基于果蔬原料的食品3D打印技术及其应用

王明爽，姜涵骞，李 林，张 良，刘瑞海，李冬男,，李 斌,

（1.沈阳农业大学食品学院，辽宁 沈阳 110866；2.沈阳农业大学生物科学技术学院，辽宁 沈阳 110866；3.康奈尔大学食品科学系，美国 纽约 伊萨卡 14853-7201）

3D打印也称为增材制造，是一种使用计算机辅助设计软件控制、指示数字化制造机器通过逐层添加材料的方式塑造三维物体的技术[1]。近年来，3D打印技术作为新兴的数字化技术，被广泛地应用于机械工程[2]、航空航天[3]、生物医学工程[4]、制药工业[5]、生物工程[6]以及食品加工[7]等多个领域。随着3D打印在各个领域中释放出的巨大潜力，其应用范围不断扩展，给世界带来了一场新的工业革命[8]。

2007年，康奈尔大学的研究人员使用基于挤压的打印机（Fab@home）将3D打印引入到食品领域[9]。近几年，食品3D打印技术的应用范围逐渐扩大。目前，可应用于食品打印的3D打印方法有4 种，包括选择性激光烧结/热风烧结、热熔挤出/室温挤出、黏结剂喷射和喷墨打印[10]，其中以热熔挤出/室温挤出方式最为常见。3D打印技术的应用使食品个性化设计和数字化营养生产成为可能，并进一步简化了食品供应链体系[11]。过去几年里，研究人员就不同食材对3D打印技术的适应性进行了大量研究，开发出了基于巧克力[12]、面团[13]、糖粉[14]、奶酪[15]、肉凝胶[16-17]、富含可食昆虫的零食[18]、水果和蔬菜[19-21]等原料的3D打印食品，并探索了食品3D打印技术在商业上的应用。

水果和蔬菜作为人类饮食的重要组成部分，在均衡饮食中为人体提供碳水化合物、维生素、矿物质、抗氧化物以及其他生物活性物质[22-23]。食用水果和蔬菜的益处被全世界所公认。世界卫生组织建议人体每天摄入水果和蔬菜应大于400 g[24]。大量的流行病学和临床研究也表明，富含水果和蔬菜的饮食与慢性和退行性疾病有潜在的联系，多食用果蔬可降低心血管疾病（如高血压和中风）、代谢和退行性疾病，以及某些类型癌症的风险[25]。因此，将果蔬原料引入到食品打印领域可丰富食材来源，此外，利用其物性学与营养学特征调整食品配方，能够满足人们对食品个性化营养的需求。本文针对果蔬不易打印的物料特点，综述了食品3D打印过程中果蔬原料的关键处理技术，并展望了果蔬原料在食品3D打印领域中的发展趋势，以期为果蔬原料在食品3D打印技术中的应用提供参考。

1 食品3D打印的材料特性

食品3D打印材料不同于有机聚合物、金属等其他3D打印材料。在材料选择上要保证打印材料的可食性，加工过程要符合食品安全标准。同时，由于食品原料自身组成复杂，各成分的物理化学性质差异等问题使食品3D打印在材料选择上具有特殊性，也为3D打印技术在食品加工中的应用带来挑战。研究表明，用于食品3D打印的材料需要满足3 个基本特性：打印性、适用性和后加工性[26-27]。

1.1 打印性

打印性是指材料能够通过3D打印机进行控制和沉积，并且在沉积后具有保持产品形状的能力。材料具有良好的打印性才能制作复杂的结构。打印用食材应具有特定物理化学特性、流变学特性和机械性能。不同的打印技术对原料特性的要求不同，如在挤出式打印中，控制含水率、流变性能、交联机理和热性能（熔点和玻璃化转变温度）等材料特性是成功打印的关键。而在选择性激光烧结打印中，打印性主要受粉末材料的粒度、体积密度、润湿性和流动性的影响[11]。

根据食品原料的打印性可以将原料分为3 类：天然可打印材料、不可打印的传统食品材料和替代性成分[7,28]。天然可打印材料是指材料本身具备打印性，可以很容易地从打印喷嘴挤出，无需加入添加剂，打印沉积后稳定性高，能够维持打印形状，一般不需要进行后处理，如水凝胶、蛋糕糖霜、软奶酪、鹰嘴豆泥和巧克力等[7]；而人们日常大量食用的大米、肉类、水果和蔬菜等传统食品，本质上是不可打印的材料，需要加入添加剂来改善材料的流变特性，使其具有打印性。如Wang Lin等[16]在鱼糜中加入NaCl等添加剂以改善材料性能，制成可用于挤出式打印机的鱼糜凝胶，Cohen等[29]在天然食品材料（蔬菜、水果、肉类等）中添加黄原胶和明胶等水胶体以改善食品材料的性能，得到预期的打印结构，并在沉积后保持满意的形状；此外，藻类、真菌、海藻、羽扇豆和昆虫等含有丰富蛋白质、膳食纤维和生物活性的物质，可作为替代成分应用于食品打印领域。在“Insect au Grain”项目中，研究人员利用3D打印技术，将包裹糖衣的昆虫粉末与软奶酪混合，制造出美味的食物[30]，表明替代成分的使用有助于健康产品的开发。

1.2 适用性

适用性是指材料具有可用于满足人们特定需求的能力，包括它可用于构建复杂几何设计和结构的能力。而食品打印材料除打印性提供的成型能力外，更应该具有满足人们对食品多方面需求的能力。如将营养价值与独特的设计结构结合，可以满足人们对个性化营养的需求，这使食品3D打印更有吸引力。随着技术的进步和人们对食品打印性质的理解加深，3D打印在食品加工中的应用范围必将扩大。而任何应用的可行性都取决于供应材料的性质和大规模定制的范围[28]。因此，食品材料的适用性决定了3D打印技术在食品领域中的应用范围。

1.3 后加工性

后加工性是指食品材料具有经受后加工处理的能力。经食品打印技术生产的食物，除部分可直接食用外，大多数打印食品都需要经受烘烤、油炸或煮沸等后加工处理过程才能满足人们的食用需求[28]。食品材料特性会影响后处理品质和消费者对打印食品的接受程度。对3D打印样品进行两种后处理干燥发现，在烘箱干燥过程中，初始干物质相对含量不超过35%的食品发生显著收缩。而初始干物质相对含量大于等于45%的样品，两种干燥方法干燥后样品的质量都没有明显变化[31]。因此，为了追求耐烹饪的结构材料，防止后加工过程中食材性能遭到破坏，选择物理化学性能、流变性能和机械性能合适的食品材料对食品3D打印的后期处理至关重要。

2 果蔬原料在食品3D打印领域中的应用

果蔬原料是典型的不可打印材料，具有3 个打印缺陷：1）原料黏度低，大部分果蔬水分含量高，破碎成浆后流动性强，不具备3D打印所要求的流变性能[32]；2）果蔬中纤维含量高，榨汁或制浆时，残留的大颗粒很容易堵塞打印喷嘴[26]；3）易发生劣化现象，果蔬原料（如苹果、香蕉）在加工过程中，容易发生褐变、微生物增长、氧化反应等，失去原有营养及感官特性，品质发生劣变[33]。因此，要实现果蔬原料的3D打印，需要通过技术手段弥补其天然缺陷。

2.1 制备3D打印用果蔬浆料的工艺流程

果蔬原料的3D打印加工工序主要包括5 个步骤[34]：1）选择水果和蔬菜种类；2）确定食品配方（即不同原辅料配比）；3）确定打印浆料的制备工艺流程；4）确定打印条件，设计三维虚拟模型；5）选择合适的工艺方法，延长打印产品的货架寿命。图1为制备3D打印用果蔬浆料的典型工艺流程。

图1 制备3D打印用果蔬浆料的典型工艺流程[34]Fig.1 Representative diagram for the technological process to prepare a fruit-vegetable paste for 3D printing[34]

2.2 果蔬原料3D打印配方的设计

大多数果蔬原料含水量高、黏度低、破碎成浆后流动性强，不满足3D打印对材料的基本要求。故用于果蔬原料3D打印的配方首先要考虑其打印性，一般通过加入水胶体来改善果蔬浆料的流变特性[29]。除了要考虑果蔬浆料的流变特性外，还要考虑最终产品的营养和感官品质。特别是在营养设计方面，正确选择原材料可以为不同性别、年龄、文化的特定消费者群体提供个性化的营养打印食品。

目前，在果蔬原料制作的3D打印食品配方方面已取得了一些研究成果。如Derossi等[19]为3～10 岁的儿童设计了一种基于水果的创新性3D零食，将香蕉、白豆、蘑菇、脱脂牛奶和柠檬汁混合后加入果胶溶液使体系具有均匀的流动性，制作出含有VD（0.75～1.50 mg/d）、铁（0.58～1.20 mg/d）和钙（49.00～97.50 mg/d）等营养素的复杂食品体系，可为儿童提供5%～10%的能量、钙、铁和VD；Azam等[35]实现了富含VD的浓缩橙汁小麦淀粉共混物的打印；Severini等[20]将多种果蔬（梨、胡萝卜、猕猴桃、西兰花和鳄梨）按比例混合，加入质量分数1%的鱼胶原蛋白来增加浆料的黏度，得到营养更丰富的“可打印冰沙”，并设计成新颖的金字塔形状，以期增强对消费者的吸引力。但是，目前将果蔬原料应用于3D打印的研究仍鲜少，开发的原料种类严重不足，配方单一。除了Zhu Sicong等[36]直接利用离心后的番茄酱为模型体系打印外，其他果蔬打印配方都是通过和水胶体形成果蔬凝胶的形式，研究内容集中在添加水胶体对果蔬浆料打印特性（主要是流变性能）的影响。因此，有待开发打印性好、营养丰富和感官品质高的果蔬原料3D打印配方，以促进食品3D打印技术的发展。

2.3 制备3D打印用果蔬浆料的关键工序

2.3.1 添加抗褐变剂

褐变是果蔬加工过程中出现的普遍问题，能够直接影响产品品质。在3D打印用果蔬浆料制作中，可通过添加抗褐变剂减少原料在捣碎和均质过程中的氧化，保持原料的天然色彩。常用的抗褐变剂有抗坏血酸、柠檬酸、其他有机酸（乙酸、乳酸、酒石酸和苹果酸）。特殊情况下也可以使用氯化钠、氯化钙、乙醇、l-半胱氨酸、乙二胺四乙酸和4-己基间苯二酚等物质[37]。Derossi等[19]分别通过添加柠檬汁（质量分数2.1%）和抗坏血酸（质量分数0.35%），避免以香蕉为主要组成的可打印食品配方发生酶促褐变。

2.3.2 捣碎或均质化

捣碎或均质化是果蔬原料形成均匀糊状浆料，改善浆料流动性能的主要单元操作过程[34]。在果蔬榨汁或制浆时，无论是原料单独捣碎，还是混合后整体捣碎，都有可能残留大颗粒，堵塞打印机喷嘴[38]。为了避免喷嘴堵塞，需对浆料进行均质或进一步筛分，以减小浆料颗粒体积，便于材料打印。Severini等[20]使用分散机处理糊状物，并过滤得到颗粒尺寸更小（小于1.5 mm）且更均匀的浆料，制作出具有良好打印性能的食品打印材料。

2.3.3 除水增质

果蔬水分含量高是限制果蔬在食品3D打印领域应用的主要原因之一。降低果蔬材料含水量，适当提高果蔬材料的质量比例可以有效改善材料的流变特性、增加黏度。Severini等[20]使用简单的果汁处理器从几种果蔬的果肉中分离液相（即果汁），然后将果汁以一定的浓度添加到果肉中，得到适合3D打印的黏度。但从植物组织中蒸发水分相当不方便，成本较高且具有降解作用。因此，向果蔬原料中加入高浓度物质已成为实现材料除水增质，满足打印性能的有效手段。目前，以淀粉、果胶等为材料的水胶体已成为改善果蔬原料打印特性的重要材料[34]。

2.4 水胶体在果蔬3D打印中的应用

向不可打印的食品材料中添加水胶体，制备可打印浆料是改善食品材料打印性能的有效手段[29]。通过控制水胶体的添加量，可以得到理想的食品打印材料。根据水胶体不同的固有性质（分子质量和官能团），可将其用作增稠剂和胶凝剂[39]。食品中常用的增稠剂有淀粉、结冷胶、黄原胶、纤维素以及纤维素衍生物等。而果胶、琼脂、海藻酸盐、卡拉胶、明胶等既可作为增稠剂，也可作为胶凝剂，在食品工业中广泛应用[40]。然而，目前只有少数水胶体用于改善果蔬材料的3D打印质量。表1为水胶体在果蔬3D打印制品中的应用。

表1 水胶体在果蔬3D打印制品中的应用Table 1 Applications of hydrocolloids in 3D printed fruit-vegetable products

2.4.1 淀粉

淀粉在糊化过程中发生分子间相互作用，使淀粉凝胶体系具有一定的黏度、流变性能和成型性，符合三维打印对材料的基本要求[54]。将淀粉添加到不可打印的食品材料中，可以使其具有打印性。其中，马铃薯淀粉具有良好的保水性、透明性和抗老化性，是食品3D打印技术最有前途的增稠剂之一。杨帆[55]在芒果浓浆中加入马铃薯淀粉来提高芒果浓浆的流变性能，当芒果浓浆与马铃薯淀粉的质量比为86.96∶13.04时，得到的芒果浓浆凝胶体系打印成型效果及稳定性最好。Liu Zhenbin等[41]向马铃薯泥中添加不同比例（0%、1%、2%和4%）的马铃薯淀粉，评估混合体系的打印效果，结果表明，增加马铃薯淀粉比例可以增加体系的黏度，但当马铃薯淀粉比例达到4%时，体系黏度过高，流动性差，不能从喷嘴顺利挤出。当马铃薯淀粉比例为2%时，打印样品表现出最佳的打印性能，分辨率良好，可以长时间保持形状稳定性。Yang Fanli等[21]研究了柠檬汁和不同比例（10%、12.5%、15%、17.5%和20%）的马铃薯淀粉混合样品对打印材料流变学和力学性能的影响，结果显示，添加比例15%马铃薯淀粉打印的柠檬汁凝胶样品表面最光滑，能够更好地匹配目标形状，无压缩变形现象。

除马铃薯淀粉外，Azam等[35]利用小麦淀粉作为浓缩橙汁3D打印的添加剂。此外，Yang Fanli等[56]还发现，添加不同种类的淀粉后，柠檬汁凝胶的流变特性和质构特性均发生变化。添加马铃薯淀粉后的凝胶结合水含量相对较少，流动性较好；添加小麦淀粉的凝胶具有很大的黏度；添加红薯淀粉的凝胶弹性和硬度较大，更偏向固体；添加玉米淀粉的凝胶内聚性大，易出现结块和老化现象，不利于后续的打印。以上研究结果表明，淀粉可以通过改变食品体系的流变学和力学性能来影响打印材料的特性。因此，可以通过向体系中添加不同种类、不同浓度的淀粉来改善果蔬体系的打印性能。但淀粉在食品打印体系改善材料流变学和力学性能的形成机制尚缺少深入研究。

2.4.2 果胶

果胶是从果蔬中提取的一类非能量多糖，其在果酱、果冻、乳制品、甜点、软饮料、药品等产品中作为胶凝剂已被广泛应用[57]，也可以用于结合小分子物质，提高活性物质的稳定性[58]。作为果蔬来源物质，将其应用于果蔬食品3D打印具有更大的意义。Vancauwenberghe等[59]用果胶溶液制备生物油墨，研究其对3D打印食品品质的影响，结果显示，果胶在维持3D食品的结构稳定性方面发挥了重要作用，利用低甲氧基果胶可开展定制化多孔性食品模拟物的3D打印。通过调整体系中果胶和糖浆浓度可以使基于香蕉基糊状物的打印食品获得足够的打印强度[19]。此外，Vancauwenberghe等[45]将莴苣叶细胞封装到以果胶为基础的生物油墨中，并利用3D打印技术制造出类似植物组织的创新食品，也为利用3D打印技术仿制果蔬提供了新的思路。

2.4.3 其他水胶体

Kim等[52]通过测试比较了琼脂、甲基纤维素、明胶、黄原胶、结冷胶和瓜尔胶等水凝胶对虚拟模型打印效果的影响，发现黄原胶对植物油墨中颗粒溶胀有抑制作用，而与植物粉末种类无关，黄原胶的添加使打印材料挤出硬度变低，可以顺利从喷嘴挤出，打印的样品分辨率较高，且不会随时间延长发生坍塌。

此外，使用复合胶体可以更好地改善果蔬材料的打印效果。王浩等[47]通过在蓝莓果浆体系中加入一定比例的果胶和魔芋胶，研究其对3D打印效果的影响，结果表明，果胶和魔芋胶的复合胶体对蓝莓凝胶体系的3D打印效果、质构特性、流变性能及微观结构均有明显改善。Cohen等[29]在复合水胶体（黄原胶和明胶）中加入覆盆子、草莓、香蕉和巧克力香精来模拟各种食物的质地和风味。同时，Gholamipour-Shirazi等[60]通过研究食品级水胶体糊的流变性能和可打印性之间的关系发现，在相位角3°～15°、松弛指数0.03～0.13范围内，膏体材料具有可打印性。这为基于水胶体的挤出式3D打印食品油墨配方的设计提供了参考。

3 基于果蔬原料的食品3D打印技术发展趋势

近年来，以慢性病和退行性病变造成的人体机能退化直接影响人们的生活品质。预防慢性病、减缓退行性疾病的发生俨然已成为全社会努力的方向，同时也促进了人们对健康食品、营养食品的需求。而基于果蔬原料的食品3D打印技术，一方面能够利用果蔬的营养学特性；另一方面，能够针对个体的营养需求利用3D打印技术定制食品，这在很大程度上解决了膳食营养中提出的未病先治、营养精准摄入的问题。未来基于果蔬原料的食品3D打印技术的研究也必将进一步深入。基于果蔬原料的食品3D打印技术的发展特征及趋势包括个性化营养食品、新型成型方式、利用果蔬加工废弃物进行食品3D打印、食品彩色3D打印、人造果蔬5 个方面。

3.1 个性化营养食品

个性化营养是指根据消费者的喜好和需求，调整食品配方，以满足不同职业、年龄和健康生活方式的人群需求、口味和饮食模式[61]。食品3D打印的技术特性使其在个性化营养食品制造上注定具有广阔的发展空间。未来可在深入研究食品营养素及各营养素之间的相互作用对其生物利用度和产品品质等影响的基础上，构建果蔬打印食品原料特性数据库及原料标注体系，根据人群个性化营养需求，设计食品的结构（微观、宏观），利用3D打印技术制造新型个性化营养果蔬食品。

3.2 新型成型方式

目前，食品3D打印以挤出式成型为主，然而挤出式打印具有一定局限性，如不能实现复杂食品的设计，后处理时很难维持3D结构等[11]。颗粒、粉末以及含水量高的非凝胶状食品材料也不适于挤出式打印。因此，有必要探索更多的成型方式。针对挤出式成型，可以利用双喷头甚至多喷头挤出打印，或利用辅助加工技术（超声波、微波等）改善果蔬浆料的打印性能，开发新型果蔬浆体凝胶技术。同时开发其他成型方法，如利用果蔬粉末材料实现选择性激光烧结打印；研发基于水胶体的食品黏结剂，进行微果粒、果粉的黏结剂喷射打印；利用低黏度果蔬材料进行喷墨打印等。另外，有必要开发专用的设备及软件，以适用于果蔬浆料的3D打印，更好地满足打印需要。

3.3 利用果蔬加工废弃物进行食品3D打印

据统计，果蔬加工过程中产生的果皮、果核等加工废弃物每年有数百万吨，占新鲜果蔬产品的三分之一。果蔬副产品含有膳食纤维、多酚、维生素和矿物质，具有很高的营养价值，可作为食品配料。特别是一些果蔬加工副产品还具有胶凝、增稠、保水、黏合等功能[62]。因此，将食品加工副产物与3D打印技术结合，形成可持续的食品生产系统，是食品3D打印的发展方向之一。

3.4 食品彩色3D打印

颜色是消费者判断食品品质的“第一感觉”，它决定了消费者对食品风味的期望，具有调节食欲的作用。果蔬原料色彩丰富，是制造彩色食品的重要资源，同时果蔬的呈色物质一般都具有特殊营养价值。因此，开发基于果蔬天然色彩的3D打印食品，一方面满足了人们对特殊营养素的需求；另一方面也满足了人们对食品个性化造型及颜色搭配的渴望。因此，彩色打印也是未来果蔬原料3D打印的重要发展方向。目前，已经有研究人员利用花青素在pH值下呈现不同颜色的特点，研究制备色泽诱人的四维健康食品[49]。

3.5 人造果蔬

相对于人造肉，人造果蔬在制造上更具有挑战性。Vancauwenberghe等[45]将莴苣叶细胞封装到果胶中，并利用3D打印技术制造出了类似植物组织的创新食品。Park等[50]通过将海藻酸盐与胡萝卜愈伤组织分散体按比例混合，制备了愈伤组织基生物油墨，使利用3D打印技术体外制造果蔬成为可能。未来，可以通过开发载有活性植物细胞的水凝胶，使用3D打印技术按照真实果蔬内部质构特点及微观结构模拟搭建食品空间结构，再利用适宜条件对打印产品进行后期培养处理，制造人造果蔬，实现水果蔬菜的高标准化规模化生产。

此外，无论是传统制造食品还是3D打印食品，它们在食品安全、保质期和公众接受度等实际方面都需要开展系统性的研究。

4 结 语

本文对食品3D打印的原料特性、果蔬原料特性以及3D打印用果蔬浆料的关键加工技术进行了综述，有助于进一步将3D打印理论融入到食品加工领域。目前，基于果蔬原料的3D打印研究鲜少，定制化营养配方设计十分有限。但基于果蔬原料的食品3D打印技术在未来具有良好的发展潜力。今后可以从个性化营养食品、新型成型方式、加工废弃物的利用、食品彩色3D打印及人造果蔬等方面开展研究，以期开发新型的果蔬食品。