3D食品打印是将三维建模、机电控制、食品科学等诸多跨学科知识融于一体而形成的一种新型高科技应用技术。3D食品打印可以节省从原料到成品各环节所需要的时间, 减少资源消耗, 降低生产成本; 能够打印出所需尺寸、感官、营养特性的食品, 提供了食品的新型制作方式; 可以改良食品营养结构, 根据个人身体状况科学的定制健康食谱, 给众多的患者、老人、儿童带来了福音^[1]。近年来3D食品打印技术在食品行业中得到了初步发展, 人们对“个性化定制食品”产生极大兴趣。

1 3D食品打印概况 1.1 3D食品打印技术

3D打印技术工艺主要有熔融沉积成型(FDM)、光固化立体成型(SLA)、选择性烧结成型(SLS)、及层片叠加(LOM), 在3D食品打印中FDM应用最为广泛。FDM的原理是将固体原料加热熔融挤出后, 冷却重新凝固, 层层堆积成型^[2]。FDM挤出效率高、设备简单、原料利用充分, 适用于巧克力、糖果等食品的打印^[3]。

3D食品打印的过程是利用计算机三维建模的手段对所打印食品进行平面分解、程序设计, 然后由3D食品打印机按照设置的运动方式将食品原料挤出, 最终实现逐层打印、堆叠成型^[4]。每一层打印的过程对应打印食品的一个横截面, 每个横截面需要单独计算处理, 计算机根据处理结果设置喷头运动方式, 并向机器发出指示命令, 喷头按照计算机的指示运动, 均匀挤出物料, 最终打印出有特殊味道、形状、质地和营养成分的食品。

1.2 3D食品打印机发展史

1984年美国人Charles Hull研究出3D打印物体的技术, 命名为立体平板印刷技术, 并于1986年开发出世界第一台商业3D印刷机^[5], 而3D食品打印技术由康奈尔大学Godoi等人提出。2011年, 英国埃克塞特大学研发了世界上首台3D巧克力打印机, 首次将冷却、加热装置应用于打印机中, 实现了巧克力从熔融态到凝固态的过程^[6]。2013年, 西班牙自然机器公司(Natural Machines)研制出世界上第一台消费级的3D食品打印机“Foodini”^[7-8], 通过多个喷嘴的不同组合, 将多种原料分别装入“墨盒”, 按照系统设计要求挤出不同“墨盒”中的原材料, 制作出各种各样的食物^[9]。现在常用的3D食品打印机还有美国打印糖果的ChefJet和ChefJet Pro等机器。尽管能进行3D打印的食品原料相对单一, 不能满足众多口味的要求, 但已经为特殊人群带来了方便, 展现了多元化的食品生产方式。

2 食品原料

食品原料的主要成分及其性质决定3D食品打印技术成功的关键^[10]。食品原料种类很多, 适合3D打印的却不多, 按原料状态分为:液体、粉末和细胞培养^[11]。液体原料可通过挤压和“喷墨”工艺进行; 打印粉状原料时可通过应用热源(激光或热风)或颗粒粘结剂沉积打印成形; 细胞培养原料的打印(生物冲洗)技术已经应用于打印肉类类似物^[12]。下面介绍食品主要成分在3D打印过程中对打印效果的影响。

2.1 碳水化合物

玻璃化转变温度(Glass-transition Temperature, Tg)是指物质的“高弹态”和“玻璃态”相互转变所对应的温度。Tg受食物中碳水化合物组成的影响, 也影响碳水化合物3D打印的效果。Tg影响食品原料的支撑能力^[13], 非晶态食品原料在Tg以下为玻璃态, 挤出时玻璃态糖类粘度增加, 生成许多结晶核, 打印出的食品内部结构支撑稳定, 不易坍塌。

选择食品原料时, 需要注意糖类的理化性质差异。淀粉的糊化对3D打印成型有很大影响。糊化淀粉是高粘度非牛顿流体材料。非牛顿流体指不满足牛顿黏性实验定律的流体, 即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。在气体压力作用下, 淀粉内部分子会发生收缩, 挤出后分子膨胀, 打印效果降低, 影响外形。低聚糖的溶解度不大, 具有食用纤维素、增稠剂的功能, 与蛋白质、脂肪等结合可以达到理想的粘度。低聚糖衍生物还有其他特殊功效, 在选择3D食品打印原料上优先考虑。

2.2 蛋白质

蛋白质聚合物带有电荷, 会影响3D打印效果。食品原料中的蛋白质由带正、负电荷的氨基酸脱水缩合而成, 当正、负电荷同时存在时, 蛋白质分子在等电点完全收缩, 粘度最小。但当化学平衡受到破坏, 蛋白质结构也会遭到破坏, 影响打印效果。例如, 3D食品打印中常用的蛋白质明胶, 有入口即融的性质, 提供了食物独特的口感。在稀溶液中, 明胶表现出牛顿流体特性, 但和带电基团作用后, 蛋白质结构遭到破坏, 失去牛顿流体特性。

食物蛋白质也可以通过添加酶而改变其构象。Lipton等已经做过反式谷氨酰胺酶可以影响肉的复杂结构的实验^[14], 将谷氨酰胺转氨酶作为食品添加剂加到食品原料中, 蛋白质与酶通过共价键紧密连接, 形成能够自我支撑的结合物。

剪切速率是蛋白质挤出过程中的另一个重要影响因素。剪切应力可使蛋白质的粘度不可逆地降低, 极端条件下可能发生非牛顿流体行为。另外蛋白质具有柔性、可压缩的性能, 压力会改变蛋白质分子的空间结构, 外部作用力和化合物(如强酸或强碱)对蛋白质结构有重要作用, 影响打印的效果。

2.3 脂类

甘油三酯的结构与组成也是影响打印效果最重要的因素。由不同脂肪酸组成的甘油三酯具有不同的熔点, 脂肪酸能影响食品原料的熔点范围、固体脂肪指数、晶体结构等性能, 从而影响3D食品打印结果。肉类的质地、颜色和保质期与脂肪酸的组成密切相关^[15]。不同脂肪酸的熔点对肉类脂肪的紧密或柔软度有显著影响。脂肪颜色受脂肪酸含量的影响, 固化的脂肪具有较高的熔点, 颜色也比液态脂肪更白。对于不饱和脂肪酸, 特别是多不饱和脂肪酸, 极易氧化和酸败^[16]。3D食品打印技术可以生产高品质的肉类产品, 通过调整甘油三酯的组成, 改善食品的口味、外观来满足不同消费人群的口感要求。脂肪晶体有助于增加食品的可塑性, 防止层层打印食品原料时发生坍塌现象, 造成精度低、外观差等缺点。部分脂类的多晶体形态对食品最终的储存期间、起霜现象等有一定影响。

2.4 维生素

水溶性维生素对热的稳定性较差, 遇热易分解, 结构易破坏; 而脂溶性维生素对温度相对稳定, 但易被氧化, 所以在打印含有维生素的食品时应注意温度及空气接触情况。如在高温、碱性、金属离子条件下, 都会加速维生素C(Vc)氧化。利用FDM三维打印淀粉原料时, 将Vc混入淀粉中, 可以阻断与空气的接触, 减少Vc的损失, 从而满足人体对维生素的需求^[17]。

3 3D打印的食品种类

随着食品打印技术的不断完善, 可用于3D打印的原料不断丰富, 打印种类也逐步增多, 更能满足人们生活的需求。现在已经对巧克力、冰激凌、糖果、奶片等食品进行3D打印。

3.1 巧克力

巧克力是3D食品打印研发的首个对象, 巧克力原料的物理性质适于进行3D打印, 且打印后可直接食用, 是食品打印研究的重点^[14]。3D巧克力打印应用FDM, 原料结晶机制、自我支撑能力会影响巧克力的打印效果^[18]。可可脂是巧克力中的主要结构原料, 可形成六种不同的晶体形态, 从Ⅰ到Ⅵ依次为熔点(γ:-5~5 ℃; α:17~22 ℃; β₁和β₂:29~34 ℃; β₂和β₁:29~34 ℃)。可可脂的多态性与巧克力的感官和物理特性密切相关。熔融态巧克力属于非牛顿流体, 粘度随着剪切应力的增大而减小, 但在剪切应力过大的极端情况下, 巧克力会丧失非牛顿流体性质, 不能完成打印。

巧克力打印过程中需要控制喷头的温度, 保证在挤出时粘度、流动性能符合成型的要求。打印出的每一层巧克力经过冷却凝结不易坍塌, 层层打印堆叠制成立体巧克力。除此之外, 还要防止温度过低原料凝固造成喷头堵塞, 一般情况下, 需要喷头温度比凝固温度高1 ℃^[19]。

3.2 冰激凌

冰激凌是一种半流固态冷冻甜品, 口感细腻、香滑, 与奶油相似, 具有一定的塑性, 也是3D食品打印的主要研究对象。保证冰激凌成功打印的首要条件是运用螺旋式挤出喷头, 双向均速挤出原料的方式可以防止回流。冰激凌挤出装置的精度应该在1 mm以下, 冰激凌具有一定的粘度, 若孔径过大, 会使摩擦力增大, 挤出困难, 若孔径过小, 影响打印速度。

冰激凌的原料含有乳脂肪、非脂乳固体、甜味剂、固形物、稳定剂、乳化剂等成分, 可通过控制稳定剂的配比使其黏度为120~140 MPa·S^[20]。冰激凌的挤出过程与巧克力的类似, 不同之处在于挤出的冰激凌原料需要在成型系统中快速冷却成型^[21]。

3.3 糖果

常见的打印糖果分为软糖跟硬糖。软糖是由淀粉糖浆为主要原料, 以明胶、果胶等作为凝固剂, 有利于糖果打印成型, 且不用担心食品安全问题^[22]。在进行配制打印原料时, 用卡拉糖等高粘度糖做原料时, 糖浆浓度不能过高, 否则后续添加的物料会受到限制, 且不利于转移、挤出、成型; 用明胶等低粘度糖做原料时, 糖浆浓度需要大量添加, 有利于成型、挤出, 但不利于干燥, 提高了生产成本^[23]。硬糖以白砂糖、果葡糖浆为主要原料, 硬糖含水量较低, 3D打印过程中温度控制比较困难, 在生产中相对困难。

3.4 奶片

奶片的打印原料主要是脱脂奶粉, 采用注射器式挤出方式。奶片原料粘度较高, 需要从后端填装, 挤出装置中食品原料应紧密接触, 避免产生气泡^[19]。打印出的成品应立即风干、快速成型, 无需额外的冷却装置。3D打印可以制作各种口味、各种造型的奶片, 吸引儿童的注意, 增加食欲, 补充营养^[24]。

4 3D食品打印效果的影响因素

食品自身理化性质决定打印效果, 外界温度、挤出方式、喷头直径、喷头与成型系统的距离等外界因素也会直接影响打印效果。

4.1 温度

温度是影响3D打印效果的首要因素。3D食品打印的原料多为胶状液体, 由于自身带有正负离子, 受力平衡能保持稳定。温度过高可能会使胶体平衡破坏, 蛋白质变性形成沉淀, 脂肪晶体受到破坏, 打印效果降低。温度过低使得食品原料凝结造成堵塞, 不能顺利挤出。根据食品原料挤出时对熔点、玻璃化温度的要求, 在原料贮存装置、喷头装置、成型平台进行温度控制, 设置合适的温度, 既要确保食品的顺利挤出, 又要稳定成型。

4.2 挤出方式

喷头挤出方式能显著影响打印食品的外观。常见的挤出方式有气压式、螺旋式、注射器式挤出。

气压式挤出装置通过调节开关, 可以同时驱动多个挤出喷头, 机械部件与食品原料没有直接接触, 降低了食品污染的风险; 而缺点是改变挤出速度时, 响应时间相对较长, 如果要将高粘度物质填充到原料贮存筒中, 容易产生气泡, 在打印生产中需要增加其他设备^[25]。

螺旋式挤出过程是电机驱动螺杆不断将物料往下拉, 最后到达挤出喷嘴, 气泡干扰较小。螺杆与食品材料直接接触, 所以螺杆和原料运送装置应使用食品级不锈钢材料。

注射器式挤出装置由机器产生压力, 直接接触食品原料, 挤出成型, 适合打印固体半固体食品原料, 挤压装置同样需要用食品级不锈钢材料。

选择哪种挤出方式, 要根据食品原料的流动性能、粘性、热特性等因素综合考虑。选择或设计一个适合某食品原料的挤出喷头, 可提高打印食品的精度^[26]。

4.3 喷头与成型系统之间的距离

喷嘴出口与成型系统之间的距离对成形形貌有直接影响。流体食品无法在接触基板或下层材料时瞬间凝固, 受力会产生铺展和塌陷现象。如果距离过近挤出的食品会受压力, 使食品原料不能良好成形, 而且食品也会对喷嘴出口造成污染和粘连, 直接影响打印成形效果^[27]。如果距离过远, 挤出的食品不会快速与成型系统接触, 不受力的食品原料, 不能打印出理想的外观。

另外, 喷头直径过大会使精度太低^[28], 过小不易挤出, 并且会使打印速度太慢, 不适合生产。挤出速度与轴运动速度在一个合理范围打印时, 可得到较好成形形貌。当轴运动速度过大时, 容易出现原料被拉扯过细甚至拉断情况; 轴运动速度过小时, 容易造成打印物过宽, 发生严重变形, 精度降低。

5 展望

3D食品打印的优点是操作简便、食品原料搭配灵活、创作空间高。食品成品外观多样、健康营养, 方便了特殊人群的生活需要^[29]。但目前3D食品打印机仅能灵活运用在单一原材料的食品加工中, 对于复杂的食品加工还需要深入研究。新兴的3D食品没有被广大消费者所认可, 而且食品打印机价格较贵不利于普及, 这些都是限制3D食品打印发展的因素^[30]。

随着科技的进步, 3D食品打印技术会日渐成熟, 有利于早日实现食品打印的商业化。作为一种新兴科技, 3D打印应用于食品加工, 有利于促进食品工艺的发展、推动现代食品工业改革^[31]。3D食品打印技术正处于蓬勃发展的时期, 必定给人们带来更多福利。