基于不同原料的食品3D打印技術(shù)研究進(jìn)展

李鑫,許月明,張爽,蘇超,葛雯,徐迪

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院,蕪湖市生命健康工程技術(shù)研究中心,安徽 蕪湖 241000)

3D打印又稱(chēng)為增材制造,是利用計(jì)算機(jī)和數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行模型設(shè)計(jì),再通過(guò)打印將原料層層粘合形成三維實(shí)體的一種成型技術(shù).隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航天、醫(yī)藥、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域.2007年,康奈爾大學(xué)的研究人員首次將基于擠出成型的3D打印引入食品領(lǐng)域[1].在過(guò)去的幾年里,研究人員就不同食物原料對(duì)3D打印技術(shù)的適應(yīng)性進(jìn)行了大量研究,先后開(kāi)發(fā)了基于巧克力[2]、糖霜[3]、奶酪[4]、谷物[5]、肉糜[6]、果蔬[7]等原料的3D打印食品.

3D打印技術(shù)直接從電腦的圖形數(shù)據(jù)中獲取食物形狀,能夠制作出一些通過(guò)傳統(tǒng)生產(chǎn)模具或手工無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新穎食品,簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝,縮短了食品研發(fā)周期[8].該技術(shù)還可根據(jù)不同年齡和生理狀態(tài)人群所需的營(yíng)養(yǎng)素比例,靈活配置物料供給參數(shù),滿(mǎn)足不同人的需要.尤其是對(duì)有咀嚼和吞咽困難的老人和兒童,3D打印可以為他們?cè)O(shè)計(jì)質(zhì)地柔軟、外觀新穎的食品,同時(shí)改變其營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)提供均衡營(yíng)養(yǎng)[6].此外,3D打印還可以對(duì)非傳統(tǒng)食物資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)和利用,如富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的昆蟲(chóng)、藻類(lèi)、真菌等,通過(guò)打印重塑原料外觀,制成兼具美感和營(yíng)養(yǎng)的零食[9].未來(lái),食品3D打印技術(shù)有望帶來(lái)食品工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的全面升級(jí),顯著提高產(chǎn)業(yè)利潤(rùn)[10].

目前,巧克力、糖霜、奶酪等半固體原料的3D打印技術(shù)相對(duì)比較成熟,人類(lèi)傳統(tǒng)食物如谷物、肉糜、果蔬等原料的3D打印也受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注與研究.本文重點(diǎn)從原料適印性、打印參數(shù)設(shè)置、打印效果等方面綜述了基于不同食物原料3D打印的研究進(jìn)展,并對(duì)其發(fā)展與挑戰(zhàn)做出展望.

1 食品3D打印技術(shù)概述

1.1 食品3D打印原理

食品3D打印的工作原理主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)3D模型,然后經(jīng)過(guò)切片生成二維圖形信息,3D打印機(jī)按照預(yù)設(shè)路徑信息逐層打印,經(jīng)層層堆疊形成三維實(shí)體結(jié)構(gòu)[11].3D打印的實(shí)施方法有很多,目前用于食品領(lǐng)域中的主要有熱熔/室溫?cái)D出、選擇性激光燒結(jié)/熱空氣燒結(jié)、黏合劑噴射和噴墨打印四種類(lèi)型,應(yīng)根據(jù)食品原料的種類(lèi)選擇適合的打印方法.四種打印方法的工作原理與適用范圍比較見(jiàn)表1.

表1 不同打印方法的工作原理與適用范圍比較

1.2 食品3D打印的原料特性

用于食品3D打印的原料通常需具備適印性、適用性和后加工特性3個(gè)基本特性[12-13].適印性是指物料能夠被3D打印機(jī)控制,經(jīng)打印成型后保持形態(tài)穩(wěn)定的能力.這要求打印材料具備一定的流變學(xué)特性、機(jī)械特性和理化特性.不同的打印技術(shù)對(duì)物料的要求不同,如擠出型3D打印要求物料應(yīng)具備假塑性流體特征與良好的凝膠形成能力[13];而在選擇性激光燒結(jié)打印中,所用物料多為粉末顆粒,它們應(yīng)具有適當(dāng)?shù)牧６取⒔Y(jié)晶度、堆積密度、流動(dòng)性等[14].

適用性是指打印原料具有可用于滿(mǎn)足人們多方面需求的能力.Lipton等[16]利用雙噴頭擠出型3D打印機(jī)打印的芹菜夾心雞肉制品,同時(shí)滿(mǎn)足了消費(fèi)者對(duì)食物營(yíng)養(yǎng)和美感的需要.Kouzani等[17]以金槍魚(yú)、南瓜、甜菜為原料,打印出質(zhì)地柔軟的魚(yú)狀零食,滿(mǎn)足了有咀嚼或吞咽障礙人群的食用需求.

后加工特性是指打印原料具有經(jīng)受后加工處理的能力.以肉糜、谷物、果蔬等為原料制成的3D打印食品一般需經(jīng)煎、炒、烹、炸等加工過(guò)程才可食用,打印原料在此過(guò)程中需保證不坍塌、不收縮、不變形,最大程度維持原有狀態(tài).為追求耐烹飪的3D打印制品,選擇合適的原料配方、合理加入添加劑、選用適當(dāng)?shù)募庸し椒ㄊ种匾猍18].

1.3 打印參數(shù)

除了物料自身的打印特性,打印參數(shù)也是影響打印效果的重要因素.大多數(shù)食品選擇的是基于擠出型的3D打印技術(shù),常見(jiàn)的打印參數(shù)包括打印速度、噴嘴直徑、噴嘴高度、物料填充密度等[19].打印速度即打印機(jī)噴頭的移動(dòng)速度,其參數(shù)設(shè)置應(yīng)與原料的流動(dòng)性、擠出速度相適應(yīng),打印速度過(guò)快,打印樣品會(huì)失真、變形;打印速度過(guò)慢,會(huì)延長(zhǎng)打印時(shí)間,也可能導(dǎo)致物料過(guò)度堆積[20].打印噴頭直徑會(huì)改變樣品孔隙率、沉積層數(shù),從而影響樣品的打印精度,隨著噴嘴直徑的減小,打印樣品表面精度提高[21].噴嘴高度應(yīng)與噴嘴直徑相當(dāng),若噴嘴高度過(guò)高,可能會(huì)導(dǎo)致物料拖拽、變形[22].物料填充密度是3D模型內(nèi)部的填充百分比,填充密度增大,樣品內(nèi)部支撐力增強(qiáng);但過(guò)高的填充密度,容易使物料因過(guò)重而堆積變形[8].

2 食品3D打印技術(shù)在不同原料上的應(yīng)用

2.1 基于谷物原料的食品3D打印

2.1.1 谷物原料的打印特性

谷物原料是我國(guó)日常膳食中的主糧,包括大米、小麥、玉米、大豆等,是富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素等多種營(yíng)養(yǎng)素的食品體系.淀粉作為谷物的主體成分,其黏彈性流體是具有剪切稀化行為和觸變性的假塑性流體,亦可以在成型過(guò)程中通過(guò)凝膠化提供自支撐力,因此谷物原料被認(rèn)為是較為理想的3D打印原料[23].不同的谷物原料,其3D打印效果不同.余陽(yáng)玲等[24]探究了馬鈴薯淀粉、玉米淀粉和小麥淀粉的3D打印特性,研究發(fā)現(xiàn)三種淀粉原料均可獲得完整的3D打印模型,其中小麥淀粉的打印樣品尺寸和CAD設(shè)計(jì)模型最為接近;而馬鈴薯淀粉和玉米淀粉制作的3D打印模型產(chǎn)生了顯著的尺寸收縮.此外,谷物中的淀粉和蛋白質(zhì)含量也影響打印效果.淀粉的凝膠特性可以改變物料的黏度,通過(guò)凝膠行為提高自支撐力,隨著淀粉含量的增加,成品的成型性和穩(wěn)定性得以改善[25].谷物原料加水?dāng)嚢钑r(shí),蛋白質(zhì)吸水膨脹,分子之間相互交聯(lián)逐漸形成蛋白膜,均勻的包裹在淀粉顆粒表面,起到結(jié)構(gòu)支撐作用.周浩宇等[26]研究發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)含量為9%～10%的小麥粉的打印樣品表面平整、紋路清晰;而蛋白含量低于這個(gè)范圍,不利于打印制品立體結(jié)構(gòu)的保持,出現(xiàn)成品比模型“矮、胖”的現(xiàn)象.綜上,谷物原料是適合3D打印的材料,其適印性和谷物的種類(lèi)(淀粉、蛋白質(zhì)的來(lái)源和含量等)有關(guān),未來(lái)可以使用結(jié)構(gòu)力學(xué)模型來(lái)模擬評(píng)估不同谷物原料3D打印的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[27].

2.1.2 谷物原料3D打印應(yīng)用

谷物原料中,面糊和面團(tuán)的3D打印效果較好.如利用含有不同食用色素的彩色面團(tuán)打印出多彩的蝴蝶曲奇(圖2A);以面團(tuán)、調(diào)味汁、奶酪為原料,分層打印得到3D打印披薩(圖2B).除了谷物原料自身特性外,打印參數(shù)的設(shè)置也是影響打印效果的重要因素,表2總結(jié)了谷物原料3D打印參數(shù)優(yōu)化的相關(guān)研究.

(A 蝴蝶曲奇[28] B 3D打印披薩[5])

(A 雞肉糜[37] B 魚(yú)糜[38] C 豬肉[39])

表2 谷物原料3D打印參數(shù)優(yōu)化的相關(guān)研究

2.2 基于肉類(lèi)原料的食品3D打印

2.2.1 肉類(lèi)原料的打印特性

肉類(lèi)原料包括畜禽肉類(lèi)及其副產(chǎn)品,富含優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì),是人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚臓I(yíng)養(yǎng)來(lái)源.目前肉類(lèi)原料的3D打印主要采用肉糜的形式進(jìn)行,肉糜具有剪切稀化行為,物料的黏度隨著剪切速率的增加而降低,可通過(guò)擠壓順利從打印噴嘴流出;同時(shí)肉糜一般具有較好的凝膠形成能力,能夠通過(guò)肌原纖維蛋白分子間的相互交聯(lián)形成穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu),為打印樣品提供支撐力[33].雖然肉類(lèi)原料具有一定的適印性,但并不足以打印出具有高精度的產(chǎn)品,常需要添加成分進(jìn)一步對(duì)其打印效果進(jìn)行優(yōu)化.如谷氨酰胺酶可通過(guò)催化蛋白質(zhì)多肽鏈上的酰基轉(zhuǎn)移反應(yīng)來(lái)促進(jìn)蛋白質(zhì)分子之間的交聯(lián),可以降低物料的黏度,增加流體儲(chǔ)能模量,提高肉糜的擠出性能和產(chǎn)品的穩(wěn)定性[34].添加NaCl能夠促進(jìn)肉糜中鹽溶性蛋白溶出,加強(qiáng)蛋白質(zhì)分子間交聯(lián)、提高溶液中蛋白質(zhì)分子間靜電斥力,改善打印樣品的凝膠強(qiáng)度和保水性[35].親水膠體也是肉類(lèi)3D打印中常用的添加物,如卡拉膠、明膠、黃原膠等.親水膠體可以改變?nèi)饷拥酿ざ?促進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成連續(xù)且致密的交聯(lián)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)凝膠的硬度和彈性,從而改善打印產(chǎn)品質(zhì)地[36].

2.2.2 肉類(lèi)原料3D打印應(yīng)用

目前,學(xué)者已對(duì)雞肉肉糜、魚(yú)糜、蝦肉糜、豬肉糜等肉類(lèi)原料的3D打印進(jìn)行了大量的探索和實(shí)踐,也證實(shí)了肉類(lèi)作為3D打印原料的可行性[19].3D打印效果如圖3所示.表3總結(jié)了肉類(lèi)原料3D打印相關(guān)研究.除了肉糜的3D打印,培養(yǎng)肉的3D打印成為另一熱點(diǎn).培養(yǎng)肉的研究被認(rèn)為是緩解環(huán)境污染、動(dòng)物福利問(wèn)題、可持續(xù)發(fā)展等問(wèn)題的潛在解決方案.培養(yǎng)肉的3D打印應(yīng)先獲取肉中各類(lèi)型細(xì)胞的干細(xì)胞,然后將細(xì)胞打印在可食用支架中,再經(jīng)過(guò)細(xì)胞擴(kuò)增即可得到“真肉”的結(jié)構(gòu)和紋理.目前已有學(xué)者致力于通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)肉,但今后能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)還需要進(jìn)一步探索[33].

表3 肉類(lèi)原料3D打印相關(guān)研究

2.3 基于果蔬原料的食品3D打印

2.3.1 果蔬原料的打印特性

果蔬原料自身的打印性能較差,其打印缺陷如下:(1)含水量高,破碎成漿液后黏度低,流動(dòng)性強(qiáng),不具備3D打印所要求的流變特性;(2)漿料不具膠凝性與黏結(jié)性,打印后的樣品難成形;(3)加工過(guò)程中易發(fā)生褐變,失去營(yíng)養(yǎng)和感官特性[42].因此,果蔬原料的3D打印需要與其他成分(抗氧化劑、親水膠體等)復(fù)配才能完成.

2.3.2 果蔬原料3D打印應(yīng)用

果蔬原料的3D打印食品具有營(yíng)養(yǎng)性,Derossi等[43]用香蕉、白豆、蘑菇、脫脂牛奶、檸檬汁為原料為3～10歲兒童設(shè)計(jì)了水果零食,富含維生素D、鐵、鈣等營(yíng)養(yǎng)素.Severini等[44]將梨、胡蘿卜、獼猴桃、西蘭花、鱷梨等多種果蔬原料混合,加入1%魚(yú)膠蛋白,打印出營(yíng)養(yǎng)豐富的冰沙.因受到果蔬原料自身的限制,3D打印的配方設(shè)計(jì)需要考慮3個(gè)方面的問(wèn)題:(1)改善果蔬原料的流變特性,使其能夠打印成型;(2)添加抗氧化劑,防止果蔬在去皮、切分、搗碎、勻漿等環(huán)節(jié)中發(fā)生氧化,帶來(lái)變色、變味、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低等問(wèn)題.(3)不同果蔬原料的混合應(yīng)帶來(lái)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的改善和產(chǎn)品美感的提升.表4總結(jié)了不同添加物質(zhì)改善果蔬原料3D打印效果的相關(guān)研究.

表4 不同添加物質(zhì)改善果蔬原料3D打印效果的相關(guān)研究

3 食品3D打印技術(shù)的挑戰(zhàn)與發(fā)展

3D打印食品實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn),仍面臨3個(gè)方面的技術(shù)挑戰(zhàn):(1)食物原料是含有水、碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等多組分的復(fù)雜體系,不同原料對(duì)3D打印的適應(yīng)性各不相同.目前對(duì)于食物材料基礎(chǔ)性理論研究相對(duì)缺乏,在不同食物原料的打印性能、打印參數(shù)選擇、品質(zhì)的調(diào)控等方面還有待深入、系統(tǒng)的探索.(2)加工設(shè)備研發(fā)的技術(shù)瓶頸有待突破.3D打印設(shè)備的研究目前尚未成熟,不能滿(mǎn)足工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn),且一臺(tái)機(jī)器所能打印的食品種類(lèi)有限,通用性有待提高;傳統(tǒng)食材原料的打印一般需要后加工,3D打印-后加工一體機(jī)有待研發(fā);(3)3D打印食品的色、香、味、形與傳統(tǒng)食品還存在一定差距,工藝配方、打印技術(shù)仍需不斷優(yōu)化[49].

隨著生活水平不斷提高,人們對(duì)食物營(yíng)養(yǎng)、口味、口感提出更高要求,個(gè)性化定制、精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)膳食應(yīng)運(yùn)而生.3D打印在食品營(yíng)養(yǎng)與外觀的個(gè)性化設(shè)計(jì)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì);同時(shí)食品3D打印過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生下腳料,避免了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染.因此食品3D打印技術(shù)將帶來(lái)食品產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)與食品營(yíng)養(yǎng)健康產(chǎn)業(yè)的新變革.食品3D打印技術(shù)在未來(lái)還將不斷創(chuàng)新和突破,培養(yǎng)肉的3D打印研究、特殊食品的研發(fā)將不斷深入;3D打印輔助新技術(shù)(微膠囊、靜電紡絲、微波等)將逐漸引入食品3D打印領(lǐng)域;隨著3D打印技術(shù)研究的不斷深入,食品的4D、5D打印技術(shù)也即將到來(lái).