蛋白質3D食品打印研究進展

李京蓉，郇偉偉，宋麗麗,*

（1.浙江農林大學，省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300；2.浙江農林大學，浙江省林業生物質化學利用重點實驗室，浙江 杭州 311300）

我國食品行業正進入以營養為導向的發展新階段，產品加工從滿足人們的飽腹感和安全感，轉向滿足人們日益增長的健康和幸福感需要；食品供應從滿足一般、大眾食品消費需求轉向滿足個性化、定制化食品消費需求[1]。因此，食品行業需要找到新的生產方式和產品開發技術以滿足客戶需求。

隨著3D打印（Three-dimensional printing）技術的日益成熟，其在工業[2]、航空航天[3]、醫療[4-5]和交通運輸[6]等制造業領域中得到普遍應用。近年來，由于人們將更多的目光投向食品行業，3D食品打印（Threedimensional food printing，3D-FP）也應運而生[7]。通過3D-FP的食品顯示出許多超越傳統食品的優勢，其造型復雜精美，更具視覺吸引力，能夠深深抓住消費者的購買欲望[8]；其不但可使營養成分配制個性化、精美造型定制化、食物資源浪費低效化、食物易吞咽化[9]，而且還能出色地完成航天、軍隊等食品的供應。這些優勢促進了該技術在食品行業中的迅速發展[10]。

蛋白質是一種被公認為在提供人類膳食營養和增強人體免疫能力及抵抗力等功能中起重要作用且化學結構復雜的生物大分子。蛋白質作為膳食能量的重要來源之一，廣泛應用于食品加工。近年來，植物蛋白產品、植物“肉”和高蛋白零食產業蓬勃發展。為了開發出能夠更加滿足當代多元化膳食需求的植物蛋白產品，以高蛋白質含量、高生物利用度、良好氨基酸結構、功能性和生物化合物為主導的食品新基質及以個性化、數字化為主導優化食品加工的模式[11]已被廣泛研究。其中，新基質包括大豆蛋白[12]、豌豆蛋白[8,13]、玉米醇溶蛋白[14]、藜麥蛋白[15-16]、綠豆蛋白[11]、日本小米蛋白[17]、菌菇蛋白[18]、藻類蛋白[19-20]以及昆蟲分離蛋白[21]。

蛋白質除能提供必需氨基酸以保證人體對營養成分攝入的需求，還具備一定的功能特性，如乳化性、發泡性、自凝膠化等[22]，這均有助于其開發為3D食品打印的可食用生物油墨。上述大多數蛋白質源已通過3D-FP加工，但蛋白質材料的性能仍有不足。例如蛋白質對溫度敏感，氨基酸結構不夠穩定，因此需要對其進行一定處理，如采用高壓、超聲波等技術改變蛋白質的結構和性質；對于蛋白質易于與其他成分發生反應這一特點，可以通過不同的檢測手段和評價方式，提供進一步的優化思路。研究表明，食品3D打印加工工藝的優化和蛋白質來源的拓寬有利于個性化蛋白質類食品的開發。但目前還沒有一種可適配所有類型蛋白的3D打印加工方案。本文旨在概述3D-FP 技術在蛋白質食品工業中的研究進展，闡述新型蛋白質制備成打印材料的影響因素，以期促進基于食品3D打印的蛋白質類功能產品和個性化食品的開發與應用，為食品工業的創新發展提供新思路。

1 3D食品打印技術

1.1 新興食品開發技術

3D 打印是增材制造（Additive manufacturing，AM）的總稱，是一種通過將材料分層并逐層打印來開發不同產品的技術[23]，其改變了傳統工業格局，并已應用于食品生產中。3D-FP是以3D打印技術為基礎發展起來的一種快速原型食品技術[24]。它提供了食品復雜形狀的自由、食物紋理的新穎、營養成分的數字化、食品設計的個性化及供應鏈的便捷化，真正實現在低成本、無生產線的條件下滿足差異化市場的需求，直接制作出傳統模具不能替代的奇妙食物，提高了經濟收益，加快了食品工業邁向食品智能定制和精加工新時代的步伐[25-29]。

為實現3D 打印食品的生產，目前科研人員主要針對食物材料、打印參數等多方面進行探索和研究[10，26，30-31]。食物材料的可打印性在很大程度上取決于食材自身的性能和所使用3D 打印機的參數。因此，在打印開始前要充分了解打印材料的黏度、彈性、硬度、附著性、持水性等，這些特性能夠影響層與層之間相互粘連，相互支撐，進而影響打印后食品的穩定性[32-34]。形成合適的打印配方后，還需進一步對打印參數進行試驗和優化。如較小的噴嘴直徑可提高打印模型的精度[35]；較低的噴嘴高度可以避免擠出延遲，從而確保打印模型的層層堆疊并能降低終產品邊緣毛糙或內部塌陷等的發生[36]；調試至合適的打印速度可以提高打印產品和模型的相似度，避免多余打印材料堆疊在打印軌跡而形成的重疊層，或因打印速度過快導致的出料中斷[30]。

荷蘭應用科學研究組（TNO）已通過3D打印得到功能特性食物，通過改變蛋白質和脂肪等營養成分的水平，為咀嚼和吞咽障礙者、老年人和運動員提供定制膳食[37，64]。數字食品加工計劃（DFPI）也相繼開發出相關項目，如為士兵、軍隊、老年人提供個性化營養餐食，保證能量、蛋白質和維生素D 的充足攝入[11]。近年來，對3D-FP 的研究不斷取得進步，但其在材料選擇、混合材料的可打印性、打印產品形狀的穩定性、與傳統食品加工技術的兼容性、3D-FP 消費與健康監管的完善性等多方面仍面臨挑戰[11,38]。

1.2 食品3D打印的深度開發

近年來，隨著增材制造技術的深入研究，新的分支技術——4D、5D、6D技術也應運而生，并獲得形態更加多樣的產品，它們的打印材料為“智能材料”（圖1）。

圖1 2D、3D、4D、5D和6D打印的流程、區別及打印食品的適用場景Fig.1 The 5 types of printing(2D,3D,4D,5D,and 6D printing)process flow and differences as well as application scenarios of printed food

4D 打印技術是在原有3D 的基礎上加入了時間軸，即打印材料隨時間發生不同程度變化，從而實現打印動態3D 結構的技術[39-40]。4D-FP 的發展增加了用餐時的視覺享受。其打印而成的產品在一定的外部刺激（壓力、pH、溫度、光、化學成分等）下，形狀、顏色、質地和風味隨時間而發生變化（圖2）。經微波脫水誘導的紫甘薯泥（PSP）3D 打印產品的形狀發生了改變，呈現向上彎曲狀，而經空氣脫水誘導的打印產品彎曲度更高（圖2A）。3D 打印含花青素的馬鈴薯淀粉凝膠或土豆泥在噴灑不同pH 溶液后自發變色，呈現隨pH變化的顏色梯度變化（圖2B和圖2C）。通過電子鼻檢測分析發現，大豆分離蛋白、卡拉膠和香草混合物在微波誘導下會產生新的風味物質，這對于食欲不振的消費者尤其重要。

圖2 部分4D食品打印產品效果圖[41-45]Fig.2 Some products using 4D food printing[41-45]

5D 打印的概念于2016 年首次由美國大學提出并實現[46]，它在原有3軸的基礎上添加了2個旋轉軸，可打印任何需求的曲直線或面，實現從不同角度和方向對模型進行五軸打印[47]。與3D打印相比，5D打印實現了用更少的材料生產彎曲結構的食品，得到多維度高強度的堅固物體[48]，打印產品的穩定性和美觀性得以提高，尤其是球形類或具有曲面的食品，使食物更具吸引力。最近，6D打印技術也孕育而生，其概念于2021年由Georgantzinos等[49]提出。它是4D和5D 技術的結合，其產品可更高效、更可控地自彎曲，且在運輸過程中形狀能保持較高的穩定性[39，49]。相信在不久的將來，該技術在智能食品中會嶄露頭角。食品加工技術的發展也會隨著科技與工業的發展更加創造化、智能化。

2 可用于3D-FP的蛋白質

2.1 動物性蛋白質

動物性蛋白質主要來源于禽畜魚類等的肉、蛋、奶，并被作為其他來源蛋白比對的標準和期望達成的目標。其他來源蛋白通過各種技術手段使其具備與肉、蛋、奶相似的風味或口感。目前有幾種新型動物蛋白值得關注，其獲取難度和獲取周期均優于傳統動物性蛋白。其中魚糜蛋白和昆蟲蛋白因具有蛋白質含量高、營養價值高、可塑性優異的特點而用于3D-FP中。

魚糜（其所含蛋白為魚糜肌原纖維蛋白）可通過對魚肉進行連續洗滌、脫水和切碎而獲得，這樣獲得的魚糜具有假塑性，即在非剪切過程中表現出較高的黏度，在擠出和剪切過程中黏度大大降低，因此魚糜肌原纖維蛋白是一種很有潛力的高蛋白食品3D打印材料，同時也可以作為其他食品3D 打印開發的基礎材料[50]。適當增加鹽濃度會降低魚糜的黏度，使其在3D-FP過程中擠出更容易。Wang等[51]以銀鱈魚為原料，從持水性、水分分布、流變性、凝膠強度及微觀結構5方面探究氯化鈉的作用，發現添加1.5%的Na-Cl可以得到適合3D打印的材料。但流變特性會受到魚品種和加工方式的影響。Liu等[52-53]為提高魚糜蛋白的膠凝性能和打印精度，以金鯧魚為原料，探究了魚糜加工過程中水分與質構間的相關性以及流變行為、蛋白質分子結構和3D 打印特性之間的相關性。微生物谷氨酰胺轉氨酶（MTGase）的加入可通過改善不溶性蛋白質的溶解性，進一步增強魚糜凝膠強度和持水性[54]。Cao 等[55]探究了NaCl 和MTGase 的加入對白姑魚魚糜凝膠的影響，篩選出3D-FP 的最適添加劑濃度。

可食用昆蟲蛋白是一種新的食品工業蛋白質來源。已經有團隊根據黃粉蟲分離蛋白（Mealworm protein isolate，MPI）的特性，開發出一種適合老年人的3D-FP新型食品，將MPI加入到雞肉糜中既滿足了高蛋白攝入需求，又能有效降低雞肉糜的黏彈性和硬度，改善雞肉糜的質地，使其打印成適合老年人或吞咽困難患者的食品[56]。黃粉蟲幼蟲碾碎的粉末中蛋白質和必需氨基酸含量都高于面粉，因此Severini等[57]嘗試采用黃粉蟲幼蟲粉替代部分面粉制作面團，來提高面團的營養價值。同時發現，提高黃粉蟲粉添加量可增加面團柔軟度，抑制打印產品在后處理中的尺寸縮小，使得3D-FP 產品具有更好的造型能力。Amarender 等[58]對蟋蟀科啞蟋屬（Gryllidae）的昆蟲全精磨噴霧干粉進行了測定分析及脫脂處理研究，結果表明，蟋蟀干粉的蛋白質含量為63.43%，可作為食品工業的替代蛋白質來源。除上述兩種昆蟲之外，雙叉犀金龜（Allomyrina dichotoma）和白星花金龜（Protaetia brevitarsis）也作為可食用昆蟲被研究過[21]。研究表明，以上3種可食用昆蟲的蛋白質含量為49%～85%，并具有人體所需的必需氨基酸，提取出的昆蟲分離蛋白具有良好的乳化和凝膠性能，可以作為一種良好的蛋白質功能增強劑。盡管目前尚未針對其3D 打印能力進行驗證，但已有初步跡象表明該材料具有巨大的開發潛力[21，59]。上述研究表明，昆蟲蛋白可作為食品工業蛋白質來源，且部分蛋白被驗證可滿足3D-FP 材料的要求，今后可利用3D-FP技術改變昆蟲蛋白的食物形態，使人們更易于接受這類蛋白質。目前僅部分昆蟲蛋白粉的營養價值、理化屬性和推廣發展的合理性被明確，但這并不意味著大眾能夠接受，同時也要配套制定相關安全規定，以保障食品安全。

2.2 植物蛋白質

根據近十年的文獻檢索發現：植物性食物對健康的積極影響已得到廣泛認可，對植物蛋白材料的研究顯著增多[26]，尤其是對豆科植物（大豆、鷹嘴豆、豌豆等）蛋白和谷物分離蛋白（小麥蛋白、玉米醇溶蛋白、大米蛋白、高粱醇溶蛋白、燕麥蛋白等）的研究。

豆科植物蛋白因為極易獲得而廣為人知。大豆分離蛋白（Soybean protein isolate，SPI）富含人體必需氨基酸，具備相當優異的食品加工性能[60]。目前對大豆蛋白3D-FP的研究主要集中于添加親水膠體或者將大豆蛋白作為乳化劑和穩定劑來改善大豆蛋白類食品油墨的流變性能。已有研究表明，SPI與親水膠體（海藻酸鈉和明膠）混合可以形成理想的印刷材料[61]。在3D-FP 加工研究中，隨著SPI 添加量的增加，蝦肉糜的彈性、硬度和結構穩定性得到顯著改善；添加6%SPI 的蝦肉糜打印精確度和打印穩定性最高[62]。此外，可通過微波誘導增強SPI 的可打印性和即時固化性能[63]。SPI 雖富含人體必需氨基酸，但其蛋白質消化率校正后氨基酸分數（PDCAAS）較低，為此人們開始尋找同樣具備完整氨基酸結構又有較高PDCAAS的蛋白來源。其中，豌豆蛋白因富含蛋氨酸外的必需蛋白、對凝膠溫度要求低、吸濕能力強而使用最多[40]。豌豆蛋白與馬鈴薯淀粉混合的3D打印材料中，添加1%豌豆蛋白的打印質量最好[30]。豌豆蛋白與海藻酸鈉質量比為1∶4 的3D-FP 可打印性能表現最佳[8]。有研究表明，豌豆分離蛋白的添加促進了食品蛋白質含量的增加和營養價值的提升；此外，新鮮豌豆-胡蘿卜-白菜制作的蔬菜型3D-FP食品適合吞咽困難患者食用，并具備足夠的營養成分和穩定的結構[64]。

谷物蛋白主要存儲于植物的胚乳中，含量一般為7%～15%[65]。與大豆蛋白相比，谷物蛋白擁有不同的營養及功能特性[66]。在大豆蛋白中添加小麥面筋蛋白可更大限度地提高其所產生風味物質的多樣性[67]。Guo 等[68]研究證明，在大豆蛋白中添加適量的小麥面筋蛋白，有利于彌補氨基酸含量的不足，并在擠壓成肉類類似物時減少揮發性風味物質的損耗。莧菜、藜麥、白藜為富含纖維素的無麩質蛋白，它們與玉米粉混合后經過擠壓可得到新型無麩質零食，3種食材因膳食纖維含量（莧菜＜藜麥＜白藜）差異造成產品截面擴張指數和硬度不同[16]。玉米醇溶蛋白富含亮氨酸、谷氨酸和丙氨酸，可以用于制備功能性多肽。添加玉米醇溶蛋白的小麥面團可將面筋形成的連續網絡改為纖維網絡結構。近年來有研究證明，玉米醇溶蛋白還可作為食品原料的纖維材料，為制作肉類類似物產品提供基礎[69]。谷朊粉的原料是小麥粉，主要成分是面筋蛋白，多應用在面食產品中。當前，對于谷朊粉的研究集中于其自身特性（黏彈性、吸水性等）及作為面粉中添加物在糊化、流變等方面所產生的影響[70]。隨著消費者對健康和糧食安全的日益關注，植物蛋白的應用不再滿足于面粉制品，于是開始探究制備口感和風味兼備的素肉制品，例如SPI 復配經3D 打印制備成植物肉[71]；豌豆蛋白復配處理后可制備成適合特定群體的人造牛排[72]。

上述研究表明，目前已基本掌握豆類蛋白、谷物蛋白的材料性能及其應用于3D-FP中的打印性能和穩定性，但對于潛在植物蛋白，如堅果、植物葉片、花蕊中的蛋白質[73]的相關探究較少。有研究證明，植物葉片蛋白因其低成本、易獲得、富含氨基酸，可作為食品中蛋白的補充劑[74-76]。研究發現，水葫蘆葉片的蛋白質含量可達50%[77]，菠蘿蜜植物葉子的蛋白質含量為65.82 g/100 g[78]，南瓜和莧菜葉片的蛋白質含量分別為11.75%和10.7%[79]。桑葉蛋白在預防和治療潰瘍式結腸炎方面具有良好功效[80]。還有研究表明，牡丹花蕊蛋白能夠明顯提高面團的硬度、黏著性和咀嚼性，添加量低于6%時效果優于SPI；其能有效地促進面筋蛋白網絡結構的形成，提高面團的品質[81]。盡管這些新型蛋白質來源更加環保、營養豐富且具備藥用功能，但未來還需要系統地研究其特性，以充分發揮其在3D打印食品領域的巨大潛力。

2.3 其他蛋白質

微藻被認為是最有前途的蛋白質替代植物之一，這是因為微藻含有高達50%的蛋白質，并且具有出色的氨基酸組成，在滿足人們對可持續食品供應需求方面具有巨大的潛力[82-83]。小球藻是綠藻門的球形成員，因為其蛋白質含量高（51%～58%），作為食品補充劑和蛋白營養強化劑。小球藻富含多種氨基酸，其他有益營養素（β-1,3-葡聚糖、維生素（VB 復合物和抗壞血酸））、礦物質（鎂、鐵和鈣）、β-胡蘿卜素、葉綠素和小球藻生長因子也較為豐富[84-86]。小球藻粉的替代添加可提高面包中蛋白質、葉黃素、脂肪酸的含量，提高無麩質面包的營養品質[20]。An 等[32]在研究3 種形態的球藻油墨（新鮮小球藻、脫水小球藻干粉末和小球藻干粉與馬鈴薯淀粉混合物）打印效果時發現，重新水化的小球藻凝膠比新鮮小球藻所形成的凝膠更優質。此外，延長復水時間、加熱處理和添加淀粉明顯有助于提高復水小球藻粉末的三維成型性。這些研究為藻類與其他成分結合形成新型3D-FP蛋白質產品提供了可能性。然而目前藻類的培養和加工技術尚不發達，需要提高技術成熟度以改變現狀。同時考慮到消費者的健康及安全，藻類加工過程中的食品安全問題也應加以更多的關注。

菌類因數量大、種類多、分布廣，是另一個可利用群體。Derossi等[87]將牛腸桿菌干粉作為鈣、鐵和蛋白質的來源，添加到一種專為兒童設計的3D 打印零食中，證明了菌類作為3D打印材料的可行性。Keerthana 等[18]利用食品3D打印技術，在試驗中嘗試了不同比例的雙孢蘑菇粉與小麥粉的組合以改善小麥面團的理化特性、營養價值與香氣，制作出理化性質優良的蘑菇餅干，這為利用3D 打印技術可持續地在個性化營養方面開發食物提供了參考和依據。同時，采用連續流動發酵技術發酵鏈孢霉菌（Fusarium venenatumA3/5）得到的菌絲體發酵產物——菌類蛋白也被廣泛應用[88]。纖維素含量高、脂肪含量低這兩大特性決定了菌類蛋白在人造肉生產制造領域的應用前景[89]。自然界中的微生物數量龐大，是食品蛋白資源寶庫，但其開發還存在局限性。在菌類蛋白和人造肉加工生產中，具備安全性和良好加工性的可食用真菌已經展現出高利用價值和廣闊的市場前景。目前，對食用菌的菌類蛋白產物探尋力度和深度不夠，未來應加大挖掘食用菌的潛力。表1為對上述蛋白質分類的匯總。

表1 可用于3D食品打印的蛋白來源Table 1 Protein sources that can be used for 3D food printing

3 3D-FP中蛋白質的改性

隨著功能性復合食品的出現和發展，在對3D-FP材料特性的探究中需重點關注蛋白質與各組分間的相互作用，探究蛋白質材料的流變性能和熱性能，以獲得滿足預期的食品。

3.1 多酚類物質對蛋白質3D-FP產品的改性

蛋白質與多酚的結合既能改善蛋白質的功能性質，又能提高多酚類化合物的利用度和生物利用率。自然界中存在的大多數蛋白質和植物多酚類化合物是通過非共價結合而存在的。閆馨月等[90]發現，大豆蛋白中的β-伴大豆蛋白（7S）和大豆蛋白（11S）分別通過氫鍵和疏水作用與黃芩素結合，可改善打印凝膠的熱穩定性。然而，由共價鍵形成的復合物更適用于食品，因為它們具有更強和更持久的高穩定性。不同蛋白質與多酚結合的能力不同。王晨等[91]利用熒光光譜法和傅里葉變換紅外光譜法分析，發現花青素與小麥醇溶蛋白、麥谷蛋白的結合作用不同，前者是疏水作用，后者是范德華力和氫鍵。白藜蘆醇和小麥醇溶蛋白的結合作用和花青素相同，但與玉米醇溶蛋白主要通過氫鍵作用結合。總酚含量是影響蛋白質質構特性的重要因素。胡瑩等[92]研究發現，茶多酚添加量對大豆蛋白素肉的質構、色澤和微觀結構等方面均有影響。增加茶多酚添加量，食物的硬度、膠著性、咀嚼性及拉伸強度均呈現先降低后升高的趨勢（圖3A）。然而，蛋白質與多酚類物質發生哪種相互作用取決于兩者濃度，可通過不同的檢測手段探究相互力的轉變機制，以達到使打印材料具備更好塑性效果的目的。

圖3 部分食品3D打印中蛋白質改性后的打印產品圖[7，92-94]Fig.3 Some printed products using 3D food printing with modified protein[7，92-94]

3.2 多糖類物質對蛋白質3D-FP產品的改性

蛋白質與多糖類物質（簡稱多糖）之間的作用以非共價結合為主，如多糖與蛋白質的物理交聯促進疏水作用，淀粉中大量的-OH 決定了氫鍵是淀粉和蛋白之間的親水作用力，多糖的陰離子基團和蛋白質上的帶正電基團會產生靜電相互作用力。在蛋白質3D打印原料中添加多糖化合物能夠改善材料的流動性、黏度及硬度。Ji 等[7]探究了酪蛋白與木薯淀粉凝膠3D打印性能的潛在機制，結果表明，隨著酪蛋白含量的增加，3D 打印產品的精度得以提高。這是由于隨著酪蛋白含量增加，在熱處理后降低了淀粉短程有序結構，從而增加了凝膠的彈性和剛性（圖3B）。Liu 等[93]利用低場核磁共振研究了不同種類以及不同添加量的淀粉對于魚糜蛋白持水性、流變特性以及3D打印能力的影響（圖3C）。Pan等[94]通過添加金針菇多糖解決了大豆分離蛋白水凝膠重塑中存在的問題，這是因為大豆蛋白從金針菇多糖中引入-OH后增強了β-片狀物結構的生成，降低了凝膠黏性和強度，使水凝膠可以更輕易地擠出，微觀結構上更加均勻和致密（圖3D）。金針菇多糖的添加成功地改善了水凝膠的特性，從而使其具備3D 打印特性。這也成功證實了天然多糖具有改善蛋白質3D打印性質的作用。

3.3 油脂對蛋白質3D-FP產品的改性

脂類物質有助于多方位改善蛋白類食物的感官，提高產品硬度、潤滑度。在魚糜加工處理中難免發生脂質的損失，因此通常添加植物油、起酥油等外源性油脂來彌補，以改善魚糜制品的質地和風味。油脂的添加占據了蛋白質基質的孔隙，改變了蛋白質的二級結構和微環境，保護了凝膠網絡結構的完整性，使產品風味和口感得以改良，保水性和多汁性得以提高，彈性和色澤得以改善，凝膠強度和白度得以提高。Zhou等[95]研究發現，油茶籽油濃度對魚糜質地和蛋白質二級結構有著積極作用，與魚糜凝膠的凝膠強度、乳液穩定性和保水能力呈正相關，離子鍵和疏水相互作用力指數隨油脂濃度的升高而增加。冷凍掃描電鏡和拉曼光譜結果顯示，油脂的添加能夠增加蛋白質二級結構含量，增強凝膠三維網絡的穩定性。在蛋白質凝膠形成過程中，油脂和蛋白質的互作關系首先表現在界面蛋白膜形成過程中所需蛋白質間的相互作用，其次是油脂與界面蛋白膜間的相互作用[50]。油脂和蛋白質間最終形成油脂-界面蛋白膜-蛋白質基質乳化體系。Shao等[96]研究結果顯示，加熱導致β-折疊結構的增加和其疏水作用的增強，表明油脂可以改變魚糜蛋白質的微環境，提高蛋白凝膠性能。目前為了降低飽和脂肪酸含量，逐漸用植物油脂代替動物油脂。但油脂的種類和pH值都會影響油脂與蛋白質間的作用力，因此在選用脂類添加劑提高蛋白質凝膠性能時要對環境參數多加注意。

3.4 外源蛋白對蛋白質3D-FP產品的改性

在加工處理過程中，外源蛋白一般扮演抑制劑或交聯劑的角色。外源蛋白的添加會改變蛋白質濃度，對體系分散性和組織化改性，影響蛋白質間相互作用。一般豆類蛋白均含有蛋白酶抑制劑，其可起到改善凝膠性能、抑制凝膠自溶的作用。Kudre 等[97]探究發現，黑豆分離蛋白和綠豆分離蛋白具有明顯抑制沙丁魚魚糜蛋白水解酶的效果，對肉糜凝膠化、持水性有促進作用。研究發現，大豆分離蛋白、花生分離蛋白或大豆分離蛋白、大米分離蛋白這兩種混合外源蛋白的添加有利于增強凝膠密度，促進肌原纖維蛋白（MP）自凝膠化。動物性蛋白的添加對蛋白質基質的效果相似，但作用機制略有不同[98]。Rawdkuen等[99]研究發現，乳清濃縮蛋白表現為外源抑制魚糜自溶劑，同時乳清濃縮蛋白的添加濃度與魚糜凝膠強度、保水性呈正相關。外源蛋白的交聯劑作用則可表現在與MP 相互作用、相互交聯、氫鍵和疏水相互作用力促進凝膠網絡的形成上。Wang 等[100]通過向未漂洗魚糜中加入不同添加量的雞胸肉后，顯著提升了肌動蛋白含量和凝膠性能，產品表面更加光滑，凝膠網絡更致密。這說明在混合過程中其可促進蛋白質間的交聯，改善網絡結構。綜上可知，不同種類外源蛋白的添加能夠對蛋白凝膠特性和品質起到積極影響。

酶類蛋白中主要以谷氨酰胺轉氨酶（Transglutaminase，TGase）作為外源蛋白添加劑。TGase酶能夠催化蛋白質中賴氨酸殘基上的ε-氨基和谷氨酸殘基上的γ-酰胺基發生轉酰基反應，誘導蛋白質分子內和分子間生成ε-（γ-谷酰胺）-賴氨酸共價鍵，促進魚糜蛋白凝膠網絡結構的形成[50，54]，從而改善產品的口感、風味及質地等。此外，蛋白質易受到生存、加工環境的影響，需要注意pH值對蛋白質表面電荷和溶解度的促進（或抑制）效果，不利的環境會使蛋白質變性而無法達到改善凝膠結構、提高打印效果的目的。綜上所述，不同類別外源添加物對蛋白質3D-FP產品的改性不同（表2）。

表2 3D食品打印中蛋白質的改性Table 2 Modification of proteins in 3D food printing

4 預處理及后加工對蛋白質3D-FP的影響

打印精度和形狀穩定性是3D-FP 目前面臨的最大挑戰。為了開發出性能更好的材料，借助熱處理、微波、超聲波、高壓等方法對材料進行預處理或加工后處理，可提高打印精度和材料的穩定性[26,101]。

水浴加熱是最常用的熱處理方法，依據食品材料對溫度的熱敏性而應用于3D-FP中。許多研究利用這種機制對蛋白質或其復配原料進行打印前處理。Liu等[102]將蛋清蛋白溶液與明膠、玉米淀粉和蔗糖的混合物在55 ℃水浴下制備成具有可打印性的復合打印材料。Lille 等[103]將30%黑麥麩皮、35%燕麥濃縮蛋白或45%蠶豆濃縮蛋白混合，經水浴加熱后形成用于3D 打印的凝膠，打印后產品的穩定性高。將乳清蛋白分離物和乳蛋白濃縮物以質量比2∶5 的比例混合并添加一定量的甘油和黃原膠，也可以成功地進行3D打印[33]。

3D-FP 蛋白產品大多處于液態或半固態，在包裝和運輸過程中易發生形變，微波協同3D-FP 熱處理方式能有效解決這一問題。Yang 等[104]研究微波真空干燥后處理方式對芒果汁凝膠的影響，比較不同干燥時間下打印產品的風味、質地、水分分布和介電性能，發現經過4 min微波真空干燥處理后得到的產品表現出最佳的形狀穩定性和準確性。趙子龍[105]采用微波3D 打印協同方法完成了打印過程中魚糜的液固轉變。Yu 等[63]將大豆蛋白與半胱氨酸微波加熱不同時間（20、25、30 min）以提高其打印性和自凝膠化，轉谷氨酰胺酶與微波協同作用形成的ε-（γ-谷氨酰胺）共價鍵作用有助于形成穩定的凝膠網絡結構，從而實現大豆蛋白凝膠的液固轉變。Fan 等[101]研究了微波-鹽協同預處理對大豆分離蛋白-草莓油墨3D 打印性能和自支撐性能的影響，結果表明，鹽和微波處理可以顯著提高這類油墨的打印精度和自支撐性能。微波干燥方式能更好地保留營養成分，同時確保顏色和質地特性的最小變化，甚至引起風味變化。但并不是所有的材料都能通過微波處理得到改善。

超聲波技術被認為是一種具有應用前景的環保技術。因蛋白質易受高壓均質過程中的空穴效應影響，使蛋白乳化性質等發生改變，因此超聲波通常在蛋白質最終產品生產前應用。超聲波主要通過促進不同蛋白質類食物基質中蛋白質與其他膳食成分相互作用，從而提高打印材料的穩定性[106]。Ma等[107]研究了超聲波處理后蛋白質基質中發生的靜電相互作用，表明450 W、70 ℃的超聲波處理能顯著加快大豆分離蛋白與多糖（柑橘果膠/蘋果果膠）的結合。Chen 等[108]在探究超聲波處理對鰱魚魚糜3D 打印特性的影響中發現：頻率100 kHz、功率300 W、持續時間45 min 的超聲波處理可減少對蛋白質結構特征的損傷，并增加其與水的相互作用。Chen 等[109]使用超聲波（20/23 kHz，400 W，10 min，10 ℃）加強雞肉糜和黃芩素之間的氫鍵和疏水性作用，從而減少對油的需求，增強凝膠的抗氧化能力。此外，采用超聲波和植物半胱氨酸蛋白酶可制成適合老年人的嫩化人造肉[110]。

超高壓技術是一種非熱處理加工技術，以水或流體作為介質傳導壓力，可瞬時破壞共價鍵，不同程度改變肽鏈折疊層度和蛋白質分子結構[111]。超高壓的作用體現在以下幾方面：①加強蛋白質打印凝膠強度。王炳智[112]研究了不同高壓對小麥面筋蛋白的影響，發現隨著壓力的增強，打印凝膠強度增大。這表明超高壓技術對蛋白質分子結構的展開、疏水相互作用力、三維網絡結構的形成起到了積極作用。②提高蛋白質的乳化性和起泡性。周一鳴等[113]在研究高靜水壓對蕎麥蛋白功能性質的影響中對此予以了證明。此外，研究證明，超高壓對蛋白質結構和其水合特性也有一定的影響。超高壓處理對共價鍵的瞬時破壞，導致二硫鍵、疏水基團和其他官能團暴露，蛋白質分子受到拉伸，影響蛋白質的溶解性和持水性。壓力為0～600 MPa時，溶解性隨壓力的增加表現為先下降后上升[114]。黃薇[115]的研究結果表明：同樣進行超高壓處理，面筋蛋白和小麥醇溶蛋白的溶解性變化趨勢與麥谷蛋白相反；超高壓處理下蛋白的持水性和蛋白種類相關。戴彩霞等[116]研究超高壓對菜籽蛋白功能性質和結構的影響時，發現超高壓處理菜籽蛋白質時，其溶解性受蛋白所處環境的酸堿度影響。高壓作用力、蛋白種類和反應環境條件（溫度、pH 等）因素不同程度上共同影響著蛋白質的水合特性。根據上述提到的處理方式按其對蛋白質3D-FP的影響進行了歸納（見表3）。

表3 預處理及后加工對蛋白質3D-FP的影響Table 3 Effect of pretreatment and post-processing on protein products prepared by 3D-FP

5 蛋白質3D-FP性能檢測技術

黏彈性、剪切變稀性的流變特性和快速恢復性能是3D打印成功的關鍵。研究人員利用低場核磁共振（Low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）分析水分遷移變化時發現，弛豫時間和相應的峰面積等參數與食品油墨的剪切稀釋和黏彈性具有很強的相關性[117-118]。LF-NMR 是一種可以觀察到物質質量變化、水相和水分子結合狀態的檢測手段。該技術的使用證明了淀粉改善肉糜流變性和打印性時，水分分布也會隨之改變[119]。Liu等[93]的聚類分析結果發現，淀粉種類、淀粉添加量、水分和流變性能與魚糜3D打印性能密切相關。以上研究均為LF-NMR可作為預測食材的流變性能并評價其3D打印性能的手段提供了理論依據。

近紅外光譜法（Near infrared spectrometry，NIR）是數字化分析儀器和化學計量學方法的結合形成的研究方法，可用于分析食品中脂肪、蛋白質、氨基酸等含量，并據此評定食品品質。食品中膠體顆粒的大小對乳制品的理化、功能和感官特性有相當大的影響。利用NIR 可以對牛奶樣品中的脂肪球大小進行定量分析[120]。NIR 在食品行業中作為檢測工具體系還需進一步完善，但利用該技術對食品類成分與功能進行預測或測量無疑是食品加工和3D-FP中一個不錯的檢測與評價方法。

傅立葉紅外光譜（FTIR）和拉曼光譜所呈現的圖譜已經成為蛋白質二級構象信息的可靠數據分析來源[121]。康懷彬等[122]采用FTIR 研究高溫對蛋白結構的影響，發現溫度升高時，α-螺旋結構會向無規卷曲結構轉變，對蛋白凝膠性和持水性有負面影響。Zheng 等[123]采用FTIR 研究發現，肉糜加工制備中，鹽可改變水分分布和蛋白質二級結構含量，改善肉制品品質。

上述方法均能用來檢測蛋白質材料的打印特性和評估打印產品的恢復性及穩定性。但對其單獨使用僅能從水分分布或蛋白質結構上對產品進行評價。因此，在探究新型蛋白質打印材料時應對以上方法進行復合使用，這有利于更全面、更透徹地分析產品特性。如Yang 等[124]采用LF-NMR 和拉曼光譜法相結合的研究方法，從低場磁場和pH 兩個角度對提高豬肉糜凝膠特性的機理進行更全面地探究。

6 展望

本文對3D打印技術應用于食品行業的優勢及發展趨勢進行了概述，總結了不同種類蛋白質及其3D打印產品特性的改變，并分析了蛋白質與各食物組分間的相互作用力對3D-FP 產品的影響，這將有助于開發新型的多組分蛋白質3D-FP 食品，提高蛋白質應用的廣度或深度。但是，目前蛋白質3D-FP 食品主要面臨兩方面的挑戰：一方面是如何發掘更多可以應用于3D-FP的蛋白質材料。由于打印特性與食品材料自身的理化性質相關，有些材料難以直接進行打印。為解決這一問題，可以優化蛋白質與不同食品組分間的作用力或通過預處理方式改善自凝膠性、假塑性，使其具備可打印的能力。參照魚糜蛋白、大豆分離蛋白、小麥醇溶蛋白成熟的體系研究，加深藻類蛋白、昆蟲分離蛋白、植物葉片蛋白、農林副產品蛋白、堅果蛋白等潛在蛋白質來源的探究。另一方面，蛋白質復合組分3D-FP 食品如何以更好的風味、造型呈現，以適應當前消費者市場和個性化營養市場。應該宏觀把握前沿技術發展和市場需求動向，進一步推敲細化多元組分相互作用對蛋白凝膠的影響，完善復合凝膠理論體系，拓寬3D-FP食品加工來源和增強食物成品效果。同時，多種技術的結合是未來食品加工發展趨勢，如人工智能與3D-FP有效結合等。綜上所述，3D-FP 具有廣闊的應用前景，有必要進一步加強3D-FP和蛋白質結合的探究。當然，3D-FP 技術還有很長的探索之路，本綜述拋磚引玉，以期對新蛋白來源的開發、活性成分的添加、食品感官的豐富性加以更多關注，共同面對3D-FP新的挑戰。