基于果蔬產(chǎn)品設(shè)計(jì)3D打印食品—機(jī)遇與挑戰(zhàn)

來源：食研私享

2022年2月，食品科學(xué)與技術(shù)雜志Journal of Food Science and Technology(IF：2.701)刊登了題為“Designing 3D printable food based on fruit and vegetable products—opportunities and challenges(基于果蔬產(chǎn)品設(shè)計(jì)3D打印食品——機(jī)遇與挑戰(zhàn))”的綜述性論文。

基于擠出的3D打印技術(shù)因其諸多優(yōu)點(diǎn)而成為應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。該文綜述了果蔬3D食品打印技術(shù)的最新進(jìn)展，并對其前景進(jìn)行了展望。文中介紹了室溫?cái)D出、熔融沉積成型和凝膠成型三大類擠出3D打印技術(shù)以及近年來果蔬粉3D食品領(lǐng)域的研究進(jìn)展�；�于這些結(jié)果，可以認(rèn)為水果和蔬菜已經(jīng)成功地用于制作3D甚至4D食品。然而，在預(yù)處理和后處理技術(shù)方面還有待進(jìn)一步研究。功能食品也可以通過3D打印來開發(fā)，但在這方面也還需要更多的研究。

挑戰(zhàn)和未來展望
在過去幾年中，3D打印已廣泛用于各種食品制作。這項(xiàng)技術(shù)在定制食品、個(gè)性化營養(yǎng)和利用不同類型的食品成分方面提供了多種好處。盡管3D打印具有廣泛的優(yōu)勢，但該領(lǐng)域的研究仍處于起步階段，這一技術(shù)的局限性不容忽視。

水果和蔬菜為食物提供營養(yǎng)，但它們很難用于3D打印。需要更多的研究來打印這些材料，甚至未被充分利用的果蔬副產(chǎn)品也可以用3D打印來處理。
消費(fèi)者對具有高營養(yǎng)價(jià)值和功能價(jià)值產(chǎn)品的需求迅速增長。但關(guān)于功能食品的3D打印研究還很少。

水果濃縮物或果粉可與維生素、多酚、益生菌、礦物質(zhì)等多種生物活性物質(zhì)結(jié)合，為有特殊要求的消費(fèi)者設(shè)計(jì)食品。此外，益生菌微生物在水果產(chǎn)品中的成功適應(yīng)具有很強(qiáng)的菌株依賴性。不同菌株的益生菌單獨(dú)或組合可用于制作益生菌水果基3D食品。益生菌在貯藏期間的活性研究也是今后的研究方向。

水果和蔬菜不能直接用于擠出打印，因此需要適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，如粉碎、凝膠化、制備面團(tuán)等。這些預(yù)處理是常用的，但效率不高。因此，微波和超聲波等新的有效的預(yù)處理方法可以用于未來的研究。另外，對果蔬預(yù)處理過程中可能流失的營養(yǎng)物質(zhì)的保存問題應(yīng)進(jìn)行更多的研究。由于對3D打印后處理的研究非常少，進(jìn)一步的研究還應(yīng)側(cè)重于采用新型干燥技術(shù)對3D打印物進(jìn)行后處理，以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和滿足用戶需求。

4D食品打印尚未被用于研究目的。利用溫度、水、pH、水分等不同刺激因素的影響，可以制備出具有彩色或多材料印刷結(jié)構(gòu)的智能材料。

大部分3D食品打印技術(shù)依賴于食品材料的流變和力學(xué)性能。打印參數(shù)在食品物料的擠出過程中也起著至關(guān)重要的作用，而打印參數(shù)隨食品油墨類型的不同而不同。因此，考慮到人類營養(yǎng)和食品安全，在食品材料方面的研究存在大量的機(jī)會(huì)。在3D打印食品上市之前，需要對其進(jìn)行最大限度的優(yōu)化試驗(yàn)。食物的構(gòu)建過程應(yīng)該加強(qiáng)以發(fā)展個(gè)人的創(chuàng)造力，也應(yīng)該量化以獲得一致的生產(chǎn)結(jié)果。

食品3D打印技術(shù)下一個(gè)最大挑戰(zhàn)是配方的盜版問題。這種3D數(shù)字化技術(shù)需要考慮知識產(chǎn)權(quán)新政策和盜版行為，以防止對既定標(biāo)準(zhǔn)的任何濫用行為。另外，有限的打印速度也是3D打印商業(yè)化的一個(gè)主要問題，這限制了市場上的生產(chǎn)。

由于在3D打印機(jī)上進(jìn)行嚴(yán)格的食品操作，印刷食品的保質(zhì)期也是一個(gè)令人擔(dān)憂的問題。因此，食品安全是這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。研究重點(diǎn)還應(yīng)放在打印過程中和打印后的食品微生物數(shù)目和安全性上。4D打印已經(jīng)作為3D打印的補(bǔ)充出現(xiàn)，是作為現(xiàn)有打印參數(shù)的一種改變形式而發(fā)展起來的。

圖1. 食品3D打印的主要步驟。

圖2. 具有20%、50%和80%填充水平的打印產(chǎn)品的視覺外觀(以及空氣油炸前后的填充結(jié)構(gòu))。山藥-PP1、山藥-PP2和山藥-PP3的質(zhì)量比分別為10: 0、9: 1、8: 2和7: 3。PP：馬鈴薯加工副產(chǎn)品。

圖3. 從橫斷面和縱斷面圖觀察到的100%和70%填充水平的鑄造樣品和3D打印產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)特征。橫斷面：放大倍數(shù)300×；縱斷面：放大160×。紅線代表層結(jié)構(gòu)。

圖4. OC-WS和OC-WS-Gum混合物的3D打印樣品。

圖5. 不同馬鈴薯淀粉百分比(A: 10%，B: 12.5%，C: 15%，D: 17.5%，E: 20%)的3D打印檸檬汁凝膠產(chǎn)品的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖6. 不同配方的3D打印土豆泥隨時(shí)間的顏色變化。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s13197-022-05386-4