沈阳师范大学粮食学院杨庆余教授等/基于食品3D打印技术的食品原料研究及应用

3D打印<<<<

目的意义<<<<

可实现造型的个性化定制、快速制作出花式多样和结构别致的食品，改变传统食品加工中造型较为单一的状况和其他缺点，满足人们追崇时尚和提高生活品味的需求；另外还可实现个性化营养定制，通过配比各种食材的用量和比例来调整食品的营养组成，从而适应不同个体健康的需求，实现营养与科技的融合。

常见的食品3D打印技术有选择性激光烧结打印(Selective Laser Sintering， SLS)、喷墨打印(Inkjet printing，IJP)和挤压型3D打印技术。

SLS技术采用“分层制造、逐层累加”的制作方式，首先使用激光对目标区域内的粉末进行扫描，使其熔化并粘结在下一层粉末上，在该层粉末烧结完成后，开始下一层的烧结，逐层重复此步骤，直到制件最终成型。但其具体的成型原理根据打印材料的不同略有差别。

挤压型3D打印技术分为熔融沉积技术(Fused Deposition Modeling，FDM)和常温挤出技术，其中常温挤出技术又分为注射器式挤出、气压式挤出和螺杆式挤出3种方式。

FDM主要是原料通过送丝机构被送入预热好的喷嘴中，在喷嘴内受热融化，形成具有流动性可打印的原料，打印操作装置根据计算机建立物体的三维模型数据，通过数控等技术控制 3D 打印机，将喷头送至指定位置，喷头将熔融的原料挤出，打印操作装置根据先前设定好的二维形状在平面上运动，一层制作完成后，打印操作装置上升一层，继续按上述构造平面，最后累计形成了最终产品。

常温挤出成型的3D打印食品原料在常温下应呈现半固体状态，自身具有一定的流动性和粘性，打印层可以相互粘连成型，一般为面糊、蛋糕糊等，打印完成的产品需要经过焙烤、油炸、蒸制等方法进行烹饪后才可以食用。

食品3D打印的原料主要有三类，分别为天然具有打印特性的食品材料、不具有3D打印特性的食品原料和替代原料。根据食品打印材料的成分不同，根据成分主要分为三大类。在食品的复合体系中，淀粉、蛋白质、脂肪和果蔬类等营养成分的变化也会影响食品材料在3D打印过程中的熔融行为、玻璃态和塑化性等性质。

适用于3D打印的淀粉材料应具有适宜的假塑性流体特性和较好的流动性，易于从打印机喷嘴挤出，能在挤出后快速固化。淀粉的凝胶特性可以改变糊状原料的黏度，从而改善3D 食品打印材料加工适宜性。

蛋白的凝胶性有利于3D食品的成型，在3D打印过程中，要选择合适的蛋白种类和添加量来改变材料流变特性。冷热处理、加酸碱盐离子、酶水解均可使蛋白质发生聚集，形成有序的空间网状结构，提高蛋白质的胶凝性 ，促使胶凝空间结构的形成。

高脂类食品原料内部存在大量的脂肪结晶，脂肪结晶网络结构的不同，3D打印脂类内部结构、机械性能、硬度不同，脂肪结晶网络结构呈现具有特定流变学性质的软材料，具有较强。目前，巧克力、肉泥等高脂类食品材料作为3D打印食品材料已在在食品3D打印技术中得到应用。

巧克力3D打印过程中，脂肪结晶有助于提高原料的机械性能，改善产品的空间结构，并对空间结构提供具有支撑作用的骨架结构。

在3D打印肉类食品生产中，肉的感官品质和保质期受甘油三酯影响，其中脂肪酸碳原子数越多熔点越高，双键数越多熔点越低。因此，脂肪酸碳链长度、双键数量具有调节脂类3D打印原料的熔点和支撑性能的作用。

果蔬原料是一种典型的不可打印材料，果蔬原料粘度低，水分含量偏高，破碎成果泥后流动性强，不易成型，果蔬中纤维含量高，大颗粒原料在打印过程中容易产生堵塞显现，并且果蔬原料在加工过程中，容易发生氧化褐变、微生物增长等，失去原有营养和品质。

单一食品原料很难满足3D打印的要求，单一食品原料在色泽、形状、口味等很难满足现代人对营养追求。通过改变食品原料的结构特性使其具有较好的3D打印成型效果。

打印性能是指食品材料通过3D打印机进行控制，有效保持打印后的形状。打印性能依赖于食品材料的结构，通过3D打印机打印并保持打印后的产品结构的稳定，食品材料应该具有良好的凝胶结构才能打印出造型多样、稳定性好的产品，适宜的流动性和湿润性可使打印的产品涂层均匀，并具有良好的机械性能。

食品3D打印属于智能化的食品加工技术，可实现对产品的形状、色泽、风味、组织结构和营养的个性化定制，满足了人们对个性化营养的需求，3D打印将会给食品行业带来新的颠覆性变化。食品3D打印集合了智能装备和食品加工的技术特点，其材料的适用性决定了食品3D打印技术在食品领域中的应用范围。

食品的3D打印可分为可直接食用的3D打印食品和需要后加工的3D打印食品。后加工性能是指经过打印后的产品可经受焙烤、煎炸、蒸煮等烹饪等加工后才具备可食用的食品。为了保持食品材料性的稳定性，选用适宜后加工处理的食品材料，同时具有合适的物理化学性能、流变性能、机械性能和结构性能的食材至关重要的。

随着人们对肉制品品质的要求不断提高，以及需求量的不断扩大，肉类产品出现了严重的供求不平衡，将食品3D打印技术应用到肉制品生产中，研发出纹理和口感与传统肉类媲美的 3D打印肉制品，大大降低了资源消耗。

果蔬制品为人类提供了维生素、矿物质和膳食纤维等必不可少的营养物质，果蔬加工产生的副产品仍具有较高的营养价值，利用3D打印技术与蔬果食品原料相结合，在丰富了3D打印食品营养特性的同时能够提高原料利用率 ，节约成本。

杨庆余，研究方向主要围绕功能型全谷物食品研发、杂豆精深加工及营养学评价、食品3D打印材料研发、植物基食品开发利用与营养构效机制研究等。在Ultrasonics Sonochemistry、ACS Sustainable Chemistry& Engineering、Food Hydrocolloids和Carbohydrate Polymers等多个国内外期刊发表论文60余篇，其中SCI收录15篇，申请专利30余项，其中授权美国专利1项，授权欧洲专利1项，研究成果被国内外著名学术刊物所引用。近年来，主持或参加国家重点研发计划、国家自然基金面上项目、省市级项目等各级科研课题10余项。作为主要完成人获得多项国家级省部级奖励近10项。2018年，入选辽宁省首批“兴辽英才计划”青年拔尖人才。2019年，入选沈阳师范大学百人计划“拔尖人才”。2020年，荣获中国粮油学会“青年科技奖”和沈阳市“拔尖人才”称号。