间的相互作用，形成更致密的三维网络结构，改善了面团流变特性和可打印性。样品C和G的总体评分最高（4.6 ± 0.2和4.5 ± 0.3），而样品E因内部填充不连续和结构变形明显，评分最低（3.1 ± 0.2）。

### 4.2 压缩压力对打印质量的影响

研究人员选取样品A、C、F、H，在250–450 kPa（间隔50 kPa）压力下打印月饼模型（直径30 mm）。样品C和H在350 kPa时获得最佳打印质量，其中样品C评分最高（4.45 ± 0.18）。压力过低导致材料挤出不足、打印路径不规则；压力过高（400–450 kPa）引起过度挤出，丝材弯曲和层堆叠失稳，样品A和F发生严重变形甚至完全丧失原始形状。

### 4.3 喷嘴移动速度的影响

样品C在固定压力350 kPa、喷嘴孔径1 mm、填充率30%条件下，以10–30 mm/s的速度打印。速度过低（10 mm/s）时丝材轮廓重叠模糊、内部空隙变小；速度过高（25或30 mm/s）时挤出速率与移动速度不匹配，丝材弯曲变形、空隙不规则。当速度为15 mm/s时，打印质量最高（4.52 ± 0.14），丝材厚度均匀、轮廓清晰、层堆叠优异。

### 4.4 柑橘果胶面团的堆叠高度

在350 kPa压力、15 mm/s速度下，评估样品C在不同填充率下的最大可打印高度。填充率10%时最大高度为35.3 ± 3.1 mm；30%时为36.2 ± 3.2 mm；50%时达到38.0 ± 2.3 mm；70%和100%时出现明显截断变形，整体打印性能不如50%。沉积丝材的变形始终发生在圆柱样品顶部，这与上层重量压缩下层及面团柔性导致的支撑不足有关。

### 4.5 内部填充率对打印高度和质量的影响

样品C在固定参数下以10%、30%、50%、70%和100%填充率打印。10%填充率结构支撑不足；70%和100%填充率导致材料堆积、下层压缩载荷增大、底部膨胀，打印精度下降。30%填充率时，样品整体外观、内部空隙数量和尺寸与设计结构高度匹配，打印精度最佳。50%时达到最大打印高度（9.6 ± 0.2 mm），但内部空隙分布不均。

### 4.6 喷嘴孔径的影响

样品C在350 kPa、15 mm/s、30%填充率下，采用0.25–1.50 mm孔径打印。0.25 mm孔径时挤出阻力过大，材料积聚于喷嘴尖端，打印性能最差；0.5 mm孔径时丝材断裂和厚度不均明显；1.0 mm孔径时打印性能最佳，评分最高（4.39 ± 0.20），样品几何均匀、内部填充清晰、结构完整。较大孔径导致表面粗糙、尺寸精度下降。

### 4.7 面团质构特性分析

TPA结果表明，添加果胶显著降低了面团硬度，样品A硬度最高（158.06 ± 24.78 g），添加果胶后硬度降低53%。果胶促进水分子与多糖形成氢键，减少了面筋水化可用水，弱化了面筋网络。打印后的样品（AP）硬度（65.94 ± 12.89 g）显著低于未打印样品C，表明逐层沉积导致层间结合力弱于完全融合结构。黏着性随果胶含量增加而显著升高，样品H最高。弹性方面，样品H打印前弹性最高（0.91 ± 0.03），打印后样品C的弹性增加，说明打印过程改善了面团质构。咀嚼性在添加果胶后显著增加，样品C、F、H分别比样品A高40.56%、41.70%和46.70%。

## 五、讨论与结论总结

讨论部分指出，果胶作为一种阴离子多糖水胶体，可通过静电相互作用与面筋结合形成亲水复合物，影响面筋网络的形成和稳定性。适量果胶增强面团强度和弹性，过量果胶则可能破坏面筋交联，导致网络部分解体和打印边界模糊。3D打印过程中，压力导致水分从面团上部迁移至下部，增加了打印样品的含水量和黏着性；逐层沉积的物理接触方式弱化了层间结合，降低了硬度。打印速度与挤出速率必须匹配，否则会出现丝材断裂或材料过度堆积。填充率需在结构支撑和材料堆积之间取得平衡。本研究结论为：以小麦面粉和柑橘果胶制备的3D打印面团，最佳果胶添加量为0.2–0.7 g，最优工艺参数组合为350 kPa挤出压力、15 mm/s挤出速度、1 mm喷嘴孔径和30%内部填充率；果胶可作为改良剂改变面团内部结构，3D打印技术在一定程度上提升了面团制品质构特性；成功制备的3D打印面团具有清晰几何形状和内部结构特征，添加果胶并结合3D打印不仅改善了面团内部结构，还拓展了面制品的设计灵活性，为挤出式3D食品打印中可打印高度、形状稳定性与食品墨水材料特性之间的关系提供了有用信息。