基于果蔬原料的食品3D打印技术及其应用

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。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。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。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。

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。沈阳农业大学食品学院的王明爽、李冬男*、李 斌*等人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。

2、果蔬原料在食品3D打印领域中的应用

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：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。

果蔬原料3D打印配方的设计

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等实现了富含VD的浓缩橙汁小麦淀粉共混物的打印。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。

制备3D打印用果蔬浆料的关键工序

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。

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。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。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。

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。

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。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。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。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。

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。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。

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，也可以用于结合小分子物质，提高活性物质的稳定性。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。

其他水胶体：Kim等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。

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。

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。