摘要：食品3D打印技術是一種具有定制特定形狀、實現(xiàn)個性化營養(yǎng)、開發(fā)新型資源等功能的未來食品加工技術。在肉類產業(yè)中，食品3D打印技術的應用可以實現(xiàn)肉類加工產業(yè)鏈的升級，例如減少原料肉的浪費，提高產品附加值，開發(fā)畜禽副產品等?；诖耍疚慕榻B了食品3D打印技術的工作原理，對肉類原料適印性的研究進行分析與總結，展望食品3D打印技術在肉類生產加工中的應用前景，以期為食品3D打印技術在肉品領域中的應用提供科學依據(jù)和理論基礎。

　　關鍵詞：肉類；3D打??；工作原理；適印性；個性化營養(yǎng)；產業(yè)鏈升級

　　3D打印又稱為增材制造（additive manufacturing，AM），是一種利用計算機輔助設計，將虛擬的數(shù)字模型轉換為三維實體的快速成型技術。由于3D打印技術能夠滿足模型設計和快速成型的高度專業(yè)化需求，目前在生物醫(yī)藥、建筑制造、航空航天等領域都已開展了大量的應用研究。

　　在食品領域中，3D打印技術能夠自由設計產品形狀，擺脫傳統(tǒng)生產中模具的束縛，有利于工廠小批量定制生產。針對不同的個體或人群，食品3D打印技術能夠實現(xiàn)對營養(yǎng)的精準控制，個性化定制營養(yǎng)餐食。目前已有許多學者對各種食品的3D打印特性進行研究，諸如3D打印巧克力、乳制品、水產品、果蔬制品、肉制品等均已被開發(fā)出來，個性化營養(yǎng)逐漸成為可能。食品3D打印技術還可以對非傳統(tǒng)食物資源進行開發(fā)利用，如一些富含豐富營養(yǎng)物質的昆蟲、藻類、細菌和真菌等，擴充蛋白質攝入來源。近年來，研究熱度頗高的培養(yǎng)肉也能夠通過3D打印實現(xiàn)其組織結構和紋理的構建，未來還有望通過這項技術實現(xiàn)培養(yǎng)肉的工業(yè)化生產。食品3D打印技術的應用還將帶來食品工業(yè)產業(yè)鏈的全面升級。以肉類工業(yè)為例，食品3D打印技術通過優(yōu)化處理工序，減少原料肉邊角料浪費和交叉污染的發(fā)生，能夠顯著提高生產效率和產業(yè)利潤。

　　基于肉類原料的食品3D打印技術發(fā)展前景廣闊，但與其他食品原料相比，研究深度較淺，仍然需要進行大量的摸索。本文綜述了肉類適印性的研究進展及其他動物源食品原料的研究現(xiàn)狀，并對未來的發(fā)展方向作出展望。

　　1  食品3D打印技術的工作原理

　　3D打印技術有很多種類，大致上可以分為七種類型：1）光固化；2）材料噴射；3）粘結劑噴射；4）材料擠壓；5）粉床熔融；6）薄片層疊；7）定向能沉積或激光金屬沉積。目前用于食品領域中較受認可的3D打印技術有四種，分別是熱融/室溫擠出、選擇性激光燒結/熱空氣燒結、粘結劑噴射和噴墨打印。食物原料種類繁多，不同食品的配方更是復雜，實際應用中需要根據(jù)3D打印的工作原理，結合食物原料特性，選擇適宜的食品3D打印加工方法。

　　1.1  熱熔/室溫擠出

　　擠出型3D打印通過噴嘴將食品物料擠出，根據(jù)預先設定的路徑移動，通過層層堆疊得到3D打印產品。對于加熱時有良好流動性、常溫下易凝固成型的原料可選用熱熔擠出，該技術已被用于巧克力的生產制作；對于室溫下有一定自我粘結成型能力的原料可選用室溫擠出，如一些天然可打印食品原料奶酪和糖霜等，該類型的3D打印機主要有氣動式、柱塞式和螺桿式三種擠出方式，根據(jù)食品原料的流動特性選用不同的擠出方式。

　　氣動式是利用壓縮空氣推動食品物料擠出，需要原料有較好的流動性，且對壓縮空氣的清潔度有很高的要求。由于氣泵與物料盒相連，在添加食品物料時，需排清腔體空氣，否則會產生空噴現(xiàn)象，影響打印流暢度和精度。柱塞式是利用柱塞推動食品物料擠出，因為柱塞的機械作用，可允許打印固體或半固體的食品原料，這種方式也存在物料添加不便的問題，使打印產品的尺寸受到限制。螺桿式是利用螺桿向前運動，螺紋帶動食品物料蠕動擠出，這種方式可擠出流動性較差的食品物料，適合富含纖維的物料如肉的打印。

　　1.2  選擇性激光燒結/熱空氣燒結

　　燒結成型是利用激光或熱空氣作為燒結源，根據(jù)預先設定的燒結點，將粉床上特定區(qū)域熔融起來，然后粉床下沉一層，鋪上一層新的粉末，重復以上步驟，燒結材料形成產品部分，未燒結粉末留在原地支撐結構。相比于熱空氣燒結，激光燒結存在無法預測的食品安全問題。激光粒子可能會致使食品中的物質發(fā)生變化，需要進一步研究激光性能對食品中物質的影響，該類型的打印技術可在短時間快速制造出形狀復雜的產品，打印結束即完成成型，不需要后固化。缺點是目前只適用于熔點較低的糖基和脂肪基食品材料，并且由于涉及到許多變量，制造過程和機器結構都較為復雜。

　　1.3  粘結劑噴射

　　粘結劑噴射是通過向粉床指定位置噴射粘結劑，粘結劑促使相鄰的粒子融合或產生交聯(lián)，形成一個二維的薄片，待薄片凝固后，粉床下降一層，再鋪設新的粉層，二維薄片層層堆積最終形成三維實體。未粘結的粉末在打印過程中起支撐作用，打印結束后可回收再利用。一般會在制作之前噴射一層水霧，用來穩(wěn)定粉層，防止粘結到未指定噴射的區(qū)域。該類型打印技術具有打印速度快、材料成本低等優(yōu)點，但是存在打印精度低的問題，常用于打印糖果或蛋糕。然而含糖量高且營養(yǎng)價值低的食品并不符合如今健康飲食的趨勢，高糖飲食容易引起肥胖和糖尿病，這極大地限制了該技術的市場潛力。

　　1.4  噴墨打印

　　噴墨打印是從注射器式噴嘴中按需滴出液滴，液滴在重力的作用下滴落沉積。不同于上面幾種技術的逐層打印，噴墨打印采用局部形成整體的打印方式，主要用于裝飾或圖案填充。由于噴墨打印具有打印速度快、可定制簡單二維圖案的優(yōu)點，目前已用于工業(yè)化生產餅干、蛋糕或糕點等。

　　2  肉類3D打印的研究進展

　　實現(xiàn)肉類的3D打印，需要對原料的適印性進行評估。食品原料的適印性是指物料有足夠的流動性從噴嘴中擠出，且在整個打印過程中具有一定成型性，打印后的產品有良好的結構精度。巧克力、糖霜和奶酪等天然可打印材料一般通過改變溫度就能打印出具有良好結構和精度的產品，而肉類等非天然可打印材料則需要通過改變其流變特性和打印參數(shù)等來實現(xiàn)。表1總結了3D打印技術在動物源食品中的研究現(xiàn)狀。

表1  3D打印技術在動物源食品中的研究現(xiàn)狀

　　2.1.1  流變學特性

　　具有假塑性流體性質的食品原料是擠出式3D打印的理想材料。假塑性流體具有剪切稀化行為，其黏度會隨剪切速率的增加而降低，因而容易擠出。同時，在其線性黏彈性區(qū)域內，儲能模量要高于損耗模量，打印后的產品能夠形成具有一定強度的凝膠/類凝膠結構，即物料的黏度必須在高剪切速率下足夠低，以允許流出噴嘴，又要在打印后快速恢復高黏度，以便在沉積后支撐結構。肉類原料具有剪切稀化行為，有一定的可打印性，但并不足以打印出具有高精度的產品，需要進一步對其流變特性進行優(yōu)化。2010年，Lipton首先對肉類原料的適印性進行研究，他們向火雞肉糜中添加轉谷氨酰胺酶（glutamine transaminase，TG），提高了肉糜凝膠的儲能模量，成功打印出具有一定形狀的芹菜夾心火雞肉制品，如圖1所示。但該產品仍不能長時間維持形狀，需要在打印后盡快進行烹飪。Wang 等通過向魚糜中添加NaCl，降低了魚糜凝膠的表觀黏度，表現(xiàn)出更強的彈性行為，從而顯著提高了魚糜的適印性。此外，卡拉膠、魔芋膠、酪蛋白酸鈉、淀粉等水膠體也能影響肉的流變性，具體的添加量和復配比例需要進行進一步的探索。Lipton認為，必須使用食品添加劑來改變非天然可打印食品原料的流變學特性。然而，Portanguen認為僅僅為了使食品物料適合打印而添加食品添加劑并不是一個合適的做法，現(xiàn)如今的消費者更傾向于選擇含有更少量添加劑的食品。

圖1  利用雙噴頭擠出型打印機打印芹菜夾心的火雞肉制品

　　2.1.2  打印參數(shù)

　　Kim等發(fā)現(xiàn)食品原料的適印性并不僅與流變特性有關，還涉及到眾多因素，包括打印參數(shù)和打印溫度等。由于流變學特性存在差異，不同食品原料的最佳參數(shù)不同。Hao等建議將打印速率、分層高度、噴嘴直徑、流量和填充密度作為影響打印結構幾何精度的關鍵參數(shù)。打印速率即噴嘴在打印過程中沿所設路徑移動的速率。一般來說，打印速率越慢，擠出線條越能精確地沿著所設路徑鋪設，產品的精度就越高，但花費時間更久；打印速率越快，擠出線條還未到達所設路徑上便被拖拽開，產品的精度就會降低。噴嘴直徑是指擠出噴嘴尖端的內徑。由于壓力作用，肉糜從噴嘴尖端擠出后會發(fā)生膨脹，導致失去原先設置的尺寸。通過對流量和填充密度的限制，可以找到噴嘴直徑與流量和填充密度間的平衡點，獲得相對可接受的精度。Wang等研究發(fā)現(xiàn)，流量決定了單位時間內沉積材料的體積，流量越大，單位時間沉積的體積就越大，打印出的線條就越粗。Dick等嘗試不同填充率對打印復合層牛肉的影響，如圖2所示。在高填充率的情況下，由于重力作用，打印的尺寸偏差較大。同時，填充圖案的選擇也至關重要，一個好的填充圖案可以更好地支撐起整個三維結構。Dick認為最大的挑戰(zhàn)之一是開發(fā)適合打印的肉糜配方，合適的配方與加工參數(shù)的良好組合必然會提高打印物料的可擠出性和后成型性。

圖2  3D打印復合層肉類模型：（a）生樣品與熟樣品（LF100：1層豬油，100%填充密度)，（b）肉糜（噴嘴直徑2mm）和豬油（噴嘴直徑1mm）在不同填充密度（50%、75%和100%）下的鋪設效果

　　2.2  增強肉類原料適印性的物質

　　2.2.1  食鹽

　　食鹽能夠溶出肉中的鹽溶性蛋白，加強蛋白之間的靜電斥力，促進肌球蛋白和肌動蛋白交聯(lián)形成復雜的凝膠網(wǎng)絡結構，提高肉糜的保水性和凝膠強度。在肉類3D打印中，食鹽不僅是一種調味劑，更是一種能夠提高肉糜可擠出性和后成型性的添加物。Wang等在對魚糜3D打印方法的研究中，通過向魚糜原料中添加1.5%NaCl實現(xiàn)復雜形狀的3D打印。流變結果表明，魚糜凝膠的表觀黏度、儲能模量和損耗模量都隨著NaCl含量的增加而降低，流動性逐漸增強，提高了魚糜的擠出能力，促進層與層之間的黏合。NaCl還使魚糜凝膠呈現(xiàn)出更均勻、致密的微觀結構，提升了凝膠的保水性，改善了后續(xù)沉積的結構強度。Dick等在開發(fā)具有復合層牛肉制品時，也向牛肉糜中加入了1.5%NaCl和0.5%瓜爾豆膠，結果表明，NaCl促進了肉糜中肌原纖維蛋白的溶出，提高了肉糜漿料的結合度和穩(wěn)定性，瓜爾豆膠則是協(xié)同NaCl提高肉糜凝膠的黏度和彈性。

　　2.2.2  轉谷氨酰胺酶

　　轉谷氨酰胺酶是肉品工業(yè)中常用的一種品質改良劑，它能夠催化蛋白質分子間發(fā)生交聯(lián)，從而改善蛋白質的結構和功能特性，對肉制品的流變性、保水性、黏彈性和膠凝性等都有積極的影響。Sadeghi-Mehr等研究了TG-NaCl冷黏結體系對豬肉糜流變學特性的影響，在4℃下反應20h后，TG酶顯著提升了豬肉糜保水性，使肉糜具有良好的黏彈特性。TG酶在提高肉糜儲能模量的同時，也帶來了擠出困難的問題。Dong等向馬鮫魚糜中添加0%、0.1%、0.2%、0.3%和 0.4%的TG酶，評價了TG酶對馬鮫魚糜成型效果的影響。結果表明，0.2%和0.3%的TG酶可以提高魚糜的儲能模量，增強魚糜的硬度、內聚性和恢復性，但添加量達到0.4%時反而由于過高的硬度對成型精度產生不利的影響。另一方面，TG酶的添加還會造成更高的蒸煮損失。

　　2.2.3  脂肪

　　脂肪是由甘油和脂肪酸組成的甘油三酸酯。甘油三酸酯的組成和結構，例如脂肪含量、熔點范圍、固體脂肪指數(shù)和晶體結構等，會影響肉制品的功能特性，可通過改變甘油三酸酯的組成來調節(jié)沉積層的熔點，使其在理想的溫度下凝固，提高產品的自支撐能力。脂肪在擠壓系統(tǒng)中還起著潤滑劑的作用，這有利于肉糜凝膠的擠出，但也會導致更大的蒸煮損失，在具體的食品配方中需要根據(jù)脂肪的類型和其他成分來確定合適的添加量。

　　2.2.4  親水膠體

　　在食品工業(yè)中，親水膠體常作為增稠劑和膠凝劑使用。向肉糜原料中添加親水膠體，能夠改變肉糜的流變性，是提升肉糜適印性的有效手段。Dick等研究了黃原膠和瓜爾豆膠及其復配對熟豬肉糜3D打印效果的影響。結果表明，黃原膠引發(fā)三糖側鏈與葡萄糖主鏈間的締合，降低了黏度的損失；瓜爾豆膠使水分子與半乳糖側鏈發(fā)生交聯(lián)，引起體系黏度的增加。與不添加親水膠體的對照組相比，添加親水膠體提高了肉糜的黏度、儲能模量和損耗模量。Chen等研究了明膠在富含蛋白質食品配方中的作用機制，發(fā)現(xiàn)明膠是通過自身凝膠化使原料具有類似明膠的性質，從而改善樣品的硬度、彈性和和咀嚼性，提高原料適印性。為了研究乳蛋白的3D打印特性，Liu等在酪蛋白酸鈉溶液中加入濃縮乳蛋白來制備乳蛋白復合凝膠。流變結果表示，乳蛋白復合凝膠具有剪切稀化行為，其表觀黏度、觸變性和屈服應力隨蛋白含量的增加而增加，在總蛋白含量為400～450g/L時獲得最佳打印性能。

　　3  肉類3D打印的應用前景

圖 3 肉類3D打印的應用前景

　　3.1  個性化營養(yǎng)

　　不同人群對于不同營養(yǎng)物質的需求是有差異的，千篇一律的“標準”健康飲食并不能適合每一類群體，個性化營養(yǎng)才能滿足不同個體對營養(yǎng)物質的需求。家用型食品3D打印機的普及還很遙遠，目前貼合實際的是針對不同人群劃分來定制營養(yǎng)。通過改變食品組成成分和質構，可為老年人、運動員和孕婦等人群個性化定制餐食。老年人由于牙齒和食道老化，咀嚼吞咽肉制品存在困難，一般只能食用攪碎的糊狀肉糜，這種無定形的肉糜制品會引起極差的飲食體驗。而人體長期不攝入肉類蛋白質容易導致免疫力下降，并伴隨有一系列營養(yǎng)缺乏癥。通過食品3D打印技術，可以降低肉的硬度和咀嚼性，塑造一些更為吸引人的形狀，既方便老年人及有咀嚼吞咽困難的人群食用，又能提升他們的飲食體驗。食品3D打印技術可以通過向食品原料中添加功能成分或從中去除特定物質為特定成分敏感人群提供個性化食品，這種將食品與醫(yī)療相結合的產品稱為特醫(yī)食品，將其定義為滿足進食受限、消化吸收障礙、代謝紊亂或者特定疾病狀態(tài)人群對營養(yǎng)素或者膳食的特殊需要，經專門加工配制而成的配方食品。特醫(yī)食品在中國起步較晚，隨著老齡化社會的到來，人們對營養(yǎng)知識的關注日益增加，越來越多的人開始重視患病期間的營養(yǎng)健康狀況。利用3D打印可以結合患者生理上的需求，精準控制營養(yǎng)成分，為患者提供適合其身體狀況的食品。

　　3.2  培養(yǎng)肉生產

　　培養(yǎng)肉是一種利用動物胚胎干細胞進行體外大量培養(yǎng)而獲得的由肌肉組織、脂肪組織等組成的肉類。在肉類需求量與環(huán)境惡化的雙重壓力下，綠色高效的培養(yǎng)肉技術得到飛速發(fā)展。目前培養(yǎng)肉的生產仍處于實驗室研究階段，生產的培養(yǎng)肉多為無定形的肌肉組織，感官屬性較差。利用3D打印技術可以模擬“真肉”的結構和紋理，通過構建可食用支架，實現(xiàn)培養(yǎng)肉肌肉組織的三維化。未來還有望實現(xiàn)細胞與支架的混合打印，直接打印出大塊肌肉組織，實現(xiàn)培養(yǎng)肉的工業(yè)化生產。培養(yǎng)肉技術雖然能夠緩解畜牧業(yè)因肉類生產所帶來的問題，但目前消費者的接受程度并不高。未來仍需不斷提高培養(yǎng)肉的口感、外觀和風味等感官屬性。

　　3.3  產業(yè)鏈升級

　　在如今食物需求量持續(xù)增加的嚴峻挑戰(zhàn)下，不僅需要開發(fā)新的食物資源，也要對傳統(tǒng)肉類工業(yè)產業(yè)鏈進行升級。根據(jù)聯(lián)合國糧農組織（FAO）報告顯示，全球生產的供人類消費的所有食品中，有三分之一因處置不當而被丟棄或浪費，其中一部分食物浪費產生于加工階段。食品加工過程造成的浪費主要表現(xiàn)在加工水平低下、過度精細加工、搬運作業(yè)損失、制造與庫存過量等方面。食品3D打印技術的應用，將有效防止加工浪費的產生，全面升級食品加工產業(yè)鏈。以肉類工業(yè)為例，利用食品3D打印技術能夠顯著提高加工水平，有效利用因肉類分級而產生的肉沫、肉渣等邊角料，一次工序即完成加工，避免了交叉污染和過多的搬運作業(yè)，還能根據(jù)不同要求自由設計個性化形狀，進行小規(guī)模定制生產，防止因過量制造引起庫存堆積浪費。同時，3D打印技術還能應用于畜禽副產品的開發(fā)升級，提高肉類產業(yè)附加值，如利用家禽羽毛制作出具有良好生物相容性定制支架的基礎材料。

　　4  結語

　　實現(xiàn)肉類3D打印仍存在諸多挑戰(zhàn)。一，需要對3D打印肉制品的后處理性進行探究，要求打印后的產品能經受住烹飪而不變形。二，混料配方是目前食品3D打印的熱點，要考慮肉類與其他食品原料組成的多樣性，探究配方中不同組分與3D打印之間的相互作用和影響機制。三，仍需不斷提高3D打印產品的感官屬性，保留產品原有的口感風味及營養(yǎng)價值。四，亟需開發(fā)功能強大的專一性食品3D打印機，這將有力推動3D打印技術在食品領域中的發(fā)展。五，基于互聯(lián)網(wǎng)的食品3D打印智能平臺也有待開發(fā)。未來，食品 3D打印機必然會走進工廠和家庭，消費者通過簡潔的操作界面，根據(jù)AI健康監(jiān)測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，在平臺上個性化搭配營養(yǎng)膳食，自行進行有趣的食品3D打印。