植物蛋白肉3D 打印工藝參數優化

蔡維，王羽，高艷娥，李麗

（1. 西南大學工程技術學院，重慶 400715；2. 宜賓西南大學研究院，宜賓 644000；3. 香港理工大學物流及航運學系，香港 999077）

0 引言

畜牧業（包括牧場和動物飼料生產）占用了大量土地面積，其約占全球80%的農業用地，消耗了世界上32%的淡水資源，由畜牧業引起的溫室氣體排放占全球總排放量的14.5%，對生態系統造成嚴重影響[1-3]。為緩解土地占用、淡水資源消耗和溫室氣體排放等環境問題[4-6]，植物肉已成為替代動物肉需求增長的有效產品[7-10]。

植物蛋白肉是一種以植物蛋白為主要原料的植物肉，其主要成分為蛋白質、脂質和碳水化合物，并添加維生素、礦物質、添加劑等[11]。其中，蛋白質、脂質、多糖和淀粉等成分加工形成的復合物，具有較好的持水性、凝膠性和黏彈性[12-13]，對植物蛋白肉的質地、風味和營養發揮著關鍵作用[14]，增強了其與動物肉質地、味道和顏色的相似度[15-17]。當前，植物蛋白肉的加工方法主要有擠壓、紡絲、剪切及3D 打印技術等[18-19]。擠壓技術能滿足植物蛋白肉大規模生產的需求，并且纖維成型程度高，但色澤差、營養物質在高溫作用下易變性。紡絲技術具備大規模生產能力，但會產生大量的化學品廢液。剪切技術剪切力恒定，但設備操作復雜，植物蛋白肉批量生產困難。3D 打印技術具備形狀、紋理、營養個性化定制能力[20-23]，可有效減少產品加工工序[24-26]。

近年來，為提高食品3D 打印的品質，國內外學者已開展大量研究。LIU等[27]發現，在明膠、玉米淀粉和蔗糖中補充5%的蛋清蛋白，可以顯著提高凝膠樣品的硬度、彈性和黏度，從而使其更適合3D 打印。段松岐等[28]研究發現添加1.3%卡拉膠的3D 打印產品表現出較好的微觀結構及咀嚼性。CHEN等[29]探討了不同的蛋白質為基質的油墨特性，結果表明基于花生蛋白的油墨流變性能更優。KIM等[30]研究了在具有不同水化特性的水膠體基質中加入不同質量分數（10%和30%）的蔬菜粉，如西蘭花、菠菜或胡蘿卜，對印刷性能和流變學特性有一定影響。王晶等[31]研究了直鏈淀粉含量對淀粉基凝膠的硬度、彈性、黏附性和回復性的影響，并得出3D 打印的直鏈淀粉與支鏈淀粉最優比例。CHEN等[32]研究了添加海藻酸鈉和不同比例明膠對大豆分離蛋白3D 打印特性的影響，結果表明添加明膠提高了產品硬度、彈性和咀嚼性。BULUT等[33]研究了不同水膠體濃度和工藝參數對3D 打印食品質量的影響。目前的研究主要集中在3D 打印的油墨材料和水膠體成分的優化，關于工藝參數與植物蛋白肉品質的影響關系研究還相對匱乏。3D 打印技術制造的植物蛋白肉品質與動物肉相比存在較大差距。

因此，本試驗在單因素試驗研究基礎上，采用Box-Behnken Design 響應面試驗設計，分析3D 打印速度、噴嘴高度、擠壓流量對植物蛋白肉硬度、彈性和咀嚼性的影響規律，并利用多目標煙花算法優化3D 打印工藝參數，改善3D 打印植物蛋白肉的品質，為高品質植物蛋白肉研究和生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

試驗材料包括大豆蛋白粉（安陽得天力食品有限責任公司）、大豆分離蛋白（臨沂山松生物制品有限公司）、谷朊粉（封丘縣華豐粉業有限公司）、黃原膠（山東阜豐發酵有限公司）、羥甲基纖維素鈉（上申光食用化學品有限公司）、馬鈴薯淀粉（靜寧紅光淀粉有限公司）、著色劑（珠海錦田天然色素有限公司）、酵母提取物（安琪酵母股份有限公司）、香精（青島味香林食品配料有限公司），菜籽油和鹽（市場購買），雞肉。

儀器設備包括Procusini 5.0 食物3D 打印設備（德國Procusini 公司），平底煎鍋和蒸鍋（廣東美的公司），高精度電子秤（武漢睿智商貿公司，精度為0.01 g），TMSPRO 質構儀（美國Food Technology Corporation 公司）。

1.2 試驗方法

本文試驗流程如圖1 所示。通過單因素試驗設計，進行植物蛋白肉3D 打印和品質測試，篩選出3D 打印工藝參數優選范圍。在此基礎上進行響應面試驗設計，開展植物蛋白肉3D 打印和品質測試，分析3D 打印工藝參數對硬度、彈性和咀嚼性等品質影響，通過多目標優化得到最優工藝參數組合，并進行優化結果驗證。

1.2.1 3D 打印工藝參數

3D 打印植物蛋白肉的品質與其工藝參數密切相關，打印速度、噴嘴高度、擠壓流量參數變化對植物蛋白肉成品硬度、彈性和咀嚼性有較大影響，3D 打印植物蛋白肉工藝參數如圖2 所示。

圖2 3D 打印植物蛋白肉工藝參數Fig.2 Process parameters of 3D printing plant protein meat

WANG等[34]研究表明，噴嘴高度對打印產品品質具有重要影響。當噴嘴高度h小于臨界噴嘴高度hc時，擠出的材料會沿垂直于打印路徑的方向擴散，致使橫截面變形，從而影響產品品質。噴嘴高度h大于臨界噴嘴高度hc時，橫截面形狀取決于原材料流變特性，但噴嘴高度過高會使材料出現拉扯，影響產品品質。因此，噴嘴高度是影響3D 打印產品品質的重要工藝參數[35]。臨界噴嘴高度hc如式（1）[36]所示：

式中hc為臨界噴嘴高度，mm；q為擠壓流量，mm3/s；v為打印速度（噴嘴相對于打印平臺的移動速度），mm/s；d為打印機噴嘴直徑，mm。

KHALIL等[37]研究發現，3D 打印過程中打印速度影響擠出材料的直徑大小。當打印速度v大于臨界打印速度vn時，會使擠出材料出現拉伸。當打印速度v小于臨界打印速度vn時，會使擠出材料出現堆積，影響3D打印產品品質[34]。臨界打印速度vn為特定擠壓流量與噴嘴直徑情況下合適的打印速度理論參考值，其與擠壓流量和噴嘴直徑之間的關系如式（2）[38]所示：

式中vn為臨界打印速度，mm/s。

由式（1）和（2）知，擠壓流量與臨界噴嘴高度和臨界打印速度呈正相關，改變擠壓流量也將改變臨界噴嘴高度和臨界打印速度，間接影響3D 打印產品品質。

綜上，本研究選擇打印速度、噴嘴高度、擠壓流量3個參數作為試驗因素進行單因素試驗，通過檢測植物蛋白肉成品的硬度、彈性和咀嚼性，綜合分析3 D 打印速度、噴嘴高度、擠壓流量對植物蛋白肉品質的影響規律。

1.2.2 樣品制備

試驗樣品根據現有植物蛋白肉配方進行改進[39]，其制備過程如下：將1 g 大豆蛋白粉、1 g 大豆分離蛋白和6.5 g 谷朊粉溶解于28.5 g 水，攪拌均勻，再加入1.2 g黃原膠、6.5 g 馬鈴薯淀粉、1.5 g 菜籽油等其他物質攪拌30 min，得到植物蛋白肉原料。將植物蛋白肉原料加入3D 打印機料筒，導入打印預設試驗模型。通過3D 打印預設模型及參數設置，制備植物蛋白肉樣品。將打印完成的植物蛋白肉樣品放在100 ℃蒸鍋中蒸5 min 后取出，并在170 ℃平底鍋中雙面各煎2 min，直至全熟。待樣品冷卻到室溫后，將樣品放置于8 ℃的冷藏室內冷藏24 h。3D 打印模型采用Solidworks 2020 軟件設計并保存為STL 文件，再通過Ultimaker-Cura 5.0 軟件設置打印參數，切片為G-Code 文件。本研究打印模型為（35×35×5）mm3的長方體樣品。

雞肉樣品制備過程如下：將清洗后的雞肉切成（35×35×5）mm3的長方體樣品，加入2.8%淀粉與1.0%鹽腌制2 h，在平底鍋中雙面各煎5 min，直至全熟。

本試驗設定的3D 打印工藝參數為：噴嘴直徑1.20 mm、首層層高0.80 mm、頂層層高0.80 mm、加熱溫度及打印溫度為30 ℃、填充率60%，打印速度、噴嘴高度、擠壓流量參數如表1 所示。

表1 單因素試驗因素和水平Table 1 Factors and levels of single factor test

根據單因素試驗結果，選擇打印速度（40 mm/s、60 mm/s、80 mm/s）、噴嘴高度（1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm）、擠壓流量（57.60 mm3/s、72.00 mm3/s、86.40 mm3/s）設計3 因素3 水平響應面試驗，如表2 所示。

表2 響應面試驗因素和水平Table 2 Factors and levels of response surface

1.2.3 質構品質指標測量

將待測樣品放在TMS-PRO 質構儀（美國Food Technology Corporation 公司）的測試平臺上進行品質測試。TMS-PRO 質構儀采用TPA 模式，選用量程為250 N 的感應元件，探頭型號選擇432-010，測試速度為40 mm/s，起始力為0.375 N，壓縮變形量為40%，兩次下壓間隔時間3 s，測量的參數包括硬度、彈性和咀嚼性。

1.3 統計分析

本試驗采用Design-Expert 13 軟件進行單因素和響應面試驗設計，并通過Origin 2021 軟件分析試驗數據。響應面試驗過程中，采用方差分析3個工藝參數分別對植物蛋白肉品質的影響和各參數之間的相互作用效果。同時，基于響應面試驗數據擬合回歸模型，使用多目標煙花算法進行3D 工藝參數優化。

1.4 多目標優化

1.4.1 目標函數

針對3D 打印植物蛋白肉工藝參數優化，建立硬度（H,N）、彈性（E,mm）、咀嚼性（C,mJ）與打印速度（v,mm/s）、噴嘴高度（h,mm）、擠壓流量（q,mm3/s）3個打印工藝參數的優化模型，如式（3）所示。

式中H0、E0、C0為雞肉的硬度、彈性、咀嚼性標準值。

1.4.2 約束條件

所選打印速度、噴嘴高度、擠壓流量等3D 打印工藝參數需滿足相應約束條件，保證植物蛋白肉的正常打印，具體約束條件如下：

在打印速度方面，打印速度過快會導致原材料拉伸，打印速度過慢會導致原材料堆積。因此，打印速度的變化會影響產品打印品質，打印速度約束如式（4）所示。

在噴嘴高度方面，噴嘴高度過高會導致擠出材料與已打印材料出現拉扯，影響產品品質，噴嘴高度過低會導致擠出材料橫截面出現變化。因此，噴嘴高度的參數設定與打印產品的品質密切相關，噴嘴高度約束如式（5）所示。

在擠壓流量方面，擠壓流量影響植物蛋白肉打印過程流量控制，擠壓流量與打印速度不協調會導致原材料堆積或拉扯，從而影響打印品質，擠壓流量約束如式（6）所示。

1.5 多目標優化與求解

在3D 打印植物蛋白肉工藝參數優化試驗中，為了保證植物蛋白肉的品質與雞肉高度相似，通過多目標優化方法，獲取最優工藝參數組合。本研究通過硬度、彈性和咀嚼性量化植物蛋白肉的品質，并以打印速度、噴嘴高度、擠壓流量為決策變量。

本研究基于一種群體智能優化算法——煙花算法（fireworks algorithm，FWA）[40]實現對3D 打印植物蛋白肉工藝參數優化。在建立多目標模型的基礎上，采用基于pareto 優化解集的多目標煙花算法(multi-object fireworks algorithm，MOFWA)。

本研究采用MOFWA 作為優化方法，利用Matlab R2022a 軟件對建立的打印速度、噴嘴高度和擠壓流量與硬度、彈性和咀嚼性之間的多目標模型進行優化求解。

步驟1：初始化變異煙花數量P=10，爆炸振幅A=0.5，爆炸強度M=10，爆炸數目限制因子a=0.3、b=0.6，迭代次數Ie=400，種群數量N=100。初始解v、h、q從可行解空間隨機生成。

步驟2：對于xi個煙花產生的煙花數量用式（7）、（8）計算，爆炸振幅用式（9）計算：

式中ymin=min（f（xi）），ymax=max（f（xi）），i=1,2,…,n，M、A、a、b均為常數，M用于調節爆炸火花數量，A用于調節爆炸半徑，ε是一個機器最小值，round(·)為四舍五入的取整函數。

步驟3：利用高斯分布對種群進行高斯變異，增強煙花算法的全局性，如式（10）所示：

步驟4：將煙花爆炸算子超出解集空間的部分通過式（11）映射到解集空間內部：

式中R(xi)為候選者集合xi與其他所有算子的距離之和，d(xi-xj)為xi與xj之間的距離。

步驟6：返回優化結果。

1.6 優化解決策

本研究通過熵權-模糊TOPSIS（technique for order performance by similarity to ideal solution）綜合評價方法篩選出植物蛋白肉3D 打印工藝參數優化解集中的最優解。熵權-模糊TOPSIS 綜合評價方法通過對植物蛋白肉硬度、彈性和咀嚼性3個指標對應的優化數據進行歸一化處理。計算植物蛋白肉硬度、彈性和咀嚼性對應的信息熵，確定3個指標分別對應的權重。構建決策矩陣并計算加權正負理想解，并計算每個決策對象到加權正負理想解的距離。最后，獲取植物蛋白肉優化解的貼近度，貼近度最大的優化解對應的3D 打印植物蛋白肉品質綜合最優。

2 結果與分析

2.1 單一工藝參數對植物蛋白肉品質的影響

通過調整打印速度、噴嘴高度和擠壓流量等單一工藝參數，探究單一工藝參數對植物蛋白肉硬度、彈性和咀嚼性的影響。3D 打印植物蛋白肉工藝過程及單一工藝參數試驗樣品，如圖3 所示。

圖3 3D 打印植物蛋白肉工藝過程及單一工藝參數試驗樣品Fig.3 3D printing plant protein meat process and experimental samples through single process parameters

2.1.1 打印速度對品質的影響

當噴嘴高度為1.0 mm，擠壓流量為72.0 mm3/s 時，植物蛋白肉品質受打印速度影響規律如圖4 所示。試驗結果表明，當打印速度在20 mm/s 時，打印材料堆積，材料顯現出“過度擠出”現象，此時硬度較低，彈性、咀嚼性較大。在打印速度為40～80 mm/s 時，打印速度在臨界打印速度附近波動，打印材料較為完整，使硬度達到峰值，彈性有所下降，咀嚼性與雞肉更接近。在打印速度為100 mm/s 時，逐漸表現出“擠出不足”現象，植物蛋白材料出現“拉扯”，導致打印材料出現部分斷裂。此時植物蛋白肉硬度表現出與雞肉高度相似，但彈性較小；因打印材料斷裂致使植物蛋白肉可咀嚼性減小。因此，在打印速度為40～80 mm/s 時，植物蛋白肉具有較高的品質特性。

圖4 不同打印速度對3D 打印植物蛋白肉品質的影響Fig.4 Effect of different print speed on the quality of 3D printed plant protein meat

2.1.2 噴嘴高度對品質的影響

當打印速度為60 mm/s，擠壓流量為72.0 mm3/s 時，植物蛋白肉的品質受噴嘴高度影響較大，如圖5 所示。噴嘴高度為0.6～0.8 mm 時，噴嘴高度小于臨界噴嘴高度，導致擠出材料橫截面變形，相鄰打印材料之間出現干涉，樣品打印密度增大。此時植物蛋白肉樣品硬度和咀嚼性較高，彈性較小。在噴嘴高度為1.0～1.4 mm 時，噴嘴高度與臨界噴嘴高度相近，擠出材料更完整，其硬度、彈性、咀嚼性更趨近于雞肉。因此，噴嘴高度為1.0～1.4 mm 時，植物蛋白肉具有較高的品質特性。

圖5 不同噴嘴高度對3D 打印植物蛋白肉品質的影響Fig.5 Effect of different nozzle height on the quality of 3D printed plant protein meat

2.1.3 擠壓流量對品質的影響

當噴嘴高度為1.0 mm，打印速度為60 mm/s 時，植物蛋白肉的品質受擠壓流量影響規律如圖6 所示。

圖6 不同擠壓流量對3D 打印植物蛋白肉品質的影響Fig.6 Effect of different extrusion rate on the quality of 3D printed plant protein meat

在擠壓流量為43.2 mm3/s 時，噴嘴擠出的植物蛋白肉原材料較少，導致供料與打印速度不匹配，出現“擠出不足”現象，致使打印產品密度較低，植物蛋白肉的硬度、彈性和咀嚼性低于雞肉。在擠壓流量為57.6～86.4 mm3/s時，擠壓流量與打印速度較為匹配，擠出材料完整度高，其硬度、咀嚼性與雞肉相似，彈性趨近于雞肉。在擠壓流量為100.8 mm3/s 時，噴嘴擠出原材料過多，出現“過度擠出”現象，導致擠出的植物蛋白肉原材料通過噴嘴后膨脹。此時彈性有所增加，接近雞肉品質，但硬度與咀嚼性較小。因此，在擠壓流量為57.6～86.4 mm3/s時，植物蛋白肉具有較高的品質特性。

2.2 多工藝參數耦合對植物蛋白肉品質的影響

2.2.1 試驗設計

基于響應面法的Box-Behnken (BBD)設計，以硬度、彈性和咀嚼性為響應指標，采用響應面分析3D 打印植物蛋白肉工藝參數耦合作用對響應指標的影響，如圖7所示。采用Design-Expert 13 設計3 因素3 水平17個試驗點的響應面，結果如表3 所示，并對響應面試驗結果進行多元回歸擬合，建立硬度、彈性、咀嚼性分別與打印速度、噴嘴高度、擠壓流量之間的數學模型。

表3 響應面試驗設計與結果Table 3 Experimental design and results of response surface

圖7 3D 打印植物蛋白肉工藝過程及不同工藝參數響應面試驗設計Fig.7 3D printing plant protein meat process and experimental design of different process parameters response surface

2.2.2 回歸模型的建立與方差分析

基于單因素試驗進行響應面試驗設計，通過方差分析，分別構建硬度、彈性、咀嚼性與打印速度、噴嘴高度、擠壓流量之間的回歸模型。在擬合過程中，消除不顯著項，得到多元回歸方程（14）～（16）。

式中H為硬度響應值；E為彈性響應值；C為咀嚼性響應值；v'為打印速度編碼值；h'為噴嘴高度編碼值；q'為擠壓流量編碼值。

植物蛋白肉擬合的硬度回歸方程模型方差分析如表4 所示。硬度模型的F值為27.58，P值＜0.01，說明該模型極顯著，且失擬項的F值為0.08，P值＞0.05，失擬項不顯著，試驗誤差較小。由模型各項P值可知，對硬度的工藝參數顯著性影響由大到小順序為B-噴嘴高度、C-擠壓流量、A-打印速度。

表4 硬度模型方差分析Table 4 Analysis of variance for hardness model

植物蛋白肉擬合的彈性回歸方程模型方差分析如表5 所示。彈性模型的F值為6.70，P值＜0.05，該模型顯著，且失擬項的F值為1.02，P值＞0.05，失擬項不顯著，試驗誤差較小。由模型各項P值可知，對彈性的工藝參數顯著性影響由大到小順序為C-擠壓流量、A-打印速度、B-噴嘴高度。

表5 彈性模型方差分析Table 5 Analysis of variance for springiness model

植物蛋白肉擬合的咀嚼性回歸方程模型方差分析如表6 所示。咀嚼性模型的F值為18.76，P值＜0.01，說明咀嚼性模型極顯著，且失擬項的F值為0.43，P值＞0.05，失配項不顯著，試驗誤差較小。由模型各項P值可知，對咀嚼性的工藝參數顯著性影響由大到小順序為A-打印速度、B-噴嘴高度、C-擠壓流量。

表6 咀嚼性模型方差分析Table 6 Analysis of variance for chewiness model

2.3 多目標優化分析

基于MOFWA 在Matlab R2022a 軟件上的程序運行，得到如圖8 所示的Pareto 優化解集。仿真結果表明，MOFWA 可以得到一定代數下的Pareto 解，且單個粒子密度相對分散。

圖8 從不同角度的Pareto 優化解Fig.8 Pareto optimized solution sets from different perspectives

為實現植物蛋白肉的硬度、彈性、咀嚼性均與雞肉具有較高的相似度，對眾多Pareto 優化解進行評估和計算，篩選出植物蛋白肉的硬度、彈性、咀嚼性與雞肉的硬度、彈性、咀嚼性的相對誤差均在10%以內的優化解，共計47 組優化解，如圖9 所示。在此基礎上，基于熵權-模糊TOPSIS 綜合評價方法[41]，分別獲取47 組優化解的貼近度，如圖9 d 所示。第46 組貼近度值最大，為最優解，所對應的植物蛋白肉品質與雞肉最相似，其打印速度為49.06 mm/s、噴嘴高度為1.21 mm、擠壓流量為80.75 mm3/s，優化得到的硬度為43.14 N，彈性為2.78 mm，咀嚼性為75.92 mJ。

圖9 優化解的硬度、彈性和咀嚼性的相對誤差和貼近度Fig.9 The relative error of hardness,springiness and chewiness and the value of relative similarity degree of optimal solution

2.4 優化驗證與討論

為驗證以上經過篩選的第46 組Pareto 優化解的可靠性，針對第46 組優化解進行試驗驗證。根據樣品制備方法以及3D 打印工藝參數設定，設置打印速度為49.06 mm/s、噴嘴高度為1.21 mm、擠壓流量為80.75 mm3/s，根據質構品質指標測量方法測試硬度、彈性和咀嚼性。測試結果為：硬度42.19 N、彈性2.93 mm、咀嚼性77.80 mJ，與第46 組優化結果（硬度43.14 N，彈性2.78 mm，咀嚼性75.92 mJ）相對誤差分別為2.21%、5.48%、2.52%，誤差較小。

3 結論

本文通過單因素與響應面試驗探究了3D 打印工藝參數對植物蛋白肉品質的影響，得到以下結論：

1）通過評估單因素試驗影響結果，可確定3 D 打印速度范圍為40～80 mm/s、噴嘴高度范圍為1.0～1.4 mm、擠壓流量范圍為57.6～86.4 mm3/s 時，可獲得與雞肉品質較為接近的3D 打印植物蛋白肉。

2）結合Design-Expert 13 軟件分析單因素和響應面試驗結果，得出噴嘴高度對植物蛋白肉硬度影響最為顯著，擠壓流量對植物蛋白肉彈性影響最為顯著，打印速度對植物蛋白肉咀嚼性影響最為顯著。

3）利用多目標煙花算法對3D 打印植物蛋白肉工藝參數進行優化，獲得最優工藝參數，即打印速度為49.06 mm/s，噴嘴高度為1.21 mm，擠壓流量為80.75 mm3/s。在該優化工藝參數條件下，植物蛋白肉硬度為43.14 N，彈性為2.78 mm，咀嚼性為75.92 mJ。驗證結果與優化結果相對誤差分別為2.21%、5.48%、2.52%。

本文通過對植物蛋白肉3D 打印工藝參數優化，有效縮小植物蛋白肉與雞肉的差距，提高植物蛋白肉品質，為后續植物蛋白肉3D 打印工藝的研究與生產提供理論基礎。