《食品科學(xué)》：基于肉類原料的3D打印技術(shù)研究進(jìn)展

來源: 食品科學(xué)雜志  

肉類是我們?nèi)粘ｏ嬍持兄匾�的組成部分，可以提供人體必需的營養(yǎng)與熱量。肉類的蛋白質(zhì)含量豐富，且是優(yōu)質(zhì)蛋白，其必需氨基酸比例接近人體需要，易于消化吸收。此外肉類還能補充維生素A、B1、B2、尼克酸、無機鹽等營養(yǎng)成分。肉類不僅營養(yǎng)豐富，經(jīng)常吃肉還可靈活大腦、提高免疫力、緩解疲勞和助增肌肉。2007年，康奈爾大學(xué)首次在食品領(lǐng)域使用了3D打印技術(shù)，為3D打印在食品領(lǐng)域的應(yīng)用打開了大門。將肉類原料引入3D打印領(lǐng)域可以滿足更多人的需求，也為食品3D打印領(lǐng)域拓寬了原料范圍�；�于肉類加工的3D打印技術(shù)擁有很大的市場需求，具有很好的開發(fā)價值。

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院的王強、杜洪振、孔保華*等人綜述了近年來肉糜的3D打印與培養(yǎng)肉的3D打印方面的研究進(jìn)展，如食品3D打印機的原理及結(jié)構(gòu)、肉糜的3D打印工藝、培養(yǎng)肉的3D打印工藝、肉類3D打印的發(fā)展前景以及4D/5D打印技術(shù)，為食品的多維打印提供參考。

1、食品3D打印機
食品3D打印機是一種能夠快速打印原型產(chǎn)品的機器。食品3D打印機系統(tǒng)主要是由計算機、3D打印控制系統(tǒng)、物料進(jìn)給系統(tǒng)、驅(qū)動路徑電機系統(tǒng)、噴頭電機系統(tǒng)及打印平臺這幾部分組成。食品3D打印機工作原理主要是以計算機輔助設(shè)計（CAD）數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)設(shè)計三維模型，然后通過三維軟件建立立體模型，隨后將建立的立體模型輸入到3D打印機系統(tǒng)內(nèi)，在3D打印機上設(shè)定操作參數(shù)，此時3D打印機將通過控制系統(tǒng)分別驅(qū)動打印頭擠出機電機和坐標(biāo)電機，最后結(jié)合物料加工特性將物料按照設(shè)定的圖形打印在平臺上。

食品3D打印機分類上的區(qū)別主要在于驅(qū)動路徑和打印方式兩個方面。食品3D打印的驅(qū)動路徑需通過坐標(biāo)系實現(xiàn)，主要有圖2所示的笛卡爾坐標(biāo)、三角坐標(biāo)、極坐標(biāo)和平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)4 種形式。食品3D打印機的最根本的區(qū)別就是打印方式，現(xiàn)階段主要有4 種，分別是選擇性燒結(jié)（激光燒結(jié)/熱風(fēng)燒結(jié)）、擠出打印（熱熔擠出/室溫擠出/凝膠擠出）、黏結(jié)劑噴射和噴墨打印，其中應(yīng)用最為廣泛的方法是熱熔擠出、室溫擠出和凝膠擠出，其擠出原理如圖3所示�；�于物料擠出的打印方式已經(jīng)在食品加工過程中被廣泛的應(yīng)用。

2、原料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用
肉類的打印可分為兩類，一類是以肉糜為原料的3D打印，另一類是人造培養(yǎng)肉的3D打印。肉糜在打印時受機械性能、參數(shù)設(shè)定、理化因素、流變學(xué)特性、感官性能等因素約束，使得肉糜不具備可打印性。因此，肉糜在打印時需要借助穩(wěn)定劑、增稠劑、鹽和微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶（microbial transglutaminase，MTGase）等使肉類獲得可以打印的流變性質(zhì)。

培養(yǎng)肉的3D打印既不同于肉糜的3D打印也不同于單獨培養(yǎng)肉類，因為它既支持打印細(xì)胞生長增殖所需支架內(nèi)部的肌肉細(xì)胞和脂肪細(xì)胞，也支持打印細(xì)胞外基質(zhì)的細(xì)胞。相比之下，單獨培養(yǎng)的肉（沒有3D打�。┦峭ㄟ^增殖肌肉細(xì)胞并將它們附著在支架或載體上，然后轉(zhuǎn)移到帶有生長介質(zhì)的合適的生物反應(yīng)器中來生產(chǎn)的。這種方法不能像3D打印一樣生產(chǎn)像牛排這樣的高度結(jié)構(gòu)的肉。

肉糜的3D打印工藝
肉糜的3D打印首先是要選擇打印所需的各種肉類原料如：豬肉、牛肉和魚肉等，然后將肉塊中不易攪碎的結(jié)締組織和影響打印效果的脂肪剔除，剔除后將肉分成小塊置于絞肉機進(jìn)行精細(xì)粉碎，隨后在粉碎好的肉糜中加入適合的添加劑使肉糜具有打印所需的流變和膠凝特性，最后將調(diào)制好的肉糜放入3D打印機的物料盒中進(jìn)行3D打印。3D打印工藝最關(guān)鍵問題就是增加肉糜的打印性和設(shè)置恰當(dāng)?shù)拇蛴�參�?shù)。

肉類本身是不具備打印性的，需要借助水膠體或輔助添加劑來滿足打印所需要的流變屬性和凝膠強度并獲得能夠同時支撐沉積過程和沉積后結(jié)構(gòu)的能力。3D打印肉類在打印之前需要將肉攪碎成均勻的肉糜，而肉糜在加工過程中容易發(fā)生變色、微生物增長和氧化反應(yīng)等使肉質(zhì)劣化。為了使肉的感官品質(zhì)更佳，可在肉糜中科學(xué)合理添加護(hù)色劑、發(fā)色劑、抗氧化劑、多價螯合劑和抑菌劑等來保障產(chǎn)品的品質(zhì)如硝酸鹽、亞硝酸鹽、抗壞血酸、磷酸鹽、山梨酸等。此外，肉的絞碎有助于提取可溶性蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)與水、鹽和脂肪相互作用，形成乳狀物狀的可印刷糊狀物。在肉糜中加入NaCl或磷酸鹽可以提取肌原纖維蛋白，肌原纖維蛋白在穩(wěn)定肉糜方面起著重要作用。微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶也具有提高肉糜的乳化性、乳化穩(wěn)定性、保水性、凝膠能力和打印性的功能，從而可以部分替代鹽類。微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶不僅可將碎肉黏接在一起，還可將非肉蛋白交聯(lián)到肉類蛋白上，明顯改善肉制品的口感、風(fēng)味、組織結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)。肉糜的打印還通過添加水膠體來提高打印性如海藻酸鈉、明膠、瓜爾膠和黃原膠。

培養(yǎng)肉的3D打印工藝
培養(yǎng)肉是在生物反應(yīng)器中使用組織工程技術(shù)生產(chǎn)的肉，它看起來與傳統(tǒng)肉類相似。目前，培養(yǎng)肉產(chǎn)品過于松散，不能產(chǎn)生真正咀嚼的感覺。因此，迫切需要3D打印來重塑人造肉的結(jié)構(gòu)，逼真的地復(fù)制真肉緊湊而富有彈性的結(jié)構(gòu)。培養(yǎng)肉的3D打印首先要選擇并獲取可以定向分化為各種肉類細(xì)胞的干細(xì)胞，然后利用3D打印機將細(xì)胞按照定制化的程序精準(zhǔn)的打印在可食用的支撐結(jié)構(gòu)中，最后在充滿營養(yǎng)的生物反應(yīng)器內(nèi)將細(xì)胞原料培養(yǎng)成工程肉。

培養(yǎng)肉所需的原材料主要是細(xì)胞、營養(yǎng)液和可食用支架。培養(yǎng)肉的細(xì)胞組成主要是脂肪細(xì)胞、肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞，所以只需要選擇能夠分化成上述細(xì)胞的干細(xì)胞即可。用于培養(yǎng)生產(chǎn)的支架必須具有生物活性、細(xì)胞相容性、較大的表面積、可靈活收縮和最大限度的生長介 質(zhì)擴散（孔隙率）以 支持組織成熟，并且被消化/分離后可以食用而不顯示毒性和過敏反應(yīng)，一般選用結(jié)構(gòu) 特性合適的多糖和穩(wěn)定劑制成可食用支架，不過在制備技術(shù)上還需要大量的探索。

通過3D生物打印工藝，我們可以精確地調(diào)節(jié)細(xì)胞比例、細(xì)胞位置，甚至特定類型的細(xì)胞密度。3D噴墨打印機按照軟件程序預(yù)設(shè)好的三維模型將細(xì)胞沉積到打印好的支撐結(jié)構(gòu)中，然后融合并形成工程肉，并在生物反應(yīng)器中對組織進(jìn)行低頻刺激，以使肉類纖維成熟。3D生物打印有望在不影響肉質(zhì)和肉樣輪廓的情況下實現(xiàn)培養(yǎng)肉的打印。最新的三維打印技術(shù)已經(jīng)能夠制造靈活的人造血管并對人造肉的顆粒和韌性進(jìn)行局部控制以更好地模擬真肉。

影響肉類3D打印工藝的關(guān)鍵參數(shù)
影響肉類3D打印的關(guān)鍵參數(shù)較多，打印墨水的自身性質(zhì)就具有很高的參數(shù)要求，如打印材料的流變學(xué)性質(zhì)、凝膠強度、熱凝固溫度等都會影響打印質(zhì)量。3D肉類打印不僅受自身的理化性質(zhì)影響，還受噴嘴溫度、噴嘴直徑、噴嘴高度、噴嘴移動速度、擠壓速率、填充百分比等工藝參數(shù)的影響。

肉類3D打印的后處理
無論是肉糜還是培養(yǎng)肉的3D打印完成后都需要進(jìn)一步的熱處理，如蒸、煮、煎、炸。后處理的方式主要取決于個人喜好和成品的性質(zhì)。我們需要考慮打印產(chǎn)品承受烹飪操作的能力以及其是否會因為烹飪損失/收縮而失去3D打印的復(fù)雜設(shè)計和感官品質(zhì)。為了降低或防止后加工帶來的食物品質(zhì)的劣化，要選擇理化性能和流變性能穩(wěn)定的原料。

3、3D打印肉的發(fā)展前景及趨勢
多噴頭的打印
現(xiàn)階段肉類打印一般都是單噴嘴和雙噴嘴擠出打印，這種打印方式僅限于原材料種類較少的打印。無論是肉類打印還是其他食品原料都應(yīng)該探索更多的打印方式及多噴嘴打印，打印出更多結(jié)構(gòu)組成和均衡營養(yǎng)的食品，也應(yīng)該開發(fā)更多的輔助技術(shù)去增加打印材料的可打印性。如將多種果蔬、輔助營養(yǎng)劑和肉類采用多噴頭打印方式一同打印，增加營養(yǎng)攝入的均衡性，避免孩子挑食造成的營養(yǎng)不良。

個性化的打印
肉類打印的顏色較為單一，為了更好地吸引消費者，未來可開發(fā)多噴頭打印方式將肉類和果蔬等一同打印增加其色彩豐富度，調(diào)動消費者食欲和購買欲。

肉類加工廢棄物的再利用
目前肉類屠宰企業(yè)在屠宰和分割過程中往往產(chǎn)生很多碎肉和脂肪，這些碎瘦肉和脂肪的品質(zhì)很好，市場價格低廉，但沒有得到有效的利用。此外肉類加工過程也會產(chǎn)生很多可食用的邊角料廢肉和內(nèi)臟，3D打印可以賦予這些碎肉、內(nèi)臟和脂肪新的生命，如重組牛排、重組肉餅和多彩肝泥等。

3D打印肉與其他打印技術(shù)的結(jié)合
靜電紡絲和食品印刷的集成可以提供一種可能的一體化解決方案來制造具有個性化營養(yǎng)的食品，即從材料中提取纖維或子成分，封裝營養(yǎng)物質(zhì)，控制其分配體積，并構(gòu)建營養(yǎng)物質(zhì)可控釋放的食品結(jié)構(gòu)。這種方式可以為口感愉悅的食品提供結(jié)構(gòu)和質(zhì)地，例如肉類中的肌肉纖維。不過目前面臨的挑戰(zhàn)是在食品印刷平臺上集成和操縱靜電紡絲過程。

作為微膠囊的一種，電流體霧化已經(jīng)被納入生物打印機的設(shè)計中，以產(chǎn)生用于生物活性藥物輸送系統(tǒng)的雙壁微球。將這種技術(shù)集成到食品印刷中可以通過使用多打印頭系統(tǒng)來實現(xiàn)，其中至少一個打印頭在制成的食品中產(chǎn)生和分配微膠囊。這將幫助易碎和敏感的材料在加工和包裝條件下存活下來，穩(wěn)定活性成分的保質(zhì)期，并創(chuàng)造出風(fēng)味和顏色掩蔽，只有在消費者觸發(fā)時才會釋放。

4、4D、5D打印技術(shù)
4D打印是最近被創(chuàng)造的術(shù)語，它起初是在3D打印的基礎(chǔ)上加了時間的概念而定義。但后來有了新的定義：一個三維印刷結(jié)構(gòu)被暴露于預(yù)定刺激下（如熱、水、光、pH等），其功能、形狀、性能可隨時間發(fā)生變化。4D打印的打印材料一般為形狀記憶聚合物、形狀記憶合金、形狀記憶水凝膠等具有形狀記憶功能的材料。形狀記憶水凝膠是一種聚合物的自我適應(yīng)性大分子互連網(wǎng)絡(luò)，其功能是捕獲和釋放水（提供刺激），通過收縮和膨脹促進(jìn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。實質(zhì)上食品3D打印也可以被認(rèn)為是4D打印，因為成品在消費之前可能需要經(jīng)過烹飪或處理，而且在設(shè)計產(chǎn)品時需要考慮打印后的形狀和尺寸變化。

5D打印的術(shù)語是從機械領(lǐng)域發(fā)展而來的。5D打印的發(fā)展是由在復(fù)雜設(shè)計中不需要打印支撐結(jié)構(gòu)的便利性推動的。5D打印可以被定義為五軸3D打印機，不是常規(guī)3D打印中使用的三軸打印機。五軸3D打印機從多個方向（x、y、z旋轉(zhuǎn)和平移運動）構(gòu)建對象，從而產(chǎn)生比常規(guī)3D打印更堅固的部件。

5、結(jié) 論
肉糜的3D打印與培養(yǎng)肉的3D打印不同，肉糜的打印需要與鹽、MTGase和水膠體結(jié)合獲得打印所需的流變性能和凝膠性能以進(jìn)行打印，而培養(yǎng)肉的打印則是將細(xì)胞定量且精準(zhǔn)的沉積到可食用支架結(jié)構(gòu)中進(jìn)而融合成工程肉并在生物反應(yīng)器中使肉類纖維成熟。兩種打印的原理雖然不同，但打印的精度和質(zhì)量均由噴嘴溫度、噴嘴直徑、噴嘴高度、噴嘴移動速度、擠壓速率和填充百分比等工藝參數(shù)以單獨和/或組合的方式?jīng)Q定。無論是肉糜的打印產(chǎn)品還是培養(yǎng)肉的打印產(chǎn)品都需要選擇對感官品質(zhì)影響最小的后加工方式處理。目前，基于肉類原料的3D打印研究相對較少，但未來的發(fā)展?jié)摿�巨大。我們可以利�?D打印技術(shù)合理的按需加工單一或多種肉類，也可以搭配果蔬形成組合原料，為特殊人群制定個性化營養(yǎng)食品。當(dāng)然也期待真正的4D打印早日用于肉類原料，讓形狀記憶類打印材料賦予打印產(chǎn)品第二次“生命”。

通訊作者簡介
孔保華，二級教授，國務(wù)院特殊級帖獲得者。獲黑龍江省“龍江學(xué)者”和“龍江科技英才”稱號，為省級教學(xué)名師、省杰出青年基金獲得者、省頭雁計劃骨干成員。任中國畜產(chǎn)品加工學(xué)會常務(wù)理事，肉品分會主任，中國農(nóng)業(yè)機械學(xué)會農(nóng)副產(chǎn)品分會副理事長，農(nóng)業(yè)部國家牛肉加工分中心主任。2005—2006年在美國肯塔基大學(xué)作訪問學(xué)者。主要研究方向為蛋白質(zhì)功能性和肉制品加工。主持和參加的科研項目50余項，包括國家“十二五”科技支撐計劃、國家“863”計劃、國家自然科學(xué)基金、國家“十三五”重點研發(fā)計劃、省重大項目、省重點基金等項目。獲國家科技進(jìn)步二等獎1項，黑龍江省科學(xué)技術(shù)一等獎2項（第1）、二等獎3項、三等獎3項，國家教育部高�？萍歼M(jìn)步二等獎1項，中國輕工業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步一等獎，中國商業(yè)總會科技進(jìn)步一等獎1項。2005年榮獲中國肉品加工業(yè)“十大杰出科技人物”。2011年獲得為中國食品產(chǎn)業(yè)產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新發(fā)展中做出突出貢獻(xiàn)的“杰出科研人才獎”。2012年獲得由中國肉類協(xié)會頒發(fā)的“中國肉類產(chǎn)業(yè)科技領(lǐng)軍人物”稱號。發(fā)表學(xué)術(shù)論文620余篇，其中發(fā)表SCI論文195篇，EI論文78篇，6篇SCI論文為Essential Science Indicators高引論文（top 1%）。編寫教材和專著22部。獲得授權(quán)專利36項。指導(dǎo)博士研究生38人，碩士研究生133人。

本文《基于肉類原料的3D打印技術(shù)研究進(jìn)展》來源于《食品科學(xué)》2022年43卷1期353-361頁，作者：王 強，杜洪振，徐艦航，孫方達(dá)，孔保華*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20201110-097。點擊下方閱讀原文即可查看文章相關(guān)信息。