李 鳴， 馮 蕾， 李大婧

(1.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇南京 210014)

3D打印技術(shù)也被稱為增材制造，通過軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)品的程序，然后將粉末狀、液狀等可黏合材料分層制造、逐層疊加，打印成各種三維產(chǎn)品。3D打印技術(shù)是綜合計(jì)算機(jī)、精密傳動(dòng)、數(shù)控技術(shù)和材料科學(xué)等技術(shù)知識的新型快速成型技術(shù)[1]。3D打印技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天科技、海軍艦艇、房屋建筑、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、生物技術(shù)以及食品行業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。3D打印技術(shù)首次應(yīng)用于食品行業(yè)是由康奈爾大學(xué)的研究人員使用擠壓打印機(jī)進(jìn)行的。對于食品行業(yè)來說，3D打印技術(shù)的應(yīng)用有很大優(yōu)勢，可以緩解資源消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，拓寬食品原料來源，還可以根據(jù)不同的人的特定需求設(shè)計(jì)獨(dú)特的健康食品，如病患、老人和小孩，根據(jù)個(gè)人的身體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，還可以生產(chǎn)傳統(tǒng)食品生產(chǎn)無法實(shí)現(xiàn)的一些個(gè)性化食品[2]。隨著社會的發(fā)展，消費(fèi)者對食品的要求越來越高，期望值也越來越高，3D打印技術(shù)的應(yīng)用打開了食品領(lǐng)域的新大門。水果和蔬菜是人體日常攝入營養(yǎng)和能量的重要組成部分，為人體提供維生素、碳水化合物和礦物質(zhì)等，食用水果和蔬菜還可以降低一些疾病的發(fā)生，如心血管疾病、退行性疾病[2]。因此，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于果蔬的打印，可以豐富材料的來源，還可以根據(jù)需求制定營養(yǎng)配方，滿足人們的特殊需求。本研究從3D打印技術(shù)種類、原料特性和影響因素等綜述以果蔬為原料的3D打印技術(shù)，并對其發(fā)展進(jìn)行展望。

1 3D打印技術(shù)概述

1.1 技術(shù)原理

3D打印技術(shù)的原理是通過計(jì)算機(jī)軟件先設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的程序，機(jī)器收到信息后，采用分層的加工方式一層一層地打印，然后逐層將無數(shù)的片層疊加在一起，形成一個(gè)立體的三維打印產(chǎn)品[3]。

1.2 技術(shù)種類

目前應(yīng)用于食品行業(yè)領(lǐng)域的3D打印技術(shù)主要有噴墨打印、選擇性激光燒結(jié)、熱熔擠出和黏結(jié)劑噴射4種[4]。

1.2.1 噴墨打印 噴墨打印食品類似于注射器噴射，是利用氣動(dòng)薄膜噴嘴將油墨逐滴噴射的方法打印在移動(dòng)的物體上，多用于食品表面，如餅干、披薩和蛋糕進(jìn)行填充和修飾，主要處理一些低黏度材料。噴墨打印有連續(xù)噴墨打印和點(diǎn)播打印2種，主要受溫度的影響。Furuno等研發(fā)出一種可食用油墨，用來修飾食品表面[5]。噴墨打印速度快，可以采用多個(gè)噴頭同時(shí)操作，為食品進(jìn)行修飾，增添食物的視覺效果。大多數(shù)3D打印食品研究使用脫水和凍干食品進(jìn)行擠壓打印，但一些果蔬作為原料時(shí)，凍干操作會使蔬菜和水果細(xì)胞壁受到破壞，導(dǎo)致維生素流失，因此失去營養(yǎng)價(jià)值[6]。將不適合脫水和凍干處理的果蔬制作成食品油墨進(jìn)行噴墨打印，可以減少營養(yǎng)物質(zhì)的流失。

1.2.2 選擇性激光燒結(jié) 選擇性激光燒結(jié)是以激光作為動(dòng)力源，選擇性地將粉末一層一層熔合，制成三維物體技術(shù)。第1層完成熔合后，再覆蓋上1層新的粉末層，激光掃描新一層的橫截面，選擇燒結(jié)成型，重復(fù)此操作，直至完成一個(gè)3D物體。TNO公司利用激光燒結(jié)將糖和雀巢粉(NesQuik powder)融合在一起形成一款新的產(chǎn)品[7]。選擇性激光燒結(jié)可以在短時(shí)間內(nèi)完成產(chǎn)品，且無需后續(xù)處理，逐層掃描燒結(jié)的方法可以改變產(chǎn)品每一層的成分，使食品富有更多營養(yǎng)成分和風(fēng)味，但是此方法目前只適用于相對熔點(diǎn)較低的糖和脂肪粉末原料[8]。

1.2.3 熱熔擠出 熱熔擠出別稱熔融沉積成型，該技術(shù)是將固體原料熔化，通過打印機(jī)噴頭擠出，材料遇冷凝固，然后立即擠出，層層疊加最終成型。麻省理工學(xué)院的研究人員采用熱熔巧克力作為原料，打印出“數(shù)字巧克力”模型，進(jìn)一步研發(fā)可以定制個(gè)性的巧克力[9]。熱熔擠出技術(shù)簡單易操作，但成型所需時(shí)間較長，且此技術(shù)制成的產(chǎn)品還需要后續(xù)加工處理，需要烹飪和擠出技術(shù)結(jié)合制備食品。Lee等將凍干菠菜粉分散在連續(xù)的水膠體基質(zhì)中，開發(fā)出食品油墨系統(tǒng)，適用于熱熔擠出技術(shù)。熱熔擠出適合軟性材料的打印，如檸檬汁凝膠、果膠凝膠、土豆泥等[10]。

1.2.4 黏結(jié)劑噴射 黏結(jié)劑噴射技術(shù)是將原料粉末均勻分布在制造平臺上，黏結(jié)劑噴射在粉末層上，使其黏結(jié)在一起，送粉、鋪粉和黏結(jié)劑噴射3個(gè)操作重復(fù)多次進(jìn)行，最終形成一個(gè)三維物體。Sugar Lab公司利用此方法將糖作為原料，在其中添加不同口味的黏結(jié)劑，制成婚禮和一些重要場合所需要的蛋糕[11]。黏結(jié)劑噴射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成品速度快，原料成本低，但是設(shè)備成本高，成品表面粗糙，同樣需要后續(xù)加工處理[12]。

2 3D打印果蔬食品的研究現(xiàn)狀

2.1 材料

根據(jù)水果和蔬菜種類的不同，所含營養(yǎng)物質(zhì)也各有不同。因此，維生素、糖和微量元素等的攝入量會存在差異。

2.1.1 凝膠型原料 果蔬中含量最高的是水，其次是糖。水果中可溶性糖的含量相對較高，而蔬菜中的纖維含量相對較高。碳水化合物的組成有單糖、雙糖和多糖，在選擇打印原料時(shí)，要注意不同糖的理化特性。在果蔬當(dāng)中淀粉含量較高的有馬鈴薯、山藥和甘薯等薯類。對于水分和淀粉含量多的果蔬材料，需要添加水膠體改善材料的流變特性，將其制成凝膠狀進(jìn)行打印加工。在擠出打印時(shí)，果蔬材料最常用到的是馬鈴薯凝膠、檸檬汁凝膠、芒果凝膠、甘薯凝膠等[2]。

2.1.2 油墨型原料 水果中蛋白質(zhì)含量最高的是香蕉和獼猴桃，蔬菜中豆類的蛋白質(zhì)含量最豐富。Pant等使用新鮮蔬菜為吞咽困難的患者制作3D打印食物[6]。將購買來的豌豆、胡蘿卜和白菜去皮、清洗，水煮后將水抽干，然后放入加工機(jī)器中徹底攪拌至糊狀，進(jìn)行篩分，再測得蔬菜泥的水分含量，最后添加一定濃度的黏合劑制成打印所需的油墨。在打印過程中，pH值、壓力和較高的剪切速率對蛋白質(zhì)打印也有影響，電荷濃度的改變、過高的壓力和較快的剪切速率均會導(dǎo)致非牛頓行為，從而影響打印效果[13]。

2.1.3 粉末狀原料 粉末狀原料對于其粒徑分布、密度、濕潤性和營養(yǎng)價(jià)值都有一定的要求。水果和蔬菜都屬于天然食品材料，水分是果蔬中最豐富的成分，西瓜、草莓、西紅柿的含水量可達(dá)90%以上，香蕉、馬鈴薯的含水量在80%以下，水分含量是最具影響3D食品打印的因素，對于水分含量高的果蔬原料，在不破壞其他營養(yǎng)成分的情況下，可以將其制成凍干粉，進(jìn)行3D食品打印[14]。在面食類打印產(chǎn)品中，為了提高產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值，會加入大量蔬菜顆粒。Silva等將花椰菜粉加入淀粉面團(tuán)中，提高面食的營養(yǎng)價(jià)值，然后將其用于3D打印制作食品[15]。

在利用水果和蔬菜作為材料進(jìn)行3D食品打印時(shí)，要選擇新鮮的果蔬，而果蔬具有季節(jié)性和生物多樣性的重要特征，因此要根據(jù)氣候和環(huán)境條件選擇合適的果蔬。

2.2 食品種類

2.2.1 休閑食品 休閑食品主要是指人們閑暇、休息時(shí)所吃的食品。在3D食品打印方面，有人將水果和蔬菜混合，生產(chǎn)即食飲料，制成冷凍飲品[16]。將幾種水果和蔬菜與牛奶、酸奶、果汁等混合，最后加工制成漿狀[17]，在這個(gè)混合加工過程中，不僅考慮整體的營養(yǎng)含量也考慮到感官特性，尤其是在顏色和味道方面。Severini等采用3D打印的方法，根據(jù)營養(yǎng)含量，選擇水果和蔬菜，均衡配比，獲得“可打印的冰沙”[16]。英國的一家公司研發(fā)出一款使用分子球化工藝的“水果打印機(jī)”，原料采用果汁和海藻酸，打印前將兩者混合，制成混合物后滴加在氯化鈣溶液中，果汁混合液被裹上1層薄膜，再進(jìn)行打印。雖然打印出來的產(chǎn)品不是真正意義上的水果，但和水果具有一樣的口感[17]。Derossi等以水果為基礎(chǔ)制作了一款水果零食，專為3～10歲的兒童提供[18]。Keerthana等利用3D食品打印技術(shù)，用蘑菇作為食品原料開發(fā)出一種富含纖維的零食[19]。張慜等將草莓與青檸檬、青檸檬與芒果、草莓與橙汁兩兩混合制成凝膠類濃縮果漿，采用雙噴頭打印機(jī)打印出不同的空間形狀和數(shù)量的夾心點(diǎn)心，使食品的味道更豐富，外觀效果更好[20]。隨著3D食品打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，糕點(diǎn)、餅干、巧克力等被成功打印，給休閑食品帶來更加多元化和個(gè)性化的發(fā)展(圖1)。

2.2.2 航空食品 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及空間技術(shù)的發(fā)展，宇航員將在太空中停留越來越長的時(shí)間。在太空停留期間，宇航員食品的供應(yīng)也很重要，攜帶食品的保質(zhì)期要夠長，還要盡量保持新鮮。3D打印技術(shù)使用簡便，打開了航空食品的新局面。3D打印機(jī)中的材料盒可以存放蛋白質(zhì)、微量元素和調(diào)味劑等營養(yǎng)成分，可保存30年也不會出現(xiàn)食材變質(zhì)和浪費(fèi)的現(xiàn)象，從而為宇航員提供保質(zhì)期更長久的食物[22]；且3D食品打印機(jī)不需要繁重的加工工藝，操作簡單、快捷，宇航員可以隨時(shí)自制新鮮的食物，在食用后也不會產(chǎn)生食品包裝垃圾[23]。除主食以外，果蔬是攝入營養(yǎng)成分最重要的食材，富含碳水化合物、維生素和微量元素等營養(yǎng)素，在進(jìn)行3D食品打印時(shí)可以根據(jù)宇航員的口味和營養(yǎng)需求隨意搭配，為宇航員提供一個(gè)濃縮的廚房[24-25]。

2.2.3 其他 對于水果和蔬菜為原料的食品打印，為了使食材處于蔬菜泥或水果泥的狀態(tài)，需要添加一些物質(zhì)使食材的水狀膠質(zhì)濃度得到調(diào)整。還有一些重組食品，需要根據(jù)兒童和老年人的實(shí)際情況，如食品的硬度、韌度和脆度還有所需營養(yǎng)成分的要求，制作出符合特定需求的食品。章云等以米粉、桂圓和蕎麥粉為主要原料進(jìn)行3D食品打印，原料低糖、低脂肪，桂圓中還含有大量對人體有益的營養(yǎng)元素，制作出的食品營養(yǎng)又健康[26]。張慜等以凍干玫瑰花和草莓碎屑為原料開發(fā)含益生菌的3D打印食品，在創(chuàng)新食品的同時(shí)增加食品的功能性[27]。吞咽障礙是老年人常見的現(xiàn)象，從老年人的正常營養(yǎng)供應(yīng)和飲食吞咽安全2個(gè)角度出發(fā)，張慜等使用雙色馬鈴薯泥/紫薯泥進(jìn)行3D打印，成品易于吞咽，質(zhì)地柔軟且具有較好的爽滑性[28]。Lipyon等成功打印土耳其肉餅，打印出的肉餅形狀保持良好的立方體，內(nèi)部的凝膠芹菜夾心也無露餡情況[29]。Phuhongsung等對大豆蛋白、南瓜和甜菜根的混合物進(jìn)行了3D打印，研究出在不同pH值下食品的顏色、質(zhì)地和風(fēng)味變化，為生產(chǎn)新的健康3D打印食品提供了一個(gè)方向(圖2)[30]。

3 果蔬食品3D打印特性的影響因素

3.1 流變學(xué)特性

在食品打印過程中，材料的流變特性對于食品材料的印刷適性、不同打印層的結(jié)合以及支撐沉積層至關(guān)重要。在3D打印過程中，理想的食品原料要有合適的屈服應(yīng)力、彈性模量和動(dòng)態(tài)機(jī)械損耗切線值來保持打印形狀，還要具有相對較低的稠度指數(shù)和流動(dòng)性指數(shù)，方便擠出[2]。動(dòng)態(tài)機(jī)械損耗切線值小于1表示主要是彈性行為，大于1表示主要是黏性行為，較高的動(dòng)態(tài)機(jī)械損耗切線值代表原料更多的類似流體；具有剪切減薄特性的假塑性流體是擠出型印刷的理想材料，低的流動(dòng)特性指數(shù)表示較強(qiáng)的剪切稀化現(xiàn)象，施加剪切應(yīng)力，黏度降低，因此容易被擠出[31]。

凝膠和淀粉等物質(zhì)的添加可以改變材料的流變性，使其能夠成功打印。Liu等在馬鈴薯泥(MP)中添加不同濃度的馬鈴薯淀粉(PS)，然后進(jìn)行打印，用混合流變儀測量流變特性，發(fā)現(xiàn)不含PS的MP混合物黏度低，得到的印刷品發(fā)生變形，且分辨率差；而添加2%PS的MP，損耗切線值隨之增加，具有適當(dāng)?shù)募羟袘?yīng)力和彈性模量，制備的印刷體表面光滑，有良好的分辨率[31-32]。Yang等以檸檬汁作為3D打印原料，研究馬鈴薯淀粉對檸檬汁凝膠的流變性能和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)檸檬凝膠的表觀黏度隨剪切速率增高而降低，說明檸檬凝膠為假塑性流體，剪切變稀，有利于擠出[21]。可見，淀粉含量高會使原料黏度較高；較小的損耗角正切值使?jié){液表現(xiàn)出較差的流動(dòng)性，導(dǎo)致擠壓困難。當(dāng)馬鈴薯淀粉含量添加到15%時(shí)，印刷體的表面紋理平滑，無壓縮變形。

3.2 微觀結(jié)構(gòu)

3D食品打印過程中可能會發(fā)生材料的橫截面沉積，會影響3D打印結(jié)構(gòu)本身的微觀結(jié)構(gòu)和紋理。孔隙率和氣孔總數(shù)是表征微觀結(jié)構(gòu)的2個(gè)最基本指標(biāo)。與傳統(tǒng)工藝食品相比，3D打印食品的氣孔明顯較大，這可能是由打印速度與擠壓速率不平衡、食品配方在擠壓系統(tǒng)中被壓縮而造成的。打印材料粒徑的變化會引起流動(dòng)性能的變化，材料的粒徑減小，表觀黏度和彈性模量提高，打印性能變好，孔隙分布就會變均勻，表面變光滑，微觀結(jié)構(gòu)變有序[33]。

Derossi等發(fā)現(xiàn)，3D打印對微觀結(jié)構(gòu)有明顯影響，如氣孔的尺寸、數(shù)量和形狀；還觀察到印刷運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)受到氣孔位置的影響，對硬度、咀嚼性和黏結(jié)性都有顯著影響，材料微觀結(jié)構(gòu)的差異會影響力學(xué)性能，印刷體的硬度、咀嚼性和黏度高于傳統(tǒng)食品[34]。Dankar等將馬鈴薯泥和4種添加劑混合，用掃描電子顯微鏡觀察不同樣品的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)含有卵磷脂的樣品與原本的樣品相似，有棉紗狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品表面光滑，氣孔細(xì)?。缓Ｔ逅猁}的樣品引起了更多的折疊；而添加瓊脂和甘油的樣品產(chǎn)生了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)更加緊密[35]。因此，在樣品中加入瓊脂或海藻酸鹽可以使印刷體具有良好的穩(wěn)定性。

3.3 水分狀態(tài)

大多數(shù)果蔬含水量高、黏度低，因此打印過程中會受到一定的限制。3D打印食品過程中采用低場核磁共振技術(shù)觀察樣品中水分子的運(yùn)動(dòng)特征，得到的曲線有3個(gè)峰，代表樣品中水分的3種狀態(tài)，即結(jié)合水、吸附水和自由水[36]，水的分布與材料的結(jié)構(gòu)和流變性能密切相關(guān)。Liu等以馬鈴薯泥為材料，先測得不同配方MP的3D打印行為和流變性能，分析氫質(zhì)子弛豫時(shí)間和相應(yīng)的峰面積，再進(jìn)行主成分分析，建立線性模型來預(yù)測馬鈴薯泥的流變參數(shù)，通過Fisher判別分析間接預(yù)測馬鈴薯泥的打印適應(yīng)性[37]。楊帆對不同馬鈴薯淀粉含量的芒果濃漿凝膠體系中的水分狀態(tài)分布情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著馬鈴薯淀粉含量的增加，樣品的凝膠強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，持水能力提高，因?yàn)轳R鈴薯淀粉結(jié)合水分子的能力較強(qiáng)，可以提高印刷體的穩(wěn)定性和支撐力[38]。Yang等分析不同淀粉添加量對檸檬凝膠流變性能的影響，并進(jìn)行核磁共振分析，發(fā)現(xiàn)不同淀粉的樣品水分分布不同，當(dāng)樣品中的水狀態(tài)主要是自由水和半結(jié)合水時(shí)，樣品具有一定的流動(dòng)性和成型性，有利于擠出，同時(shí)保持打印后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[39]。

3.4 質(zhì)構(gòu)特性

食品的質(zhì)構(gòu)特性包括硬度、黏附性、彈性和內(nèi)聚力等，食品的質(zhì)地屬性與感官屬性有關(guān)，3D打印食品的最終產(chǎn)品為即食產(chǎn)品，質(zhì)構(gòu)特性對消費(fèi)者的接受度方面有著重要影響。TPA質(zhì)地分析又稱“二次咀嚼測試”，是通過儀器模仿人的咀嚼動(dòng)作，將黏附性、咀嚼度和硬度等參數(shù)指標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)化的測量方法，其中硬度是試樣第1次壓縮到一定程度時(shí)所需的力，彈性是指試樣壓縮變形后再恢復(fù)的程度[26]，黏附性反映接觸面的附著能力，內(nèi)聚力反映試樣內(nèi)部組織的黏聚能力。Shi等分析添加蜂蠟油凝膠對馬鈴薯淀粉-蛋白質(zhì)體系3D打印的影響，采用質(zhì)構(gòu)分析儀測定油凝膠的硬度、彈性和咀嚼性，發(fā)現(xiàn)蜂蠟用量為5%時(shí)，打印過程中因材料的硬度較低而發(fā)生坍塌；25%蜂蠟?zāi)z硬度高，常溫下不易打印擠出；蜂蠟用量在5%～25%之間時(shí)，油凝膠都有較好的硬度、黏附性和彈性，具有良好的結(jié)構(gòu)支撐性能和擠出性能[40]。Yang等在研究檸檬汁凝膠食品3D打印材料并優(yōu)化打印參數(shù)的同時(shí)，對檸檬汁凝膠進(jìn)行質(zhì)構(gòu)分析[21]。在添加適量的淀粉后，檸檬汁凝膠的硬度、彈性、黏結(jié)性都有所提高，有利于擠出，使得打印產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)更加緊密，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

3.5 粒度大小

原料在進(jìn)行3D打印操作之前，要對其進(jìn)行加工處理，處理之后材料的粒度也是影響打印效果的因素之一。蔬菜和水果衍生物根據(jù)其固有的微觀結(jié)構(gòu)顆粒的大小，表現(xiàn)出的流變性能具有獨(dú)特性。當(dāng)采用干粉狀原料用于食品油墨配方制造時(shí)，決定分散粉末體積分?jǐn)?shù)的重要參數(shù)就是顆粒大小，使其具有優(yōu)越的打印性能。原料粒徑范圍不同對3D打印性能的影響也有所不同。Feng等分析粒徑分布對胡蘿卜果肉中類胡蘿卜素的釋放、理化性質(zhì)和3D打印特性的影響，該試驗(yàn)中胡蘿卜果肉粒徑范圍為500～1 000 μm，打印成品的穩(wěn)定性、表觀黏度、流變特性和質(zhì)構(gòu)特性等隨著粒徑的減小均有所提高；漿狀原料的粒徑越小，其打印性能越好，孔徑分布越均勻，微觀結(jié)構(gòu)越有序[33]。Lee等選用凍干菠菜粉作為原料，根據(jù)粉末的粒度來表征粉末的微觀結(jié)構(gòu)，探究其對食品油墨打印性能的影響，材料混合物屬于分散體系，分散體系的流變性能依賴于顆粒的溶脹性，該試驗(yàn)菠菜粉的粒徑范圍為50～400 μm，隨著粒徑的增大，凍干菠菜粉的孔隙率增大，儲存模量和損失模量增大，顯著影響了混合物的流變特性和打印性能[10]。

3.6 打印工藝

工藝參數(shù)如噴頭直徑、絲徑、擠出速率、噴頭移動(dòng)速率和噴頭高度等，對打印產(chǎn)品的影響同樣至關(guān)重要。噴嘴高度是擠出噴頭尖端與頂層之間的距離。噴頭直徑是打印噴頭的直徑，直接決定打印后樣品的精度和表面的粗糙度。擠出速率和噴嘴移動(dòng)速度同時(shí)影響3D打印，會改變單位時(shí)間內(nèi)單位長度的基礎(chǔ)量。Yang等開發(fā)出基于檸檬汁凝膠系統(tǒng)的打印食品結(jié)構(gòu)，分析打印參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)減小噴嘴直徑物體的分辨率會提高[21]。楊帆以芒果濃漿凝膠體系為原料對打印工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)常溫下原料自身的黏度使得原料不具備可打印性，適當(dāng)提高溫度可使原料更易于被擠壓，從而提高可打印性，樣品在30 ℃時(shí)具有最理想的黏彈性，打印產(chǎn)品的效果最佳[38]。Derossi等開發(fā)出一款3D打印水果零食，并發(fā)現(xiàn)使用高擠出速率時(shí)，印刷層的直徑會增加，而極低的擠出速率導(dǎo)致擠出壓力降低，導(dǎo)致打印的線條不一致[18]。

工藝參數(shù)要根據(jù)物料的具體情況作出適當(dāng)調(diào)整。噴嘴直徑并非越小越好，物料的粒徑及均勻性、樣品的表觀黏度都是影響噴嘴直徑的因素；打印高度可以采用數(shù)學(xué)建模的方法計(jì)算出最佳的理論值；適當(dāng)改變打印溫度有利于提高產(chǎn)品成型的質(zhì)量等。

4 3D打印果蔬食品的問題

4.1 原料特性

最初3D打印技術(shù)應(yīng)用中大多都是非食品材料，如金屬、陶瓷和合成高分子材料，通常是在有機(jī)溶劑和一些較極端的條件下進(jìn)行的，但是這些都不符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)[41]。因此，應(yīng)用于食品打印原料首先要符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)，這是3D打印在食品領(lǐng)域應(yīng)用的挑戰(zhàn)之一[42]。Dankar等認(rèn)為，可用于食品打印的相關(guān)原料應(yīng)具備打印性、適用性、后續(xù)加工性等3個(gè)特性[43]。

果蔬屬于不可打印材料，其本身存在打印缺陷。如果蔬含水量較高，制成漿狀后流動(dòng)性較強(qiáng)，在流變性能上不符合3D打印的要求；水果和蔬菜在加工過程中會引起褐變和氧化反應(yīng)，從而影響原料的營養(yǎng)和感官特性；果蔬纖維含量高，在制漿后會有殘留顆粒，容易堵塞打印噴嘴。因此，使用果蔬原料進(jìn)行3D打印時(shí)，需要通過添加其他物質(zhì)來改變其特性進(jìn)而完成打印。

4.2 前處理

4.2.1 搗碎或均質(zhì)化 果蔬作為食品打印原料時(shí)，需要將其制成糊漿狀，這是主要單元操作之一。果蔬的纖維含量高，所以在搗碎制漿過程中會有殘留物，這些殘留物會堵塞噴嘴影響打印的進(jìn)行[39]。因此，果蔬原料在制漿后再進(jìn)行均質(zhì)或過篩，顆粒的大小也會影響流變性能和打印性能，從而影響打印效果，均質(zhì)過篩可以去除大顆粒殘留物，以避免堵塞情況的發(fā)生。Severini等使用分散機(jī)得到的漿料顆粒又小又均勻，是良好的打印材料[16]。

4.2.2 添加增稠劑和添加劑 果蔬作為原料進(jìn)行3D食品打印的難度主要在于果蔬的水分含量高，原料在制成糊漿狀后，需要具有一定的黏彈性，即降低材料的水分含量，提高材料的質(zhì)量比重來改善原料的流變性，增加黏度來滿足打印條件。改善果蔬材料流變性最常用的方法是添加增稠劑和添加劑，如淀粉、果膠、黃原膠、瓊脂等。淀粉已經(jīng)作為增稠劑應(yīng)用于馬鈴薯泥、濃縮草莓汁、檸檬汁、藍(lán)莓花青素粉末等；膠體應(yīng)用于濃縮果汁、蔬菜粉、馬鈴薯泥等。Yang等發(fā)現(xiàn)，檸檬汁凝膠的流變性會根據(jù)不同的淀粉有不同的變化，馬鈴薯粉會使凝膠結(jié)合水的流動(dòng)性增強(qiáng)；小麥淀粉會增加黏度[21]。Vancauwenberghe等用果膠溶液制作生物油墨，利用3D技術(shù)打印創(chuàng)新食品，與植物組織類似[44]。Cohen等添加水膠體在果蔬中用來改善材料的性能，最終得到形狀滿意的打印產(chǎn)品[45]。

4.2.3 添加抗氧化劑 選擇合適的水果和蔬菜后，進(jìn)行破碎、壓榨處理，去除果皮和果核。一些果蔬在去除果皮后，果肉與空氣接觸會發(fā)生氧化和褐變現(xiàn)象；一些打印后的食品不能立即食用，需要后續(xù)的加工處理，在半成品保存過程中也可能發(fā)生褐變現(xiàn)象，影響食品的品質(zhì)，為了防止這些反應(yīng)的發(fā)生，可添加抗褐變劑保持原料的原有色彩?？箟难岷蜋幟仕崾浅Ｓ玫目寡趸瘎唧w使用要根據(jù)原料的理化性質(zhì)來選擇。Derossi等以香蕉為主要原料進(jìn)行食品打印時(shí)，使用檸檬酸和抗壞血酸來抑制褐變反應(yīng)[18]。

4.3 后處理技術(shù)

一些食品打印后不能立即食用，需要適當(dāng)?shù)暮筇幚矸椒?。打印產(chǎn)品的形狀穩(wěn)定性可以通過物料的持水性預(yù)測，用于3D打印產(chǎn)品后處理的干燥方法有冷凍干燥、烘箱干燥和微波真空干燥[46]。Yang等采用微波真空干燥的方法對芒果汁3D打印凝膠進(jìn)行后處理，比較不同干燥時(shí)間對產(chǎn)物風(fēng)味、水分分布和質(zhì)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)芒果汁凝膠在微波真空干燥4 min下，凝膠體系致密，硬度最高、黏性最好，可以保持良好的穩(wěn)定性，樣品形狀的精度也有所提高[47]。楊帆用儲存時(shí)間較長的即食的芒果濃漿凝膠進(jìn)行打印，打印成品的形狀穩(wěn)定性隨儲存時(shí)間的延長而降低，導(dǎo)致精確度降低。因此，對于儲藏期較長的即食類的芒果濃漿凝膠材料，建議儲存期為20 d以內(nèi)[38]。張慜等利用濃縮果漿預(yù)后處理改善3D打印效果[48]?？刂品椒ㄓ?種：一是添加中性鹽，降低體系的水分活度，延長成品的保質(zhì)期；二是添加馬鈴薯粉和紅薯粉，并進(jìn)行蒸煮，最終得到可以即食的成品；三是冷凍干燥，將打印好的樣品再粉碎，重復(fù)打?。凰氖窃诒砻嫱磕?，減小與空氣的接觸面積。

5 3D打印果蔬食品的機(jī)遇與展望

5.1 休閑食品的多元化發(fā)展

休閑食品是以糧油、果蔬、水產(chǎn)或特色農(nóng)產(chǎn)品等為原料，經(jīng)過加工而制成的非正餐食品，有色鮮味美、營養(yǎng)豐富、食用方便等特點(diǎn)，深受人們的喜愛。隨著食品加工技術(shù)的發(fā)展，休閑食品的加工工藝變得越來越多樣化，低溫真空油浴技術(shù)、烘烤技術(shù)和微波技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)層出不窮。水果和蔬菜也可以作為原料制作出豐富多樣的休閑食品[49]。3D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用，為休閑食品的加工工藝又提供了一種新的途徑，在口味和視覺上個(gè)性化制作，創(chuàng)新出與傳統(tǒng)休閑食品不同的產(chǎn)品，讓休閑食品變得更加多元化，進(jìn)而提高對消費(fèi)者的吸引力[50]。

5.2 膳食營養(yǎng)的個(gè)性化定制

碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)、維生素、水和無機(jī)鹽是人體所需的六大營養(yǎng)素，人體每天通過合理膳食來獲取這些營養(yǎng)。個(gè)性化膳食是根據(jù)不同年齡段、不同身體需求和個(gè)人喜好定制的個(gè)性化營養(yǎng)配方[51]。通過使用3D打印技術(shù)，可以根據(jù)個(gè)人需要的營養(yǎng)成分的比例配制原料，制定合理的膳食食譜。對于糖尿病患者，可以上傳血糖數(shù)據(jù)，通過軟件計(jì)算得到每一餐的營養(yǎng)食譜，再發(fā)送到3D打印機(jī)進(jìn)行打印制作[19]；對于吞咽和咀嚼有困難的老年人群，可以將食品原料液化制成凝膠狀再進(jìn)行打印，成品不僅保持了食品本身的味道，也解決了咀嚼困難的問題，同時(shí)還能預(yù)防營養(yǎng)不均衡的問題[52]；對于有些挑食的小朋友而言，為了保證每天營養(yǎng)攝入均衡，可以通過3D打印將食物打印成形狀各異的食品，吸引小朋友的注意，提高其食欲，并促進(jìn)其成長發(fā)育[53]。隨著3D打印技術(shù)的日趨成熟，通過改善果蔬原料的特性，根據(jù)人們的個(gè)性化需求，設(shè)計(jì)出新型的營養(yǎng)果蔬3D打印食品。

5.3 功能性食品的結(jié)構(gòu)化拓展

功能性食品是指為需要調(diào)整身體某些功能的特定人群開發(fā)和制造的特殊營養(yǎng)食品。3D打印食品可以根據(jù)人們的需求來開發(fā)食品。張慜等利用玫瑰花粉和高糖水果開發(fā)含有益生菌的3D打印食品，玫瑰花可以抗氧化、延緩衰老等功效，高糖水果中的低聚糖作為益生元可以提高益生菌的存活率，進(jìn)一步增加食品的功能性[27]。張慜等通過添加一種功能性糖改善高纖維面團(tuán)體系成型及3D精確打印性能的方法，其主要成分為碳水化合物，含有豐富的膳食纖維，為人們提供能量[54]。功能性食品可以為人體提供營養(yǎng)，滿足饑餓，還可以減少營養(yǎng)不良的發(fā)生，改善人們的身心健康[55]。隨著人們健康意識的增強(qiáng)，功能性食品的需求會大幅度提高，利用3D打印技術(shù)研制功能性食品具有發(fā)展前景。

6 總結(jié)

果蔬中含有大量人體日常所需的營養(yǎng)物質(zhì)，研究果蔬3D打印食品具有良好的發(fā)展前景。目前，以果蔬為原料的3D食品打印研究較少，由于果蔬原料自身的一些因素限制，應(yīng)用尚未成熟。本研究對果蔬食品3D打印的方法、研究現(xiàn)狀、影響因素、原料特性和打印工藝進(jìn)行總結(jié)，有助于3D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用，并促進(jìn)休閑食品多元化、膳食營養(yǎng)個(gè)性化及功能食品結(jié)構(gòu)化發(fā)展。