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這篇綜述的主要目的是分析3D打印過程中原料組成變化的影響，探討了碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)和纖維的組成對食品3D打印的影響。同時也為3D打印在食品行業(yè)的進一步實施提出未來的趨勢和建議。

了解食品材料的流變學(xué)特性對于評估和提高其在基于擠壓式3D打印中的打印性能和自支撐能力而言是至關(guān)重要的。用于擠壓式3D打印的食品材料應(yīng)為具有適當(dāng)?shù)募羟邢』袨榈募偎苄粤黧w，并應(yīng)在適當(dāng)?shù)募羟辛ο螺p松地從打印機噴嘴中擠出，并在擠壓后能夠快速恢復(fù)結(jié)構(gòu)固化。

為了預(yù)測通過噴嘴的擠出效果，通常使用屈服應(yīng)力（τ0），儲能模量（G'），損耗模量（G''），缺陷行為指數(shù)（K）和流動特性指數(shù)（n）等流變學(xué)特性，τ0和G'是基質(zhì)自支撐能力的關(guān)鍵指標(biāo)，而K和n在可擠出性和可打印性中起著重要作用。必須取得良好的平衡，以確保打印物體盡可能堅固，并在保持其打印形狀的同時仍可打印并能夠粘附到先前沉積的層上。

為了提高3D打印食品的質(zhì)量，通常將外源物質(zhì)添加到碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)和纖維原料中，以提高其可加工性、香氣、營養(yǎng)價值或耐儲存性(打印前和/或打印后)。

碳水化合物打印

3D食品打印最成功的材料之一是面團(添加或不添加添加劑)，需要根據(jù)面團的稠度、流變性和打印后的固化特性來判斷?！綴ang, Zhang, Fang, et al. (2018)】研究發(fā)現(xiàn)面團的流動行為和粘性模量影響其擠壓行為，而其彈性模量、凝膠強度、斷裂強度和粘附性影響其支撐3D結(jié)構(gòu)或隨后保持最初打印成品的結(jié)構(gòu)形狀的能力。

面團的流變特性表明，由于面團的假塑性，面團的粘度隨剪切速率的增加而降低，因此面團更容易被擠出。他們還發(fā)現(xiàn)，在評估的線性粘彈性范圍內(nèi)，儲存模量高于損耗模量，這表明3D打印后有可能形成彈性凝膠或凝膠狀結(jié)構(gòu)，并增強結(jié)構(gòu)強度。

許多改變材料流變性的處理方法也顯示出對3D打印的影響?！綧art?nez, Oliete, and Gomez (2013)】研究發(fā)現(xiàn)，添加膨化面粉雖然降低了面團的延展性，但增加了面團的可塑性?！綥iu, Zhang, Bhandari, et al. (2018)】研究發(fā)現(xiàn)，添加了2%馬鈴薯淀粉的土豆泥具有極好的擠壓性和印刷性。在此條件下，打印物具有光滑的形狀、良好的分辨率，并且在打印后仍能保持該形狀。

脂肪打印

巧克力是可用于基于擠出的3D打印的良好材料，因為可可脂（巧克力中的主要結(jié)構(gòu)材料）很容易融化并在冷卻時形成自支撐層。許多公司已經(jīng)開發(fā)出3D巧克力打印機(見Table 3)。

含有不同成分(牛奶、白巧克力和黑巧克力)的巧克力顯示出不同的可打印特性。特別是改變配方，加入不同含量的脂肪(來自牛奶或可可脂)，會改變顆粒間的相互作用。在加工過程中添加脂肪和卵磷脂，覆蓋了糖和可可顆粒，減少了相互作用，并導(dǎo)致所有流變學(xué)、質(zhì)構(gòu)和熱參數(shù)的顯著下降(p<0.05)。

巧克力表現(xiàn)出明顯的剪切變稀行為，其屈服應(yīng)力來自擠壓。較低的可可脂濃度與較高的固體顆粒含量(例如黑巧克力配方），可促進顆粒間的相互作用，從而導(dǎo)致較高的流變特性值。

另一方面，即使含有更多的非脂肪顆粒(如糖)和奶脂(來自奶粉)，更多的可可脂也會降低流動阻力。這一效應(yīng)在白巧克力樣品(牛奶和糖含量較高)中得到了證實，白巧克力樣品由較小的顆粒組成，巧克力顆粒之間的距離最大。黑巧克力樣品的硬度和脆性的質(zhì)構(gòu)參數(shù)值最高，且差異顯著。

這些結(jié)果也可以用于3D打印，因為脂肪含量較低的巧克力會使打印的產(chǎn)品變得堅韌、穩(wěn)定，但很難擠出。此外，巧克力在融化和重塑過程中存在六種結(jié)晶過程。經(jīng)過反復(fù)熔化和改造，晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。巧克力的結(jié)晶對其熱性能、流變性和最終產(chǎn)品的物理特性(存儲過程中的自支撐層，光澤和起霜)產(chǎn)生了重要影響。

蛋白質(zhì)打印

除了一些膠狀蛋白質(zhì)(例如明膠)外，大多數(shù)蛋白質(zhì)不能直接用作3D打印原料。蛋白質(zhì)在外界壓力(溫度或機械強度)或化合物(如強酸或強堿)下變性是制備適應(yīng)3D打印原料的好方法。

提高蛋白質(zhì)可打印性的方法可歸納為：(1)化學(xué)交聯(lián)；(2)離子交聯(lián)；(3)復(fù)合凝聚形成。然而，化學(xué)交聯(lián)劑很少應(yīng)用于食品工業(yè)，因為許多交聯(lián)劑都是重金屬，必須從食品成分中完全去除，才能適合人類食用。相反，離子交聯(lián)和復(fù)合凝聚體的形成已經(jīng)在食品工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，例如在豆腐結(jié)構(gòu)中。這些方法確保了蛋白質(zhì)形成凝膠狀結(jié)構(gòu)，并增強了其自我支撐的強度。

此外，等電沉積也可以用于形成3D打印材料。在等電點，蛋白質(zhì)可能會出現(xiàn)聚集，這對于基于蛋白質(zhì)的凝膠和水凝膠形成機制控制的液體3D打印過程來說是一個非常吸引人的特征。

插層沉積和酶修飾蛋白也可以形成自支撐結(jié)構(gòu)。在一定條件下，蛋白質(zhì)可以與多糖類物質(zhì)(如海藻酸鹽)逐層沉積。這種現(xiàn)象可以用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶在鈣依賴反應(yīng)中催化賴氨酸和谷氨酰胺殘基之間形成共價鍵的事實來解釋。因此，存在于肉泥中的蛋白質(zhì)通過酶法交聯(lián)，并產(chǎn)生了自支撐水凝膠。所有這些例子都顯示了蛋白質(zhì)作為3D打印材料的潛力。

【W(wǎng)ang et al. (2018)】研究了添加NaCl對3D擠壓打印魚糜凝膠流變性的影響。結(jié)果表明，魚糜凝膠為剪切變稀的假塑性流體。此外，以1.5gNaCl/100g魚糜混合物制成的產(chǎn)品最適合3D打印，NaCl濃度的增加導(dǎo)致粘度的普遍下降，這將有助于允許漿料從打印機噴嘴流動，然后獲得粘性后沉積，從而保持其形狀。

膳食纖維打印

正如美國谷物化學(xué)家協(xié)會(AACC)所描述的那樣，膳食纖維由植物的可食用部分或類似的碳水化合物組成，這些碳水化合物在人的小腸中不能被消化和吸收，在大腸中經(jīng)歷完全或部分發(fā)酵。它由非淀粉多糖組成，如阿拉伯木聚糖、纖維素和許多其他植物成分(即抗性淀粉、糊精、菊粉、木質(zhì)素、幾丁質(zhì)、果膠、β-葡聚糖和低聚糖)。

膳食纖維存在于水果、蔬菜和全谷物中，對人體健康有益。然而，膳食纖維不能作為3D打印的原材料，因為大多數(shù)不溶性膳食纖維沒有可塑性并且自支撐能力差。這些特性使得它們通常在3D打印過程中用作添加劑或與其他成分混合使用，并且一些富含纖維的材料已被用于3D打印（例如混合蔬菜-水果醬、澳大利亞酵母醬、可溶性乳纖維、果膠-檸檬汁）。

功能成分打印

3D食品打印的特點之一就是個性化的營養(yǎng)設(shè)計。為此，3D食品打印也應(yīng)用了功能成分，包括果汁、昆蟲粉、維生素和藻類。具體地說，個性化營養(yǎng)指的是基于運動員、孕婦和老年人的營養(yǎng)需求的具體打印食譜。這也可能是3D食品打印的主要發(fā)展方向之一。

材料的性能和組成一直被認為是3D打印過程中最重要的因素。這些功能材料應(yīng)該是均勻的，具有適當(dāng)?shù)臄D出流動性，并且在打印過程中和打印后可以支撐其結(jié)構(gòu)，或者可以與結(jié)構(gòu)材料和諧混合（例如混合了檸檬汁的淀粉、富含維生素D的濃縮橙汁/小麥淀粉/k-卡拉膠混合物、發(fā)菜/預(yù)糊化的馬鈴薯淀粉混合物、土豆泥/草莓汁凝膠混合物）。

▲圖2 擠壓機理：A.注射器擠壓，B.氣壓驅(qū)動擠壓，C.螺旋擠壓(Sun et al. 2018)。

▲圖3 食品3D打印發(fā)展軌跡(van der Linden, 2015)。

▲圖4 食品設(shè)計和制造樣品，A為3D模型，B為實際打印的餅干(Sun等，2018年)。

▲圖5 豐盛的3D打印巧克力。

A: Shinnove S2 3D食品打印機，

BCD：Shinnove S2 3D食品打印機(實驗室制造)生產(chǎn)的巧克力。

原文鏈接

https://doi.org/10.1080/10408398.2018.1514363

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