《Food Frontiers》：Investigation of the Programmable Deformation of 4D-Printed Cassava Starch-Based Gels: Applications in Baked Foods
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本文研究4D打印双层木薯淀粉基水凝胶，在烘焙热刺激下实现程序化变形。通过调控打印路径、喷嘴直径、填充密度、长宽比、烘焙温度及墨水组成（黄油/白砂糖WGS），探讨了其对产品弯曲变形行为的影响。研究表明，对齐的打印路径(0°/0°)可最大化弯曲，小喷嘴(0.84 mm)和高WGS含量促进变形，而高黄油含量则抑制变形。最终，通过参数精细调控，成功实现了扁平盒体、花瓣的自动“包裹”及章鱼触手的“卷曲”等复杂变形，为4D打印淀粉基烘焙食品的精准设计提供了新思路。
1 Introduction
4D打印是3D打印的演进，在三维空间的基础上引入了时间维度，使得打印结构在外部刺激下能够发生形变。这项技术为个性化美食，特别是具有形状变化能力的食品，提供了无限的创意潜力。目前食品4D打印的研究尚处于早期阶段，其变形控制与非食品材料相比更具挑战性。本研究旨在通过3D打印双层木薯淀粉基水凝胶，探究其在烘焙脱水过程中实现程序化变形的方法与机理。
2 Materials and Methods
研究以木薯淀粉、木薯粉、牛血清白蛋白(BSA)和棕榈酸(PA)为主要墨水成分。通过混合、水浴加热等步骤制备凝胶。使用FreeCAD软件构建模型，采用SHINNOVE-D1 3D打印机进行打印，基本打印件为矩形棱柱(60 mm × 30 mm × 2.4 mm)。脱水过程在70°C、100°C、130°C的家用烤箱中进行。通过测量弯曲角、水分含量以及墨水的流变特性（如储能模量G′、损耗模量G″、表观黏度）来评估变形效果，并使用SPSS软件进行统计分析。
3 Results and Discussion
3.1 Effect of Printing Routings on Deformation
研究发现，打印路径对变形有显著影响。当双层路径对齐(0°/0°)时，产品的最终弯曲角最大，达到227.01°。相反，当第二层路径为90°时，弯曲角最小(68.99°)。这归因于不同路径方向产生的侧向力相互抵消或叠加。图片展示了60分钟脱水后，不同路径打印产品的角向内弯曲和向内卷曲现象。
3.2 Effect of Aspect Ratio on Deformation
长宽比对变形的影响相对较小。随着宽度增加，最终弯曲角略有下降，但6:1与6:3长宽比产品间的最终变形角并无显著差异。当长宽比为6:1时，矩形样品的四个角并未向中心内弯，这可能与其较窄的宽度能快速固化有关。
3.3 Effect of Oven Temperature on Deformation
烘焙温度显著影响变形程度和速率。温度越高(70°C → 100°C → 130°C)，产品的最终弯曲角越小(227.01° → 202.95° → 137.54°)，但达到稳定弯曲角所需时间越短。高温导致产品早期快速脱水，骨架结构过早地从弹性态转为玻璃态，产生表面硬化，从而限制了后期的进一步变形。
3.4 Effect of Nozzle Diameter and Infill Density on Deformation
喷嘴直径和填充密度是关键的结构参数。随着喷嘴直径从0.84 mm增大到2 mm，最终变形角显著降低(从313.78°降至62.35°)。填充密度的影响则呈先升后降趋势：从40%增至60%时，弯曲角从193.52°显著增至267.18°；继续增至80%时弯曲角下降；当填充密度为100%时，部分区域不发生变形，部分区域则呈现不规则弯曲，这归因于丝线过于密集阻碍了层间水分蒸发。
3.5 Rheological Properties of Gel System Containing Butter and WGS
所有墨水均表现出剪切稀化行为。添加黄油会降低凝胶体系的一致性指数K和储能模量G′，表明其破坏了凝胶内部的相互作用，可能导致烘焙时黄油析出，影响变形。相反，添加白砂糖WGS在一定浓度内(0%→3%)可提高G′，但浓度过高(3%→10%)则会降低G′，这可能与糖分子同水和淀粉的氢键作用有关。
3.6 Effect of Butter Content on Deformation
黄油含量越高，最终弯曲角越小。当黄油含量在6%和10%时，打印产品在烘焙后期会从基底薄膜上脱离，这可能是黄油析出所致。高黄油含量产品的最终水分含量较低，骨架硬化程度更高，导致弯曲角减小。
3.7 Effect of WGS Content on Deformation
添加WGS可提高产品的最终变形角。WGS含量为10%的产品，其最终弯曲角比未添加WGS的产品高55.56%。WGS的加入减缓了水分蒸发速率，使产品在烘焙过程中能保持更柔韧的骨架结构，从而实现了更大程度的变形。
3.8 Programmed Deformation Behavior of Printed Products
综合运用前述关键参数，可实现特定的程序化复杂变形。通过在不同区域设计不同的填充密度和打印路径，可以控制变形发生的部位和方向。例如，在需要弯曲的区域（如花瓣、盒盖）使用对齐的打印路径(0°/0°)和60%填充密度，在需要保持固定的区域（如盒底）使用交替的打印路径(0°/90°)和100%填充密度。最终，研究成功实现了扁平“十字”结构自动“包裹”成盒子或花瓣，以及扁平“章鱼”结构触手自动向上“卷曲”等生动有趣的变形效果，为烘焙食品增添了新颖性和吸引力。
4 Conclusion
本研究提出了一种利用烘焙脱水诱导3D打印木薯淀粉基食品发生程序化变形的新方法。通过探究打印路径、喷嘴直径、填充密度、长宽比、烘焙温度及材料组成（黄油、WGS）对变形的影响规律，并设计复杂模型，实现了对产品变形行为的精准控制。这为4D打印淀粉基食品的个性化设计提供了理论框架和实践指导，有望创造出更具新颖性和吸引力的烘焙食品，提升消费者的饮食体验。
