趙一果 何 君 孫翠霞 魯 偉 方亞鵬

（上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院 上海200240）

當前， 全球人口不斷上升， 食品需求快速增長，進而加速農(nóng)業(yè)產(chǎn)量擴增，而這樣的增長會消耗更多資源，也會帶來環(huán)境問題[1]。以畜牧業(yè)為例，據(jù)估算生產(chǎn)1 kg 的肉消耗植物原料約2～15 kg，且當前約18%的溫室氣體排放來自于牲畜養(yǎng)殖[2-3]。 發(fā)展包括仿生肉制品在內(nèi)的環(huán)境友好型仿生食品，可有效解決人類飲食多樣性需求以及數(shù)量增加與當前的資源短缺、環(huán)境污染、技術(shù)滯后之間的矛盾。

現(xiàn)有的仿生食品常以大豆蛋白、 面筋、 低值魚/蝦糜等為原料，采用擠壓、剪切等多種食品加工方法，一般從外形、風味、結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)等多角度模擬天然食品，涵蓋仿生海洋食品、仿生肉制品、仿生發(fā)酵食品、仿生果脯[4-5]。 據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，食用仿生食品時， 消費者的關(guān)注度主要在于對比仿生食品與目標食品的形態(tài)、口感和質(zhì)地[6]。目前，通過風味物質(zhì)和天然植物色素復(fù)配已經(jīng)使得仿生食品的外觀和口感都能達到一定的相似度， 然而其質(zhì)地的模擬有待提升， 尤其是各向異性結(jié)構(gòu)的質(zhì)地模擬非常關(guān)鍵。

食品因組成成分、 加工方法或儲藏方式的不同，形成各異的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)各向異性特征或各向同性特征[7]。 其性質(zhì)不受觀測位點的限制，為各向同性；依賴于觀測位點則為各向異性[8]。 食品的各向異性結(jié)構(gòu)，賦予了食品多層次豐富的性質(zhì)，使得食品在如彈性、黏性、斷裂能、擴散性能等方面隨著測量方向不同而結(jié)果各異， 豐富了消費者的感官體驗和品質(zhì)需求[9]。

基于食品結(jié)構(gòu)復(fù)雜多層次性考慮， 通過食品加工的工藝改進和原料創(chuàng)新來模擬構(gòu)建天然食品內(nèi)部各向異性結(jié)構(gòu)，從而提高仿生食品的相似度，具有重要的產(chǎn)業(yè)推動意義。 本文介紹不同類型食品的內(nèi)在各向異性結(jié)構(gòu)特征， 以及當前食品領(lǐng)域中各向異性結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)建方法， 進而明確食品各向異性結(jié)構(gòu)在仿生食品領(lǐng)域的意義和重要性，以期為仿生食品的研究發(fā)展提供參考。

1 食品中各向異性結(jié)構(gòu)

食品結(jié)構(gòu)的分析是食品科學基礎(chǔ)研究的重要內(nèi)容。 在宏觀到微觀不同的觀測尺度上， 如圖1所示，食品呈現(xiàn)豐富的結(jié)構(gòu)。 常見食品包括果蔬、肉等多屬于各向異性結(jié)構(gòu)， 如蘋果的最大壓縮破裂能隨著擠壓的方向不同（軸向或徑向）而改變，肉的應(yīng)力或應(yīng)變隨著垂直或平行纖維方向呈現(xiàn)出各異性， 然而也有些食品因內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻或定向結(jié)構(gòu)受到破壞而呈現(xiàn)各項同性，如新鮮的土豆，粉碎的肉末等[10-11]。 此外，食品級原輔料基于一般性工藝加工后，形成具有一定組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的食品，也會呈現(xiàn)各向異性特征。

圖1 某些食品中的各向異性結(jié)構(gòu)Fig.1 Anisotropic structures in some foods

1.1 天然植物源食品的各向異性結(jié)構(gòu)

由于植物內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)具有一定的方向取向性，如圖1 所示，植物源食品如水果、蔬菜，多呈現(xiàn)出各向異性結(jié)構(gòu)特性。在植物器官發(fā)育過程中，細胞分裂和細胞壁生長并不是完全隨機， 而是具有傾向性，因此最終形成有取向的組織結(jié)構(gòu)，整體上呈現(xiàn)出各向異性特征[15]。 這種各向異性結(jié)構(gòu)不僅是植物生理的需要，該性能還對于對水果、蔬菜的采摘、貯運、加工等方面均具有重要的指導意義。

Pǎduret 等[16]研究了3 個不同品種草莓（Coral，Darselect 和Elsanta）的質(zhì)構(gòu)， 在韌性和抗壓力方面，Darselect 品種的草莓具有最高各向異性度，達到1.22 至1.26；同時，研究不同成熟狀態(tài)（初熟、成熟、過熟）下的草莓結(jié)構(gòu)，仍然呈現(xiàn)出各向異性特征，而且處于初熟期的草莓韌性最高，這為果蔬的采摘提供了一定的理論指導。呂俊龍等[17]運用電子式拉力試驗機測得白蘿卜軸向壓縮時彈性模量為2.19 MPa，徑向彈性模量為1.98 MPa，表現(xiàn)出各向異性，而且白蘿卜的彈性模量越大，抗壓能力越強，因此，在白蘿卜運輸和儲藏過程中，盡量豎著進行分裝，從而避免徑向受力，保護白蘿卜不受損傷。 對甘肅省靖遠縣的小口大棗分別沿著縱向或橫向進行壓縮力學試驗，結(jié)果如表1 所示，縱向的彈性模量、破裂負載、破裂相對變形量等力學性能均優(yōu)于橫向，呈現(xiàn)出各向異性特征，這也為鮮棗選擇合理的運輸、儲存、包裝等提供了理論參考[18]。

常見的蘋果和梨，鑒于各向異性結(jié)構(gòu)特征，其衰變彈性模量、平衡彈性模量、松弛時間和粘滯系數(shù)等均受到取樣方向的顯著影響， 呈現(xiàn)出高度的依賴性[19-20]。 在表征具有各向異性結(jié)構(gòu)的水果、蔬菜時，也需要考慮方向?qū)τ谛再|(zhì)的影響，測量該類樣品需保證每次測量方向位點相同。 各向異性結(jié)構(gòu)的機械性能為果蔬的加工、 儲藏提供了有力的參考，為消費者提供了豐富的口感體驗。

表1 加載速率30 mm/min 時鮮棗的壓縮機械性能[13]Table 1 Compression mechanical properties of fresh jujube under 30 mm/min loading rate[13]

1.2 天然動物源食品的各向異性結(jié)構(gòu)

天然植物源食品如蔬菜， 基于多面形植物細胞組織形成的為相對溫和的各向異性結(jié)構(gòu)， 然而對于天然動物源食品——肉，如圖2 所示，是基于定向肌肉纖維束結(jié)構(gòu)導致顯著的各向異性特征[16]。 肌動蛋白、肌凝蛋白和膠原蛋白等肉中的纖維蛋白，在氫鍵的相互作用下形成α-螺旋、反平行β-折疊或者三螺旋立體結(jié)構(gòu)，再經(jīng)自組裝成高度規(guī)則且具有層次的纖維束， 從而形成各向異性結(jié)構(gòu)[11，21]。

圖2 肌肉層次結(jié)構(gòu)示意圖[22]Fig.2 The hierarchical structure of the skeletal muscle[22]

以肉類為主的動物源食品， 由于其富含高質(zhì)量的蛋白質(zhì)和多汁口感， 是人類從食物中獲取優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)資源的重要方式， 一般可將肉分成紅肉（如牛肉、羊肉、豬肉等）、白肉（如雞肉、魚肉等）和加工肉（如煙熏的肉、火腿、培根、香腸、漢堡等）[23]。Krintiras 等[3]分別沿著平行或者垂直纖維束方向研究生牛肉的拉伸性質(zhì)，結(jié)果表明：平行纖維方向的拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變均高于垂直纖維方向，呈現(xiàn)各向異性結(jié)構(gòu)， 應(yīng)力各向異性度和應(yīng)變各向異性度分別是2 和1.8 左右。Chiang 等[24]測量了煮熟的雞胸肉成分和性質(zhì)， 其蛋白質(zhì)含量28.97%，pH值6.26，水分含量由75%降至69%。由于肌肉蛋白的變性，引起雞肉的收縮，導致水分流失，沿著平行或垂直纖維方向，記錄切割力，得出各向異性度1.63，表明蒸煮并未破壞雞肉的定向纖維結(jié)構(gòu)。

肉類食品的各向異性度的變化可用來表征其品質(zhì)。 基于極化微波法（10～24 GHz），分別沿著平行或垂直肌肉纖維的方向， 在不破壞樣品情況下測量牛肉或魚肉的介電性能，計算各向異性度，通過對比不同老化程度的牛肉和不同新鮮程度的魚肉， 表明各向異性度的衰減程度與牛肉的老化度或者魚肉新鮮度呈現(xiàn)相關(guān)性， 進而可建立各向異性度與肉品質(zhì)關(guān)系，達到實時監(jiān)控的目的[25]。

1.3 加工食品的各向異性結(jié)構(gòu)

食品級物料經(jīng)擠壓、切片、揉捏、加熱等加工工藝后，可制備出具有一定組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的食品，宏觀呈現(xiàn)出各向異性特征。 馬蘇里拉（Mozzarella）奶酪制備涉及在熱水中對凝乳進行揉捏和拉伸，導致蛋白質(zhì)纖維和脂肪沿著拉伸力的方向而取向， 該組織結(jié)構(gòu)使平行蛋白取向的馬蘇里拉奶酪的拉伸性能遠高于垂直蛋白取向的拉伸性能，如圖1c 所示，形成各向異性特征[26-27]。

Gonzalez 等[28]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用質(zhì)構(gòu)儀的標準TA-47刀片切割熟的意大利烤寬面條（Lasagna）時，垂直于生產(chǎn)中擠壓烤寬面條方向時所需的切割力遠高于平行其擠壓方向， 說明該食品在加工過程中形成了各向異性結(jié)構(gòu)。在我國及東南亞地區(qū)，食用傳統(tǒng)的豆類加工食品如面筋、素雞、印尼豆豉等，產(chǎn)品內(nèi)部富有多層次規(guī)則的結(jié)構(gòu)， 具有一定肉的相似質(zhì)感；同時，其富含蛋白質(zhì)，受到素食主義者的喜愛[29]。 比如素雞，以素仿葷，其風味和口感與雞肉相似，形似白條雞，頗受消費者喜歡，通過研究其制作工藝發(fā)現(xiàn)，在制作過程中涉及纏卷、造型、蒸煮等步驟，將豆腐坯結(jié)實地卷成圓柱體，再經(jīng)高溫擠壓定形即可制備出具有肉感的素雞[30]。 常見的加工工藝為食品各向異性結(jié)構(gòu)的模擬構(gòu)建提供了方法和靈感，可優(yōu)化仿生食品的生產(chǎn)。

2 食品中各向異性結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)建方法

根據(jù)構(gòu)建原理不同， 基于構(gòu)建各向異性結(jié)構(gòu)的加工尺度， 常見主要食品中的各向異性結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法可分為“自下而上（bottom-up）”和“自上而下（top-down）”兩大類。 “自下而上”的方法是先形成獨立定向的結(jié)構(gòu)微元素， 通常為微觀納米級的加工， 然后組裝成具有多層次各向異性結(jié)構(gòu)的宏觀食品，具體方法包括細胞培養(yǎng)（In vitro culture cells）、紡絲（Spinning）；“自上而下”的方法是直接作用于宏觀食品， 內(nèi)部大分子在外力的作用下，形成定向聚集，構(gòu)成各向異性特征，其缺乏天然食品的內(nèi)部多層次結(jié)構(gòu)， 具體方法包括擠壓（Extrusion）、定向冷凍（Directional Freezing）、剪切技術(shù)（Shear technology），還包括3D 打印技術(shù)（3D Printing）[31]。

2.1 食品中“自下而上”類的各向異性結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法

2.1.1 細胞培養(yǎng) 體外細胞培養(yǎng)方法可用于制作培養(yǎng)肉（Cultured Meat），該產(chǎn)品不同于直接從被屠宰的家畜身上獲得的肉， 而是在實驗室培養(yǎng)皿里通過動物的肌肉細胞培養(yǎng)而成[32]。 首先將成肌細胞從動物的骨骼肌中提取出來， 應(yīng)用標準的細胞培養(yǎng)法放大復(fù)制培養(yǎng)成肌細胞；然后，當細胞培養(yǎng)的數(shù)量足夠時， 被轉(zhuǎn)移到帶有錨點的生物支架上以連接和排列細胞，再結(jié)合電場或其它方法，確保肌肉纖維的定向排列生長；最后，經(jīng)過大約3 周的培養(yǎng)，可形成長度約2～3 cm，厚度小于1 mm 的肌肉纖維，進一步擴大培養(yǎng)，即可形成具有各向異性結(jié)構(gòu)的仿生肉[33]。 從微觀的細胞培養(yǎng)到最后宏觀的肌肉組織形成， 該方法幾乎可以模擬出肉的所有結(jié)構(gòu)特征，然而規(guī)模因素、安全因素、成本因素、 道德因素等等均制約著其在仿生食品方面的進一步應(yīng)用以及擴大化生產(chǎn)培養(yǎng)肉[34-35]。

2.1.2 紡絲 紡絲是用來構(gòu)造富含蛋白質(zhì)食物的各向異性結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)加工方法，如圖3a 基于分散相的變形和定向固化，最終形成取向結(jié)構(gòu)[9]。 當生物聚合物液體經(jīng)噴絲頭擠壓噴出時， 經(jīng)過拉伸得到纖維；然后應(yīng)用鹽、酸或堿溶液等固化所得纖維；經(jīng)洗滌后得到最終纖維有序排列的結(jié)構(gòu)， 紡成的纖維厚度約為噴絲孔尺寸，數(shù)百微米左右[37]。 應(yīng)用紡絲技術(shù)，不僅可以在生物、化工等領(lǐng)域制備出定向結(jié)構(gòu)的DNA、碳納米管，而且在食品領(lǐng)域也可制備具有排列取向性的纖維，如圖3b 所示，基于食品級乳清蛋白經(jīng)過靜電紡絲所形成各向異性結(jié)構(gòu)[36，38-39]。 目前食品蛋白為來源的紡絲材料較為常見，不同的食品蛋白因氨基酸組成及構(gòu)象不同，最終形成的結(jié)構(gòu)也有所差異，比如經(jīng)紡絲后，豌豆蛋白和蠶豆蛋白的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變， 蛋白顆粒結(jié)構(gòu)展開，形成定向立體纖維結(jié)構(gòu)，具備各向異性特征，然而大豆分離蛋白經(jīng)紡絲后，并沒有明顯的取向，無各向異性特征[37，40]。雖然紡絲技術(shù)能夠制備出均一的定向食品纖維，但是由于固有技術(shù)弊端，如制備過程中使用化學試劑，產(chǎn)生大量的廢汽，同時，食品工業(yè)上將單根纖維組裝成宏觀食品的技術(shù)復(fù)雜性等， 因此紡絲在食品方面的應(yīng)用研究比較欠缺[9]。

圖3 靜電紡絲的原理（a）[36]和排列的靜電紡絲纖維（b）[36]Fig.3 Principle of electrospinning（a）[36] and aligned electrospun fibers（b）[36]

2.2 食品中“自上而下”類的各向異性結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法

2.2.1 擠壓 擠壓組織化工藝是最常用的將植物基原料轉(zhuǎn)化為纖維化產(chǎn)品的商業(yè)技術(shù)， 分為低水分擠壓和高水分擠壓[31]。 20 世紀60年代初，Wenger 實驗室應(yīng)用低水分擠壓技術(shù)首次制造了具有多孔肉狀結(jié)構(gòu)的塊狀產(chǎn)品[43]。20 世紀90年代初，隨著雙螺桿食品擠壓機的開發(fā)，高水分擠壓技術(shù)被應(yīng)用于制造仿生肉[44]。 傳統(tǒng)擠壓仿生肉多是通過低水分擠壓技術(shù)制備，具有海綿狀結(jié)構(gòu)，并且食用前需要復(fù)水， 然而利用高水分擠壓技術(shù)獲得的高水分組織化植物蛋白具有類似動物肌肉的纖維結(jié)構(gòu)，無需復(fù)水、可直接食用[45]。 高水分擠壓制備各向異性結(jié)構(gòu)過程主要涉及兩個部分： 擠壓部分和冷凍模具部分， 蛋白質(zhì)混合物首先經(jīng)過擠壓部分的高溫加熱和機械攪拌等處理， 原始結(jié)構(gòu)受到破壞，同時，蛋白分子聚集形成可溶或不可溶的聚合物，再經(jīng)過冷凍模具，蛋白質(zhì)分子在擠出流動方向牽引下進行重新排列，形成各向異性結(jié)構(gòu)[42]。

對比3 種豌豆蛋白和不同擠壓溫度（100，120，140，160 ℃），發(fā)現(xiàn)當溫度超過120 ℃時，3 種豌豆蛋白樣品均形成各向異性結(jié)構(gòu)，擠壓過程中，蛋白纖維的形成主要依賴于溫度[46]。Chiang 等[24]研究了不同大豆蛋白濃縮物和面筋比例對擠壓纖維結(jié)構(gòu)的影響，同時以煮熟的雞胸肉作為對照物，結(jié)果如表2 所示，隨著面筋含量的增加，各向異性度逐漸升高，形成定向纖維結(jié)構(gòu)。由于擠壓整個過程涉及復(fù)雜的輸出、輸入，因此將擠壓工藝涉及參數(shù)分為三大類：工藝參數(shù)（包括螺桿轉(zhuǎn)速、含水量、筒體溫度、螺桿結(jié)構(gòu)、模具尺寸、原材料特性等）、系統(tǒng)參數(shù)（包括能量輸入、停留時間等）、產(chǎn)品特性（包括顏色、營養(yǎng)、質(zhì)地、口感等），其中，工藝參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)均會對產(chǎn)品特性產(chǎn)生影響[47]。 盡管擠壓加工已被廣泛研究多年， 對擠壓產(chǎn)品的工藝和設(shè)計的控制還主要基于經(jīng)驗知識[48]。 擠壓構(gòu)建各向異性結(jié)構(gòu)，雖然屬于能源密集型技術(shù)，但是由于簡單、有效，仍被廣泛應(yīng)用于仿生食品。

2.2.2 定向冷凍 定向冷凍的關(guān)鍵在于控制冰晶的生長取向， 因溶質(zhì)在溶劑晶體中溶解度極低而被析出，誘發(fā)溶質(zhì)和溶劑產(chǎn)生相分離，再經(jīng)過真空冷凍干燥，晶體升華揮發(fā)后，原有位置形成定向孔道結(jié)構(gòu)，使得整個體系呈現(xiàn)各向異性[49]。 該方法主要應(yīng)用于高分子材料領(lǐng)域，經(jīng)過定向冷凍后，大分子單體等溶質(zhì)被定向分離富集， 在輻照等合成方法激發(fā)下，引起大分子單體的原位聚合反應(yīng)，從而制備出各向異性結(jié)構(gòu)[50]。 此外，食品大分子如家禽骨頭蛋白、蝦蛋白等（圖5b），經(jīng)過定向冷凍后，也可制備出定向纖維片狀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)各向異性[51-52]。

圖4 雙螺桿擠出機原理示意圖（a）[41]和擠壓仿生肉圖片（b）[42]Fig.4 Schematic diagram of twin-screw extruder （a）[41] and visual images of extruded meat analogues （b）[42]

表2 不同大豆蛋白濃縮物與面筋比例的擠壓物的各向異性度[24]Table 2 Degree of anisotropy of extruded products with different soy protein concentrate to wheat gluten ratios [24]

通過調(diào)控溶質(zhì)的濃度、冷凍條件，可實現(xiàn)對孔道結(jié)構(gòu)的微觀形貌和性能進行調(diào)節(jié)。 提高大分子濃度，孔道壁變厚，穿透性變成非穿透性，從而影響該結(jié)構(gòu)的性能；降低冷凍溫度和提高冷凍速率，促進大量的晶核形成，可調(diào)節(jié)冰晶的尺寸，進而影響孔道形貌[31，53]。 隨著冷凍速率從2 mm/min 提高到20 mm/min，定向冷凍形成的定向多孔道水凝膠的孔徑逐漸變小，且均呈現(xiàn)出各向異性結(jié)構(gòu)[54]。 定向冷凍常以水為溶劑，結(jié)合物理冷凍結(jié)晶過程，無其它化學反應(yīng)及副產(chǎn)物生成， 具備環(huán)境友好的特點，同時，整個操作工藝參數(shù)簡單，便于調(diào)控，適用范圍廣泛[55]。 該方法所有冷凍源包括液氮、有機溶液或鹽溶液，雖技術(shù)較為成熟，但存在操作復(fù)雜、制冷條件可調(diào)節(jié)性差等， 在其工業(yè)化的應(yīng)用方面有待進一步發(fā)展。

圖5 定向冷凍誘導示意圖（a）[56]和定向冷凍（-25 ℃）家禽骨頭蛋白的微觀組織形貌（b）[51]Fig.5 Schematic diagram of directional freezing （a）[56] and the microstructure of the protein isolate from poultry bones after directional freezing at -25 ℃（b）[51]

2.2.3 剪切技術(shù) 為了克服擠壓機的擠壓過程中“黑盒”（Black box）特征，受流變儀的明確剪切流程啟發(fā)， 近年來國際上引入剪切變形的技術(shù)來構(gòu)建各向異性結(jié)構(gòu)[57-58]。 目前，根據(jù)轉(zhuǎn)子形狀研制出兩種剪切裝置：錐形剪切池（a cone-cone device/shear cell）和圓柱形剪切池（a concentric cylinder device/coquette cell），同時，以大豆分離蛋白和面筋混合物為原料，結(jié)合以上模具，均制備出各向異性結(jié)構(gòu)[3]。

剪切原料特性（如蛋白濃度、種類、物料比）和剪切過程參數(shù)（如剪切速率、剪切時間、剪切溫度）可影響剪切產(chǎn)物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[59-61]。通過研究大豆分離蛋白和面筋混合比例， 發(fā)現(xiàn)純大豆分離蛋白無法制備出各向異性結(jié)構(gòu)，提高面筋濃度，剪切產(chǎn)物的纖維結(jié)構(gòu)將變成片狀結(jié)構(gòu)，因此，剪切誘導形成各向異性結(jié)構(gòu)基于原料間的相分離和形變、 固化完成[62]。 目前，酪蛋白鈣和油脂的混合物、大豆分離蛋白和面筋的混合物、 大豆分離蛋白和果膠混合物、 大豆蛋白濃縮物等均已應(yīng)用剪切技術(shù)制備出片狀或纖維結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出各向異性[59-61，63]。 Krintiras 等[64]應(yīng)用圓柱形剪切池，以大豆分離蛋白和面筋為主要原料，完成了中試擴大試驗，單次處理原料可達7.5 kg，如圖4 所示，剪切溫度120 ℃，剪切速率20 r/min， 剪切時間30 min 時， 形成厚度為3 cm 的纖維狀結(jié)構(gòu)的剪切物，呈現(xiàn)各向異性結(jié)構(gòu)。

圖6 庫埃特套筒裝置用于生產(chǎn)肉模擬纖維結(jié)構(gòu)（a）[41]；剪切產(chǎn)物（長度596mm，厚度332mm）（b）；剪切產(chǎn)物橫截面的纖維結(jié)構(gòu)[64]（c）Fig.6 Couette cell device used to produce meat-analogue fibrous structure （a）[41]； the shear-induced product（length=596 mm， thickness=332 mm）（b）； the obtained fiber structure at the cross section of shear-induced product （c）[64]

2.2.4 3D 打印技術(shù) 食品3D 打印步驟主要包括軟件建模、程序控制、物料擠出、固化成形，如圖7a 所示牛奶蛋白濃縮物（MPC）和乳清蛋白分離物（WPI）糊狀物的3D 打印效果圖。 相比于材料類的3D 打印，食品3D 打印的原料較為特別，需考慮在擠出過程中的流動性和固化成形過程中可塑性，以及一定的剛度來支撐結(jié)構(gòu)[65]。 基于打印材料的不同，食品3D 打印可分為：軟物質(zhì)擠壓，比如將面團、肉泥、奶酪等通過其自支撐混合和沉積，達到最終結(jié)構(gòu)成形的目的；熔融擠壓，通過材料擠出前后溫度的改動達到定形的作用， 常用于包括巧克力、糖果等食品；水凝膠構(gòu)建擠出，通過物料中大分子在離子或者交聯(lián)劑的誘導下凝膠化的特點，固化食品結(jié)構(gòu)[66]。 3D 打印食品不一定都存在各向異性的結(jié)構(gòu)，一般認為，只有當噴頭擠出物接收盤上有序的定向排列時， 才能較為宏觀形成各向異性的結(jié)構(gòu)如圖7a、7b，7c；另外，在3D 打印擠出的過程中，基于食品混合物的黏性流動機理，可能會出現(xiàn)分散相的拉伸定向或者排列定向， 因此一定程度上微觀也可能會出現(xiàn)各向異性的結(jié)構(gòu)， 這主要取決于剪切速率，混合物料的流變學性質(zhì)[67]。

現(xiàn)有的3D 仿生食品打印的研究與實踐應(yīng)用主要集中在產(chǎn)值較高的仿生肉制品方面，如圖7a，7b，7c， 因受到打印設(shè)備擠出噴頭尺寸的限制，仿生肉制品多為層狀的各向異性結(jié)構(gòu)， 與真實肉制品的纖維狀結(jié)構(gòu)還存在一定差距。 此外，3D 食品打印在打印效率方面還需要進一步提升，圖如7d所示結(jié)合多個噴頭同時打印， 可在提高效率的同時產(chǎn)生更為精細的各向異性結(jié)構(gòu)。

圖7 牛奶蛋白濃縮物（MPC）和乳清蛋白分離物（WPI）糊狀物的3D 打印效果圖（a）[68]；基于3D 打印設(shè)計的仿生肉制品：香腸、牛排“重組肉”、肉餅（b）[69]；六噴頭3D 打印機及其最終產(chǎn)品（c）[70]Fig.7 3D printing illustration of milk protein concentrate （MPC）and whey protein isolate （WPI）based paste hypothetical food designs based on 3D printing （a）[68]； meat analog produced by 3D printer： sausage， steak‘recombined meat’， and patty （b）[69]； examples of a filament six-head 3D printers and the resulting final product （c）[70]

2.3 其它

基于食品軟物質(zhì)體系的本質(zhì)特質(zhì)， 可參考目前在高分材料領(lǐng)域中， 尤其是與食品凝膠相似的材料類水凝膠構(gòu)建各向異性結(jié)構(gòu)較為成熟的方法，包括利用電場、磁場和力場等定向牽引，離子的定向擴散以及影印石板術(shù)構(gòu)造技術(shù)來構(gòu)建各向異性結(jié)構(gòu)材料的方法， 通過調(diào)節(jié)食品組分間的相互作用及結(jié)構(gòu)模型， 構(gòu)建具有各向異性結(jié)構(gòu)的仿生食品[71]。 然而，基于食品材料的安全性以及化學性質(zhì)較為活潑的因素， 也需要考慮食品級的原材料在電磁場作用下的穩(wěn)定性， 離子的定向擴散中所涉及的離子濃度對人體影響， 以及影印技術(shù)中相關(guān)有機溶液的殘留等問題。再者限于上述方法，目前大規(guī)模研究以及生產(chǎn)實踐的局限性， 還需對其材料/食品加工工藝的優(yōu)化創(chuàng)新做進一步探索。

3 小結(jié)

仿生食品技術(shù)是解決資源短缺、 環(huán)境保護和食品需求三者之間矛盾的重要手段， 也是實現(xiàn)食品精準高效制造產(chǎn)業(yè)化的有效途徑。 以現(xiàn)有天然食品中極具特點的各向異性結(jié)構(gòu)入手， 解析其結(jié)構(gòu)形成機理和微觀宏觀的表現(xiàn)形式， 對于研究制備仿生食品有重要意義。 基于食品材料各向異性特征， 從微觀納米級別到宏觀肉眼可見級別的多尺度性， 目前還需要深入挖掘食品組分在加工條件下多尺度的結(jié)構(gòu)變化與組分分子間的相互作用機制，從而精準調(diào)控食品結(jié)構(gòu)，有效構(gòu)建各向異性仿生結(jié)構(gòu)。 此外，融合多學科交叉發(fā)展，參考水凝膠、 軟物質(zhì)以及材料學科中物質(zhì)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的新思路，借助機械、電子元器件開發(fā)對于加工單元及設(shè)備的設(shè)計制造，可改進現(xiàn)有技術(shù)手段及加工方法，從而進一步優(yōu)化創(chuàng)新食品各向異性仿生結(jié)構(gòu)的搭建。