著者の所属・活動拠点の国は、トルコです。

掲載誌：Foods

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

食品の3Dプリンターは、個人に合わせた栄養設計や、従来の加工法では作りにくい複雑な形をつくる手段として注目されています。主流は、ペースト状の材料をノズルから押し出して積み重ねる押出式です。ただ、一般的な装置はノズルが前後・左右・上下に平行移動するだけなので、押し出す向きが固定され、複雑な形をつくるのに限界があります。そこで、より自由に向きを変えられる多軸のロボットアームを使う方法が検討されています。押し出す向きが変わっても糸状の材料が崩れないためには、材料自体の流れ方や固まり方がいっそう重要になります。

印刷に向く材料には、相反する二つの性質が求められます。ノズルを通るときは力を受けて流れやすくなり、押し出された直後には形を保って次の層を支えられることです。牛乳たんぱく質の一種であるカゼインを水に溶けやすくしたカゼインナトリウムは、栄養面でも機能面でも有望な素材です。しかし著者らによると、牛乳とカゼインナトリウムだけでは印刷に十分な性質が得られない場合があります。多糖類を加えると構造は強くなりますが、その分押し出しにくくもなります。研究チームは、とろみを付ける高メトキシルペクチンと、ゲルをつくるκ（カッパ）-カラギーナンという二種類の食品用多糖類を組み合わせ、その量を変えたときに、流れやすさ、印刷の正確さ、印刷後の形の安定性がどう変わるかを調べました。

何を、どのように調べたか

インクは、カゼインナトリウムを8重量％に固定し、ペクチンとκ-カラギーナンを合わせた多糖類の量を三段階に変えて作りました。低濃度は合計2.00％（ペクチン1.00％、カラギーナン1.00％）、中濃度は3.25％（2.00％、1.25％）、高濃度は4.50％（3.00％、1.50％）です。残りの重量は脱脂粉乳と蒸留水を1対9の比率で配分しました。粉末を混ぜ合わせてから温水に加え、70℃でかき混ぜて溶かしています。

材料の性質は、主にレオロジー測定で調べました。レオロジーとは、材料が力を受けたときの流れ方や変形の仕方を扱う分野です。具体的には、力を強めるほど流れやすくなるかどうか、どれだけの力で固体のような状態から流れ始めるか、弾性（ばねのように元に戻ろうとする性質）の強さを測りました。さらに、押し出し時の強い変形を模して構造をいったん壊し、その後にどれだけ回復するかを調べる試験も行いました。このほか、温度による変化、赤外分光法による成分の化学的な状態、電子顕微鏡による内部構造、圧縮試験による硬さなどの食感に関わる指標も調べています。

印刷には、空気圧で押し出す装置を取り付けた6軸ロボットアームを使いました。内径0.84mmのノズルを用い、移動速度は毎秒3.75mmに固定しました。インクごとに押し出しにくさが違うため、押し出し量がほぼそろうように圧力を調整し、低・中・高濃度でそれぞれ55、160、310kPaとしました。目標の形は幅31.6mm、高さ10.5mmの五芒星です。印刷直後に真上から写真を撮り、先端から先端までの長さと、上から見た面積を設計データと比べて、形の再現度を百分率で求めました。100％に近いほど設計どおりで、100％を超えると目標より大きく、下回ると小さいことを意味します。

印刷物はさらに45℃で乾燥させて重量の減り方を調べ、その後、中性の緩衝液（リン酸緩衝生理食塩水）に浸しました。1時間後と2時間後の重さから膨らみ具合を求め、5時間にわたって形の崩れ方を目で観察しました。測定はいずれも、インクごとに独立に3回作った試料で行っています。

主な報告結果

最も設計に近い形を印刷できたのは中濃度のインクでした。面積で見た再現度は、中濃度が96.16％と最も100％に近い値でした。低濃度は109.73％で、材料が広がって目標より大きくなりました。高濃度は88.93％で、目標より小さくなりました。3種類の間の差はいずれも統計的に有意でした。長さで見た再現度は低濃度が97.21％で最も高く、中濃度が94.42％、高濃度が91.53％でした。ただし著者らは、長さという一つの寸法だけでは横方向への広がりをとらえられないと述べています。

材料の強さは、多糖類が多いほど高くなりました。弾性の強さを表す値（貯蔵弾性率、角周波数10rad/sでの測定）は、低濃度が2990Pa、中濃度が10,854Pa、高濃度が20,251Paでした。弾性が優勢な状態から流れが優勢な状態へ移るときの力も、240.43Paから562.53Pa、758.03Paへと上がりました。どのインクも、力を強めるほど流れやすくなる性質を示しました。圧縮試験での硬さも、0.68N、1.45N、3.14Nと順に増えました。

構造をいったん壊したあとの回復率は、60秒後で高濃度77.36％、中濃度71.71％、低濃度56.69％でした。300秒後にはそれぞれ91.43％、84.43％、74.81％でした。高濃度と中濃度はどちらも低濃度より有意に高い回復を示しましたが、両者の間に有意差はありませんでした。最も回復率が高かった高濃度のインクが、最も正確に印刷できたわけではない点も報告されています。

乾燥後に液に浸した試験では、1時間後と2時間後の膨らみ具合に、インク間で統計的な差はありませんでした。一方、5時間後の目視観察では、低濃度と中濃度の星形は元の形を失って大きく崩れました。高濃度は、周りに崩れた材料が見られたものの、星形と分かる中心部分が残っていました。乾燥による重量の減少は低濃度が80.83％で最も大きく、中濃度は78.50％、高濃度は77.48％でした。中濃度と高濃度の間に有意差はありませんでした。

この報告が示すこと

研究チームは、6軸ロボットで食品インクを印刷する際には、印刷の正確さと印刷後の構造の安定性を両立させる必要があると結論づけています。今回の条件では、設計の形に最も近く印刷できた配合と、構造の回復や液中での形の残り方で目立った配合が一致しませんでした。著者らは、中程度の配合が持つ中間的な粘りと流れ始めに必要な力の大きさが、押し出しやすさと押し出し後の形の安定のバランスにつながったようだと述べています。また、構造の回復しやすさだけでは印刷の正確さは決まらず、押し出し方や材料の積もり方も関わると指摘しています。液中で高濃度の星形が残ったことについては、その内部の網目構造が崩れにくさに寄与した可能性を示唆するにとどめています。

著者らは、解釈上の限界もいくつか挙げています。5時間後の目視観察は、崩れ方や膨らみ方に統計的な差があることの根拠と解釈すべきではないとしています。液に浸した試験では、小さな破片が剥がれ落ちて重さの測定に含まれないため、吸水量を低く見積もっている可能性があります。硬さなどの食感の測定は、印刷物ではなく型で成形した試料で行ったため、印刷した糸どうしや層どうしの結びつきは反映していません。赤外分光法の結果から、成分どうしが共有結合以外のかたちで相互作用している可能性が示されましたが、その具体的な性質までは確認できていません。また、印刷の正確さについての結論は、今回試した印刷条件の下でのものです。

原著論文の著者・所属：Emre Vay（Department of Mechanical Engineering, Ceyhan Engineering Faculty, Cukurova University, 01950 Adana, Türkiye）、Veli Ozbolat（Biotechnology Research and Application Center, Cukurova University, 01250 Adana, Türkiye; Department of Mechanical Engineering, Ceyhan Engineering Faculty, Cukurova University, 01950 Adana, Türkiye; Department of Tissue Engineering, Institute of Natural and Applied Sciences, Cukurova University, 01250 Adana, Türkiye）

※本記事は原著論文をもとに、日本語で要約・説明を加えた研究紹介です。 出典（原著論文）：Emre Vay, Veli Ozbolat. Rheological Properties and Structural Stability of Sodium Caseinate-Based Inks Reinforced with Pectin and κ-Carrageenan for 6-Axis Robotic 3D Printing. Foods（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-10-18. DOI: 10.3390/foods15203709. 原著ライセンス：CC BY.