摘要：3D打印技術(shù)是一項新興技術(shù)，旨在從計算機輔助設(shè)計模型中建立一個三維物體，已廣泛地用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健、汽車工業(yè)、機車工業(yè)和航空工業(yè)等多個領(lǐng)域。3D打印技術(shù)作為一種將數(shù)字化軟件與加工設(shè)備融合的新技術(shù)，可以實現(xiàn)物體的個性化定制和批量生產(chǎn)。除此之外，3D打印技術(shù)因無模具成型、節(jié)省材料及定制化膳食等特點，在食品加工領(lǐng)域逐漸興起。在動物源食品加工中，3D打印具有獨特的潛力，可以創(chuàng)造復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，同時具有經(jīng)濟和環(huán)境效益。它可以根據(jù)營養(yǎng)需求、卡路里攝入、特定形狀、質(zhì)地、顏色或味道等特定屬性創(chuàng)建個性化的食物。基于此，該文綜述了4種常見的3D打印技術(shù)，分析了常見的食品大分子對動物源食品3D打印產(chǎn)生的影響，并對3D打印技術(shù)在動物源性食品加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了總結(jié)。

　　關(guān)鍵詞：3D打印；動物源食品；食品加工；食品營養(yǎng)；個性化食物
 

　　3D打印是以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)的一種快速成型技術(shù)，也被稱為固體自由曲面制造或增材制造，由于3D打印技術(shù)可以滿足準確、快速成型和形狀定制等需求，在生物醫(yī)學(xué)工程、電子材料、制藥和食品科學(xué)等多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

　　動物源食品是人類優(yōu)質(zhì)蛋白、脂類、脂溶性維生素、B族維生素和礦物質(zhì)的良好來源，是平衡膳食的重要組成部分。動物源性食物中蛋白質(zhì)不僅含量高，而且氨基酸組成更適合人體需要，是食品加工中的重要原料。食品加工既包括熱技術(shù)，如微波和真空烹調(diào)，也包括非熱技術(shù)，如超聲波和脈沖電場。這些加工技術(shù)被應(yīng)用于滿足食品行業(yè)和消費者的一些關(guān)鍵要求，如安全性和延長保質(zhì)期。但在各種各樣的方法中，3D打印是目前為止食品行業(yè)中最新興的技術(shù)，可用于制備復(fù)雜形狀的食品。計算機輔助設(shè)計模型為食品結(jié)構(gòu)提供了個性化定制，這是傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的。

　　3D打印食品使個性化膳食和數(shù)字化營養(yǎng)成為可能。例如，3D打印可以幫助咀嚼和吞咽有困難的老年人定制食物。也可以通過打印各種有趣和復(fù)雜的食物形狀來增加兒童對食物的興趣，通過調(diào)整配方為兒童提供均衡的營養(yǎng)。還可以針對營養(yǎng)不耐受和過敏人群生產(chǎn)不含過敏源的凝膠甜點。目前，許多動物源性食品原料已被用于3D打印。如肉類、牛奶蛋白、海鮮制品和蛋類等。因此，為了更深入了解3D打印技術(shù)在動物源性食品加工中的研究進展，本文綜述了近年來3D打印技術(shù)在食品加工領(lǐng)域的最新研究成果，并總結(jié)了食品3D打印技術(shù)的分類、食品大分子對食品3D打印產(chǎn)生的影響以及3D打印技術(shù)在動物源性食品加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為擴大3D打印技術(shù)在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考依據(jù)。
 

　　1 食品3D打印新技術(shù)的分類
 

　　1.1 選擇性燒結(jié)3D打印技術(shù)

　　如圖1所示，在選擇性燒結(jié)成型中，首先將材料粉末鋪入粉末床中，然后利用燒結(jié)源沿沿著X軸和Y軸移動，使粉末顆粒熔化并形成固體層。燒結(jié)粉末形成產(chǎn)品成分，而未燒結(jié)粉末留在原地以支撐所形成的結(jié)構(gòu)。固體層完全形成后，鋪上一層新的粉末進行燒結(jié)。重復(fù)這個過程，直到3D食物被一層一層地打印出來。根據(jù)所用燒結(jié)源的不同，可將選擇性燒結(jié)打印分為選擇性激光燒結(jié)和選擇性熱風(fēng)燒結(jié)。選擇性燒結(jié)的優(yōu)點是打印更加自由快捷，不需要后續(xù)固化。而且，在打印過程中，每一層燒結(jié)粉末都可以改變，可以打印出每一層含有不同成分的食物，從而可以制作出更復(fù)雜的食物。缺點是由于涉及的變量很多，打印過程很復(fù)雜。選擇性燒結(jié)打印主要應(yīng)用于燒結(jié)金屬、陶瓷、聚合物和其他材料，由于材料性能的限制，它沒有在食品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，該技術(shù)主要用于打印糖類或脂類食品材料，這些材料熔點低，容易燒結(jié)。此外，選擇性燒結(jié)打印的材料僅限于粉末，一些食品材料如新鮮食品不適合這種打印技術(shù)，因為它們的特性不能滿足打印要求。

　　1.2 粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)

　　粘結(jié)劑噴射是在粉末床上通過噴射液體粘合劑逐層構(gòu)造三維物體的技術(shù)。如圖2所示，將薄層粉末材料精確地鋪在加工平臺后，噴墨打印頭會根據(jù)這一層的截面形狀在粉末上選擇性噴出一層黏結(jié)劑，形成二維圖案。待噴到黏結(jié)劑的薄層粉末發(fā)生固化，再鋪上一層一定厚度的粉末，打印頭按照下一截面的形狀噴射黏結(jié)劑。如此層層疊加，從下到上，得到一個三維實物。粘結(jié)劑噴射適用于大多數(shù)粉末材料，具有加工速度快、材料成本低的優(yōu)點，常被應(yīng)用于定制的糖果和蛋糕等高糖食品的加工，但HOLLAND利用粘結(jié)劑噴射技術(shù)將纖維素和葡甘露聚糖粉末成功地用于創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)，設(shè)計了簡單的方形和復(fù)雜的星狀結(jié)構(gòu)。該研究提高了粘結(jié)劑噴射技術(shù)在低熱量食品中的應(yīng)用潛力。

圖2 粘結(jié)劑噴射原理示意圖
 

　　1.3 熱熔擠出3D打印技術(shù)

　　熱熔擠出技術(shù)也被稱為熔融沉積建模（Fusion Deposition Modelling，F(xiàn)DM），如圖3所示，熔融的半固態(tài)熱塑性材料從可移動的FDM頭部擠壓出來，然后沉積到基板上。這種材料被加熱到略高于熔點的溫度，因此它在擠壓后幾乎立即凝固，并焊接到前面的層上。同室溫擠出相比，熱熔擠出包含一個加熱元件，使墨水在通過噴嘴時被加熱。根據(jù)材料的不同特性，設(shè)定合適的加熱溫度，以保持油墨的熔化狀態(tài)，使其順利通過噴嘴。由于溫度往往略高于材料的熔點，擠出的油墨可以迅速凝固，進而產(chǎn)生所需的3D打印形狀，這是熱熔擠出技術(shù)的一個優(yōu)勢。早期，熱熔擠出技術(shù)常用于塑料和橡膠產(chǎn)品的生產(chǎn)，這些材料受熱易熔化，受冷易凝固，適合熱擠壓打印。近年來，由于熱熔擠出技術(shù)可以制造具有復(fù)雜設(shè)計、特定幾何形狀、定制營養(yǎng)含量和成分的食品，所以被廣泛應(yīng)用于肉類替代品、奶酪等食品的生產(chǎn)加工。

圖3 熱熔擠出原理示意
 

　　1.4 噴墨3D打印技術(shù)

　　噴墨3D打印是在預(yù)設(shè)程序的引導(dǎo)下產(chǎn)生水滴，滴到基板上逐漸形成3D圖案。根據(jù)液滴生產(chǎn)工藝的不同，常見的噴墨打印技術(shù)主要包括連續(xù)噴墨打印和按需噴墨打印。在連續(xù)噴墨打印中，材料以連續(xù)流動的液體的形式通過噴嘴擠壓，然后在表面張力下分散成液滴。通常在噴嘴裝置中裝有壓電換能器，通過改變換能器的輸出頻率，可以調(diào)節(jié)通過噴嘴的液體流量，從而增強液體材料的分散程度。分散的液滴被誘導(dǎo)產(chǎn)生電荷，在外加電場的作用下，帶電的液滴會向特定的方向移動，從而引導(dǎo)擠壓出的液體材料在設(shè)定的位置落下，最終產(chǎn)生所需的打印圖案。在按需噴墨打印中，設(shè)備往往有多個噴嘴，打印材料根據(jù)需要從不同的噴嘴中滴出，而不形成液體流動。液滴擠壓的動力一般來自于打印頭中安裝的電陶瓷元件變形產(chǎn)生的動力和加熱噴嘴中液體產(chǎn)生7的膨脹力。噴墨打印所需的材料通常是低粘度材料，以便在噴嘴擠壓后能以液滴形式分散。這項要求限制了該技術(shù)用于打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的食物。如圖4所示，噴墨打印技術(shù)目前主要應(yīng)用于食品基材的裝飾和覆蓋，以及填充材料的空腔，如：黃油、奶油、巧克力、果醬等食材等食材。

圖4 噴墨打印技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品
 

　　2 食品大分子對動物源食品3D打印影響的研究進展
 

　　目前，3D打印在動物源食品加工中的最大挑戰(zhàn)是打印產(chǎn)品的流變性、結(jié)構(gòu)精度、形狀穩(wěn)定性及與傳統(tǒng)食品加工技術(shù)的兼容性。已有研究證實，食品大分子會對上述特性產(chǎn)生影響，進而影響其可打印性。因此，了解蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和碳水化合物等食品基質(zhì)對動物源食品3D打印技術(shù)的影響具有重要意義。
 

　　2.1 蛋白質(zhì)對3D打印技術(shù)的影響

　　動物源食品的3D打印最關(guān)鍵的方面之一是打印材料的流變特性，打印材料應(yīng)表現(xiàn)出粘彈性，還應(yīng)具有適當?shù)牧鲃幽芰?、可以順利擠出的粘度以及沉積后保持形狀的穩(wěn)定性。蛋白質(zhì)作為動物源食品中的關(guān)鍵大分子對產(chǎn)品的流變學(xué)和感官特性具有重要意義。FAN等制備了乳糖-乳清分離蛋白（Whey Protein Isolation，WPI）復(fù)合親水膠體用作3D打印的打印材料。結(jié)果表明，所研究的凝膠的流變、粘彈性、熱學(xué)和力學(xué)性能都與蛋白質(zhì)含量有關(guān)，其中蛋白質(zhì)含量越高，發(fā)生硬化的速度就越快，這是因為WPI分子可以通過表面疏水相互作用聚集或聚結(jié)改變硬度。然而，乳糖的添加可以阻斷WPI的聚集，進而減弱由WPI誘導(dǎo)的硬化現(xiàn)象。CHOW等考察了乳清分離蛋白濃度對慕斯穩(wěn)定性和感官特性的影響。研究結(jié)果表明，慕斯質(zhì)構(gòu)特性受乳清分離蛋白濃度的影響，乳清分離蛋白的添加軟化了凝膠結(jié)構(gòu)，進而減少了慕斯表面粗糙、塊狀和致密的紋理，使慕斯的外觀更具光澤、質(zhì)地絲滑和口感更佳。圖5顯示了不同WPI濃度下的慕斯狀態(tài)，隨著WPI濃度的增加，樣品的粘結(jié)力顯著增加。LIU等研究了加入蛋清蛋白對混合體系流變、潤滑、織構(gòu)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，5.0%（w/w）的蛋清蛋白混合系統(tǒng)是理想的3D打印體系。加入一定濃度的蛋清蛋白可以提高凝膠樣品的硬度和彈性。這些性能的改善有助于打印材料從噴嘴中及時流出，提高打印材料的粘度。此外，還有助于原料在打印過程中保持打印材料的形狀。

圖5 3D打印的檸檬慕斯側(cè)面圖
 

　　2.2 脂質(zhì)對3D打印技術(shù)的影響

　　ZHENG等研究發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)增加了淀粉材料的3D打印樣品在儲存過程中的柔軟性，彈性和內(nèi)聚性，因為脂質(zhì)限制了直鏈淀粉的逆行和老化。脂質(zhì)還可能促進了潤滑性并降低了材料的粘合性，使打印過程更加順暢。LILLE等利用乳粉作為蛋白質(zhì)和脂肪的來源，研究了脂類對可打印性影響。該研究對比了含有脫脂（0.4%脂肪）和半脫脂乳粉（9%脂肪）的水溶液對打印性能的影響。結(jié)果如表1所示，過高比例脫脂牛奶的添加使原料呈現(xiàn)出高粘性且難以打印的糊狀，因為太粘而不能均勻沉積，可能是由于脂肪在擠壓過程中起到了潤滑劑的作用，生物材料更具有流動性。

　　2.3 碳水化合物對3D打印技術(shù)的影響

　　碳水化合物的添加使得食品原料在3D打印中具有良好的剪切稀化特性，有助于原料擠出成型。隨著碳水化合物含量的增加，分子之間的相互作用導(dǎo)致機械強度增加，成型穩(wěn)定性得到明顯改善，有助于保持打印結(jié)構(gòu)的形狀。已有研究證實，海藻酸鈉、瓜爾膠和黃原膠等工業(yè)用糖具有改變食品流變特性進而提高材料3D打印性能的潛力。CUI等研究發(fā)現(xiàn)，隨著海藻酸鈉、黃原膠添加量的增加，凝膠的膠質(zhì)性、硬度、彈性、表觀粘度也隨之提高。這些變化增強了產(chǎn)品在打印后支撐和保持其形狀的能力。ARIANNA等使用雙噴嘴擠壓的3D打印機開發(fā)了一種復(fù)合層3D打印牛肉產(chǎn)品。由于牛肉的可打印性較低，此研究在肉醬基礎(chǔ)上添加0.5%瓜爾膠和1.5%氯化鈉，其中，瓜爾膠有效增加了打印原料的粘度和彈性。
 

　　3 3D打印技術(shù)在動物源性食品加工中的應(yīng)用進展
 

　　3.1 肉制品

　　目前，關(guān)于3D打印肉制品的研究較少，因為肉類及其副產(chǎn)品本質(zhì)上是不可打印的纖維材料，需要依賴添加劑來改變其流變性和力學(xué)性能，以獲得一種可擠出的膏狀材料。在WILSON等的研究中，將精制小麥粉用作雞肉糜的添加劑，以改善其可打印特性。面粉被添加到雞肉的打印中，可作為乳化肉制品中常用的配料來提高乳化穩(wěn)定性。雞肉與精制小麥粉比例為2:1的打印材料比3:1的打印適性更好。雞肉與面粉的比例越高，乳劑的流動性越高，穩(wěn)定性卻隨之下降，使得打印的結(jié)構(gòu)物難以保持其形狀。這可能是由于肌凝蛋白和肌動蛋白與麩質(zhì)蛋白的分子相互作用，通過形成相互的物理鍵，誘導(dǎo)蛋白質(zhì)-淀粉分子聚合。該配方所生產(chǎn)的脆皮3D打印雞塊可以定制形狀，此成果有望應(yīng)用于快餐行業(yè)的產(chǎn)品定制開發(fā)。

　　如今，為了緩解畜牧養(yǎng)殖業(yè)所造成的環(huán)境問題，逐步取代傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)的需求，3D打印人工肉技術(shù)引起了廣泛關(guān)注。3D打印人工肉在細胞狀態(tài)和油墨配方等方面不同于傳統(tǒng)肉類的3D打印。該技術(shù)在生物打印支架之前，需要合適的啟動細胞和細胞膨脹的培養(yǎng)基。人工肉制品生產(chǎn)過程如圖6所示，從動物身上提取干細胞，并將其植入支架上，然后將其插入生物反應(yīng)器中培養(yǎng)肉類。生物墨水由細胞和生物材料組成，是打印過程的一個重要方面，因為它制造支架結(jié)構(gòu)，在支架結(jié)構(gòu)中形成肌肉纖維并最終成為肉類。雖然3D打印人工肉可以獲得可持續(xù)性收益，但是該技術(shù)需要克服有關(guān)培養(yǎng)基、干細胞來源和可擴展性等多方面挑戰(zhàn)。人工肉是在實驗室條件下可持續(xù)生產(chǎn)肉類的概念，其優(yōu)勢是不犧牲動物生命并杜絕了過度使用抗生素等對消費者身體造成危害的行為。3D打印技術(shù)可以為人工肉生產(chǎn)的關(guān)鍵問題提供獨特的解決方案，特別是在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)、脂肪和其他營養(yǎng)成分的同時還能提供更加逼真的質(zhì)地。

圖6 人工肉制品生產(chǎn)過程示意圖
 

　　3.2 水產(chǎn)品

　　以魚糜為基礎(chǔ)的3D打印技術(shù)是水產(chǎn)品加工業(yè)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，可用于生產(chǎn)具有良好性能的適銷產(chǎn)品。魚糜是一種中間魚類產(chǎn)品，與鹽、酶、脂肪和多糖等其他物質(zhì)混合后切成糊狀。經(jīng)過熱處理魚糜具有很高的營養(yǎng)價值和功能蛋白，在食品中獲得了相當多的關(guān)注。由于肌原纖維蛋白的濃縮，魚糜具有形成凝膠的能力，魚糜凝膠產(chǎn)品因其獨特的柔軟質(zhì)地和較高的營養(yǎng)而被用作食品3D打印的優(yōu)良功能材料。溫度對魚糜制品的3D打印特性有較大的影響。冷凍儲存是一種廣泛有效的長期保存魚糜的方法。解凍過程是冷凍食品在后續(xù)加工前不可或缺的一步，與解凍食品的質(zhì)量高度相關(guān)。傳統(tǒng)的解凍方法，如水浸式解凍和空氣解凍，容易造成肌原纖維蛋白構(gòu)象變化和凝膠形成的損傷，進而影響魚糜的3D打印性能。CHEN等從肌原纖維蛋白的結(jié)構(gòu)特征解釋了超聲輔助解凍和水浸解凍對3D打印魚糜的流變性、質(zhì)地和打印性能的影響。研究表明，適當?shù)某曒o助解凍比水浸解凍能保持更好的魚糜品質(zhì)，并節(jié)省解凍時間。在較高的超聲頻率下解凍可以減少肌原纖維蛋白二級和三級結(jié)構(gòu)的損傷，肌原纖維蛋白的結(jié)構(gòu)性質(zhì)直接影響魚糜凝膠的成膠過程。水浸式解凍和超聲輔助解凍的3D打印性能無差異，使用100kHz處理的樣品打印的長方體結(jié)構(gòu)保留了最佳的幾何形狀，具有最高的彈性、硬度和嚼勁。為了開發(fā)具有可定制的紋理和流變性能的魚蛋白打印產(chǎn)品，WU等利用基于鱈魚肌纖維的高內(nèi)相乳劑進行3D打印。肌動蛋白和肌凝蛋白相接所形成的鱈魚肌纖維可以增強乳劑的韌性和彈性，使乳劑具有更優(yōu)的力學(xué)性能。較好的擠壓性使其適用于多種類型的3D打印。鱈魚肌纖維的內(nèi)聚特性賦予了打印材料強大的成型能力，使其具有定制性的能力。

　　3D打印的水產(chǎn)品富含人體必需的微量元素，因此了解3D打印水產(chǎn)品的影響因素，以便通過一些技術(shù)手段，如：添加谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶、NaCl和微波作用等，進而提高海產(chǎn)品的可打印性并開發(fā)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的3D打印產(chǎn)品是當今研究的熱點，本文總結(jié)了近年來關(guān)于提高水產(chǎn)品3D打印特性的相關(guān)研究。