王 強(qiáng)，杜洪振，徐艦航，孫方達(dá)，孔保華*

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

3D打印技術(shù)簡(jiǎn)稱3D打印，是快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造技術(shù)。3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造三維物體的技術(shù)[1]。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在航空航天[2]、制藥[3]、軍事[4]、建筑[5]、服裝[6]、電子[7]及食品[8]領(lǐng)域。2007年，康奈爾大學(xué)首次在食品領(lǐng)域使用了3D打印技術(shù)，為3D打印在食品領(lǐng)域的應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。目前，研究人員已開(kāi)發(fā)出了基于面團(tuán)[9-11]、巧克力[12]、奶酪[13]、肉凝膠[14]、可食昆蟲(chóng)[15]、馬鈴薯[16-17]等原料的3D打印食品。

3D打印相對(duì)于傳統(tǒng)加工具有潛在優(yōu)勢(shì)，在個(gè)性化餐飲生產(chǎn)和定制食品設(shè)計(jì)方面受到了全球的高度關(guān)注[18]。很多老人及兒童有咀嚼和吞咽問(wèn)題，主要通過(guò)“糊狀食物”來(lái)獲取營(yíng)養(yǎng)，這種糊狀食物不僅外觀吸引力低，還會(huì)降低食欲[19]。采用3D打印可為老年人及兒童提供柔軟且新穎的食品，同時(shí)可通過(guò)改變糊狀食品的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)（如脂肪、蛋白、纖維素、維生素、植物化學(xué)素等）來(lái)提供均衡營(yíng)養(yǎng)[20]。軍用及航空領(lǐng)域也可以在惡劣的條件下（戰(zhàn)場(chǎng)或太空）使用不同類型的食品成分，通過(guò)3D打印技術(shù)在特定的包裝中按需制作各種食品[21]。另一方面，加快食品科技創(chuàng)新是食品工業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的根本出路[22]。3D打印作為一種加工方式受到了食品工業(yè)的廣泛關(guān)注。3D打印可取代多步驟生產(chǎn)過(guò)程，降低成本、提高效率、減少對(duì)環(huán)境的污染。3D打印技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用在多種食物的生產(chǎn)過(guò)程中，為食品的工業(yè)生產(chǎn)提供了更多的參考和選擇。

肉類是人類日常飲食中重要的組成部分，可以提供人體必需的營(yíng)養(yǎng)與熱量。肉類的蛋白質(zhì)含量豐富，且是優(yōu)質(zhì)蛋白，其必需氨基酸比例接近人體需要，易于消化吸收。此外肉類還能補(bǔ)充VA、VB1、VB2、尼克酸、無(wú)機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)成分[23]。肉類不僅營(yíng)養(yǎng)豐富，經(jīng)常吃肉還可使大腦靈活、提高免疫力、緩解疲勞和助增肌肉[24]。所以，將肉類原料引入3D打印領(lǐng)域可以滿足更多人的需求，也為食品3D打印領(lǐng)域拓寬了原料范圍。本文簡(jiǎn)介了食品3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理、肉糜和培養(yǎng)肉的3D打印工藝，詳細(xì)介紹了影響兩種打印工藝的關(guān)鍵參數(shù)以及后處理對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響，最后展望了肉類3D打印的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)升級(jí)方向，為肉類的3D打印提供參考。

1 食品3D打印機(jī)

食品3D打印機(jī)是一種能夠快速打印原型產(chǎn)品的機(jī)器[25]。食品3D打印機(jī)系統(tǒng)主要是由計(jì)算機(jī)、3D打印控制系統(tǒng)、物料進(jìn)給系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)路徑電機(jī)系統(tǒng)、噴嘴電機(jī)系統(tǒng)及打印平臺(tái)這幾部分組成[26]。食品3D打印機(jī)工作原理主要是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)三維模型，然后通過(guò)三維軟件建立立體模型，隨后將建立的立體模型輸入到3D打印機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，在3D打印機(jī)中設(shè)定操作參數(shù)，此時(shí)3D打印機(jī)將通過(guò)控制系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)打印頭擠出機(jī)電機(jī)和坐標(biāo)電機(jī)，最后結(jié)合物料加工特性將物料按照設(shè)定的圖形打印在平臺(tái)上[27]，3D打印機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 食品3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)圖[27]Fig.1 Structure diagram of 3D food printer[27]

雖然如今食品3D打印機(jī)已經(jīng)得到廣泛開(kāi)發(fā)且打印機(jī)種類較多，但其分類上的區(qū)別主要在于驅(qū)動(dòng)路徑和打印方式兩個(gè)方面。食品3D打印的驅(qū)動(dòng)路徑需通過(guò)坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)應(yīng)用的坐標(biāo)系類型主要有圖2所示的笛卡爾坐標(biāo)、三角坐標(biāo)、極坐標(biāo)和平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)4 種形式[28-29]。不同坐標(biāo)形式3D打印機(jī)的明顯差別在于打印速度和打印精度兩方面。在選擇打印機(jī)的時(shí)候，需綜合考慮打印速度和打印精度的影響，選擇合適的坐標(biāo)形式打印機(jī)。此外，食品3D打印機(jī)的最根本的區(qū)別就是打印方式，打印方式?jīng)Q定了打印機(jī)可打印的原材料類型?，F(xiàn)階段食品3D打印機(jī)的打印方式主要有4 種，分別是選擇性燒結(jié)（激光燒結(jié)/熱風(fēng)燒結(jié)）、擠出打?。崛蹟D出/室溫?cái)D出/凝膠擠出）、黏結(jié)劑噴射和噴墨打印，其中應(yīng)用最為廣泛的方法是熱熔擠出、室溫?cái)D出和凝膠擠出[30]，其擠出原理如圖3所示[29]?；谖锪蠑D出的打印方式已經(jīng)在食品加工過(guò)程中被廣泛的應(yīng)用，如熱熔擠出打印巧克力豆或巧克力粉等、室溫?cái)D出打印土豆泥、餅干和肉醬等、凝膠擠出打印瓊脂和糖果等[28]。

圖2 食品3D打印坐標(biāo)形式Fig.2 Coordinate forms of 3D food printing

圖3 擠出型食品3D打印成型原理[29]Fig.3 Principles of extrusion-based 3D food printing molding[29]

2 肉類原料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，3D食品打印技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其在巧克力、果蔬、昆蟲(chóng)蛋白及肉類領(lǐng)域都有較豐富的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，其中技術(shù)難度最大的當(dāng)屬于本身不具有打印性能的肉類和果蔬。肉類的打印可分為兩類，一類是以肉糜為原料的3D打印，另一類是人造培養(yǎng)肉的3D打印。肉糜在打印時(shí)受機(jī)械性能、參數(shù)設(shè)定、理化因素、流變學(xué)特性、感官性能等因素約束，使其不具備可打印性[19]。因此，打印時(shí)需要借助穩(wěn)定劑、增稠劑、鹽和微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶（microbial transglutaminase，MTGase）等使肉類獲得可以打印的流變性質(zhì)[31]。Dick等[32]研究了黃原膠和瓜爾豆膠單獨(dú)添加和復(fù)合添加對(duì)3D打印熟豬肉醬流變學(xué)、質(zhì)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)的影響，并發(fā)現(xiàn)加入水膠體的肉醬獲得了很好的流變性能、支撐力和打印性能。Wang Lin等[33]開(kāi)發(fā)了一種基于魚(yú)糜凝膠系統(tǒng)的新型3D打印食品，這也為肉類從不可打印到具備打印性提供了支持。此外，Liu等[34]將3D打印技術(shù)與纖維狀肉類材料相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了多款可以使用纖維肉作為打印材料的3D食品打印機(jī)。該新型食品打印機(jī)改善了存儲(chǔ)容量、物料特性和物料類型的限制，大大提高了作業(yè)效率和生產(chǎn)率。以上研究結(jié)果表明肉糜在借助添加劑后是可以進(jìn)行3D打印的。不過(guò)肉糜的3D打印受其自身特性的限制，打印方式主要還是基于擠壓，因?yàn)樗诩羟辛Φ淖饔孟潞苋菀讖膰娮熘袛D出，離開(kāi)噴嘴后又能使其凝固，且凝固后依然可以保持打印結(jié)構(gòu)不坍塌[35]。圖4是肉糜成功進(jìn)行3D打印的產(chǎn)品圖[19]。

培養(yǎng)肉的3D打印既不同于肉糜的3D打印，也不同于單獨(dú)培養(yǎng)肉類，因?yàn)樗戎С执蛴〖?xì)胞生長(zhǎng)增殖所需支架內(nèi)部的肌肉細(xì)胞和脂肪細(xì)胞，也支持打印細(xì)胞外基質(zhì)的細(xì)胞。Gershlak等[36]打印了一種具有細(xì)胞相容性的植物組織作為預(yù)血管化支架，并利用3D打印技術(shù)將人內(nèi)皮細(xì)胞打印在其內(nèi)表面，將心肌細(xì)胞黏附在植物支架的外表面進(jìn)行組織培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)21 d后細(xì)胞功能正常。這說(shuō)明3D打印技術(shù)可將細(xì)胞按照需求精確地打印在支架平臺(tái)的不同位置來(lái)培養(yǎng)具有高度結(jié)構(gòu)的肉。細(xì)胞和生物材料組成的生物墨水是打印過(guò)程的一個(gè)重要方面，因?yàn)樗梢灾圃熘Ъ芙Y(jié)構(gòu)，在支架結(jié)構(gòu)中肌肉纖維最終形成肉[37-38]。在打印過(guò)程之后，通常使用提供營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸?shù)纳锓磻?yīng)器使肉類進(jìn)一步成熟[38]。相比之下，單獨(dú)培養(yǎng)的肉（沒(méi)有3D打印）是通過(guò)增殖肌肉細(xì)胞并將它們附著在支架或載體上，然后轉(zhuǎn)移到帶有生長(zhǎng)介質(zhì)的合適的生物反應(yīng)器中來(lái)生產(chǎn)的[39]。這種方法不能像3D打印一樣生產(chǎn)像牛排這樣高度精密結(jié)構(gòu)的肉[40]。肉類打印已經(jīng)克服了本身不可打印和打印機(jī)不適配的問(wèn)題。肉類的打印現(xiàn)已具備打印條件、滿足打印要求，不過(guò)高質(zhì)量的打印技術(shù)依然需要去探索開(kāi)發(fā)。接下來(lái)將從肉糜的3D打印工藝和培養(yǎng)肉的3D打印工藝兩方面來(lái)論述3D打印在肉品中的應(yīng)用。

2.1 肉糜的3D打印工藝

肉糜的3D打印可使肉類食品營(yíng)養(yǎng)更加均衡，外觀更加豐富，可增加消費(fèi)者的食欲和食物本身的吸引力[41]。但是到目前為止，肉糜3D打印的研究報(bào)道還較少。肉糜的3D打印首先是要選擇打印所需的各種肉類原料，如豬肉、牛肉和魚(yú)肉等[19,32-34,42]，然后將肉塊中不易攪碎的結(jié)締組織和影響打印效果的脂肪剔除，剔除后將肉分成小塊置于絞肉機(jī)進(jìn)行精細(xì)粉碎，隨后在粉碎好的肉糜中加入適合的添加劑使肉糜具有打印所需的流變和膠凝特性，最后將調(diào)制好的肉糜放入3D打印機(jī)的物料盒中進(jìn)行3D打印[19,32-34,42-43]。3D打印工藝最關(guān)鍵的問(wèn)題就是增加肉糜的打印性和設(shè)置恰當(dāng)?shù)拇蛴?shù)。圖5總結(jié)了肉糜3D打印的典型工藝流程。

圖5 肉糜的3D打印工藝流程Fig.5 Flow chart for 3D printing of minced meat

2.1.1 配方設(shè)計(jì)及前處理

3D打印技術(shù)可以滿足不同消費(fèi)者對(duì)肉類的需求，能夠根據(jù)個(gè)人喜好、營(yíng)養(yǎng)需求和感官質(zhì)量角度來(lái)設(shè)計(jì)打印配方。Lipton等[31]將火雞肉泥和芹菜漿一起打印，用于豐富營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，所得打印產(chǎn)品既有火雞肉和芹菜的風(fēng)味又有兩種原料豐富的營(yíng)養(yǎng)成分。Dong Xiuping等[44]以日本尖吻對(duì)蝦魚(yú)糜為3D打印材料，以MTGase為添加劑制作肉糜并進(jìn)行3D打印，得到的打印產(chǎn)品形狀更豐富，食用更方便。Dick等[32]以熟豬肉為打印原料，并在肉糊中添加了黃原膠和瓜爾豆膠的水膠體混合物來(lái)增強(qiáng)打印特性，從而為吞咽困難的人群打印易食食品。綜上，能夠根據(jù)個(gè)人需求和喜好調(diào)整打印配方是3D打印的優(yōu)勢(shì)。選定要打印的肉類之后，瘦肉原料需要剔除脂肪和不易攪碎的結(jié)締組織再進(jìn)行分塊攪碎，單純的脂肪和培養(yǎng)肉塊則可以直接分成小塊攪碎，小肉塊攪碎時(shí)應(yīng)多次通過(guò)絞肉機(jī)使其更均勻、顆粒更小。作為一種纖維材料，生肉需要被精細(xì)地粉碎成粒度可控的糊狀，以便通過(guò)噴嘴將其擠壓到微米級(jí)。粉碎程度將取決于要打印的產(chǎn)品的類型及其質(zhì)地特性，顆粒過(guò)大可能會(huì)堵塞打印機(jī)噴嘴[45]。之所以剔除結(jié)締組織和脂肪，一方面是為了避免結(jié)締組織粉碎不完全阻塞噴嘴；另一方面則是為了打印產(chǎn)品的美觀。

2.1.2 添加劑的應(yīng)用

肉類本身是不具備打印性的，需要借助水膠體或輔助添加劑來(lái)滿足打印所需要的流變屬性和凝膠強(qiáng)度并獲得能夠同時(shí)支撐沉積過(guò)程和沉積后結(jié)構(gòu)的能力[46]。3D打印肉類在打印之前需要將肉攪碎成均勻的肉糜，而肉糜在加工過(guò)程中容易發(fā)生變色、微生物增殖和氧化反應(yīng)等使肉質(zhì)劣化。為了使肉的感官品質(zhì)更佳，可在肉糜中科學(xué)合理地添加護(hù)色劑、發(fā)色劑、抗氧化劑、多價(jià)螯合劑和抑菌劑等來(lái)保障產(chǎn)品的品質(zhì)，如添加硝酸鹽、亞硝酸鹽、抗壞血酸、磷酸鹽、山梨酸等[47]。此外，肉與果蔬等打印材料不同，肉的絞碎有助于提取可溶性蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)與水、鹽和脂肪相互作用，形成乳狀物狀的可打印糊狀物[42]。在肉糜中加入NaCl或磷酸鹽可以提取肌原纖維蛋白，肌原纖維蛋白在穩(wěn)定肉糜方面起著重要作用。Dick等[42]在對(duì)牛肉進(jìn)行3D打印時(shí)使用了1.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的NaCl來(lái)穩(wěn)定肉糜，但由于未使用磷酸鹽，所以加大了NaCl的使用量。Wang Lin等[33]研究了添加NaCl對(duì)3D打印用魚(yú)糜凝膠的流變特性、凝膠強(qiáng)度、持水性能、水分分布和微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入NaCl有利于漿料及時(shí)從噴嘴流出，從而獲得黏性后沉積，以保持其形狀。鹽類的大量使用雖然可以對(duì)肉醬的穩(wěn)定起到一定作用，但也會(huì)對(duì)消費(fèi)者的身體造成負(fù)擔(dān)，所以肉類3D打印的工藝也開(kāi)始朝著減鹽的方向發(fā)展。MTGase是一種酰基轉(zhuǎn)移酶，能誘導(dǎo)肌球蛋白重鏈上賴氨酸殘基的ε-氨基和肌球蛋白重鏈上的谷氨酰胺殘基的γ-羧酰胺基團(tuán)之間形成非二硫共價(jià)鍵，催化蛋白質(zhì)多肽發(fā)生分子內(nèi)和分子間的共價(jià)交聯(lián)，提高肉糜的乳化性、乳化穩(wěn)定性、保水性、凝膠能力和打印性，從而可以部分替代鹽類[48]。MTGase不僅可將碎肉黏接在一起，還可將非肉蛋白交聯(lián)到肉類蛋白上，明顯改善肉制品的口感、風(fēng)味、組織結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)。Dong Xiuping等[44]曾以日本尖吻對(duì)蝦魚(yú)糜為打印原料，以MTGase為添加劑進(jìn)行3D打印。MTGase有效地改善了魚(yú)糜凝膠的3D打印性能、黏彈性、力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)。Lipton等[31]也曾將MTGase用于火雞的3D打印以提高打印性能。這說(shuō)明鹽類和MTGase都可以與肉蛋白結(jié)合來(lái)穩(wěn)定肉糜從而提高打印性，但對(duì)于打印而言，MTGase與肉蛋白之間的共價(jià)交聯(lián)作用要優(yōu)于鹽和蛋白之間的鹽溶作用，所以MTGase可以代替部分鹽類的使用，為肉糜提供更好的乳化性、乳化穩(wěn)定性、保水性、凝膠能力和打印性。

在肉糜中加入鹽和MTGase等后，肉糜的流變性能、凝膠性能也還有待提高。肉糜還可以通過(guò)添加水膠體來(lái)提高打印性。水膠體又被叫作膠凝劑、穩(wěn)定劑和增稠劑，可以很好地提高肉醬的流變性和打印性[49]。水膠體雖然種類繁多，但目前肉類3D打印用到的水膠體還較少。Tahergorabi等[50]在魚(yú)糜中使用了海藻酸鈉和明膠作為水膠體來(lái)提高魚(yú)糜的穩(wěn)定性及凝膠性。Dick等[42]在牛肉醬中加入了0.5%的瓜爾膠實(shí)現(xiàn)了瘦肉和脂肪的分層打印，還將黃原膠和瓜爾豆膠以單獨(dú)添加（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.36%）和復(fù)合添加（1∶1、7∶3、3∶7）的方式為吞咽困難的人群打印豬肉產(chǎn)品。以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明在肉醬中添加不同的食品親水膠體可以通過(guò)不同的結(jié)合機(jī)制來(lái)改善肉糜的流變和機(jī)械性能，從而提高其打印性和后處理活性。

2.2 培養(yǎng)肉的3D打印工藝

培養(yǎng)肉是在生物反應(yīng)器中使用組織工程技術(shù)生產(chǎn)的肉，其外觀與傳統(tǒng)肉類相似[51]。培養(yǎng)肉已經(jīng)成為全球食品工業(yè)的一項(xiàng)突破性技術(shù)，被認(rèn)為是在不久的將來(lái)緩解嚴(yán)重的環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、全球公共健康和動(dòng)物福利問(wèn)題的潛在解決方案。盡管培養(yǎng)肉有望補(bǔ)充甚至取代傳統(tǒng)肉類，但在早期階段仍有許多技術(shù)問(wèn)題需要解決[43]。目前，培養(yǎng)肉產(chǎn)品口感過(guò)于松散，不能產(chǎn)生真正咀嚼的感覺(jué)。因此，迫切需要3D打印來(lái)重塑人造肉的結(jié)構(gòu)，逼真地復(fù)制真肉緊湊而富有彈性的結(jié)構(gòu)[52]。培養(yǎng)肉的3D打印首先要選擇并獲取可以定向分化為各種肉類細(xì)胞的干細(xì)胞，然后利用3D打印機(jī)將細(xì)胞按照定制化的程序精準(zhǔn)地打印在可食用的支撐結(jié)構(gòu)中，最后在充滿營(yíng)養(yǎng)的生物反應(yīng)器內(nèi)將細(xì)胞原料培養(yǎng)成工程肉，其打印工藝如圖6所示[53]。

圖6 培養(yǎng)肉的3D打印工藝流程[53]Fig.6 Flow chart for 3D printing of cultured meat[53]

2.2.1 原料細(xì)胞的預(yù)處理

培養(yǎng)肉所需的原材料主要是細(xì)胞、營(yíng)養(yǎng)液和可食用支架。培養(yǎng)肉的細(xì)胞組成主要是脂肪細(xì)胞、肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞，所以只需要選擇能夠分化成上述細(xì)胞的干細(xì)胞即可。肌肉衛(wèi)星細(xì)胞和脂肪來(lái)源的干細(xì)胞是培養(yǎng)肉類應(yīng)用的重要細(xì)胞來(lái)源[54]。從活體中分離的肌肉衛(wèi)星細(xì)胞使用特定的細(xì)胞表面標(biāo)記進(jìn)行純化，可以轉(zhuǎn)化為肌纖維[55]。同樣，從骨髓和脂肪組織中獲得的干細(xì)胞可以分化為成骨、軟骨或脂細(xì)胞系[56]。選擇好培養(yǎng)肉所需的細(xì)胞原料后，還需要注意的就是可食用支架了。用于培養(yǎng)肉發(fā)育的肌肉衛(wèi)星細(xì)胞和其他主要細(xì)胞都是貼壁細(xì)胞，所以需要支架用于細(xì)胞黏附。用于培養(yǎng)生產(chǎn)的支架必須具有生物活性、細(xì)胞相容性、較大的表面積、可靈活收縮和最大限度的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散和溶劑循環(huán)特性，以支持組織成熟，并且被消化/分離后可以食用而不顯示毒性和過(guò)敏反應(yīng)[57]。Narayanan等[58]使用纖維素、海藻酸鹽和殼聚糖等制成了多孔材料并將材料在溫度或pH變化最小的情況下進(jìn)行表面修飾，最后制成了用于培養(yǎng)肉培養(yǎng)的可食用支架。這說(shuō)明選用結(jié)構(gòu)特性合適的多糖和穩(wěn)定劑可以制成可食用支架，不過(guò)在制備技術(shù)上還需要大量的探索。

2.2.2 培養(yǎng)肉的3D打印

3D生物打印是一項(xiàng)基于組織工程的新技術(shù)，目前仍處于食品應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段，目標(biāo)是通過(guò)打印培養(yǎng)的干細(xì)胞來(lái)獲得生肉組織。3D生物打印的打印方式主要分為噴墨3D打印、微擠壓3D打印和激光輔助3D打印。噴墨3D打印是使用熱力、壓電力或電磁力以連續(xù)的方式分配生物墨滴[59]；微擠壓3D打印是利用機(jī)械或氣動(dòng)通過(guò)噴嘴連續(xù)分配生物墨水[60]；激光輔助3D打印則是通過(guò)含有生物墨水的“色帶”引導(dǎo)激光脈沖，生物墨水和細(xì)胞懸浮在色帶的底部，當(dāng)被激光脈沖蒸發(fā)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高壓氣泡，最終將離散的液滴推進(jìn)到恰好位于色帶上方的接收基板上[61]，不同3D生物打印具體原理如圖7所示[62]。通過(guò)3D生物打印工藝可以精確地調(diào)節(jié)細(xì)胞比例、細(xì)胞位置，甚至特定類型的細(xì)胞密度[53]。為了實(shí)現(xiàn)3D生物打印的培養(yǎng)肉，培養(yǎng)過(guò)程需要可食用材料的生物仿生支架來(lái)支持細(xì)胞的存活和生長(zhǎng)。3D噴墨打印機(jī)按照軟件程序預(yù)設(shè)好的三維模型將細(xì)胞沉積到打印好的支撐結(jié)構(gòu)中，然后融合并形成工程肉，并在生物反應(yīng)器中對(duì)組織進(jìn)行低頻刺激，以使肉類纖維成熟[19]。3D生物打印有望在不影響肉質(zhì)和肉樣輪廓的情況下實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)肉的打印。最新的3D打印技術(shù)已經(jīng)能夠制造靈活的人造血管[63]，并對(duì)人造肉的顆粒和韌性進(jìn)行局部控制以更好地模擬真肉[64-65]。

圖7 3D生物打印不同打印方式示意圖[62]Fig.7 Schematic diagram of 3D bioprinting methods[62]

2.3 影響肉類3D打印工藝的關(guān)鍵參數(shù)

影響肉類3D打印的關(guān)鍵參數(shù)較多，打印墨水的自身性質(zhì)就具有很高的參數(shù)要求，如打印材料的流變學(xué)性質(zhì)、凝膠強(qiáng)度、熱凝固溫度等都會(huì)影響打印質(zhì)量。肉糜作為打印墨水其黏度特性一般都隨剪切速率（0.1～100.0 s-1）的增加而降低，是具有剪切變稀行為的假塑性流體[33]。對(duì)于肉糜來(lái)說(shuō)，黏度越高，其交聯(lián)結(jié)構(gòu)形成的越好，后沉積效果越好，但黏度過(guò)大，也會(huì)破壞凝膠形成的能力，降低打印準(zhǔn)確性[44]。除黏度之外，儲(chǔ)能模量（彈性或類固體特性）、損耗模量（黏性或類流體特性）以及損耗角正切也是影響打印的關(guān)鍵流變參數(shù)，可用來(lái)確定鹽、酶、水膠體的最佳添加量以及最佳加工溫度范圍。當(dāng)儲(chǔ)能模量與損耗模量相當(dāng)或儲(chǔ)能模量大時(shí)，即損耗角正切值不高于1時(shí)打印材料會(huì)表現(xiàn)出類似固體的行為，具有較好的自支撐能力，有利于打印[42]。Dick等[32]通過(guò)流變儀對(duì)豬油進(jìn)行了溫度梯度實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)豬油溫度低于27.9 ℃時(shí)，其損耗角正切不高于1，此時(shí)的豬油有較強(qiáng)的自支撐能力。除流變性質(zhì)外，凝膠強(qiáng)度也是魚(yú)糜類打印墨水極其重要的功能特性。鹽類和MTGase會(huì)使蛋白膨脹，從而增加蛋白質(zhì)分子間的相互作用，增加魚(yú)糜的凝膠強(qiáng)度，凝膠強(qiáng)度的增加也增加了墨水的自支撐能力，從而提高打印質(zhì)量[33]。此外，最值得注意的一點(diǎn)就是添加了MTGase的墨水凝膠在打印后應(yīng)在最佳熱凝固溫度和時(shí)間（40 ℃、60 min）下熱處理，魚(yú)糜會(huì)被催化形成更多的共價(jià)鍵，進(jìn)一步形成更強(qiáng)的凝膠[44]。

3D肉類打印不僅受打印材料自身的理化性質(zhì)影響，還受?chē)娮鞙囟?、噴嘴直徑、噴嘴高度、噴嘴移?dòng)速度、擠壓速率、填充百分比等工藝參數(shù)的影響。肉類打印不同于其他打印材料，肉糜本身屬于易腐食品，在打印過(guò)程中需要控制其打印溫度，應(yīng)在整個(gè)進(jìn)料系統(tǒng)、料斗、噴嘴和平臺(tái)本身以不間斷的方式進(jìn)行溫度控制來(lái)抑制微生物的生長(zhǎng)[19]。培養(yǎng)肉的打印同樣要控制打印溫度來(lái)保持原料細(xì)胞的活性和完整性。此外，噴嘴的溫度還會(huì)影響配方的流動(dòng)性，升高溫度會(huì)降低流體黏度[66]；在噴嘴直徑方面，Wang Lin等[33]在研究3D打印魚(yú)糜凝膠的打印變量中發(fā)現(xiàn)，噴嘴直徑越小，最終結(jié)構(gòu)的尺寸分辨率和打印質(zhì)量越高，然而過(guò)小的噴嘴尺寸（0.8 mm和1.5 mm）則會(huì)造成擠壓材料的長(zhǎng)度和寬度不一致，導(dǎo)致模型質(zhì)量不佳。最佳的噴嘴高度建議為噴嘴直徑的長(zhǎng)度，當(dāng)噴嘴高度大于最佳噴嘴高度時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致肉膏流的拖曳。噴嘴速度和擠壓速率要配合設(shè)置參數(shù)，參數(shù)設(shè)置不當(dāng)也會(huì)造成肉膏流上的拖曳、欠沉積和過(guò)沉積，噴嘴速度同樣決定打印頭的移動(dòng)速度，需要通過(guò)初步試驗(yàn)或計(jì)算最佳噴嘴速度來(lái)調(diào)整[19]。不同的填充百分比將影響打印結(jié)構(gòu)內(nèi)部的沉積材料的總量，從而影響最終3D打印肉糜產(chǎn)品中的空隙率和后處理?xiàng)l件。例如，空隙率將決定特定程度熟肉的烹調(diào)條件，因?yàn)橛捎诮Y(jié)構(gòu)中保留的孔隙率越多，在烹調(diào)過(guò)程中發(fā)生的傳熱就越少，從而影響水分和脂肪的釋放，影響熟肉產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)[20]。綜上可知，關(guān)鍵參數(shù)中的每一個(gè)參數(shù)都以單獨(dú)和/或組合的方式影響打印成品的精度和質(zhì)量。一般說(shuō)來(lái)，在3D打印肉類的過(guò)程中調(diào)整上述對(duì)幾何精度至關(guān)重要的參數(shù)時(shí)，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)因素。例如，較低的打印速度和噴嘴直徑，以及較高的填充百分比，可能會(huì)導(dǎo)致較高的精度，但會(huì)延長(zhǎng)打印時(shí)間，增加時(shí)間成本。

2.4 肉類3D打印的后處理

無(wú)論是肉糜還是培養(yǎng)肉的3D打印完成后都需要進(jìn)一步的熱處理，如蒸、煮、煎、炸。后處理的方式主要取決于個(gè)人喜好和成品的性質(zhì)。我們需要考慮打印產(chǎn)品承受烹飪操作的能力以及其是否會(huì)因?yàn)榕腼儞p失/收縮而失去3D打印的復(fù)雜設(shè)計(jì)和感官品質(zhì)。Dick等[42]研究了不同填充物密度（50%、75%、100%）和脂肪含量（結(jié)構(gòu)內(nèi)0、1、2、3 個(gè)脂肪層）對(duì)豬油3D印花肉制品熟制過(guò)程中后期物理變化和質(zhì)構(gòu)的影響。從生的和熟的樣品中收集數(shù)據(jù)，以確定烹飪損失、收縮率、保濕性、脂肪保留率、硬度、咀嚼性和凝聚力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)保持完整，填充物密度對(duì)保濕性、硬度和咀嚼性呈正相關(guān)，對(duì)收縮性和黏聚性呈負(fù)相關(guān)，脂肪含量與蒸煮損失、收縮性、黏聚性呈正相關(guān)，與脂肪保濕性、硬度、咀嚼性呈負(fù)相關(guān)。這說(shuō)明后處理是影響打印肉品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，產(chǎn)品必須考慮不同的后處理方式帶來(lái)的感官品質(zhì)損失。為了降低或防止后加工帶來(lái)的食物品質(zhì)的劣化，要選擇理化性能和流變性能穩(wěn)定的原料。

3 3D打印肉的發(fā)展前景及趨勢(shì)

3.1 多噴嘴打印

現(xiàn)階段肉類打印一般都是單噴嘴和雙噴嘴擠出打印，這種打印方式僅限于原材料種類較少的打印。無(wú)論是肉類打印還是其他食品原料都應(yīng)該探索更多的打印方式，打印出更多結(jié)構(gòu)組成和均衡營(yíng)養(yǎng)的食品，也應(yīng)該開(kāi)發(fā)更多的輔助技術(shù)去增加打印材料的可打印性[42]。如將多種果蔬、輔助營(yíng)養(yǎng)劑和肉類采用多噴嘴打印方式一同打印，增加營(yíng)養(yǎng)攝入的均衡性，避免因兒童挑食造成的營(yíng)養(yǎng)不良。

3.2 個(gè)性化打印

肉類打印的顏色較為單一，為了更好地吸引消費(fèi)者，未來(lái)可開(kāi)發(fā)多噴嘴打印方式將肉類和果蔬等一同打印增加其色彩豐富度，調(diào)動(dòng)消費(fèi)者食欲和購(gòu)買(mǎi)欲。Zhao Haiming等[67]考慮到3D食品打印的制作限制，提出了一種新的制作個(gè)性化可食用圖案的框架，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)輸入圖像進(jìn)行抽象處理；并提出了一種新的打印路徑優(yōu)化方法，用于生成3D食品打印的可打印路徑。這種方式主要根據(jù)調(diào)整打印噴嘴的大小來(lái)提高圖像打印質(zhì)量。此研究還采用了基于深度優(yōu)先搜索的方法對(duì)打印圖案進(jìn)行優(yōu)化提高了打印速度，將3D打印、食品定制和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合來(lái)制作個(gè)性化可食用圖案，如肖像照片、藝術(shù)素描等。

3.3 肉類加工廢棄物的再利用

目前肉類屠宰企業(yè)在屠宰和分割過(guò)程中往往產(chǎn)生很多碎肉和脂肪，這些碎瘦肉和脂肪的品質(zhì)很好，市場(chǎng)價(jià)格低廉，但沒(méi)有得到有效的利用。此外肉類加工過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生很多可食用的邊角料廢肉和內(nèi)臟，3D打印可以賦予這些碎肉、內(nèi)臟和脂肪新的呈現(xiàn)形式，如重組牛排、重組肉餅和多彩肝泥等[68]。

3.4 3D打印肉與其他打印技術(shù)的結(jié)合

靜電紡絲能夠生產(chǎn)直徑在10～1 000 nm之間的薄固體聚合物鏈，它可以用于生物活性食品包裝。靜電紡絲可以生產(chǎn)大小和結(jié)構(gòu)可控的食品原料，從而生產(chǎn)出更健康的食品（低脂肪和低鹽），它還能夠在多尺度下將非傳統(tǒng)食品原料塑造成吸引人的可食用結(jié)構(gòu)[69]。靜電紡絲和食品打印的集成可以提供一種可能的一體化解決方案來(lái)制造具有個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)的食品，即從材料中提取纖維或子成分，封裝營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，控制其分配體積，并構(gòu)建營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可控釋放的食品結(jié)構(gòu)[70]。這種方式可以為口感愉悅的食品（例如肉類中的肌肉纖維）提供結(jié)構(gòu)和質(zhì)地。不過(guò)目前面臨的挑戰(zhàn)是在食品打印平臺(tái)上集成和操縱靜電紡絲過(guò)程。

微膠囊可以將礦物質(zhì)、維生素、香料和精油包裝在另一種材料中，以屏蔽活性成分與周?chē)h(huán)境的影響。作為微膠囊的一種，電流體霧化已經(jīng)被納入生物打印機(jī)的設(shè)計(jì)中，以生產(chǎn)用于生物活性藥物輸送系統(tǒng)的雙壁微球。將這種技術(shù)集成到食品打印中可以通過(guò)使用多打印頭系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中至少一個(gè)打印頭在制成的食品中產(chǎn)生和分配微膠囊。這將幫助易碎和敏感的材料在加工和包裝條件下存留下來(lái)，延長(zhǎng)活性成分的保質(zhì)期，并形成風(fēng)味和顏色掩蔽，只有在消費(fèi)者觸發(fā)時(shí)才會(huì)釋放[70]。該方法簡(jiǎn)化了目前功能性食品的生產(chǎn)工藝，提高了功能成分的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了調(diào)味品和營(yíng)養(yǎng)素的控制釋放。

靜電紡絲和微膠囊的應(yīng)用包括了提取纖維和封裝營(yíng)養(yǎng)，從而為打印提供了額外的材料來(lái)源。這兩項(xiàng)技術(shù)還可以通過(guò)多打印頭平臺(tái)直接集成到食品3D打印過(guò)程中，以控制纖維和營(yíng)養(yǎng)分配。這可能是一種潛在的按需制造食品的方式。

4 4D、5D打印技術(shù)

4D打印是最近被創(chuàng)造的術(shù)語(yǔ)，它起初是在3D打印的基礎(chǔ)上加了時(shí)間的概念而定義。但后來(lái)有了新的定義：一個(gè)3D打印結(jié)構(gòu)被暴露于預(yù)定刺激下（如熱、水、光、pH值等），其功能、形狀、性能可隨時(shí)間發(fā)生變化[71]。4D打印的打印材料一般為形狀記憶聚合物、形狀記憶合金、形狀記憶水凝膠等具有形狀記憶功能的材料[72]。形狀記憶水凝膠是一種聚合物的自我適應(yīng)性大分子互連網(wǎng)絡(luò)，其功能是捕獲和釋放水（提供刺激），通過(guò)收縮和膨脹促進(jìn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變[73]。麻省理工學(xué)院研究人員開(kāi)發(fā)了一種明膠薄片，它們?cè)谒薪輹r(shí)會(huì)變成3D形狀[74]。Gazal等[75]生產(chǎn)了一種4D健康食品，其中組合了兩種3D打印凝膠——花青素-馬鈴薯淀粉凝膠和檸檬汁凝膠，花青素-馬鈴薯淀粉凝膠在噴灑不同的pH值溶液時(shí)改變顏色。Guo Jinhua等[73]整合了納米級(jí)有機(jī)瓊脂糖纖維的凝膠油墨，并利用其熱可逆的變形能力，使打印的鯨魚(yú)和章魚(yú)造型更加生動(dòng)。實(shí)質(zhì)上食品3D打印也可以被認(rèn)為是4D打印，因?yàn)槌善吩谙M(fèi)之前可能需要經(jīng)過(guò)烹飪或處理，而且在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)需要考慮打印后的形狀和尺寸變化。

5D打印的術(shù)語(yǔ)是從機(jī)械領(lǐng)域發(fā)展而來(lái)的。5D打印可以被定義為五軸3D打印機(jī)，不是常規(guī)3D打印中使用的三軸打印機(jī)。五軸3D打印機(jī)從多個(gè)方向（x、y、z旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)）構(gòu)建對(duì)象，從而產(chǎn)生比常規(guī)3D打印更堅(jiān)固的部件[71]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要介紹了肉糜和培養(yǎng)肉的3D打印工藝，有助于進(jìn)一步將3D打印技術(shù)融入到肉品加工領(lǐng)域。綜合本文可知，肉糜的3D打印與培養(yǎng)肉的3D打印不同，肉糜的打印需要與鹽、MTGase和水膠體結(jié)合獲得打印所需的流變性能和凝膠性能以進(jìn)行打印，而培養(yǎng)肉的打印則是將細(xì)胞定量且精準(zhǔn)的沉積到可食用支架結(jié)構(gòu)中進(jìn)而融合成工程肉并在生物反應(yīng)器中使肉類纖維成熟。兩種打印的原理雖然不同，但打印的精度和質(zhì)量均由噴嘴溫度、噴嘴直徑、噴嘴高度、噴嘴移動(dòng)速度、擠壓速率和填充百分比等工藝參數(shù)以單獨(dú)和/或組合的方式?jīng)Q定。無(wú)論是肉糜還是培養(yǎng)肉的打印產(chǎn)品都需要選擇對(duì)感官品質(zhì)影響最小的后加工方式處理。目前，基于肉類原料的3D打印研究相對(duì)較少，但未來(lái)的發(fā)展?jié)摿薮蟆？梢岳?D打印技術(shù)合理地按需加工單一或多種肉類，也可以搭配果蔬形成組合原料，為特殊人群制定個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)食品。當(dāng)然也期待真正的4D打印早日用于肉類原料，讓形狀記憶類打印材料賦予打印產(chǎn)品第二次“生命”。