Assessing the Rheology, Printability and Texture Properties Induced by Process Parameters for Additive Manufacturing with White Auxenochlorella protothecoides-based Food Ink

Abstract

Three-dimensional (3D) printing technology is an innovative processing method that can be used in many different types of food industries. This study aimed to broaden the potential food applications of white Auxenochlorella protothecoides (WC) by employing it as a food ink for 3D printing. In this study, WC-based food inks with different biomass concentrations (32, 34, 36, 38, and 40 wt%) were analyzed by rheological tests and printability tests. It was found that the WC 36% ink could be extruded smoothly through the nozzle with high printing precision and structural stability since it presented adequate viscosity, yield stress, and recovery properties. By employing WC 36% ink, various internal structures were generated through the adjustment of process parameters of infill density and filament diameter. Through adjustment of the infill densities (30%, 60%, and 90%) and filament diameters (0.5 mm, 0.85 mm, and 1.2 mm) the texture properties of the final 3D printed product were modified significantly. The quadratics equations, response surface plots, and contour plots from the model fitting showed that infill densities and filament diameters are positively related to hardness, cohesion, gumminess, and chewiness. Infill density had a greater effect on responses than Filament diameter and the widest range of texture modification was obtained when the Infill density was varied with the smallest filament diameter. In addition, the hardness and adhesiveness of the WC-based ink significantly improved through freeze-thaw treatment. These results suggest that white Auxenochlorella protothecoides have excellent potential as a food ink that can produce plant-based high-protein products with various texture properties.;백색 클로렐라는 인공적인 환경에서 생산가능한 고단백질 식물성 소재로, 이를 3D 프린팅 식품 잉크로 이용하여 소재의 활용가능성을 넓히고자 하였다. 이 연구에서는 백색 클로렐라 잉크의 유변학적 특성과 3D 프린팅 특성을 다양한 고형분 농도 (32, 34, 36, 38 및 40%)에 따라 평가하였고, 프린팅에 가장 적합한 유변학적 특성을 갖는 잉크를 선정하였다. 또한 프린팅 매개변수 변경하여 최종 제품의 물성을 조절할 수 있는지 알아보았다. 백색 클로렐라의 유변학적 특성 분석으로 전단 흐름 곡선, 변형 곡선 및 회복 곡선을 분석하였다. 3D 프린팅 능력 평가로는 속이 빈 정사각형 모델을 프린팅하고 디자인 모델과의 높이, 두께 치수편차를 구하여 인쇄 정확성 및 구조 안성성을 평가하였다. 백색 클로렐라의 농도가 낮을 수록(32%, 34%) 점도, G' 값 및 항복 응력이 낮게 나타났다. 낮은 고형분 농도의 인쇄물은 10 mm 높이의 구조를 유지할 수 없었으며 인쇄 중 무너지는 모습을 보였다. 반면 고형분 농도가 높을 수록 (38%, 40%) 점도, G' 값 및 항복응력이 증가하였다. 높은 농도의 인쇄물은 단단하여 노즐을 통해 압출되기 어려웠고, 인쇄 필라멘트끼리 접착성이 부족하여 증착이 원활히 이루어지지 않아 디자인 모델의 높이에 도달할 수 없었다. 36% 백색 클로렐라 잉크는 적절한 점도와 G', 항복응력 및 회복성을 가져 노즐을 통해 부드럽게 압출되며 인쇄 정밀성과 구조안정성을 가질 수 있었다. 다음으로, 36% 백색 클로렐라 잉크를 이용하여 프린팅 매개변수, 충전 밀도 (30%, 60% 및 90%)와 필라멘트 직경 (0.5 mm, 0.85 mm 및 1.2 mm)를 조절하여 다양한 평행사변형 구조체를 제작하였고 이의 조직감을 분석하였다. 조직감 측정 결과를 반응표면분석한 결과 충전 밀도와 노즐 직경. 그리고 이들의 상호작용은 샘플의 경도, 응집성, 점착성, 씹힘성에 유의미한 영향을 주었다. 특히 작은 직경의 필라멘트를 형성했을 때 조직감 변화의 범위가 가장 크게 나타났다. 추가적으로, 냉동 후 해동 처리에 따른 백색 클로렐라 잉크의 조직감, 수분함량 및 미세구조 변화를 살펴보았다. 냉동 후 해동 처리는 수분함량을 유지하면서 백색 클로렐라 샘플의 경도를 크게 향상시켰고, 끈적임을 감소시켰다. 본 연구에서 백색 클로렐라가 3D 프린팅 식품 잉크로 성공적으로 적용될 수 있었으며 3D 프린팅 매개변수 조정을 통해 복잡한 내부구조를 형성할 수 있었고 이는 프린팅된 제품의 질감 속성을 제어할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 백색 클로렐라 잉크는 냉동 후 해동 처리를 통해서 단단한 물성으로 변화될 수 있었기에 다양한 물성의 고단백 식물성 제품을 생산하는 재료로써 우수한 잠재력을 가지고 있다고 사료된다.