基于果蔬产品设计3D打印食品—机遇与挑战

来源：食研私享

2022年2月，食品科学与技术杂志Journal of Food Science and Technology(IF：2.701)刊登了题为“Designing 3D printable food based on fruit and vegetable products—opportunities and challenges(基于果蔬产品设计3D打印食品——机遇与挑战)”的综述性论文。

基于挤出的3D打印技术因其诸多优点而成为应用最广泛的技术。该文综述了果蔬3D食品打印技术的最新进展，并对其前景进行了展望。文中介绍了室温挤出、熔融沉积成型和凝胶成型三大类挤出3D打印技术以及近年来果蔬粉3D食品领域的研究进展。基于这些结果，可以认为水果和蔬菜已经成功地用于制作3D甚至4D食品。然而，在预处理和后处理技术方面还有待进一步研究。功能食品也可以通过3D打印来开发，但在这方面也还需要更多的研究。

挑战和未来展望
在过去几年中，3D打印已广泛用于各种食品制作。这项技术在定制食品、个性化营养和利用不同类型的食品成分方面提供了多种好处。尽管3D打印具有广泛的优势，但该领域的研究仍处于起步阶段，这一技术的局限性不容忽视。

水果和蔬菜为食物提供营养，但它们很难用于3D打印。需要更多的研究来打印这些材料，甚至未被充分利用的果蔬副产品也可以用3D打印来处理。
消费者对具有高营养价值和功能价值产品的需求迅速增长。但关于功能食品的3D打印研究还很少。

水果浓缩物或果粉可与维生素、多酚、益生菌、矿物质等多种生物活性物质结合，为有特殊要求的消费者设计食品。此外，益生菌微生物在水果产品中的成功适应具有很强的菌株依赖性。不同菌株的益生菌单独或组合可用于制作益生菌水果基3D食品。益生菌在贮藏期间的活性研究也是今后的研究方向。

水果和蔬菜不能直接用于挤出打印，因此需要适当的预处理，如粉碎、凝胶化、制备面团等。这些预处理是常用的，但效率不高。因此，微波和超声波等新的有效的预处理方法可以用于未来的研究。另外，对果蔬预处理过程中可能流失的营养物质的保存问题应进行更多的研究。由于对3D打印后处理的研究非常少，进一步的研究还应侧重于采用新型干燥技术对3D打印物进行后处理，以提高结构稳定性和满足用户需求。

4D食品打印尚未被用于研究目的。利用温度、水、pH、水分等不同刺激因素的影响，可以制备出具有彩色或多材料印刷结构的智能材料。

大部分3D食品打印技术依赖于食品材料的流变和力学性能。打印参数在食品物料的挤出过程中也起着至关重要的作用，而打印参数随食品油墨类型的不同而不同。因此，考虑到人类营养和食品安全，在食品材料方面的研究存在大量的机会。在3D打印食品上市之前，需要对其进行最大限度的优化试验。食物的构建过程应该加强以发展个人的创造力，也应该量化以获得一致的生产结果。

食品3D打印技术下一个最大挑战是配方的盗版问题。这种3D数字化技术需要考虑知识产权新政策和盗版行为，以防止对既定标准的任何滥用行为。另外，有限的打印速度也是3D打印商业化的一个主要问题，这限制了市场上的生产。

由于在3D打印机上进行严格的食品操作，印刷食品的保质期也是一个令人担忧的问题。因此，食品安全是这项技术的一个主要挑战。研究重点还应放在打印过程中和打印后的食品微生物数目和安全性上。4D打印已经作为3D打印的补充出现，是作为现有打印参数的一种改变形式而发展起来的。

图1. 食品3D打印的主要步骤。

图2. 具有20%、50%和80%填充水平的打印产品的视觉外观(以及空气油炸前后的填充结构)。山药-PP1、山药-PP2和山药-PP3的质量比分别为10: 0、9: 1、8: 2和7: 3。PP：马铃薯加工副产品。

图3. 从横断面和纵断面图观察到的100%和70%填充水平的铸造样品和3D打印产品的微观结构特征。横断面：放大倍数300×；纵断面：放大160×。红线代表层结构。

图4. OC-WS和OC-WS-Gum混合物的3D打印样品。

图5. 不同马铃薯淀粉百分比(A: 10%，B: 12.5%，C: 15%，D: 17.5%，E: 20%)的3D打印柠檬汁凝胶产品的各种结构设计。

图6. 不同配方的3D打印土豆泥随时间的颜色变化。

论文链接：
https://doi.org/10.1007/s13197-022-05386-4