a-不同蓝莓果粉添加量;b-打印速度;c-喷嘴直径
图1 不同蓝莓果粉添加量和打印参数对样品打印效果的影响[27]
Fig.1 Effect of different blueberry fruit powder addition and printing parameters on the printing effect of samples[27]
3D打印,又名“增材制造”技术。相比传统的仅停留在物体表面印刷进行信息传递功能的二维结构,3D打印能根据提前设计好的CAD模型文件,在打印平台上将可打印油墨按层层累积的方式创建不同结构的产品[1]。3D打印技术具有打印过程简便快速、可打印的原料丰富多样、设计的产品结构更复杂、制造成本降低、环保和可持续发展等特点[2]。正是这些优势使得3D打印产品和服务预期每年增速约26%,预估到2024年产值可达40亿美元。3D打印已逐渐拓宽到生物医学、汽车机械制造、太空、纳米材料以及食品工业等多个领域生产使用[3-4]。
目前,传统的食品制作工艺已经不能满足人们对食品多样性的需求,因此3D打印技术在食品消费市场的潜在优势不断显化。自2007年康奈尔大学研究人员设计出Fab@Hometm模型,引入三维食品打印(three-dimensional food printing,3DFP)技术概念以来,3DFP技术快速发展,可利用3D打印机制造出更多复杂且不可思议,能代替传统加工方式、针对特殊人群的个性化饮食[5]。同时也开发了更多适于3D打印技术的食品油墨,如巧克力[6]、鱼糜凝胶[7]、淀粉[8]、水果和蔬菜[9]等为原料制作的油墨。针对3DFP技术的个性化应用,为解决吞咽困难人群的饮食问题提供了研究思路,已开发的以动物蛋白为基础的3D打印食品,不仅满足了吞咽困难患者和老年人群体饮食的健康需求,而且提高了消费者的接受度[10]。食品印刷具有配料种类丰富[11]、印刷精度准确[12]、可设计结构复杂多样[13]等优势,可针对不同人群,不同身体素质限制某些相对不利的食物摄入,增加有益营养成分的吸收,帮助人体调节新陈代谢,满足特殊群体如素食主义者、有吞咽或咀嚼困难的老人以及消化不良群体的需求。3D打印技术也可以为运动员或儿童群体提供合适的饮食方案,尤其是在儿童饮食方面,选择合适的食物原料和制作工艺对于食品营养的提升和儿童饮食的健康尤为关键,将来可在儿童食品的制作中发挥巨大潜力,进一步刺激打印食品的需求和市场潜力。
基于3D打印技术对食品的形状、质地、风味、颜色及营养成分等特性进行创新制作,还可引起儿童的饮食兴趣以及塑造个性化的用餐体验,也可以改善和帮助特殊儿童群体的饮食需求。相比传统的儿童稠状辅食,3D打印食品具有稳定的结构,产生更强烈的视觉吸引力。3D打印具有生物活性的酶功能化支架能帮助改善炎症,促进糖尿病患者骨组织再生,为糖尿病性骨缺损症状提供了一种具有增强成骨、血管形成和抗炎活性的多功能骨移植新技术[14]。因此,利用3DFP技术开发功能性食品用于儿童群体或特殊儿童群体的饮食营养补充具有同样重要的开发潜力。
本文从果蔬原料的打印特性、打印助剂的性质、打印后处理等三个方面对果蔬基材料的适印性以及3D打印应用于儿童饮食领域的潜力和优势进行了综述,分析了未来儿童饮食领域3DFP技术发展的前景与挑战。果蔬基质是具有多种理化特性的复杂体系,未来需要开展更多的研究来克服3D打印技术的局限性,推动和实现食品领域技术变革,本文更关注果蔬材料3D打印的可能性,以满足1～12岁儿童的饮食营养、个性化需求。
当前已报道的可用于食品3D打印研究的打印技术类型主要有黏合剂喷射技术、喷墨打印技术、选择性烧结技术和挤出型打印技术[12]。其中挤出型打印技术是将一种或多种原料为基础的食品油墨,通过搅拌或加热等方式制成凝胶状、粉状或糊状的可食用物料,在一定的打印温度下经打印喷嘴挤出成型[15],所使用装置简单、易于操作、打印成本较低、适用于多原料型食品打印,因此在工业生产和商业市场中被广泛应用。水果和蔬菜是摄入膳食微量营养素和植物化学物的重要来源。果蔬类原料属于多组分食品体系,包含糖类、矿物质和维生素等成分,各成分的含量变化都会影响食品油墨的适印性,从而改变热挤压3D打印效果。当前,可食用的果蔬类印刷食品有苹果[16]、柠檬[17]、香菇[18]等。研究表明,食品材料成功打印取决于原料特性、添加剂性质、打印后处理等关键性因素[19-20]。
3D打印原料的选择具有多样化的特点,食品配方严格按照食品安全国家标准执行。可印刷食品油墨需经预处理或半预处理后,达到消费者食用的接受度。在预处理阶段,果蔬基原料的选择应符合3个基本特性:流变特性、营养特性和感官特性[21]。
1.1.1 流变特性
流变特性是由黏度、剪切速率、剪切应力、复数模量(G*)、储能模量(G′)、损耗模量(G″)等多组分构成,描述食品体系在可控环境下的流动情况[3]。在热挤压3D打印过程中,食品材料的良好流变特性有利于打印喷嘴顺利挤出。最佳的食品油墨需要具有对交变剪切应力快速、剪切稀化特性、可逆的模量松弛响应这3个性质[22]。通常,黏度作为衡量材料抵抗力高低的指标,影响材料的印刷适性。而水果和蔬菜中丰富的水分含量决定了其良好的流动性,因此,利用果蔬类原料研发3D打印个性化营养食品具有可操作性。但果蔬的高水分含量亦会降低食品油墨的黏度,不利于打印成型,通常在香蕉、白菜、土豆泥等果蔬材料中添加水胶体以提高其黏度,顺利从喷嘴挤出[23]。各类水胶体对不同的原料的流变性能有不同的改善效果,因此对各类品种的果蔬材料打印效果的提升也不同。
CUOMO等[24]分别评价了富含蛋白质和以蔬菜为基质的2种新型食物配方的营养特性和流变学特性,比较了新配方与商业配方的流变性能,发现它们的流变性能具有可比性。而对3D打印南瓜泥冻干后形状保真度和酥脆特性的研究[25]发现其黏度会随剪切速率的增加而降低,材料均表现出剪切变薄特性,其黏弹性受含水率的影响,含水率的降低会增加G′和G″,促进印刷工艺的顺利进行。水果和蔬菜的流变性能是研发3D打印食品的关键要素,可通过测定食品体系的流变性能验证其打印的可行性,能为特定人群的饮食带来全新的感官享受和用餐体验,开启了利用高形状保真度来创造酥脆食品的新视角。
1.1.2 营养特性
果蔬原料的营养特性是研发3D打印食品最基本和最重要的要求。中国1～6岁儿童膳食营养状况调查存在不同月龄儿童对水果和蔬菜摄入不足,以及对钙、镁、维生素A、维生素B9等营养素的摄入量偏低的现象[26]。因此,加强儿童膳食营养质量的科学管理和制定是非常必要的,3D打印技术为合理补充儿童膳食结构提供了有效方法。蓝莓富含花色苷能帮助儿童改善视力。通过改变蓝莓粉的添加量和设置相应的打印参数,建立了蓝莓果粉—马铃薯淀粉混凝体系,研究发现[27]在马铃薯淀粉中蓝莓果粉添加量为20%(质量分数),打印速度25 mm/s,填充率50%,喷嘴直径1.2 mm时打印效果较优(图1),3D打印精度最高。儿童成长所需要的钙、维生素可利用3D打印技术[28],在油墨体系中加入含钙、铁及维生素D丰富的脱脂牛奶、白豆、蘑菇等物质,设计出满足儿童能量需求的水果零食配方。儿童神经系统发育不良和巨幼细胞贫血等症状与缺乏叶酸(维生素B9)有关,而叶酸主要来源于动物肝脏和绿色蔬菜中[26]。幼龄儿童难以通过直接食用摄入,3D打印技术[29]制造了一种具有多种释放性的四合一口服复方制剂,能在30 min内迅速释放维生素B类似物且活性成分不受降解影响。3D打印工艺可以弥补传统口服片剂的生产缺陷。可应用于儿童群体定制个性化营养补充剂。这些研究为开发和应用果蔬类打印食品提供了科学依据,而果蔬材料的营养和功能特性决定了其在未来3D打印食品领域的巨大潜力。
a-不同蓝莓果粉添加量;b-打印速度;c-喷嘴直径
图1 不同蓝莓果粉添加量和打印参数对样品打印效果的影响[27]
Fig.1 Effect of different blueberry fruit powder addition and printing parameters on the printing effect of samples[27]
1.1.3 感官特性
食品的感官特性是影响消费者购买力的首要因素,消费者往往更关注形状独特、色泽明亮、气味芳香、质地结构稳定的产品。QIU等[16]使用黄原胶∶罗勒籽胶为2∶1(质量比)的苹果玫瑰油墨打印出表面光滑细腻,质地稳定的食品,通过设计不同样品形状,刺激消费者的食欲,提高进食欲望(图2)。肉类或淀粉类食品一般通过高温蒸煮来塑造食品形状,形式单调且可塑性低。3D打印技术通过设计淀粉油墨的各种造型,提高消费者兴趣。利用3D打印的玉米淀粉样品边缘平整无凸出,动物形状逼真[30] (图3)。在山药泥中加入不同果蔬来源的花青素,通过改变色素的添加量和控制pH值范围,确定食品配方的最佳色泽[31]。利用感官色泽的变化,提高食品的吸引力和创新度。此外,感官指标应考虑食用安全性,大多数3D打印果蔬食品属于即食食品,保质期有限。挤出式打印机经高温熔融食品油墨,在打印平台上挤出打印后,在外界环境冷却过程中,会受到其他外源微生物污染,从而影响食品的长期保存。WAGHMARE等[21]在探究果蔬类打印食品中检测到4.28 lg CFU/g浓度的细菌,说明打印机和食品油墨的卫生处理是有效提高3D食品安全性的必要措施。
图2 3D打印代表性模型图[m(黄原胶)∶m(罗勒籽胶墨水)=2∶1][16]
Fig.2 Representative model of 3D printing with 2∶1/xanthan gum∶basil seed gum ink[16]
a-马铃薯淀粉;b-小麦淀粉;c-玉米淀粉
图3 3D打印的三种淀粉样品[30]
Fig.3 3D printed samples of three starches [30]
注:图中所示比例尺均为10 mm长。
果蔬水分含量高,制成食品油墨后流动性大,降低打印黏度,不利于挤出成型,并且它们的高纤维含量易造成喷嘴堵塞,影响打印模型的精度。因此,一般通过加入食品添加剂、增稠剂、稳定剂、黏弹性调节剂(黄原胶、卡拉胶、明胶等)等物质进行纹理改性修饰,塑造方便挤出成型,结构稳定的印刷食品[32]。在苹果和玫瑰中分别添加不同比例的黄原胶和罗勒籽胶,发现高罗勒籽胶添加量的油墨表现出较高的表观黏度和屈服应力,而高黄原胶浓度的样品表现出相反的趋势,当黄原胶与罗勒籽胶以2∶1(质量比)混合比例添加时,打印食品表面光滑且具有良好的自支撑力,经国际吞咽困难饮食标准化倡议(international dysphagia diet standardisation initiative,IDDSI)试验,满足5级绞碎和湿性吞咽困难饲料的要求[16]。此外,在柠檬汁凝胶中加入马铃薯淀粉也能明显改善其流变特性和机械性能。设置喷嘴直径1 mm、挤出速度24 mm/s、移动速度30 mm/s的最佳打印参数下,打印样品表面光滑无凹陷、分辨率高[33]。水果在打印过程中会产生拖尾效应,分辨率降低,采用豌豆分离蛋白添加入香蕉基质中,防止挤压过程中材料出现断裂或过度拉伸现象[34]。LIU等[35]制备出基于菜籽油的高含油量食品糊,3D打印过程表现出良好的印刷适性和表观黏度。
目前,适用于3D打印果蔬基质的打印助剂依然比较欠缺,但逐渐趋于多元化发展。因此,为提高消费者对打印食品的满意度,提高3D打印食品的感官特性,需开发更多适合打印的果蔬食品凝胶。当前可解决果蔬材料打印缺陷的打印助剂主要是4类:水胶体、碳水化合物、蛋白质和脂类[36-37](表1)。水胶体具有增稠和胶凝作用,不同来源的水胶体形成的凝胶结构和特征差别很大,对纤维含量较高、不易打印成型的果蔬更适于添加水胶体类添加剂进行打印,成型稳定[38-40];常用的碳水化合物类添加剂主要有糖类和淀粉类,通常含水量丰富的柠檬、芒果、橙子、白菜等果蔬类食物制成的油墨流动性较大,通过添加淀粉类以提高油墨黏度和硬度,改善油墨流变特性和力学性能[41-42];蛋白质类添加剂一般添加于含糖量较高、质地较软的香蕉、梨等水果,弥补其蛋白含量,增加油墨营养特性,同时蛋白质可与多糖相互作用,形成紧密的网络结构,改变油墨流变性[21, 34];脂类添加剂能有效提高产品的多汁性、润滑性及硬度,对黏度较大、质地粗糙的果蔬类材料具有良好的修饰效果[36]。
表1 不同打印助剂对果蔬类原料印刷效果的影响
Table 1 Effect of different printing aids on the printing effect of fruit and vegetable materials
3D打印完成后,大多数产品不能即时食用,如土豆泥、鸡肉糜、猪肉、牛肉等。需要经过后处理操作,增加产品的风味,并提高产品的形状稳定性和内部结构精度。通常是将传统加工技术(烘烤干燥、冷却、蒸煮)与3D打印技术结合,灵活定制食品[43]。通过3D坐标轴上“时间轴”的延伸,催生了4D打印技术。4D打印技术可根据打印环境的湿度、酸碱度或温度等变化作出相应反应,改变样品的形状、属性和功能,拓宽产品设计领域[1]。即利用智能材料在经3D打印后,暴露于预定的外界刺激下,被打印的产品实现外观和功能上的自我转换,形成预设的新产品。4D食品打印(four-dimensional food printing,4DFP)的基本组件一般由3D打印机、打印软件、食品智能油墨、结构设计和刺激物构成[44]。随着研究的深入,基于打印设备和打印条件的完善,通过脱水干燥、微波加热等方式辅助实现利用3D打印技术来生产个性化4D打印变色食品[45](表2)。如利用微波真空干燥(microwave vacuum drying,MVD)技术对芒果汁凝胶进行3D打印后处理,对比不同干燥时间(0、2、4 min)里打印食品的质地、风味、水分分布及介电性能差异。结果表明,MVD后处理4 min的3D打印食品具有最优的形状保持力和结构硬度,外形精度可达99.8%[46]。说明MVD技术可以完成3D打印食品在后处理过程中形状的可控智能性转变,实现了4D打印。HUANG等[47]通过控制3D打印孔隙率大小降低了高含水量的复合蔬菜凝胶的冻融滴漏损失,从而保证冷冻型产品的3D打印加工效果。目前4D打印原料受限于淀粉类凝胶或水凝胶等体系,在果蔬类原料中的研究运用比较少,3D打印后样品的自发可控4D变形等处理条件有待进一步开发。同时,打印后的产品须消毒杀菌处理,提高其安全性以及延长保质期。后处理操作能显著提升打印食品商业特性,且不同的加工技术会产生不同的效益。
表2 3D打印食品后处理加工技术及4D打印
Table 2 Food post-processing technology based on 3D printing and 4D printing
类型方法食品材料处理效果参考文献干燥真空微波干燥烘箱干燥冷冻干燥芒果汁凝胶凝胶网络紧凑、形状保持良好[46]玫瑰花粉-山药糊混合物风味保持良好、干燥效率高、干燥时间短[48]蛋白质和纤维素富含物样品初始固体含量高时(<50%),印刷精度和形状稳定性最好[49]明胶5.0质量分数的明胶在90 ℃时,结构均匀致密、具有几何一致性[50]冷却快速冷却(-65 ℃)面团形状无塌陷、符合预先设计结构[51]蒸煮激光烹饪面团质地细腻、消费者接受度高[52]传统烘烤面团产品形状精度与目标结构接近[53]4D打印酸碱度刺激富含花青素的紫色甘薯泥和土豆泥在不同的pH条件下材料会呈现相应的不同颜色[54]水刺激明胶、乙基纤维素乙基纤维素附着于明胶薄膜,可约束形状和调节水扩散率[55]
此外,3D打印后处理加工技术的种类和运用方式在不断完善,均旨在提高3D打印食品的稳定性和安全性。随着研究的深入,后处理技术的范畴得到了进一步地丰富和拓展,基于刺激反应材料叠加刺激加工技术诱导3D打印食品的变色、变形和风味变化,触发了4D打印[43]。因此,3D打印后处理技术既是3D打印的延伸,也是4D打印的过渡,亦或是4D打印的一部分,其作用提升了打印食品的商品属性,加速4D打印和提高食品智能和改造/升级食品工业的进程,推动了打印食品的产业化应用。
果蔬富含生物活性化合物、酚类化合物及生物碱等功能物质,在提高儿童免疫力、预防过敏、降低哮喘等方面发挥关键作用。然而果蔬感官特性如酸味、苦味可能会降低儿童的摄入量。因此,利用3D打印技术为儿童定制果蔬类食品、提供个性化营养、解决儿童饮食问题、促进儿童补充营养和饮食安全具有重要意义。
吞咽困难是指吞咽固体或液体时出现困难的症状,常发生于儿童、老年人群体。严重时会导致咳嗽、呕吐甚至窒息现象。感染新型冠状病毒(COVID-19)病情严重的儿童可能患上急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS),造成吞咽困难症状。另外,脑瘫患儿的吞咽困难极限明显低于同龄正常发育儿童。这就间接要求食物的质地足够柔软、流动性大、易于吞咽。传统的儿童辅食通常是简单的将食物原料捣碎,制成泥状。口味单一,质地粗糙,难以保证儿童的饮食摄入充足。3D打印技术可对食品质地进行改良,通过修饰食品的硬度、黏度、黏弹性等关键特征,将食品设计成符合儿童吞咽困难饮食的水平。LIU等[18]研究了添加不同量的胶体(卡拉胶、黄原胶、阿拉伯胶)对香菇3D打印生产易消化食品的潜力。结果表明,黄原胶的掺入显著提高了食品油墨的机械强度、降低了水的流动性、促进了氢键的形成、使3D打印物体具有很大的自持能力。并在IDDSI框架内,含黄原胶的样品可划分为5级绞碎和湿性吞咽困难饮食。此项研究为吞咽困难人群的饮食结构设计提供了可行性建议。此外,改性淀粉应用于开发吞咽困难饮食的3D打印葡萄汁凝胶,打印产品所含的花青素具有抗炎、抗氧化等生物活性,凝胶样品坚固性高,适用于吞咽困难人群[56]。因此,研发印刷性能优越、营养丰富、感官品质良好且符合儿童吞咽需求的3D食品,有望解决儿童吞咽困难难题。
儿童的营养状况是评价儿童身体健康的重要指标。多组调查数据发现食物质地敏感儿童(4～36个月)表现出对食物的负面行为较多,更有可能拒绝特定的食物质地,如耐嚼、坚硬、块状食物。且5～12岁儿童在测试过程中,食物质地敏感儿童比非质地敏感儿童情绪更不稳定。这些分析均有助于为食物质地敏感儿童提供满意的食物质地选择[57]。因此,利用3DFP技术对食物质地进行改良,能满足儿童对食物质地的特殊需求。
此外,在个性化膳食中添加营养素、益生菌或生物酚类活性成分已成为了3D打印食品的新趋势。肠道菌群发育紊乱是引起儿童营养不良的原因之一,采用婴儿双歧杆菌菌株治疗患有严重急性营养不良的婴儿,显著增加其体重并减少了肠道炎症[58]。含有益生菌的3D打印食品可以阻止潜在致病微生物的定植,改善与胃肠道疾病相关的消化问题。已有研究证明了引入动物双歧杆菌亚种的可行性,在土豆泥中接种乳酸菌BB-12,设定喷嘴直径<0.6 mm、打印温度<55 ℃的最佳处理条件下,在5 ℃保存12 d,益生菌活力无显著差异,存活率可达9.773 lg CFU/g以上,远高于益生菌食品中推荐的最低剂量6 lg CFU/g[59]。未来,可通过3D打印改变食品的内部结构,为益生菌营造无氧的有利环境,提供3D打印功能性食品开发的新维度。另外还可在食品油墨中添加纤维素、酪蛋白、低聚糖等物质帮助儿童消化、预防便秘、改善营养吸收程度等。
食物中的各种生物化学成分不仅对儿童的健康发育发挥促进作用,也存在某些致敏性物质会导致儿童产生过敏发应。例如牛奶过敏是多种食物过敏儿童的最大困扰。因牛奶过敏而避免喝牛奶,减少了钙的摄入会导致儿童出现生长障碍。目前有通过口服免疫疗法定期补充牛奶来改善牛奶过敏儿童的身高[60]。虽然有一定的治疗效果,但儿童在长时间的口服治疗过程中产生的抵触情绪会增长,不利于观察治疗。利用3D打印技术可选择性地在食品油墨中添加特定的营养成分,剔除不利成分,可为儿童量身定制个性化食品。例如对鸡蛋蛋白过敏的儿童可以考虑添加其他非过敏蛋白,如大豆蛋白或食用昆虫粉来定制3D食物,达到蛋白质平衡。有研究将面粉团中添加昆虫粉来定制一种圆柱形的3D打印零食。控制焙烤时间和焙烤温度,观察其显微结构、综合品质和营养特性的变化。发现焙烤条件并没有改变样品的整体外观,但昆虫粉含量的增加使样品中的必需氨基酸含量增加,可达到41.3 g/100 g蛋白质[61]。表明推广食用昆虫蛋白质作为3D打印成分是一种可持续食物来源的新颖方式。然而目前3D打印食品在应用于预防儿童过敏方面的研究非常少,对于如何有效剔除食物中过敏性物质还有待探索,在未来这将是3D打印儿童食品的新兴发展趋势。
3D打印技术通过个性化定制、复杂结构的设计、营养成分的添加,应用于开发儿童食品优势明显,但3D打印食品规模化生产的缺陷也非常突出。3D打印技术的推广限制于打印机器制作成本高、精密程度高、无法进行工厂化连续生产等条件。3D打印机Foodini有5个100 mL的不锈钢胶囊,打印温度可控制在80 ℃,且更换不同食物材料期间,打印机每次必须重新启动并校准。尽管该机器打印喷嘴直径较大,能容纳更大的食物颗粒,但更耗时耗材,难以实现工业化生产[62]。同时针对儿童定制的3D打印食物外观、大小也有较高限制标准,这就需要打印设备的挤出喷嘴直径符合儿童咽喉道宽度来设计。此外,适用于3D打印的食品油墨原料种类受限,加工过程中食物原料浪费严重。尽管有研究利用3D打印技术对食品加工副产品进行再加工生产,一定程度上减少了食物浪费,产品推陈出新,但这类实验还未推广,仍需深入研究[20]。同时,消费者对3D打印食品的接受度、3D打印食品的市场需求等均需考虑。因此,打印设备的改进、费用投入的减少、丰富原料种类配制以及提高对3D打印食品健康无害观念的宣传力度有待解决,未来有望将3D打印变成3D制造,3D打印食品在消费市场占有一席之地。
综上,3DFP技术有潜力为儿童解决吞咽困难、营养不良和食物过敏等问题。本文主要概述了3D打印果蔬类食品的适印性以及在儿童饮食领域应用的挑战性,利用果蔬基质作为打印原料,不仅能降低生产成本、有针对性地提供必要营养素,而且更易调控食品油墨的性质,为3DFP技术在商业制造中的广泛应用提供科学指导。未来的研究还将集中于研发打印新材料、食品油墨配制、优化打印技术、提升产品品质和稳定性、低成本的商业化生产、3D打印食品对传统消费市场和消费者可接受度的影响、坚持3D打印高营养品质的理念。此外,基于3D打印后处理的研究,探讨了3D打印后处理和4D打印之间的联系,分析了4D打印食品的特点,以及拓展4D打印技术的限制因素,结合上述多重因素以期为不同消费群体提供理想、可行的打印食品。
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