可食性油墨的Y型反射光纤光谱的建立

可食性油墨的Y型反射光纤光谱的建立,答辩人： 指导教师： 学号： 班级：印刷工程,提纲,研究目的及意义,1,实验内容,2,实验原理及方案设计,3,实验数据的测量与分析,4,5,结论,研究目的及意义,随着环保型油墨的广泛使用，一种可食性绿色油墨应运而生，它可以直接印刷在食品、药品的表面。既然可食性油墨被广泛应用在食品及药品包装的表面，那么其食用的安全性也值得人们思考，这就需要经过实验去研究可食性油墨的安全性能,虽然国外已经研究出来可食性油墨以及可食性油墨印刷机但对其性能方面的研究依旧只是冰山一角，国内关于可食性油墨性能的研究也只限于流变性能、触变性、显色性方面的研究，可见关于可食性油墨反射率目前并没有人涉及，如果可以测出不同颜料浓度的可食性油墨的反射率并建立出可食性油墨的反射光谱，即可弥补国内在这方面的缺憾。,可食性油墨的国内外研究现状,国外的研究现状,国内的研究现状,美国的 Spectra 公司研究的食品成像系统Melin FC和ApolloJet Xpress4/256FG就是在食品表面利用可食性油墨进行数字喷墨印刷，性能高效并且颜色鲜艳。,3,日本印制机生产企业玛斯塔玛英德公司成功地开发生产出了一种使用可食性油墨在食品表面直接印刷的可食性油墨印刷机。,2,日本的东洋油墨公司已经研制出比较成熟的可食性油墨，并且已经在市场上广泛使用；保洁公司生产的品客薯片的表面就利用了本公司生产的可食性油墨。并因此吸引了大量顾客取得了不错的成果。,1,约翰罗素等人研究出了一种可食性油墨，它可以作为单色或多色胶印,粘度可以达到216 PaS,更重要的是其在印刷后获得的可食性图像层具有清晰度高、密度合适的优点。,4,国外的研究现状,01,郭婷、田学军、向汉江用蔗糖、阿拉伯胶、色素、大豆油、可食性酒精等制备出可食性喷墨油墨，具有可以食用的特性，能够直接喷墨印刷在食品、药品表面。实验表明在一定范围内酒精可以对表面张力有效调节。阿拉伯胶用量对表面张力影响程度不大，阿拉伯胶用量严重影响着黏度 ，并且对体系黏度发挥了决定作用。,02,03,范小平、张钦发、向红、黄兰、周家华在分析了网印用可食性油墨的配制原理后,对其进行了原料筛选、配方制备和产品黏度等流变性能的测试,最后得到了可食性油墨优选的配方。,方燕、朱克永、姚瑞玲、邓林研究了可食性油墨在食品包装印刷的应用，通过选用可食性材料:柠檬黄色素、胭脂红色素、蔗糖、蒸馏水、黄原胶、壳聚糖溶液等，配制可食性油墨，并对其印品密度、牢固度、光泽度以及色差值进行测定，最后将可食性油墨与普通丝印油墨在色差方面的异同进行比较。,国内研究现状,实验内容,（1）确定实验所配制的可食性油墨的色素、连接料、助剂。 （2）实验选择了红曲红色素、栀子黄色素、栀子蓝色素、柠檬黄色素、亮蓝色素，设计实验方案配制出可食性油墨，根据实验方案设计五种色素浓度为1%、3%、5%、7%、9%的可食性油墨，经过丝网印刷得到20mm20mm正方形实地色块。 （3）将印刷得到的实地色块分别利用光纤光谱仪和色差仪进行测量其反射率，将得到的数据在Origin软件中作出反射光谱曲线，并将两种光谱图进行比较分析。,实验原理,连接料的选择,色素的选择,可食性油墨,助剂的选择,由于可食性油墨必须具备可以食用的特点，因此它的色料不能是颜料而是可以食用的色素。本实验的色素选择红曲红、栀子黄、栀子蓝、柠檬黄、亮蓝。,为了配制出印刷特性好的可食性油墨，因此必须保证油墨具有合适的粘度。所以要求选用的连接料满足可供人食用的特点。 （1）蔗糖 本实验采用蔗糖代替树脂，它即可以作为色素的载体又可以作为甜味剂调节油墨的粘度。 （2）油类 鉴于可食用油墨可食用的特点，因此油类的选择也应该是食用油，因此选择相较其他植物油透明性、流动性、抗氧化性好，不饱和酸含量高的大豆油作为油类连接料。,（1）增稠剂 实验选择具有较高溶解度、配制成具有一定浓度的水溶液仍具有流动性的阿拉伯胶。 （2）消泡剂 阿拉伯胶在搅拌的过程中会产生大量气泡，因此需要加入消泡剂，选择酒精作为消泡剂。 （3）分散剂 选择发泡性低的5040作为消泡剂,实验方案的设计,实验原料 目前可食性油墨的制备已经有了实验研究先例，在之前的基础上，本实验选取了成本较低，性能相对稳定的材料进行实验，用于制备可食性油墨的材料如下表所示。,实验原料的比重 实验选取了可食性的原材料，由于本实验设计了色素浓度为1%、3%、5%、7%、9%的五个不同浓度的可食性油墨，因为色素不同各组分的比重也不同，当色素为红曲红、栀子蓝、栀子黄时，各原料的用量见下表所示。 表1,当色素为亮蓝、柠檬黄时，各原料的用量见下表。 表2,实验仪器 本实验需要用到天平、水浴加热、搅拌器。实验器材如下表所示。,由于要求配制的可食性油墨的量并不是很多因此设计了简易的水浴加热装置，如图所示。,实验步骤 油墨中各组分的比重会直接影响油墨的各项性能，根据表1和表2进行实验药品的称量并进行实验。 （1）用100ml的烧杯按表1和表2称取蒸馏水，再按质量称取蔗糖、阿拉伯胶、乙醇加入烧杯中，用搅拌器的夹子夹住放到烧杯中进行水浴加热，温度设置为65度进行恒温水浴加热。 （2）用100ml烧杯按表1和表2称取大豆油、色素、分散剂，用玻璃棒进行搅拌均匀。 （3）将步骤二得到的溶液加入到步骤一得到的溶液中进行搅拌，直至油墨不分层关闭搅拌器。 （4）将得到的油墨放置到一次性杯中常温下进行冷却，并用保鲜膜密封起来放置在阴凉干燥处。,丝网印刷 目前,应用可食性油墨的印刷工艺类型主要有胶印、喷墨印刷、丝网印刷。由于本文需要测量可食性油墨的反射光谱，需要用到光纤光谱仪，因此本实验采用丝网印刷的方式将可食性油墨印刷出来。 根据实验设计，网框上制得符合测试条件的面积为20mm20mm的实地色块，将已制备的可食性油墨印刷在复印纸上得到20mm20mm相应颜色的实地色块。自然静置待其完全干燥。如图所示为红曲红色素经丝网印刷得到的实地色块。,实验数据的测量仪器,光纤光谱仪的简介 光纤光谱仪一般采用光纤作为信号耦合器件，将被测光耦合到光纤光谱仪中进行光谱分析。光纤光谱仪的优点在于测量系统具有灵活性和模块化的特点。光纤光谱仪的基本结构包括光栅、狭缝、探测器三部分。 本实验采用FLA4000的微型光纤光谱仪，其中光纤为Y型光纤，具体实验装置如图所示。实验过程在气浮隔振光学平台上进行，并对之前通过丝网印刷刮出来的实地色块进行测量。,光源经过光纤照射到被测物体，再经过光纤反射到光谱仪，光谱仪通过USB2.0接口与电脑连接，将数据储存到电脑中。,分光光度计 实验使用的分光光度计是SpectroEye gretagmacbeth，本实验利用分光光度计来测量色块的光谱反射率，再将得到的反射率在Origin中作出反射光谱曲线。,实验数据的测量与分析,实验配制了色素分别为红曲红、栀子蓝、栀子黄、柠檬黄、亮蓝五种可食性油墨，设计了色素浓度为1%、3%、5%、7%、9%的油墨，实验要对其刮出来的色块分别用光纤光谱仪和色差仪进行反射率测量，光纤光谱仪可测量的范围是350nm-950nm。依据所测油墨的光谱数据利用Origin软件做出相对光谱分布曲线，选取400nm-700nm可见光范围内的光谱数据，利用Origin软件得到反射光谱曲线。,栀子黄色素的反射光纤光谱图,光纤光谱仪测量的栀子黄色素的反射光谱图 如图所示为色素为栀子黄时可食性油墨在波长为400-700范围内的Y型反射光纤光谱。,* 先下降后上升 * 在400nm-450nm波长范围之间反射峰很低，表明此波段的入射光绝大部分被吸收 * 在545nm-550nm波段有明显的反射峰，几乎达到最大值 * 在波长为550nm之后呈平缓趋势，几乎呈一条直线，说明在波长为550nm之后对入射光的吸收达到饱和 *可见色素的浓度与反射率呈反比,色差仪测量的栀子黄色素的反射光谱图,如下图所示为栀子黄色素配制的可食性油墨的光谱反射率曲线。,*光谱曲线总体呈上升趋势，波动范围较大，反射率增大 *在400nm-500nm波长范围之间反射率接近于零 *在波长为500nm之后曲线呈上升趋势，反射率增大。 *在575nm之后曲线呈平稳上升趋势，曲线斜率较小，说明增长幅度较小。 *色素浓度与反射率呈反比。,两种反射光谱图进行分析,两种仪器测量的反射光谱曲线趋势大致相似 使用光纤光谱仪测量的反射率为70-105，而使用分光光度计测量的反射率从0开始，说明光谱仪没有分光光度计测量的反射光谱全面反映栀子黄色素的特征,红曲红色素的反射光纤光谱图,光纤光谱仪测量的红曲红色素的反射光谱图 利用Origin软件做出的红曲红色素的Y型反射光纤光谱如下图所示。,*在625nm-675nm波长范围内反射率最大，达到峰值， *在675nm-700nm的波长范围内虽然反射率呈下降趋势， *400nm-425nm波长范围内，反射率急剧下降，说明此波段的入射光大部分被吸收。 *在425nm-625nm波长范围内，反射率呈平缓上升趋势，曲线有较明显的波动。 *色素浓度与反射率呈反比。,色差仪测量的红曲红色素的反射光谱图,*总体先平稳呈直线，然后急剧上升 *在400nm-575nm波段反射率变化不大几乎呈直线分布，在此波段对入射光的吸收相同 *在波长为575nm-675nm之间，反射率急剧增加，曲线斜率较大，几乎呈直线分布 *在波长为675nm之后，虽然反射率依旧增加但是增加的幅度较小，在此波段对入射光的吸收基本达到饱和 *色素浓度与反射率成反比关系,如图所示为使用色差仪测量的红曲红色素配制的可食性油墨的光谱反射率曲线。,两种光谱图进行分析,两种仪器对于红曲红色素的反射光纤光谱曲线趋势大致相似 分光光度计对于红曲红色素在400nm-575nm之间反射率接近于零，在575nm之后反射率增大，说明光纤光谱仪不如分光光度计测量的结果全面,栀子蓝色素的反射光纤光谱图,光纤光谱仪测量的栀子蓝色素的反射光谱图,*总体来看栀子蓝的反射光谱的波动较明显 *在400nm-425nm波段反射光谱急剧下降，反射率降低，此波段对入射光大部分吸收 *在425nm-550nm波长范围内反射光谱大体呈平缓上升趋势，有较明显的波动 *但在475nm-525nm波段达到最大波峰，反射率最大 *在525nm-700nm波长范围内，光谱曲线大体呈较平缓的下降趋势,色差仪测量的栀子蓝色素的反射光谱图,*在波长范围为400nm-550nm之间达到波峰 *在550nm-600nm波长范围内反射率减小，曲线呈下降趋势 *在600nm-700nm波长范围内反射率增大，曲线呈上升趋势 *在波长范围为550nm-650nm之间达到波谷，在此波段大部分入射光被吸收 *色素浓度与反射率成反比关系,柠檬黄色素的反射光纤光谱图,光纤光谱仪测量的柠檬黄色素的反射光谱图,*在400nm-425nm波长范围内，反射光谱急剧下降，反射率降低， *在421nm处达到波谷，说明此处吸收率最大。 *在421nm-625nm波段，反射光谱呈明显的上升趋势， *在波长为500nm之前以及波长为600nm之后几条曲线几乎重合在一起，说明在此波段对入射光的反射率大致相同。 *色素浓度与反射率呈反比关系。,色差仪测量的柠檬黄色素的反射光谱图,*在500nm-700nm波长范围内，反射率增大，光谱曲线呈上升趋势， *在400nm-500nm波段，反射率接近于零 *色素浓度与反射率成反比关系。,亮蓝色素的反射光纤光谱图,光纤光谱仪测量的亮蓝色素的反射光谱图,在波长为400nm-421nm波长范围内，反射率急剧下降，反射光谱在此波段出现波谷 在421nm处，反射率达到最小值 在波长为464nm处，反射率达到最大值。反射光谱在此波段出现波峰 在464nm-700nm波段反射率逐渐减小，反射光纤光谱在此波段呈降低趋势 在波长为535nm的波段处反射率突然降低，出现了波谷 色素浓度与反射率成反比关系。,色差仪测量的亮蓝色素的反射光谱图,在450nm-550nm波长范围内出现波峰，达到峰值，反射率最大，与使用光纤光谱仪得出的反射光谱曲线相似 在550nm-700nm波长范围内，反射率接近于零 色素浓度与反射率成反比关系。,结论,本实验经过查阅资料并进行分析最终确定可食性油墨色素、连接料、助剂的组成，选择红曲红、栀子黄、栀子蓝、亮蓝、柠檬黄作为可食性油墨的色素，设计了色素浓度分别为1%、3%、5%、7%、9%的可食性油墨，应用丝网印刷将不同浓度色素的可食性油墨分别刮在复印纸上，得到20mm20mm的实地色块，应用光纤光谱仪对实地色块进行测量得到反射