《食品科學(xué)》：食品3D打印技術(shù)及其在肉類加工中應(yīng)用的研究進(jìn)展

3D打印又稱為增材制造（AM），是一種利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，將虛擬的數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為三維實(shí)體的快速成型技術(shù)。由于3D打印技術(shù)能夠滿足模型設(shè)計(jì)和快速成型的高度專業(yè)化需求，目前在生物醫(yī)藥、建筑制造、航空航天等領(lǐng)域都已開展了大量的應(yīng)用研究。在食品領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)能夠自由設(shè)計(jì)產(chǎn)品形狀，擺脫傳統(tǒng)生產(chǎn)中模具的束縛，有利于工廠小批量定制生產(chǎn)。針對(duì)不同的個(gè)體或人群，食品3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)營養(yǎng)的精準(zhǔn)控制，個(gè)性化定制營養(yǎng)餐食。

近年來，研究熱度頗高的培養(yǎng)肉也能夠通過3D打印實(shí)現(xiàn)其組織結(jié)構(gòu)和紋理的構(gòu)建，未來還有望通過這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)肉的工業(yè)化生產(chǎn)。食品3D打印技術(shù)的應(yīng)用還將帶來食品工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的全面升級(jí)。以肉類工業(yè)為例，食品3D打印技術(shù)通過優(yōu)化處理工序、減少原料肉邊角料浪費(fèi)和交叉污染的發(fā)生，能夠顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)業(yè)利潤(rùn)�；�于肉類原料的食品3D打印技術(shù)發(fā)展前景廣闊，但與其他食品原料相比，其研究深度較淺，仍然需要進(jìn)行大量的摸索。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，肉品加工與質(zhì)量控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇高校肉類生產(chǎn)與加工質(zhì)量安全控制協(xié)同創(chuàng)新中心的楊耿涵、黃明遠(yuǎn)、徐幸蓮*綜述了肉類適印性的研究進(jìn)展及其他動(dòng)物源食品原料的研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來的發(fā)展方向作出展望。

1、食品3D打印技術(shù)的工作原理
熱熔/室溫?cái)D出
擠出型3D打印通過噴嘴將食品物料擠出，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的路徑移動(dòng)，通過層層堆疊得到3D打印產(chǎn)品。對(duì)于加熱時(shí)有良好流動(dòng)性、常溫下易凝固成型的原料可選用熱熔擠出，該技術(shù)已被用于巧克力的生產(chǎn)制作；對(duì)于室溫下有一定自我黏結(jié)成型能力的原料可選用室溫?cái)D出，如一些天然可打印食品原料奶酪和糖霜等，適用該類型原料的3D打印機(jī)主要有氣動(dòng)式、柱塞式和螺桿式，可根據(jù)食品原料的流動(dòng)特性選用不同的擠出方式。

選擇性激光燒結(jié)/熱空氣燒結(jié)
燒結(jié)成型是利用激光或熱空氣作為燒結(jié)源，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的燒結(jié)點(diǎn)，將粉床上特定區(qū)域熔融，使粉床下沉一層，然后鋪上一層新的粉末，重復(fù)以上步驟，燒結(jié)材料形成產(chǎn)品部分，未燒結(jié)粉末留在原位支撐結(jié)構(gòu)。相比于熱空氣燒結(jié)，激光燒結(jié)存在無法預(yù)測(cè)的食品安全問題。激光粒子可能會(huì)使食品中的物質(zhì)發(fā)生變化，需要進(jìn)一步研究激光性能對(duì)食品中物質(zhì)的影響，該類型的打印技術(shù)可在短時(shí)間快速制造出形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，打印結(jié)束即完成成型，不需要后固化。缺點(diǎn)是目前只適用于熔點(diǎn)較低的糖基和脂肪基食品材料，并且由于涉及到許多變量，制造過程和機(jī)器結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜。

黏結(jié)劑噴射
黏結(jié)劑噴射是通過向粉床指定位置噴射黏結(jié)劑，黏結(jié)劑促使相鄰的粒子融合或產(chǎn)生交聯(lián)，形成一個(gè)二維薄片，待薄片凝固后，粉床下降一層，再鋪設(shè)新的粉層，二維薄片層層堆積最終形成三維實(shí)體。未黏結(jié)的粉末在打印過程中起支撐作用，打印結(jié)束后可回收再利用。一般會(huì)在制作之前噴射一層水霧，用來穩(wěn)定粉層，防止黏結(jié)到未指定噴射的區(qū)域。該類型打印技術(shù)具有打印速度快、材料成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是存在打印精度低的問題。

噴墨打印
噴墨打印是從注射器式噴嘴中按需滴出液滴，液滴在重力的作用下滴落沉積。不同于上面幾種技術(shù)的逐層打印，噴墨打印采用局部形成整體的打印方式，主要用于裝飾或圖案填充。由于噴墨打印具有打印速度快、可定制簡(jiǎn)單二維圖案的優(yōu)點(diǎn)，目前已用于工業(yè)化生產(chǎn)餅干、蛋糕或糕點(diǎn)等。

2、肉類3D打印的研究進(jìn)展
肉類原料的適印性研究
實(shí)現(xiàn)肉類的3D打印，需要對(duì)原料的適印性進(jìn)行評(píng)估。食品原料的適印性是指物料有足夠的流動(dòng)性從噴嘴中擠出，且在整個(gè)打印過程中具有一定成型性，打印后的產(chǎn)品有良好的結(jié)構(gòu)精度。巧克力、糖霜和奶酪等天然可打印材料一般通過改變溫度就能打印出具有良好結(jié)構(gòu)和精度的產(chǎn)品，而肉類等非天然可打印材料則需要通過改變其流變特性和打印參數(shù)等來實(shí)現(xiàn)。表1總結(jié)了3D打印技術(shù)在動(dòng)物源食品中的研究現(xiàn)狀。

1流變學(xué)特性：
具有假塑性流體性質(zhì)的食品原料是擠出式3D打印的理想材料。假塑性流體具有剪切稀化行為，其黏度會(huì)隨剪切速率的增加而降低，因而容易擠出。同時(shí)，在其線性黏彈性區(qū)域內(nèi)，儲(chǔ)能模量要高于損耗模量，打印后的產(chǎn)品能夠形成具有一定強(qiáng)度的凝膠/類凝膠結(jié)構(gòu)，即物料的黏度必須在高剪切速率下足夠低，以允許流出噴嘴，又要在打印后快速恢復(fù)高黏度，以便在沉積后支撐結(jié)構(gòu)。肉類原料具有剪切稀化行為，有一定的適印性，但并不足以打印出具有高精度的產(chǎn)品，需要進(jìn)一步對(duì)其流變特性進(jìn)行優(yōu)化。2010年，Lipton等首先對(duì)肉類原料的適印性進(jìn)行了研究，他們向火雞肉糜中添加轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶（TG），提高了肉糜凝膠的儲(chǔ)能模量，成功打印出具有一定形狀的芹菜夾心火雞肉制品（圖1）。

2打印參數(shù)：
Wang Jiwen等研究發(fā)現(xiàn)，流量決定了單位時(shí)間內(nèi)沉積材料的體積，流量越大，單位時(shí)間沉積的體積就越大，打印出的線條就越粗。Dick等研究了不同填充率對(duì)打印復(fù)合層牛肉的影響，通過控制肉糜層和豬油層的填充率發(fā)現(xiàn)較高的填充率下樣品向內(nèi)收縮的程度較低，樣品的水分保留率也有所提升，但在高填充率的情況下，由于重力作用，打印的尺寸偏差也較大（圖2）。

增強(qiáng)肉類原料適印性的物質(zhì)
1食鹽：
食鹽能夠溶出肉中的鹽溶性蛋白，加強(qiáng)蛋白之間的靜電斥力，促進(jìn)肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白交聯(lián)形成復(fù)雜的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高肉糜的保水性和凝膠強(qiáng)度。在肉類3D打印中，食鹽不僅是一種調(diào)味劑，更是一種能夠提高肉糜可擠出性和后成型性的添加物。

2轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶：
轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶是肉品工業(yè)中常用的一種品質(zhì)改良劑，它能夠催化蛋白質(zhì)分子間發(fā)生交聯(lián)，從而改善蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能特性，對(duì)肉制品的流變性、保水性、黏彈性和膠凝性等都有積極的影響。

3脂肪：
脂肪是由甘油和脂肪酸組成的甘油三酸酯。甘油三酸酯的組成和結(jié)構(gòu)，例如脂肪含量、熔點(diǎn)范圍、固體脂肪指數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)等會(huì)影響肉制品的功能特性，可通過改變甘油三酸酯的組成來調(diào)節(jié)沉積層的熔點(diǎn)，使其在理想的溫度下凝固，提高產(chǎn)品的自支撐能力。

4親水膠體：
在食品工業(yè)中，親水膠體常作為增稠劑和膠凝劑使用。向肉糜原料中添加親水膠體，能夠改變?nèi)饷拥牧髯冃裕�是提升肉糜適印性的有效手段。Dick等研究了黃原膠和瓜爾豆膠及其復(fù)配對(duì)熟豬肉糜3D打印效果的影響。結(jié)果表明，黃原膠引發(fā)三糖側(cè)鏈與葡萄糖主鏈間的締合，降低了黏度的損失；瓜爾豆膠使水分子與半乳糖側(cè)鏈發(fā)生交聯(lián)，引起體系黏度的增加。與不添加親水膠體的對(duì)照組相比，添加親水膠體提高了肉糜的黏度、儲(chǔ)能模量和損耗模量。

3、肉類3D打印的應(yīng)用前景
個(gè)性化營養(yǎng)
不同人群對(duì)于不同營養(yǎng)物質(zhì)的需求是有差異的，統(tǒng)一的“標(biāo)準(zhǔn)”健康飲食并不能適合每一類群體，個(gè)性化營養(yǎng)才能滿足不同個(gè)體對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的需求。家用型食品3D打印機(jī)的普及還很遙遠(yuǎn)，目前切合實(shí)際的策略是針對(duì)不同人群劃分來定制營養(yǎng)。通過改變食品組成成分和質(zhì)構(gòu)，可為老年人、運(yùn)動(dòng)員和孕婦等人群個(gè)性化定制餐食。食品3D打印技術(shù)可以通過向食品原料中添加功能成分或從中去除特定物質(zhì)從而為對(duì)特定成分敏感人群提供個(gè)性化食品，這種將食用與醫(yī)療相結(jié)合的產(chǎn)品稱為特醫(yī)食品，被定義為滿足進(jìn)食受限、消化吸收障礙、代謝紊亂或者特定疾病狀態(tài)人群對(duì)營養(yǎng)素或者膳食的特殊需要，經(jīng)專門加工配制而成的配方食品。特醫(yī)食品在中國起步較晚，隨著老齡化社會(huì)的到來，人們對(duì)營養(yǎng)知識(shí)的關(guān)注日益增加，越來越多的人開始重視患病期間的營養(yǎng)健康狀況。利用3D打印可以結(jié)合患者生理上的需求，精準(zhǔn)控制營養(yǎng)成分，為患者提供適合其身體狀況的食品。3D打印未來在食品領(lǐng)域的部分應(yīng)用前景如圖3所示。

培養(yǎng)肉生產(chǎn)
培養(yǎng)肉是一種利用動(dòng)物胚胎干細(xì)胞進(jìn)行體外大量培養(yǎng)而獲得的由肌肉組織、脂肪組織等組成的肉類。在肉類需求量與環(huán)境惡化的雙重壓力下，綠色高效的培養(yǎng)肉技術(shù)得到飛速發(fā)展。目前培養(yǎng)肉的生產(chǎn)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，生產(chǎn)的培養(yǎng)肉多為無定形的肌肉組織，感官屬性較差。利用3D打印技術(shù)可以模擬“真肉”的結(jié)構(gòu)和紋理，通過構(gòu)建可食用支架，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)肉肌肉組織的三維化。

產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)
食品3D打印技術(shù)的應(yīng)用能夠有效防止加工浪費(fèi)的產(chǎn)生，全面升級(jí)食品加工產(chǎn)業(yè)鏈。以肉類工業(yè)為例，利用食品3D打印技術(shù)能夠顯著提高加工水平，有效利用因肉類分級(jí)而產(chǎn)生的肉沫、肉渣等邊角料，一次工序即可完成加工，避免了交叉污染和過多的搬運(yùn)作業(yè)；還能根據(jù)不同要求自由設(shè)計(jì)個(gè)性化形狀，進(jìn)行小規(guī)模定制生產(chǎn)，防止因過量制造引起庫存堆積浪費(fèi)。

結(jié) 語
實(shí)現(xiàn)肉類3D打印仍存在諸多挑戰(zhàn)：1）需要對(duì)3D打印肉制品的后處理性進(jìn)行探究，要求打印后的產(chǎn)品能經(jīng)受住烹飪而不變形；2）混料配方是目前食品3D打印的熱點(diǎn)，要考慮肉類與其他食品原料組成的多樣性，探究配方中不同組分與3D打印之間的相互作用和影響機(jī)制；3）仍需不斷提高3D打印產(chǎn)品的感官屬性，保留產(chǎn)品原有的口感風(fēng)味及營養(yǎng)價(jià)值；4）亟需開發(fā)功能強(qiáng)大的專一性食品3D打印機(jī)，這將有力推動(dòng)3D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域中的發(fā)展；5）基于互聯(lián)網(wǎng)的食品3D打印智能平臺(tái)也有待開發(fā)。未來，食品3D打印機(jī)或?qū)⒆哌M(jìn)工廠和家庭，消費(fèi)者可通過簡(jiǎn)潔的操作界面，根據(jù)人工智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)個(gè)性化搭配營養(yǎng)膳食，自行進(jìn)行有趣的食品3D打印。

本文《食品3D打印技術(shù)及其在肉類加工中應(yīng)用的研究進(jìn)展》來源于《食品科學(xué)》2021年42卷21期308-314頁，作者：楊耿涵，黃明遠(yuǎn)，徐幸蓮。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20201012-084。點(diǎn)擊下方閱讀原文即可查看文章相關(guān)信息。