谷物基原料3D打印的研究進(jìn)展

耿 涵

王 莉

陳正行

左中鈺

(糧食發(fā)酵與食品生物制造國(guó)家工程研究中心，江蘇 無(wú)錫 214122)

食品3D打印也被稱為食品分層制造技術(shù)，是一個(gè)數(shù)字化控制的過(guò)程，以三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，利用食品材料，通過(guò)控制溫度和壓力，經(jīng)逐層堆積打印形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜和外型各異的食品產(chǎn)品。食品3D打印技術(shù)可以個(gè)性化定制食物，不僅能豐富食品樣式，改良食品品質(zhì)，還可以調(diào)整食品的營(yíng)養(yǎng)成分以適應(yīng)不同個(gè)體的健康需求以及口味偏好。谷物食品作為中國(guó)人的傳統(tǒng)主食，在中國(guó)居民膳食組成中占有重要的地位。3D打印技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為日常飲食和營(yíng)養(yǎng)保健的有機(jī)結(jié)合提供了一個(gè)新的思路，也為實(shí)現(xiàn)健康谷物食品的個(gè)性化定制提供了新的途徑。

谷物食品屬于多組分食品體系，包含了蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)等天然材料，擁有剪切稀化和觸變性的假塑性非牛頓流體性質(zhì)，該特殊的流變性質(zhì)賦予了谷物基材料的3D可打印性。3D打印自引入食品加工業(yè)以來(lái)，受到廣泛關(guān)注，目前的研究方向主要分為印刷工藝和材料兩部分。文章擬從適合谷物食品的3D打印工藝及其原理、打印原料、打印效果3個(gè)方面進(jìn)行綜述，介紹谷物基3D打印的相關(guān)進(jìn)展和存在的挑戰(zhàn)，為個(gè)性化制造營(yíng)養(yǎng)、健康的谷物食品提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 食品3D打印技術(shù)原理

1.1 谷物基3D打印技術(shù)

3D印刷(3D printing，3DP)是一種新興的制造技術(shù)，能夠通過(guò)不同材料的逐層沉積過(guò)程，將虛擬的3D模型轉(zhuǎn)換為實(shí)際的有形結(jié)構(gòu)。3DP屬于增材制造工藝(Additive Manufacturing，AM)的一種。AM中類似于3DP的工藝系統(tǒng)已有20多種，其中較為成熟并且被廣泛使用的工藝系統(tǒng)有6種，具體信息見(jiàn)表1。目前，技術(shù)最成熟應(yīng)用最廣泛的是SLA[2]，但其在食品領(lǐng)域還未見(jiàn)報(bào)道，適合食品材料3D打印的是FDM和3DP[3]，在此部分主要介紹與谷物最相關(guān)的基于擠壓工藝的食品3D打印技術(shù)即FDM的技術(shù)原理。

表1 增材制造主要應(yīng)用工藝[1]Table 1 Main application process of additive manufacturing

熔融沉積法(FDM) 適用于熱塑性塑料和高黏度的有機(jī)材料，具有成本低、成形原件變形程度小、材料來(lái)源廣的優(yōu)勢(shì)。其工作原理為：首先用三維軟件建立工件模型導(dǎo)入FDM打印機(jī)中。然后將熱熔性材料倒入料筒，使用料筒內(nèi)螺桿傳輸材料的同時(shí)對(duì)料筒進(jìn)行加熱，當(dāng)材料抵達(dá)螺桿底部時(shí)達(dá)到熔融極限溫度。材料受力落入噴頭熔池，在噴頭中繼續(xù)加熱至完全熔化，最后從噴嘴中擠出，在工藝平臺(tái)上打印成形凝固。工作臺(tái)外置散熱風(fēng)扇進(jìn)行工件的降溫和冷卻凝固成形。噴頭按照三維軟件設(shè)定的路線完成當(dāng)前截面的擠出過(guò)程，工件下移開(kāi)始下一層的噴涂打印，逐層累加直至工件打印完畢[4]。由于FDM設(shè)計(jì)的靈活性，支持打印種類多樣的食品材料，例如面團(tuán)、凝膠等，因此最適合谷物基原料應(yīng)用。

1.2 食品3D打印設(shè)備構(gòu)成

如圖1所示，3D食品打印機(jī)主要采用笛卡爾型(Cartesian)、三角洲型(Delta)、 極坐標(biāo)型(Polar)或斯卡拉型(Scara)結(jié)構(gòu)配置，不同的結(jié)構(gòu)配置中打印頭在X、Y和Z軸的腔室中的移動(dòng)各不相同，適用于不同的打印階段。其中，笛卡爾型(Cartesian)和三角洲型(Delta)是食品3D打印最常用的結(jié)構(gòu)配置。

圖1 主要3D食品打印機(jī)的結(jié)構(gòu)配置[5]Figure 1 The configuration of the main 3D food printer

FDM打印機(jī)的擠出機(jī)制類型見(jiàn)圖2，分為注射器擠壓出料，螺桿擠壓出料和氣體輔助擠壓出料3種[5,7]。注射器擠壓出料方式的擠出速率對(duì)不可壓縮的流體介質(zhì)而言僅僅與注射器推進(jìn)的速率和儲(chǔ)料罐的截面積相關(guān)，可以獲得很大的擠出力。對(duì)于高黏性流體材料，注射器擠出可以無(wú)視其內(nèi)摩擦力導(dǎo)致的黏度變化實(shí)現(xiàn)精確擠出，但是持續(xù)供料能力不強(qiáng)。氣體輔助擠壓出料原理是通過(guò)向儲(chǔ)存3D打印材料的密封腔內(nèi)加入氣體，加大壓力，進(jìn)而將材料從噴嘴擠出。形成的氣壓越大，擠出的材料越多，越有利于材料快速更換。但由于氣體的不穩(wěn)定性，材料擠出可能發(fā)生滯后，具有很難做出快速響應(yīng)的缺陷。

圖2 3D食品擠出機(jī)制的類型[6]Figure 2 Types of 3D food extrusion mechanism

螺桿擠壓出料擠壓力較大，可以實(shí)現(xiàn)打印材料的持續(xù)擠出，可以用于高黏度材料的打印，但是由于螺桿的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)施力，裝置內(nèi)部溫度會(huì)升高，容易造成材料時(shí)變性非牛頓流體的黏度變化，不利于穩(wěn)定供料，同時(shí)螺桿擠出裝置的清洗也比較困難。

FDM打印機(jī)由4個(gè)主要部分組成：打印頭(主要包含進(jìn)料斗、進(jìn)料桶/注射器/墨盒、擠出頭)、數(shù)字控制接口、打印臺(tái)和可移動(dòng)外殼。機(jī)架是FDM打印機(jī)的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)，是包含X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)部件及各個(gè)傳動(dòng)部件的承載體，機(jī)架的穩(wěn)定對(duì)噴頭打印過(guò)程中的精度有很大的影響。傳統(tǒng)的機(jī)架主要分為i3型(龍門架結(jié)構(gòu))、并聯(lián)臂型、XYZ型3種類型，如圖3所示。不同的機(jī)架結(jié)構(gòu)平臺(tái)與噴頭的運(yùn)動(dòng)方式各不相同，i3結(jié)構(gòu)機(jī)架Y軸帶動(dòng)成型平臺(tái)移動(dòng)，X和Z軸控制噴頭運(yùn)動(dòng)；并聯(lián)臂型結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，可以在X、Y、Z軸上進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)；而XYZ箱型結(jié)構(gòu)機(jī)架則是打印機(jī)座固定在Z軸，X和Y軸控制噴頭。

圖3 FDM機(jī)器機(jī)架3種結(jié)構(gòu)[8]Figure 3 Three structures of FDM machine frame

常用的FDM打印噴嘴按制造材質(zhì)可分為塑料噴嘴和金屬噴嘴，按照噴嘴內(nèi)部管道形狀可以分為標(biāo)準(zhǔn)型噴嘴和錐型噴嘴，如圖4所示[9]。金屬噴嘴比塑料噴嘴有更好的散熱性能。標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的流道長(zhǎng)徑比更大，黏彈性打印材料需要經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)時(shí)間才能從噴嘴中被擠出，能夠促進(jìn)材料在壓縮變形中積存的彈性勢(shì)能的釋放，防止擠出脹大現(xiàn)象的發(fā)生。而正是由于長(zhǎng)徑比比錐型大，標(biāo)準(zhǔn)型噴嘴更容易發(fā)生堵塞。

圖4 FDM工藝的兩種金屬噴嘴Figure 4 Two metal nozzles of FDM process

1.3 打印后續(xù)處理

3D打印除了主要的制作程序之外，還可以使用適宜的后續(xù)處理工序，增加工件的強(qiáng)度、硬度，防止粉末材料掉落，延長(zhǎng)打印工件的使用壽命。使用主要的后處理過(guò)程包括：靜置、強(qiáng)制固化、去粉、包覆等。靜置是指在打印結(jié)束之后將打印好的工件靜置一段時(shí)間，使粉末材料和粘結(jié)劑或粉末材料之間交聯(lián)固化完全[10]。強(qiáng)制固化是指，當(dāng)模具已經(jīng)有了一定的強(qiáng)度之后，通過(guò)加熱、真空干燥、紫外光輻射等外力方式進(jìn)一步強(qiáng)化粉末相互作用力[11]。強(qiáng)制固化完成后，模具已經(jīng)具備較強(qiáng)的硬度，但還需要將表面未交聯(lián)的多余粉末除去。大部分的粉末可以通過(guò)刷子除去，剩余的粉末可以通過(guò)特殊溶劑浸制、機(jī)械振動(dòng)、微波振動(dòng)和風(fēng)力的方式除去[12-13]。最后還要考慮模具的長(zhǎng)久保存，常見(jiàn)的方法有在模具外或關(guān)鍵連接部位使用防水固化膠，或者將模具放入具有保護(hù)作用的聚合物中，比如環(huán)氧樹(shù)脂、熔融石蠟等，達(dá)到防水、堅(jiān)固、不易變形的效果[12]。

2 谷物基3D打印材料

當(dāng)前使用的大多數(shù)3D食品打印方法都是基于材料擠壓技術(shù)，即將食品原料通過(guò)氣壓推入噴嘴并按照特定的模式沉積在目標(biāo)板上[14-15]。這樣的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)印刷，并且特別適合于使用液體或低黏度材料的食品制備。谷物食品是中國(guó)傳統(tǒng)膳食的主體，主要包括大米、小麥、小米、大豆等及其他雜糧。谷物食品材料屬于多組分食品體系，包含了碳水化合物和蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等成分，各組分的含量變化均會(huì)影響食品材料的質(zhì)地和流變特性，進(jìn)而影響熱擠壓3D打印效果。對(duì)于碳水化合物基材料和蛋白基材料，可以通過(guò)凝膠化來(lái)實(shí)現(xiàn)流動(dòng)和自支撐性，而對(duì)于脂肪基材料則是通過(guò)加熱熔融和降溫凝固使其具備一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度利于沉積成型[9]?，F(xiàn)已成功將3D打印技術(shù)應(yīng)用于打印巧克力[16]、肉糜[17]、奶酪[18]等物質(zhì)中，但是將谷物基材料應(yīng)用于3D打印的研究并不多。谷物食品來(lái)源豐富，品種繁多，成本合理，可擴(kuò)大3D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，增加適用于3D打印的材料，挖掘出谷物原料的更高價(jià)值。

2.1 谷物基材料3D打印特性

2.1.1 流變特性 適用于3D食品打印的最常見(jiàn)材料是碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維和其他功能成分[19]。理論上所有的軟性食品材料都可以作為3D打印的原料，但熱擠壓3D打印成型性主要受到食品材料流變特性的影響。擠出噴嘴后在重力的作用下材料經(jīng)歷低剪切力作用，因此要求材料具有剪切稀化特性以及對(duì)交變剪切應(yīng)力快速和可逆的模量松弛響應(yīng)。淀粉作為谷物食品材料的主要結(jié)構(gòu)成分，其黏彈性流體屬于典型的剪切稀化和觸變性非牛頓假塑性流體。特殊的流變性質(zhì)賦予了淀粉材料的熱擠壓3D打印可行性。因此，谷物原料作為3D打印的材料具有廣闊的空間。然而，由于谷物原料品種繁多，用于3D打印的各種淀粉原料的流變性不盡相同；且食品體系復(fù)雜，各成分混合后的結(jié)構(gòu)和流變特性都處于未知狀態(tài)，因此對(duì)不同品種的淀粉材料的打印特性需要區(qū)分了解。

余陽(yáng)玲等[20]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯、小麥和玉米淀粉凝膠均可獲得完整的3D打印模型，其中小麥淀粉凝膠具有較低的黏度、較好的擠出性和貯藏性能，用小麥淀粉制作的3D打印樣品的尺寸最接近CAD設(shè)計(jì)模型，且微觀結(jié)構(gòu)更為規(guī)則，是較為理想的谷物基3D打印材料。陳洹[9]發(fā)現(xiàn)大米淀粉、玉米淀粉較佳打印區(qū)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%～25%和15%～20%，均呈現(xiàn)出剪切稀化和對(duì)交替剪切應(yīng)變刺激下模量的快速響應(yīng)特性，原因是較高的淀粉濃度導(dǎo)致凝膠的屈服應(yīng)力、流動(dòng)應(yīng)力和儲(chǔ)能模量增加。其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～25%的淀粉懸浮液通過(guò)在70～85 ℃的溫度下加熱，獲得的打印成品具有出色的擠出加工性能和機(jī)械完整性。Guo等[21]運(yùn)用CFD 模擬和打印試驗(yàn)評(píng)估了黑米、綠豆、糙米和蕎麥作為3D打印材料的流體動(dòng)力學(xué)，結(jié)果表明綠豆凝膠的黏度最低，但蕎麥凝膠具有較高的穩(wěn)定性，該研究倡導(dǎo)未來(lái)的探索應(yīng)通過(guò)使用結(jié)構(gòu)力學(xué)模擬來(lái)評(píng)估各種印刷材料的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?？傊?，淀粉的流變特性對(duì)各類谷物材料的流變性能有關(guān)鍵的影響作用，也決定了熱擠壓3D打印技術(shù)能否應(yīng)用于谷物食材的加工制造。

2.1.2 質(zhì)地特性 對(duì)于谷物基3D打印材料，雖然谷物原料種類多，流變性能有差異，但可以通過(guò)改變3D打印參數(shù)、原材料組成[22]等方式改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)[14]以構(gòu)建個(gè)性化的質(zhì)地特性的3D打印食品。Derossi等[23]通過(guò)研究小麥/米粉混合物3D打印工藝對(duì)谷物零食的微觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)地的影響發(fā)現(xiàn)，微觀結(jié)構(gòu)的多樣性極大地影響了產(chǎn)品的機(jī)械性能，3D打印樣品有著更高的硬度、咀嚼性和內(nèi)聚性。這證明了改變3D結(jié)構(gòu)中孔隙的形態(tài)和分布，能夠影響谷類零食的質(zhì)地。還有研究者[24]發(fā)現(xiàn)在打印過(guò)程中使用相同的填充水平，但印刷不同的圖案，產(chǎn)品硬度有顯著差異；相反，當(dāng)使用較軟的食物——糙米作為原料時(shí)，填充模式對(duì)產(chǎn)品質(zhì)地?zé)o影響。Feng等[25]研究了空氣炸制品的質(zhì)地特性，發(fā)現(xiàn)對(duì)于20%低填充的樣品，硬度遵循平行結(jié)構(gòu)>交叉結(jié)構(gòu)>復(fù)雜結(jié)構(gòu)的順序。因此，需要廣泛試驗(yàn)打印變量對(duì)谷物基原料3D打印效果的影響，以應(yīng)對(duì)不同要求下所需的產(chǎn)品的質(zhì)地。

2.2 谷物基材料3D打印應(yīng)用

對(duì)于日常主食材料，打印得較成功的食材為面糊、面團(tuán)[14,26]，而對(duì)于大米、小米、燕麥等其他谷物基的食材研究并不夠深入。這主要是由于這些食品材料多數(shù)打印支撐性能弱和結(jié)構(gòu)造型差不能滿足擠壓3D打印工藝的要求，且在擠壓沉積過(guò)程中力學(xué)強(qiáng)度也不夠，導(dǎo)致產(chǎn)品坍塌變形，成型效果不佳[27]?？蓪?duì)這些食品材料進(jìn)行一定的前處理，改變其流變學(xué)特性、質(zhì)地特性來(lái)調(diào)控其擠壓打印和沉積性。目前，由面糊制成的食物——營(yíng)養(yǎng)主糧餅干[28]、添加益生菌的小麥零食[29]、燕麥米粉[30]等食物一一通過(guò)改變食品配方、調(diào)整工藝參數(shù)等形式實(shí)現(xiàn)3D打印。

在中國(guó)，章云等[31]使用富硒米粉、玉米粉、蕎麥粉以及其他材料制成了一款玉米米粉3D打印材料。周泉城等[32]將玉米淀粉與馬鈴薯淀粉或木薯淀粉中的一種或兩種的混合，再與蛋白混合，加水糊化，最后制成3D打印機(jī)成型材料，可打印任何造型的食材或模型等，打印物成型好，層疊界限不明顯，適合于蒸煮、烘焙、煎炸等后續(xù)加工。鄭波等[33]將玉米粉、燕麥粉、小米粉、蕎麥粉、木薯全粉按一定比例與其他材料混合，進(jìn)行熔融沉積3D打印，堆疊出所需的三維實(shí)體食物，再放入烤箱烤制成雜糧餅干。制成的餅干可以保持精致和復(fù)雜的圖案形狀，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)與美觀的結(jié)合。國(guó)外，Sun等[5]使用可互換的擠出機(jī)制造多材料蝴蝶餅干，其中使用含有不同食用色素的相同面團(tuán)材料來(lái)呈現(xiàn)多種顏色，見(jiàn)圖5。Severini等[34]以小麥粉為原料，設(shè)計(jì)出不同的填充量、層高、固形物含量的3D打印谷物零食，見(jiàn)圖6。Derossi等[35]利用小麥面團(tuán)多層打印成功再現(xiàn)了蘋果組織的微觀結(jié)構(gòu)特征，表明食品3D打印能夠模仿生物組織的形態(tài)學(xué)特性。

圖5 3D印刷曲奇Figure 5 3D printed cookies

圖6 不同3D打印設(shè)計(jì)獲得的印刷和烹飪小吃Figure 6 Printing and cooking snacks obtained bydifferent 3D printing designs

除了制作成食品，谷物原料也被制作成不同的3D打印材料，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。如俞克波[36]對(duì)玉米秸稈進(jìn)行表面改性處理，增強(qiáng)了材料的致密性和穩(wěn)定性，將粒料干燥后粉碎成細(xì)小粒料再進(jìn)行3D打印，確保材料表面的光滑性，制備的材料具有良好的耐腐蝕性、尺寸穩(wěn)定性。褚忠等[37]將小麥粉、糯米粉等材料混合，制成了一種3D打印面塑材料。該面塑材料制備速度快，有良好的可擠出性及可堆積性，硬化后呈乳白色，可以3D打印出各種復(fù)雜模型。葉靜等[38]發(fā)明了一款由玉米、大米等原料制作的打印餐具的3D打印機(jī)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)餐具打印成型，以減輕洗碗的負(fù)擔(dān)。這些應(yīng)用豐富了谷物基3D打印的研究意義，擴(kuò)寬了谷物材料的應(yīng)用場(chǎng)景，提升了谷物的附加值。

3 影響谷物基3D打印效果的因素

3D食品打印成功與否，受到打印材料的混合流變性，結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性和形狀穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)食品加工技術(shù)(例如烘焙和干燥)的兼容性以及打印速度的多重挑戰(zhàn)。使用3D打印制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的食品在很大程度上取決于材料的物理特性，比如物料的質(zhì)地分布、黏度、比率等因素；其次，材料的可印刷性，例如凝膠化，熔融和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。再而，加工參數(shù)也會(huì)影響3D打印過(guò)程中食物的形成和質(zhì)量，包括噴嘴的高度和直徑及材料的流速[39]。除此以外，后期處理也不得忽視。因此，為了使谷物基原料具有較理想的擠壓3D打印成型性，需要在制作谷物基3D打印食品的過(guò)程中進(jìn)行多方面的充分考慮。

3.1 適用性

3D打印技術(shù)的適用性主要取決于材料的物理、化學(xué)性能。這些材料應(yīng)該是均質(zhì)的，并具有適當(dāng)?shù)臄D出流動(dòng)性，并可以在印刷過(guò)程中和印刷后支撐其結(jié)構(gòu)[40-42]，或者可以與結(jié)構(gòu)材料有效混合。軟質(zhì)材料的黏度應(yīng)既能滿足易于通過(guò)細(xì)噴嘴擠出的要求，又能保持隨后沉積的層的形狀[40]。大多數(shù)天然谷物基食物不具備印刷所必需的流動(dòng)特性[43]，為了擴(kuò)大3D打印技術(shù)的使用范圍，可通過(guò)添加劑或加工過(guò)程對(duì)食品材料進(jìn)行物理改性來(lái)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性能。

在使用添加劑方面，研究較多的是將水膠體添加到打印材料中以調(diào)節(jié)糊化性能、黏度和流動(dòng)性，將不同品種的淀粉混合或添加蔗糖等方式也可以改變3D打印原料的物理性能。Azam等[44]將阿拉伯膠、瓜爾豆膠、k-卡拉膠和黃原膠加入到橙濃縮物—小麥淀粉中，膠的添加導(dǎo)致橙濃縮物—小麥淀粉混合物的表觀黏度、儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)增加。其中，使用含有k-卡拉膠的共混物打印的樣品具有最大保真度和良好的承重能力，可防止由于適當(dāng)?shù)腉′值而隨時(shí)間崩塌。Vancauwenberghe等[45]研究得到果膠濃度是打印物體牢固度和強(qiáng)度的主要決定因素，糖和果膠的濃度增加了黏度并影響了打印質(zhì)量。Yang等[46]發(fā)現(xiàn)烘烤面團(tuán)的凝膠形成特性和物理性質(zhì)會(huì)隨水、蔗糖、黃油、面粉和雞蛋含量的不同組成而變化。總之，為獲得更好的成型樣品形狀應(yīng)滿足假塑性凝膠的要求，如相對(duì)較高的可擠出性、凝膠強(qiáng)度、彈性和相對(duì)較低的延展性等。

在物理改性方面，Maniglia等[47]使用簡(jiǎn)單的物理技術(shù)干式熱處理對(duì)木薯淀粉進(jìn)行改性，得到了更好的打印材料。因?yàn)楦墒綗崽幚頃r(shí)間的增加產(chǎn)生了具有較高羰基含量和較大顆粒尺寸的淀粉，降低了吸水率，增加了水溶性指數(shù)，影響了顆粒的結(jié)晶度并減小了分子大小。Xu等[48]使用超聲波—微波聯(lián)合預(yù)處理方式對(duì)小麥淀粉—木瓜3D打印原材料進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)在相同超聲處理?xiàng)l件下，當(dāng)微波功率為80 W時(shí)樣品G′、G″和結(jié)合水比增加，成品的支撐穩(wěn)定性、線條均勻性和高度保持性相對(duì)處于最佳水平。

3.2 可印刷性

可印刷性取決于如何對(duì)材料的屬性進(jìn)行處理，通過(guò)3D打印機(jī)打印并保持打印后的結(jié)構(gòu)。對(duì)于3D打印在食品領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，特別是谷物類產(chǎn)品，應(yīng)根據(jù)谷物原料的機(jī)械性能對(duì)打印參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)置，提高谷物基原料的可印刷性。

若選擇普通小麥面粉作為基質(zhì)，小麥面團(tuán)的可印刷性取決于其在水含量、面粉類型和添加劑含量方面的組成。首先，如果加水量太少，面團(tuán)將無(wú)法均勻混合，并容易阻塞針頭，影響印刷質(zhì)量和食用味道。而如果加水太多會(huì)使面團(tuán)變得太軟，樣品在印刷后很容易塌陷，從而難以獲得合適的形狀。其次，面團(tuán)的組成影響其動(dòng)態(tài)流變性能和微觀結(jié)構(gòu)[49]。具有較高的黏彈性模量、損耗因子、復(fù)數(shù)黏度和屈服應(yīng)力的面團(tuán)配方顯示出良好的印刷效果和印刷后的足夠穩(wěn)定性[50]。因此，為了實(shí)現(xiàn)小麥面團(tuán)的印刷，需要優(yōu)化其配方。Liu等[51]比較了小麥粉、芒果粉、橄欖油、水等材料對(duì)于3D打印食品質(zhì)量的影響。在不添加冷凍干燥的芒果粉和橄欖油的情況下，面粉與水的比例為5∶3 (g/mL)時(shí)，可獲得最佳的食品印刷質(zhì)量。另外，當(dāng)壓縮壓力、針?biāo)俣?、針直徑和?nèi)部填充率分別為600 kPa，6 mm/s，0.58 mm和50%時(shí)，打印樣品質(zhì)量最高。Severini等[34]分析了填充密度和層高水平對(duì)小麥面團(tuán)印花性能的影響，證明樣品的直徑與層高直接相關(guān)，而樣品的高度則隨層高的增加而減小，這歸因于當(dāng)層高增加時(shí)面團(tuán)的不規(guī)則沉積。另一方面，填充水平對(duì)生和熟零食的固體成分的變化更為重要，樣品的斷裂強(qiáng)度與填充量密切相關(guān)。Severini等[52]在小麥粉面團(tuán)中添加不同量的黃粉蟲幼蟲，應(yīng)用3D打印技術(shù)制作出一款可豐富蛋白質(zhì)來(lái)源的谷物基小吃，效果見(jiàn)圖7。結(jié)果顯示一定數(shù)量的昆蟲會(huì)導(dǎo)致面團(tuán)變軟并導(dǎo)致面團(tuán)沉積溢出，增加食物樣品的直徑，高度和重量，改變谷物零食的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)。

圖7 不同黃粉蟲含量的3D打印小麥基零食Figure 7 3D printed wheat-based snacks with differentinsert content

1. 1.5%纖維素納米纖維+5%淀粉 2. 15%淀粉 3. 30%黑麥麩 4. 35%燕麥濃縮蛋白5. 45%蠶豆?jié)饪s蛋白 6. 0.8%纖維素納米纖維+50%半脫脂奶粉 7. 60%半脫脂奶粉圖8 烤箱和冷凍干燥對(duì)3D打印樣品外觀的影響Figure 8 The influence of oven and freeze-drying on the appearance of 3D printed samples

大米面團(tuán)是非牛頓流體，具有高剪切稀化行為，并且表現(xiàn)出類似于弱凝膠的流變行為[53-54]。Anukiruthika等[55]對(duì)米粉混合物(大米粉、蛋黃、蛋清)的各種擠出印刷參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，包括印刷成分、噴嘴高度、噴嘴直徑、印刷速度、擠出馬達(dá)速度和擠出速率。結(jié)果表明，添加填料(m蛋黃粉/蛋白粉∶m大米粉為1∶1，1∶2)對(duì)提高印刷的蛋黃和蛋清的穩(wěn)定性和強(qiáng)度具有顯著影響。在Huang等[24]的研究中，通過(guò)更改打印變量(即噴嘴尺寸、周長(zhǎng)和填充密度)來(lái)研究糙米的3D打印精度，打印效率和質(zhì)感特性，評(píng)估糙米的可印刷性。結(jié)果顯示，較小尺寸的噴嘴可以提高3D打印樣品的大小，噴嘴尺寸不僅會(huì)改變孔隙率，還會(huì)改變沉積的層數(shù)，可減少印刷時(shí)間；質(zhì)地特性如硬度和膠黏性與填充密度密切相關(guān)；而Liu等[56]研究了糯米、粳米、秈米3種流行大米面團(tuán)的3D可印刷性，發(fā)現(xiàn)米粉的流變學(xué)性質(zhì)受其配方的影響明顯，并且與其適印性能之間無(wú)定量關(guān)系。進(jìn)一步研究了3D打印與傳統(tǒng)食品加工技術(shù)的兼容性，發(fā)現(xiàn)由于糯米支鏈淀粉含量較高，在蒸煮過(guò)程中發(fā)生溶脹，顯示出最差的形狀穩(wěn)定性和最高的體外淀粉消化率。而秈米和蒸制的粳米中則出現(xiàn)了相反的現(xiàn)象，表明秈米和粳米可能是有前途的3D打印材料。

3.3 后處理

理想情況下，3D食品結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠抵抗后處理，在食品印刷領(lǐng)域，后處理包括烹飪過(guò)程，例如烘烤、油炸和蒸煮，以改善食品原料的風(fēng)味或使其轉(zhuǎn)化為可食用狀態(tài)[26]。各種軟質(zhì)材料(如曲奇、奶酪和蛋糕糖霜)的沉積已通過(guò)基于擠出的3D打印技術(shù)完成[29]。然而，這些物體不適用于常規(guī)食品加工技術(shù)，并且在后加工處理后會(huì)大大變形。為了實(shí)現(xiàn)3D打印工藝在食品上的廣泛應(yīng)用，該技術(shù)必須易于與傳統(tǒng)食品加工步驟兼容[57]。加工后用于保持物體形狀穩(wěn)定性的兩種主要方法是改良配方、使用添加劑或者是選擇合適的加工方法[29]。Pulatsu等[58]發(fā)現(xiàn)減少的曲奇面團(tuán)的含糖量可在烘烤后產(chǎn)生結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的曲奇，同時(shí)增加牛奶含量可增強(qiáng)打印介質(zhì)的流動(dòng)性。Lille等[14]驗(yàn)證了印刷后的形狀穩(wěn)定性與糊的屈服應(yīng)力有關(guān)。通過(guò)烤箱干燥進(jìn)行的后處理在印刷樣品的初始固體含量高(<50%)時(shí)最為成功。圖8展示了烤箱和冷凍干燥分別對(duì)不同3D打印樣品外觀的影響，可以看出對(duì)于初始干物質(zhì)含量為35%以下的樣品，冷凍干燥比烘箱干燥能更好地保存印刷結(jié)構(gòu)。除此以外，在一項(xiàng)研究[50]中也發(fā)現(xiàn)，小麥面團(tuán)的結(jié)構(gòu)表面積/體積比的增加會(huì)加速其烘烤過(guò)程，可降低后處理對(duì)于3D打印樣品的結(jié)構(gòu)破壞。

但是某些產(chǎn)品，如3D打印的餅干，雖然在面團(tuán)中改良黃油、蛋黃和糖的配方可以提高產(chǎn)品形狀的穩(wěn)定性[57]，但是較大的組成變化會(huì)影響最終產(chǎn)品的質(zhì)地特性。因此，重要的是既要允許產(chǎn)品在后期的加工過(guò)程中產(chǎn)生最低程度的變形，同時(shí)又保持最終產(chǎn)品所期望的性質(zhì)。水解膠體是親水性材料，被添加到食品中以改善性質(zhì)，例如膠凝或增稠[59]，并有可能在后加工過(guò)程中提高食品材料的機(jī)械穩(wěn)定性。Kim等[60]用水膠體部分取代小麥粉，研究了溫度變化過(guò)程中水膠體的摻入對(duì)餅干面團(tuán)尺寸穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，具有0.5 g/100 g 黃原膠的曲奇面團(tuán)可以平滑地打印，并且在后處理過(guò)程中成功地保留了其3D設(shè)計(jì)形狀。這項(xiàng)研究引入了一種在后處理中改善3D打印對(duì)象的形狀保持性的技術(shù)，并更好地理解了應(yīng)用于食品材料3D打印的處理步驟所需的材料特性。如何在不同的食物系統(tǒng)中獲得廣泛的配方和印刷參數(shù)，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，也是成功進(jìn)行3D食物打印的關(guān)鍵。因此需加強(qiáng)對(duì)谷物基材料性能的研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)可打印性，可后續(xù)加工性起著重要的作用。

4 谷物基3D打印面臨的挑戰(zhàn)

為了擴(kuò)大3D打印在食品領(lǐng)域的應(yīng)用，許多研究者和企業(yè)都在研究以改進(jìn)這項(xiàng)增材制造技術(shù)。雖然該技術(shù)可以制造出復(fù)雜而個(gè)性化的食品，包括適宜的質(zhì)地，良好的外觀和定制的營(yíng)養(yǎng)成分，且在加工靈活性、精度、廢料產(chǎn)生量和設(shè)計(jì)自由度等方面具有優(yōu)勢(shì)，但目前在食品工業(yè)的批量生產(chǎn)中卻很少使用，主要是因?yàn)楫?dāng)前的3D打印技術(shù)受到成本、時(shí)間和大規(guī)模生產(chǎn)的限制。因此該技術(shù)不能被認(rèn)為是傳統(tǒng)食品生產(chǎn)的替代品，而是一種生產(chǎn)定制食品的方法。除此以外，谷物基3D打印技術(shù)在發(fā)展道路上還面臨著其他挑戰(zhàn)[5]。

4.1 原材料的材質(zhì)問(wèn)題

選擇具有適當(dāng)物理、化學(xué)、流變和力學(xué)性能的打印材料對(duì)3D打印至關(guān)重要。谷物基食品材料在印刷過(guò)程中的交聯(lián)反應(yīng)、熱穩(wěn)定性、粒徑分布、容重、潤(rùn)濕性和流動(dòng)性都會(huì)對(duì)印刷結(jié)果產(chǎn)生影響，比如顆粒尺寸會(huì)影響食品打印材料的均勻程度[61]。其次，3D印刷的谷物基材料的保質(zhì)期非常有限，制作出食品的流變學(xué)特性可能會(huì)隨著時(shí)間而改變，導(dǎo)致保質(zhì)期縮短。這些問(wèn)題都要繼續(xù)進(jìn)行深入研究。

4.2 營(yíng)養(yǎng)風(fēng)味問(wèn)題

谷物基3D打印材料的質(zhì)地風(fēng)味，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值可能受到打印過(guò)程的影響。打印和烹飪兩個(gè)過(guò)程對(duì)于食物的基本營(yíng)養(yǎng)成分的影響暫不清楚，需要進(jìn)一步探究來(lái)提高打印食品的質(zhì)地風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。其次，打印工藝和烹飪手法還沒(méi)有精確匹配。不同的打印工藝對(duì)食材的影響不同，與不同烹飪方式的契合度也不同，比如烘焙的高溫會(huì)影響到3D打印面團(tuán)的延展性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[62]。需要研究者探明這其中的關(guān)系進(jìn)而控制打印食品中味道、香氣和顏色的形成。現(xiàn)階段的許多3D打印材料都是用來(lái)建立復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值不佳，還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)建模性能好且具有一定營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的谷物基打印材料[40]。

4.3 用戶交互界面不夠完善

當(dāng)前用于3D打印的用戶界面功能比較少，并且需要計(jì)算機(jī)輸入并依賴于CAD模型來(lái)構(gòu)建3D食品結(jié)構(gòu)。但是大部分用戶不會(huì)使用CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，門檻比較高。當(dāng)前用戶需要開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)換轉(zhuǎn)為具有打印路徑和相關(guān)處理參數(shù)的數(shù)字3D模型，當(dāng)有人在網(wǎng)站上發(fā)布3D打印食譜時(shí)，其他人可以很容易地重現(xiàn)打印成果。用戶界面應(yīng)當(dāng)盡可能地向大眾化和低門檻的方向設(shè)計(jì)，有助于吸引更多用戶。

5 展望

3D食品打印是一項(xiàng)革命性的技術(shù)，可以用于在質(zhì)地、風(fēng)味、外觀和營(yíng)養(yǎng)成分方面具有非常特定的幾何形狀或功能的食品。谷物基作為3D打印的原料，目前受到越來(lái)越多的關(guān)注。一方面，谷物原料因“健康與營(yíng)養(yǎng)”受到消費(fèi)者的青睞，另一方面，對(duì)3D食品打印的研究目前還處于初級(jí)階段，研究者們正在探究更多的打印材料以優(yōu)化可印刷性。雖然中國(guó)食品3D打印還有諸多缺陷沒(méi)有解決，但是谷物基3D打印仍具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[3]。

(1) 降低生產(chǎn)成本：首先，隨著3D打印機(jī)器更加智能、便捷，未來(lái)的谷物基3D打印機(jī)器將具有占地面積小、生產(chǎn)效率高、適用范圍廣、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，可以利用有限的條件生產(chǎn)出更多的糧食和商品。其次對(duì)于原料的研究和把控將更加精細(xì)。粉末狀原料具有低生產(chǎn)成本和長(zhǎng)保質(zhì)期的特點(diǎn)，進(jìn)一步降低糧食生產(chǎn)成本。最后個(gè)性化定制能夠根據(jù)消費(fèi)者需要對(duì)食品進(jìn)行定制，最大限度利用資源滿足社會(huì)需求，減少浪費(fèi)現(xiàn)象。

(2) 個(gè)性化定制：谷物基3D打印未來(lái)將根據(jù)個(gè)人營(yíng)養(yǎng)要求甚至個(gè)人對(duì)于顏色、形狀、口味要求對(duì)食品進(jìn)行定制，進(jìn)一步滿足消費(fèi)者個(gè)性化需求。對(duì)于特殊人群，比如兒童、老人、肥胖人群、糖尿病患者等，可以通過(guò)3D打印技術(shù)對(duì)每天營(yíng)養(yǎng)攝入進(jìn)行量化和控制，更科學(xué)地減輕或延緩肥胖、糖尿病等疾病。

3D打印提供了一個(gè)以低成本和高質(zhì)量創(chuàng)新開(kāi)發(fā)食品的機(jī)會(huì)[63]?，F(xiàn)代人不平衡的膳食結(jié)構(gòu)、逐漸個(gè)性化的飲食習(xí)慣和多元化的產(chǎn)業(yè)模式預(yù)示著未來(lái)谷物基3D打印技術(shù)的蓬勃發(fā)展。推動(dòng)谷物基3D打印技術(shù)的發(fā)展，必將推動(dòng)傳統(tǒng)食品加工的變革。