基于不同原料的食品3D打印技術研究進展

李鑫,許月明,張爽,蘇超,葛雯,徐迪

(蕪湖職業技術學院,蕪湖市生命健康工程技術研究中心,安徽 蕪湖 241000)

3D打印又稱為增材制造,是利用計算機和數字化技術進行模型設計,再通過打印將原料層層粘合形成三維實體的一種成型技術.隨著該技術的不斷發展,現已被廣泛應用于航天、醫藥、機械、建筑等領域.2007年,康奈爾大學的研究人員首次將基于擠出成型的3D打印引入食品領域[1].在過去的幾年里,研究人員就不同食物原料對3D打印技術的適應性進行了大量研究,先后開發了基于巧克力[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打印技術直接從電腦的圖形數據中獲取食物形狀,能夠制作出一些通過傳統生產模具或手工無法實現的新穎食品,簡化了生產工藝,縮短了食品研發周期[8].該技術還可根據不同年齡和生理狀態人群所需的營養素比例,靈活配置物料供給參數,滿足不同人的需要.尤其是對有咀嚼和吞咽困難的老人和兒童,3D打印可以為他們設計質地柔軟、外觀新穎的食品,同時改變其營養結構提供均衡營養[6].此外,3D打印還可以對非傳統食物資源進行開發和利用,如富含營養物質的昆蟲、藻類、真菌等,通過打印重塑原料外觀,制成兼具美感和營養的零食[9].未來,食品3D打印技術有望帶來食品工業產業鏈的全面升級,顯著提高產業利潤[10].

目前,巧克力、糖霜、奶酪等半固體原料的3D打印技術相對比較成熟,人類傳統食物如谷物、肉糜、果蔬等原料的3D打印也受到越來越多學者的關注與研究.本文重點從原料適印性、打印參數設置、打印效果等方面綜述了基于不同食物原料3D打印的研究進展,并對其發展與挑戰做出展望.

1 食品3D打印技術概述

1.1 食品3D打印原理

食品3D打印的工作原理主要是通過計算機設計3D模型,然后經過切片生成二維圖形信息,3D打印機按照預設路徑信息逐層打印,經層層堆疊形成三維實體結構[11].3D打印的實施方法有很多,目前用于食品領域中的主要有熱熔/室溫擠出、選擇性激光燒結/熱空氣燒結、黏合劑噴射和噴墨打印四種類型,應根據食品原料的種類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個基本特性[12-13].適印性是指物料能夠被3D打印機控制,經打印成型后保持形態穩定的能力.這要求打印材料具備一定的流變學特性、機械特性和理化特性.不同的打印技術對物料的要求不同,如擠出型3D打印要求物料應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打印中,所用物料多為粉末顆粒,它們應具有適當的粒度、結晶度、堆積密度、流動性等[14].

適用性是指打印原料具有可用于滿足人們多方面需求的能力.Lipton等[16]利用雙噴頭擠出型3D打印機打印的芹菜夾心雞肉制品,同時滿足了消費者對食物營養和美感的需要.Kouzani等[17]以金槍魚、南瓜、甜菜為原料,打印出質地柔軟的魚狀零食,滿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打印食品一般需經煎、炒、烹、炸等加工過程才可食用,打印原料在此過程中需保證不坍塌、不收縮、不變形,最大程度維持原有狀態.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、選用適當的加工方法十分重要[18].

1.3 打印參數

除了物料自身的打印特性,打印參數也是影響打印效果的重要因素.大多數食品選擇的是基于擠出型的3D打印技術,常見的打印參數包括打印速度、噴嘴直徑、噴嘴高度、物料填充密度等[19].打印速度即打印機噴頭的移動速度,其參數設置應與原料的流動性、擠出速度相適應,打印速度過快,打印樣品會失真、變形;打印速度過慢,會延長打印時間,也可能導致物料過度堆積[20].打印噴頭直徑會改變樣品孔隙率、沉積層數,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].噴嘴高度應與噴嘴直徑相當,若噴嘴高度過高,可能會導致物料拖拽、變形[22].物料填充密度是3D模型內部的填充百分比,填充密度增大,樣品內部支撐力增強;但過高的填充密度,容易使物料因過重而堆積變形[8].

2 食品3D打印技術在不同原料上的應用

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、礦物質、維生素等多種營養素的食品體系.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,亦可以在成型過程中通過凝膠化提供自支撐力,因此谷物原料被認為是較為理想的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,研究發現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設計模型最為接近;而馬鈴薯淀粉和玉米淀粉制作的3D打印模型產生了顯著的尺寸收縮.此外,谷物中的淀粉和蛋白質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,成品的成型性和穩定性得以改善[25].谷物原料加水攪拌時,蛋白質吸水膨脹,分子之間相互交聯逐漸形成蛋白膜,均勻的包裹在淀粉顆粒表面,起到結構支撐作用.周浩宇等[26]研究發現,蛋白質含量為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范圍,不利于打印制品立體結構的保持,出現成品比模型“矮、胖”的現象.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(淀粉、蛋白質的來源和含量等)有關,未來可以使用結構力學模型來模擬評估不同谷物原料3D打印的機械性能和結構穩定性[27].

2.1.2 谷物原料3D打印應用

谷物原料中,面糊和面團的3D打印效果較好.如利用含有不同食用色素的彩色面團打印出多彩的蝴蝶曲奇(圖2A);以面團、調味汁、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,打印參數的設置也是影響打印效果的重要因素,表2總結了谷物原料3D打印參數優化的相關研究.

(A 蝴蝶曲奇[28] B 3D打印披薩[5])

(A 雞肉糜[37] B 魚糜[38] C 豬肉[39])

表2 谷物原料3D打印參數優化的相關研究

2.2 基于肉類原料的食品3D打印

2.2.1 肉類原料的打印特性

肉類原料包括畜禽肉類及其副產品,富含優質蛋白質,是人們日常生活不可缺少的營養來源.目前肉類原料的3D打印主要采用肉糜的形式進行,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,可通過擠壓順利從打印噴嘴流出;同時肉糜一般具有較好的凝膠形成能力,能夠通過肌原纖維蛋白分子間的相互交聯形成穩定的三維結構,為打印樣品提供支撐力[33].雖然肉類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品,常需要添加成分進一步對其打印效果進行優化.如谷氨酰胺酶可通過催化蛋白質多肽鏈上的酰基轉移反應來促進蛋白質分子之間的交聯,可以降低物料的黏度,增加流體儲能模量,提高肉糜的擠出性能和產品的穩定性[34].添加NaCl能夠促進肉糜中鹽溶性蛋白溶出,加強蛋白質分子間交聯、提高溶液中蛋白質分子間靜電斥力,改善打印樣品的凝膠強度和保水性[35].親水膠體也是肉類3D打印中常用的添加物,如卡拉膠、明膠、黃原膠等.親水膠體可以改變肉糜的黏度,促進產品結構內部形成連續且致密的交聯結構,增強凝膠的硬度和彈性,從而改善打印產品質地[36].

2.2.2 肉類原料3D打印應用

目前,學者已對雞肉肉糜、魚糜、蝦肉糜、豬肉糜等肉類原料的3D打印進行了大量的探索和實踐,也證實了肉類作為3D打印原料的可行性[19].3D打印效果如圖3所示.表3總結了肉類原料3D打印相關研究.除了肉糜的3D打印,培養肉的3D打印成為另一熱點.培養肉的研究被認為是緩解環境污染、動物福利問題、可持續發展等問題的潛在解決方案.培養肉的3D打印應先獲取肉中各類型細胞的干細胞,然后將細胞打印在可食用支架中,再經過細胞擴增即可得到“真肉”的結構和紋理.目前已有學者致力于通過3D打印實現培養肉,但今后能否實現大規模生產還需要進一步探索[33].

表3 肉類原料3D打印相關研究

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,流動性強,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性,打印后的樣品難成形;(3)加工過程中易發生褐變,失去營養和感官特性[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)復配才能完成.

2.3.2 果蔬原料3D打印應用

果蔬原料的3D打印食品具有營養性,Derossi等[43]用香蕉、白豆、蘑菇、脫脂牛奶、檸檬汁為原料為3～10歲兒童設計了水果零食,富含維生素D、鐵、鈣等營養素.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%魚膠蛋白,打印出營養豐富的冰沙.因受到果蔬原料自身的限制,3D打印的配方設計需要考慮3個方面的問題:(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、勻漿等環節中發生氧化,帶來變色、變味、營養價值降低等問題.(3)不同果蔬原料的混合應帶來營養價值的改善和產品美感的提升.表4總結了不同添加物質改善果蔬原料3D打印效果的相關研究.

表4 不同添加物質改善果蔬原料3D打印效果的相關研究

3 食品3D打印技術的挑戰與發展

3D打印食品實現規模化生產,仍面臨3個方面的技術挑戰:(1)食物原料是含有水、碳水化合物、脂肪、蛋白質等多組分的復雜體系,不同原料對3D打印的適應性各不相同.目前對于食物材料基礎性理論研究相對缺乏,在不同食物原料的打印性能、打印參數選擇、品質的調控等方面還有待深入、系統的探索.(2)加工設備研發的技術瓶頸有待突破.3D打印設備的研究目前尚未成熟,不能滿足工業化規模生產,且一臺機器所能打印的食品種類有限,通用性有待提高;傳統食材原料的打印一般需要后加工,3D打印-后加工一體機有待研發;(3)3D打印食品的色、香、味、形與傳統食品還存在一定差距,工藝配方、打印技術仍需不斷優化[49].

隨著生活水平不斷提高,人們對食物營養、口味、口感提出更高要求,個性化定制、精準營養膳食應運而生.3D打印在食品營養與外觀的個性化設計方面具有獨特優勢;同時食品3D打印過程中幾乎不產生下腳料,避免了資源浪費和環境污染.因此食品3D打印技術將帶來食品產業鏈升級與食品營養健康產業的新變革.食品3D打印技術在未來還將不斷創新和突破,培養肉的3D打印研究、特殊食品的研發將不斷深入;3D打印輔助新技術(微膠囊、靜電紡絲、微波等)將逐漸引入食品3D打印領域;隨著3D打印技術研究的不斷深入,食品的4D、5D打印技術也即將到來.