基于不同原料的食品3D打印技术研究进展

李鑫,许月明,张爽,苏超,葛雯,徐迪

(芜湖职业技术学院,芜湖市生命健康工程技术研究中心,安徽 芜湖 241000)

3D打印又称为增材制造,是利用计算机和数字化技术进行模型设计,再通过打印将原料层层粘合形成三维实体的一种成型技术.随着该技术的不断发展,现已被广泛应用于航天、医药、机械、建筑等领域.2007年,康奈尔大学的研究人员首次将基于挤出成型的3D打印引入食品领域[1].在过去的几年里,研究人员就不同食物原料对3D打印技术的适应性进行了大量研究,先后开发了基于巧克力[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打印技术直接从电脑的图形数据中获取食物形状,能够制作出一些通过传统生产模具或手工无法实现的新颖食品,简化了生产工艺,缩短了食品研发周期[8].该技术还可根据不同年龄和生理状态人群所需的营养素比例,灵活配置物料供给参数,满足不同人的需要.尤其是对有咀嚼和吞咽困难的老人和儿童,3D打印可以为他们设计质地柔软、外观新颖的食品,同时改变其营养结构提供均衡营养[6].此外,3D打印还可以对非传统食物资源进行开发和利用,如富含营养物质的昆虫、藻类、真菌等,通过打印重塑原料外观,制成兼具美感和营养的零食[9].未来,食品3D打印技术有望带来食品工业产业链的全面升级,显著提高产业利润[10].

目前,巧克力、糖霜、奶酪等半固体原料的3D打印技术相对比较成熟,人类传统食物如谷物、肉糜、果蔬等原料的3D打印也受到越来越多学者的关注与研究.本文重点从原料适印性、打印参数设置、打印效果等方面综述了基于不同食物原料3D打印的研究进展,并对其发展与挑战做出展望.

1 食品3D打印技术概述

1.1 食品3D打印原理

食品3D打印的工作原理主要是通过计算机设计3D模型,然后经过切片生成二维图形信息,3D打印机按照预设路径信息逐层打印,经层层堆叠形成三维实体结构[11].3D打印的实施方法有很多,目前用于食品领域中的主要有热熔/室温挤出、选择性激光烧结/热空气烧结、黏合剂喷射和喷墨打印四种类型,应根据食品原料的种类选择适合的打印方法.四种打印方法的工作原理与适用范围比较见表1.

表1 不同打印方法的工作原理与适用范围比较

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备适印性、适用性和后加工特性3个基本特性[12-13].适印性是指物料能够被3D打印机控制,经打印成型后保持形态稳定的能力.这要求打印材料具备一定的流变学特性、机械特性和理化特性.不同的打印技术对物料的要求不同,如挤出型3D打印要求物料应具备假塑性流体特征与良好的凝胶形成能力[13];而在选择性激光烧结打印中,所用物料多为粉末颗粒,它们应具有适当的粒度、结晶度、堆积密度、流动性等[14].

适用性是指打印原料具有可用于满足人们多方面需求的能力.Lipton等[16]利用双喷头挤出型3D打印机打印的芹菜夹心鸡肉制品,同时满足了消费者对食物营养和美感的需要.Kouzani等[17]以金枪鱼、南瓜、甜菜为原料,打印出质地柔软的鱼状零食,满足了有咀嚼或吞咽障碍人群的食用需求.

后加工特性是指打印原料具有经受后加工处理的能力.以肉糜、谷物、果蔬等为原料制成的3D打印食品一般需经煎、炒、烹、炸等加工过程才可食用,打印原料在此过程中需保证不坍塌、不收缩、不变形,最大程度维持原有状态.为追求耐烹饪的3D打印制品,选择合适的原料配方、合理加入添加剂、选用适当的加工方法十分重要[18].

1.3 打印参数

除了物料自身的打印特性,打印参数也是影响打印效果的重要因素.大多数食品选择的是基于挤出型的3D打印技术,常见的打印参数包括打印速度、喷嘴直径、喷嘴高度、物料填充密度等[19].打印速度即打印机喷头的移动速度,其参数设置应与原料的流动性、挤出速度相适应,打印速度过快,打印样品会失真、变形;打印速度过慢,会延长打印时间,也可能导致物料过度堆积[20].打印喷头直径会改变样品孔隙率、沉积层数,从而影响样品的打印精度,随着喷嘴直径的减小,打印样品表面精度提高[21].喷嘴高度应与喷嘴直径相当,若喷嘴高度过高,可能会导致物料拖拽、变形[22].物料填充密度是3D模型内部的填充百分比,填充密度增大,样品内部支撑力增强;但过高的填充密度,容易使物料因过重而堆积变形[8].

2 食品3D打印技术在不同原料上的应用

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

谷物原料是我国日常膳食中的主粮,包括大米、小麦、玉米、大豆等,是富含碳水化合物、蛋白质、矿物质、维生素等多种营养素的食品体系.淀粉作为谷物的主体成分,其黏弹性流体是具有剪切稀化行为和触变性的假塑性流体,亦可以在成型过程中通过凝胶化提供自支撑力,因此谷物原料被认为是较为理想的3D打印原料[23].不同的谷物原料,其3D打印效果不同.余阳玲等[24]探究了马铃薯淀粉、玉米淀粉和小麦淀粉的3D打印特性,研究发现三种淀粉原料均可获得完整的3D打印模型,其中小麦淀粉的打印样品尺寸和CAD设计模型最为接近;而马铃薯淀粉和玉米淀粉制作的3D打印模型产生了显著的尺寸收缩.此外,谷物中的淀粉和蛋白质含量也影响打印效果.淀粉的凝胶特性可以改变物料的黏度,通过凝胶行为提高自支撑力,随着淀粉含量的增加,成品的成型性和稳定性得以改善[25].谷物原料加水搅拌时,蛋白质吸水膨胀,分子之间相互交联逐渐形成蛋白膜,均匀的包裹在淀粉颗粒表面,起到结构支撑作用.周浩宇等[26]研究发现,蛋白质含量为9%～10%的小麦粉的打印样品表面平整、纹路清晰;而蛋白含量低于这个范围,不利于打印制品立体结构的保持,出现成品比模型“矮、胖”的现象.综上,谷物原料是适合3D打印的材料,其适印性和谷物的种类(淀粉、蛋白质的来源和含量等)有关,未来可以使用结构力学模型来模拟评估不同谷物原料3D打印的机械性能和结构稳定性[27].

2.1.2 谷物原料3D打印应用

谷物原料中,面糊和面团的3D打印效果较好.如利用含有不同食用色素的彩色面团打印出多彩的蝴蝶曲奇(图2A);以面团、调味汁、奶酪为原料,分层打印得到3D打印披萨(图2B).除了谷物原料自身特性外,打印参数的设置也是影响打印效果的重要因素,表2总结了谷物原料3D打印参数优化的相关研究.

(A 蝴蝶曲奇[28] B 3D打印披萨[5])

(A 鸡肉糜[37] B 鱼糜[38] C 猪肉[39])

表2 谷物原料3D打印参数优化的相关研究

2.2 基于肉类原料的食品3D打印

2.2.1 肉类原料的打印特性

肉类原料包括畜禽肉类及其副产品,富含优质蛋白质,是人们日常生活不可缺少的营养来源.目前肉类原料的3D打印主要采用肉糜的形式进行,肉糜具有剪切稀化行为,物料的黏度随着剪切速率的增加而降低,可通过挤压顺利从打印喷嘴流出;同时肉糜一般具有较好的凝胶形成能力,能够通过肌原纤维蛋白分子间的相互交联形成稳定的三维结构,为打印样品提供支撑力[33].虽然肉类原料具有一定的适印性,但并不足以打印出具有高精度的产品,常需要添加成分进一步对其打印效果进行优化.如谷氨酰胺酶可通过催化蛋白质多肽链上的酰基转移反应来促进蛋白质分子之间的交联,可以降低物料的黏度,增加流体储能模量,提高肉糜的挤出性能和产品的稳定性[34].添加NaCl能够促进肉糜中盐溶性蛋白溶出,加强蛋白质分子间交联、提高溶液中蛋白质分子间静电斥力,改善打印样品的凝胶强度和保水性[35].亲水胶体也是肉类3D打印中常用的添加物,如卡拉胶、明胶、黄原胶等.亲水胶体可以改变肉糜的黏度,促进产品结构内部形成连续且致密的交联结构,增强凝胶的硬度和弹性,从而改善打印产品质地[36].

2.2.2 肉类原料3D打印应用

目前,学者已对鸡肉肉糜、鱼糜、虾肉糜、猪肉糜等肉类原料的3D打印进行了大量的探索和实践,也证实了肉类作为3D打印原料的可行性[19].3D打印效果如图3所示.表3总结了肉类原料3D打印相关研究.除了肉糜的3D打印,培养肉的3D打印成为另一热点.培养肉的研究被认为是缓解环境污染、动物福利问题、可持续发展等问题的潜在解决方案.培养肉的3D打印应先获取肉中各类型细胞的干细胞,然后将细胞打印在可食用支架中,再经过细胞扩增即可得到“真肉”的结构和纹理.目前已有学者致力于通过3D打印实现培养肉,但今后能否实现大规模生产还需要进一步探索[33].

表3 肉类原料3D打印相关研究

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较差,其打印缺陷如下:(1)含水量高,破碎成浆液后黏度低,流动性强,不具备3D打印所要求的流变特性;(2)浆料不具胶凝性与黏结性,打印后的样品难成形;(3)加工过程中易发生褐变,失去营养和感官特性[42].因此,果蔬原料的3D打印需要与其他成分(抗氧化剂、亲水胶体等)复配才能完成.

2.3.2 果蔬原料3D打印应用

果蔬原料的3D打印食品具有营养性,Derossi等[43]用香蕉、白豆、蘑菇、脱脂牛奶、柠檬汁为原料为3～10岁儿童设计了水果零食,富含维生素D、铁、钙等营养素.Severini等[44]将梨、胡萝卜、猕猴桃、西兰花、鳄梨等多种果蔬原料混合,加入1%鱼胶蛋白,打印出营养丰富的冰沙.因受到果蔬原料自身的限制,3D打印的配方设计需要考虑3个方面的问题:(1)改善果蔬原料的流变特性,使其能够打印成型;(2)添加抗氧化剂,防止果蔬在去皮、切分、捣碎、匀浆等环节中发生氧化,带来变色、变味、营养价值降低等问题.(3)不同果蔬原料的混合应带来营养价值的改善和产品美感的提升.表4总结了不同添加物质改善果蔬原料3D打印效果的相关研究.

表4 不同添加物质改善果蔬原料3D打印效果的相关研究

3 食品3D打印技术的挑战与发展

3D打印食品实现规模化生产,仍面临3个方面的技术挑战:(1)食物原料是含有水、碳水化合物、脂肪、蛋白质等多组分的复杂体系,不同原料对3D打印的适应性各不相同.目前对于食物材料基础性理论研究相对缺乏,在不同食物原料的打印性能、打印参数选择、品质的调控等方面还有待深入、系统的探索.(2)加工设备研发的技术瓶颈有待突破.3D打印设备的研究目前尚未成熟,不能满足工业化规模生产,且一台机器所能打印的食品种类有限,通用性有待提高;传统食材原料的打印一般需要后加工,3D打印-后加工一体机有待研发;(3)3D打印食品的色、香、味、形与传统食品还存在一定差距,工艺配方、打印技术仍需不断优化[49].

随着生活水平不断提高,人们对食物营养、口味、口感提出更高要求,个性化定制、精准营养膳食应运而生.3D打印在食品营养与外观的个性化设计方面具有独特优势;同时食品3D打印过程中几乎不产生下脚料,避免了资源浪费和环境污染.因此食品3D打印技术将带来食品产业链升级与食品营养健康产业的新变革.食品3D打印技术在未来还将不断创新和突破,培养肉的3D打印研究、特殊食品的研发将不断深入;3D打印辅助新技术(微胶囊、静电纺丝、微波等)将逐渐引入食品3D打印领域;随着3D打印技术研究的不断深入,食品的4D、5D打印技术也即将到来.