《食品科学》：基于肉类原料的3D打印技术研究进展
时间：2022-03-01 15:44 来源：食品科学杂志 作者：admin 阅读：次
东北农业大学食品学院的王强、杜洪振、孔保华*等人综述了近年来肉糜的3D打印与培养肉的3D打印方面的研究进展，如食品3D打印机的原理及结构、肉糜的3D打印工艺、培养肉的3D打印工艺、肉类3D打印的发展前景以及4D/5D打印技术，为食品的多维打印提供参考。
1、食品3D打印机
食品3D打印机是一种能够快速打印原型产品的机器。食品3D打印机系统主要是由计算机、3D打印控制系统、物料进给系统、驱动路径电机系统、喷头电机系统及打印平台这几部分组成。食品3D打印机工作原理主要是以计算机辅助设计（CAD）数学模型为基础设计三维模型，然后通过三维软件建立立体模型，随后将建立的立体模型输入到3D打印机系统内，在3D打印机上设定操作参数，此时3D打印机将通过控制系统分别驱动打印头挤出机电机和坐标电机，最后结合物料加工特性将物料按照设定的图形打印在平台上。
食品3D打印机分类上的区别主要在于驱动路径和打印方式两个方面。食品3D打印的驱动路径需通过坐标系实现，主要有图2所示的笛卡尔坐标、三角坐标、极坐标和平面关节坐标4 种形式。食品3D打印机的最根本的区别就是打印方式，现阶段主要有4 种，分别是选择性烧结（激光烧结/热风烧结）、挤出打印（热熔挤出/室温挤出/凝胶挤出）、黏结剂喷射和喷墨打印，其中应用最为广泛的方法是热熔挤出、室温挤出和凝胶挤出，其挤出原理如图3所示。基于物料挤出的打印方式已经在食品加工过程中被广泛的应用。
2、原料在3D打印技术中的应用
肉类的打印可分为两类，一类是以肉糜为原料的3D打印，另一类是人造培养肉的3D打印。肉糜在打印时受机械性能、参数设定、理化因素、流变学特性、感官性能等因素约束，使得肉糜不具备可打印性。因此，肉糜在打印时需要借助稳定剂、增稠剂、盐和微生物谷氨酰胺转胺酶（microbial transglutaminase，MTGase）等使肉类获得可以打印的流变性质。
培养肉的3D打印既不同于肉糜的3D打印也不同于单独培养肉类，因为它既支持打印细胞生长增殖所需支架内部的肌肉细胞和脂肪细胞，也支持打印细胞外基质的细胞。相比之下，单独培养的肉（没有3D打印）是通过增殖肌肉细胞并将它们附着在支架或载体上，然后转移到带有生长介质的合适的生物反应器中来生产的。这种方法不能像3D打印一样生产像牛排这样的高度结构的肉。
肉糜的3D打印工艺
肉糜的3D打印首先是要选择打印所需的各种肉类原料如：猪肉、牛肉和鱼肉等，然后将肉块中不易搅碎的结缔组织和影响打印效果的脂肪剔除，剔除后将肉分成小块置于绞肉机进行精细粉碎，随后在粉碎好的肉糜中加入适合的添加剂使肉糜具有打印所需的流变和胶凝特性，最后将调制好的肉糜放入3D打印机的物料盒中进行3D打印。3D打印工艺最关键问题就是增加肉糜的打印性和设置恰当的打印参数。
肉类本身是不具备打印性的，需要借助水胶体或辅助添加剂来满足打印所需要的流变属性和凝胶强度并获得能够同时支撑沉积过程和沉积后结构的能力。3D打印肉类在打印之前需要将肉搅碎成均匀的肉糜，而肉糜在加工过程中容易发生变色、微生物增长和氧化反应等使肉质劣化。为了使肉的感官品质更佳，可在肉糜中科学合理添加护色剂、发色剂、抗氧化剂、多价螯合剂和抑菌剂等来保障产品的品质如硝酸盐、亚硝酸盐、抗坏血酸、磷酸盐、山梨酸等。此外，肉的绞碎有助于提取可溶性蛋白质，这些蛋白质与水、盐和脂肪相互作用，形成乳状物状的可印刷糊状物。在肉糜中加入NaCl或磷酸盐可以提取肌原纤维蛋白，肌原纤维蛋白在稳定肉糜方面起着重要作用。微生物谷氨酰胺转氨酶也具有提高肉糜的乳化性、乳化稳定性、保水性、凝胶能力和打印性的功能，从而可以部分替代盐类。微生物谷氨酰胺转氨酶不仅可将碎肉黏接在一起，还可将非肉蛋白交联到肉类蛋白上，明显改善肉制品的口感、风味、组织结构和营养。肉糜的打印还通过添加水胶体来提高打印性如海藻酸钠、明胶、瓜尔胶和黄原胶。
培养肉的3D打印工艺
培养肉是在生物反应器中使用组织工程技术生产的肉，它看起来与传统肉类相似。目前，培养肉产品过于松散，不能产生真正咀嚼的感觉。因此，迫切需要3D打印来重塑人造肉的结构，逼真的地复制真肉紧凑而富有弹性的结构。培养肉的3D打印首先要选择并获取可以定向分化为各种肉类细胞的干细胞，然后利用3D打印机将细胞按照定制化的程序精准的打印在可食用的支撑结构中，最后在充满营养的生物反应器内将细胞原料培养成工程肉。
培养肉所需的原材料主要是细胞、营养液和可食用支架。培养肉的细胞组成主要是脂肪细胞、肌细胞、内皮细胞，所以只需要选择能够分化成上述细胞的干细胞即可。用于培养生产的支架必须具有生物活性、细胞相容性、较大的表面积、可灵活收缩和最大限度的生长介 质扩散（孔隙率）以 支持组织成熟，并且被消化/分离后可以食用而不显示毒性和过敏反应，一般选用结构 特性合适的多糖和稳定剂制成可食用支架，不过在制备技术上还需要大量的探索。
通过3D生物打印工艺，我们可以精确地调节细胞比例、细胞位置，甚至特定类型的细胞密度。3D喷墨打印机按照软件程序预设好的三维模型将细胞沉积到打印好的支撑结构中，然后融合并形成工程肉，并在生物反应器中对组织进行低频刺激，以使肉类纤维成熟。3D生物打印有望在不影响肉质和肉样轮廓的情况下实现培养肉的打印。最新的三维打印技术已经能够制造灵活的人造血管并对人造肉的颗粒和韧性进行局部控制以更好地模拟真肉。
影响肉类3D打印工艺的关键参数
影响肉类3D打印的关键参数较多，打印墨水的自身性质就具有很高的参数要求，如打印材料的流变学性质、凝胶强度、热凝固温度等都会影响打印质量。3D肉类打印不仅受自身的理化性质影响，还受喷嘴温度、喷嘴直径、喷嘴高度、喷嘴移动速度、挤压速率、填充百分比等工艺参数的影响。
肉类3D打印的后处理
无论是肉糜还是培养肉的3D打印完成后都需要进一步的热处理，如蒸、煮、煎、炸。后处理的方式主要取决于个人喜好和成品的性质。我们需要考虑打印产品承受烹饪操作的能力以及其是否会因为烹饪损失/收缩而失去3D打印的复杂设计和感官品质。为了降低或防止后加工带来的食物品质的劣化，要选择理化性能和流变性能稳定的原料。
3、3D打印肉的发展前景及趋势
多喷头的打印
现阶段肉类打印一般都是单喷嘴和双喷嘴挤出打印，这种打印方式仅限于原材料种类较少的打印。无论是肉类打印还是其他食品原料都应该探索更多的打印方式及多喷嘴打印，打印出更多结构组成和均衡营养的食品，也应该开发更多的辅助技术去增加打印材料的可打印性。如将多种果蔬、辅助营养剂和肉类采用多喷头打印方式一同打印，增加营养摄入的均衡性，避免孩子挑食造成的营养不良。
个性化的打印
肉类打印的颜色较为单一，为了更好地吸引消费者，未来可开发多喷头打印方式将肉类和果蔬等一同打印增加其色彩丰富度，调动消费者食欲和购买欲。
肉类加工废弃物的再利用
目前肉类屠宰企业在屠宰和分割过程中往往产生很多碎肉和脂肪，这些碎瘦肉和脂肪的品质很好，市场价格低廉，但没有得到有效的利用。此外肉类加工过程也会产生很多可食用的边角料废肉和内脏，3D打印可以赋予这些碎肉、内脏和脂肪新的生命，如重组牛排、重组肉饼和多彩肝泥等。
3D打印肉与其他打印技术的结合
静电纺丝和食品印刷的集成可以提供一种可能的一体化解决方案来制造具有个性化营养的食品，即从材料中提取纤维或子成分，封装营养物质，控制其分配体积，并构建营养物质可控释放的食品结构。这种方式可以为口感愉悦的食品提供结构和质地，例如肉类中的肌肉纤维。不过目前面临的挑战是在食品印刷平台上集成和操纵静电纺丝过程。
作为微胶囊的一种，电流体雾化已经被纳入生物打印机的设计中，以产生用于生物活性药物输送系统的双壁微球。将这种技术集成到食品印刷中可以通过使用多打印头系统来实现，其中至少一个打印头在制成的食品中产生和分配微胶囊。这将帮助易碎和敏感的材料在加工和包装条件下存活下来，稳定活性成分的保质期，并创造出风味和颜色掩蔽，只有在消费者触发时才会释放。
4、4D、5D打印技术
4D打印是最近被创造的术语，它起初是在3D打印的基础上加了时间的概念而定义。但后来有了新的定义：一个三维印刷结构被暴露于预定刺激下（如热、水、光、pH等），其功能、形状、性能可随时间发生变化。4D打印的打印材料一般为形状记忆聚合物、形状记忆合金、形状记忆水凝胶等具有形状记忆功能的材料。形状记忆水凝胶是一种聚合物的自我适应性大分子互连网络，其功能是捕获和释放水（提供刺激），通过收缩和膨胀促进结构的转变。实质上食品3D打印也可以被认为是4D打印，因为成品在消费之前可能需要经过烹饪或处理，而且在设计产品时需要考虑打印后的形状和尺寸变化。
5D打印的术语是从机械领域发展而来的。5D打印的发展是由在复杂设计中不需要打印支撑结构的便利性推动的。5D打印可以被定义为五轴3D打印机，不是常规3D打印中使用的三轴打印机。五轴3D打印机从多个方向（x、y、z旋转和平移运动）构建对象，从而产生比常规3D打印更坚固的部件。
5、结 论
肉糜的3D打印与培养肉的3D打印不同，肉糜的打印需要与盐、MTGase和水胶体结合获得打印所需的流变性能和凝胶性能以进行打印，而培养肉的打印则是将细胞定量且精准的沉积到可食用支架结构中进而融合成工程肉并在生物反应器中使肉类纤维成熟。两种打印的原理虽然不同，但打印的精度和质量均由喷嘴温度、喷嘴直径、喷嘴高度、喷嘴移动速度、挤压速率和填充百分比等工艺参数以单独和/或组合的方式决定。无论是肉糜的打印产品还是培养肉的打印产品都需要选择对感官品质影响最小的后加工方式处理。目前，基于肉类原料的3D打印研究相对较少，但未来的发展潜力巨大。我们可以利用3D打印技术合理的按需加工单一或多种肉类，也可以搭配果蔬形成组合原料，为特殊人群制定个性化营养食品。当然也期待真正的4D打印早日用于肉类原料，让形状记忆类打印材料赋予打印产品第二次“生命”。
通讯作者简介
孔保华，二级教授，国务院特殊级帖获得者。获黑龙江省“龙江学者”和“龙江科技英才”称号，为省级教学名师、省杰出青年基金获得者、省头雁计划骨干成员。任中国畜产品加工学会常务理事，肉品分会主任，中国农业机械学会农副产品分会副理事长，农业部国家牛肉加工分中心主任。2005—2006年在美国肯塔基大学作访问学者。主要研究方向为蛋白质功能性和肉制品加工。主持和参加的科研项目50余项，包括国家“十二五”科技支撑计划、国家“863”计划、国家自然科学基金、国家“十三五”重点研发计划、省重大项目、省重点基金等项目。获国家科技进步二等奖1项，黑龙江省科学技术一等奖2项（第1）、二等奖3项、三等奖3项，国家教育部高校科技进步二等奖1项，中国轻工业联合会科技进步一等奖，中国商业总会科技进步一等奖1项。2005年荣获中国肉品加工业“十大杰出科技人物”。2011年获得为中国食品产业产学研创新发展中做出突出贡献的“杰出科研人才奖”。2012年获得由中国肉类协会颁发的“中国肉类产业科技领军人物”称号。发表学术论文620余篇，其中发表SCI论文195篇，EI论文78篇，6篇SCI论文为Essential Science Indicators高引论文（top 1%）。编写教材和专著22部。获得授权专利36项。指导博士研究生38人，硕士研究生133人。
本文《基于肉类原料的3D打印技术研究进展》来源于《食品科学》2022年43卷1期353-361页，作者：王 强，杜洪振，徐舰航，孙方达，孔保华*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20201110-097。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
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