植物基食品原料在食品3D打印中的研究进展
植物基食品原料在食品3D打印中的研究进展
3D打印技术在食品行业的应用日益广泛，特别是在植物基食品的生产中展现出巨大潜力。本文综述了植物性食品原料在食品3D打印中的应用进展，根据油墨在不同条件下的存在状态和流变特性，将其分为熔融材料、软质材料和水凝胶材料三大类，对不同植物性食品原料在3D打印中的应用进行了总结评价。
3D打印技术概述
3D打印技术，又称增材制造，是一种利用数字系统控制原材料逐层堆积以获得目标物体的技术。该技术具有成本低、制备速度快、使用方便、形状多样化等优点，已被广泛应用于材料、机械、食品制造和医药等领域。特别是在食品制造领域，不同油墨类型和印刷方法的结合使得该技术与食品多样化和定制化发展的趋势完美契合。
挤出式打印（extrusion-based printing，EP）是最常见的食品3D打印技术，通过从打印喷嘴中挤出打印材料，使其逐层堆叠，从而构建三维物体。打印过程可分为4个阶段：油墨制备、油墨挤出、油墨沉积和结构成型。由于印刷过程中不使用黏合剂进行粘合，因此只能利用原材料的流变特性来塑造物体，这就要求原材料具有一定的流变特性。一般来说，当原材料满足以下条件时就被认为是可打印的：原材料必须可连续挤出，且挤出的材料必须具有支撑其三维结构所需强度。因此，原材料的选择和制备是影响最终产品品质的决定性因素。
植物性食品原料因其丰富的营养成分（包括纤维、多酚和维生素）及预防心血管疾病的功效，一直是人们追捧的健康饮食对象。不同植物性食品原料成分的多样性为制备三维打印墨水提供了广阔的发展空间，这些墨水已被广泛应用于不同的三维打印技术中。然而，植物基油墨的可打印性一直制约着3D打印食品发展，因此3D打印植物基食品仍未实现大范围商业化。植物基油墨系统是一个异构系统，其特点是各种植物成分的特性各不相同，特定目标食品也各不相同。由于油墨成分与打印质量之间的关系需要对油墨的存在状态和流变特性进行综合评估，仅根据油墨成分对其进行分类无法形成明显的区分。因此，本综述将常见食品体系按照其存在状态和流变特性分为3大类：熔融材料、软材料和水凝胶材料，以便在油墨和印刷质量之间建立更直观联系。此外，将相同存在形式的油墨归为一类，也可以更有针对性地为改善植物性油墨的印刷适性提出意见和建议，起到更好的启发作用。
熔融材料
巧克力
熔融材料（包括脂肪类食品）主要依靠加热来改变其流变特性，使其具有可打印性。食品3D打印中制备熔融材料最常用的植物基食品原料是巧克力。巧克力的主要成分是可可脂，巧克力中复杂的脂肪成分和微观粒子间的相互作用赋予了巧克力复杂的流变特性。巧克力的流变性主要受其固体含量、黏度、脂肪含量、水分和乳化剂的影响。
图1 3D打印巧克力
糖类
糖类（包括蔗糖、葡萄糖和果糖）作为熔融物质的一种也被广泛用于食品3D打印当中，其是由果实类植物的天然产物，经过一系列工艺精制而成。在现代社会，它在饮食中扮演着重要的角色，不仅因其风味和特殊的甜味而得到人们的认可，而且在食品保鲜方面也发挥着巨大的作用。糖在食品3D打印中的应用得益于其独特的融化特性，它可以受热熔化或溶解，从而与相邻的糖颗粒融合形成目标结构。
软材料
谷物
植物基软材料在挤压过程中和挤压后剪切条件下的流变特性适合用于制备挤压打印油墨。目前，用于食品3D打印的常见植物基黏弹性材料是从谷物中制备的。谷物是日常生活中最常见的食品原料之一，其营养丰富，可为人体提供脂类、碳水化合物、蛋白质、矿物质和维生素等营养物质。食用全谷物还能在一定程度上降低罹患心血管疾病、高血压和癌症风险。谷物类原材料由于含有丰富的淀粉，可以加工成流变性极佳的食品打印墨水，是最具开发潜力的食品3D打印原材料之一。
图2 软材料在食品3D打印中的应用
淀粉类水果和蔬菜
水果和蔬菜是最受欢迎的食物之一，富含维生素、矿物质、膳食纤维和其他营养成分。食品3D打印中最广泛使用的果蔬类食品原料是淀粉类蔬菜，包括土豆、芋头和山药。它们之所以被广泛用于食品3D打印，因为其淀粉含量高，具有合适的流变特性。
图3 淀粉类水果和蔬菜在食品3D打印中的应用
其余果蔬
香蕉、西红柿、草莓和胡萝卜等许多用于食品3D打印的水果和蔬菜原材料已被用于制备3D打印食品。与淀粉基果蔬相比，这些果蔬具有更高的营养价值和更多的生物活性化合物，也更符合人们对健康饮食的理解。因此，应挖掘这些原材料的独特价值，开发出更多美味、健康的功能性食品。
水凝胶材料
水凝胶是聚合物通过物理或化学交联形成的一类高水分含量三维聚合物网络。近几十年来，水凝胶因其简单的制备方法、丰富的材料来源和性质可调性受到了学术界和工业界的广泛关注。得益于原材料的多样性，许多植物基原材料，如植物多糖和植物蛋白，已被用于水凝胶的制备和3D打印中。
淀粉凝胶
淀粉分子是葡萄糖通过α-(1,4)-糖苷键和α-(1,6)-糖苷键连接而成的高分子聚合物。此外，其分子链中还含有许多易发生交联反应的羟基。加热时，有序和无序淀粉分子之间的氢键断裂并分散在水中。然而，在冷却过程中，分子链会重新排列，通过氢键相互作用形成孔径较大的淀粉凝胶网络。因此，马铃薯、玉米、小麦和其他富含淀粉的食物被广泛用于制备食品水凝胶和作为食品3D打印的原材料。
蛋白质凝胶
蛋白质是自然界常见的生物资源，也是食物中不可或缺的营养物质。利用植物蛋白构建的水凝胶系统具有更高的可持续性和更低的成本，还能进行结构和功能调控。这使它们在食品3D打印领域具有广泛的应用前景。然而，纯蛋白质水凝胶的稳定性和机械强度较差，不适合用于食品3D打印，因此，目前食品3D打印主要使用蛋白质和多糖的复合水凝胶。
其余果蔬基水凝胶
除上述2种水凝胶材料外，还有一些水果和蔬菜由于蛋白质和淀粉含量低、水分含量高而无法单独制备成水凝胶，需进行一定加工过后才能够形成适合打印的水凝胶油墨。
前景与挑战
将植物基食品原料与3D打印技术相结合是未来食品制造的一个重要方向，它具有个性化定制和营养健康等优点。本文根据各种物质的不同状态和流变特性，对其在食品3D打印中的应用进行分类，并在打印质量与打印油墨特性之间建立了更清晰的联系。虽然淀粉、功能性多糖、多酚和植物性蛋白质等植物基原材料已经被广泛用于制备打印油墨，但目前油墨系统的打印质量往往不足以支持商业化，分层痕迹、结构支撑和完整性不足仍是常见问题。此外，植物基材料及其特性的多样性会导致印刷质量的显著差异，即使成分比例保持不变。这使得打印参数难以统一和标准化，阻碍了食品3D打印技术在家庭和个性化应用中的推广。进一步开展与食品3D打印相关的食品安全研究也很有必要。打印过程和油墨预处理可能涉及传统食品加工中没有的额外步骤，特别是在涉及原材料成分改性时。然而，目前有关食品3D打印的研究主要集中在打印方面，缺乏全面的安全评估。因此，加强植物基油墨的开发、优化其打印性能、确保改性油墨的安全性，以及建立一个有关不同油墨及其相应最佳打印参数的综合数据库至关重要。通过在食品3D打印领域推广使用植物基食品材料，我们可以加快3D打印食品的商业化进程，并创造出具有融合风味、营养和环境可持续优势的未来食品。