果蔬基原料作為兒童飲食的3D打印研究進展

林敏,袁佳璐,周佳,程玉嬌,焦必寧,2,馬亞琴,2,3*

1(西南大學 柑桔研究所,重慶,400715)2(農業農村部柑橘類果品質量安全控制重點實驗室,西南大學,重慶,400715)3(國家柑桔工程技術研究中心,重慶,400715)

3D打印,又名“增材制造”技術。相比傳統的僅停留在物體表面印刷進行信息傳遞功能的二維結構,3D打印能根據提前設計好的CAD模型文件,在打印平臺上將可打印油墨按層層累積的方式創建不同結構的產品[1]。3D打印技術具有打印過程簡便快速、可打印的原料豐富多樣、設計的產品結構更復雜、制造成本降低、環保和可持續發展等特點[2]。正是這些優勢使得3D打印產品和服務預期每年增速約26%,預估到2024年產值可達40億美元。3D打印已逐漸拓寬到生物醫學、汽車機械制造、太空、納米材料以及食品工業等多個領域生產使用[3-4]。

目前,傳統的食品制作工藝已經不能滿足人們對食品多樣性的需求,因此3D打印技術在食品消費市場的潛在優勢不斷顯化。自2007年康奈爾大學研究人員設計出Fab@Hometm模型,引入三維食品打印(three-dimensional food printing,3DFP)技術概念以來,3DFP技術快速發展,可利用3D打印機制造出更多復雜且不可思議,能代替傳統加工方式、針對特殊人群的個性化飲食[5]。同時也開發了更多適于3D打印技術的食品油墨,如巧克力[6]、魚糜凝膠[7]、淀粉[8]、水果和蔬菜[9]等為原料制作的油墨。針對3DFP技術的個性化應用,為解決吞咽困難人群的飲食問題提供了研究思路,已開發的以動物蛋白為基礎的3D打印食品,不僅滿足了吞咽困難患者和老年人群體飲食的健康需求,而且提高了消費者的接受度[10]。食品印刷具有配料種類豐富[11]、印刷精度準確[12]、可設計結構復雜多樣[13]等優勢,可針對不同人群,不同身體素質限制某些相對不利的食物攝入,增加有益營養成分的吸收,幫助人體調節新陳代謝,滿足特殊群體如素食主義者、有吞咽或咀嚼困難的老人以及消化不良群體的需求。3D打印技術也可以為運動員或兒童群體提供合適的飲食方案,尤其是在兒童飲食方面,選擇合適的食物原料和制作工藝對于食品營養的提升和兒童飲食的健康尤為關鍵,將來可在兒童食品的制作中發揮巨大潛力,進一步刺激打印食品的需求和市場潛力。

基于3D打印技術對食品的形狀、質地、風味、顏色及營養成分等特性進行創新制作,還可引起兒童的飲食興趣以及塑造個性化的用餐體驗,也可以改善和幫助特殊兒童群體的飲食需求。相比傳統的兒童稠狀輔食,3D打印食品具有穩定的結構,產生更強烈的視覺吸引力。3D打印具有生物活性的酶功能化支架能幫助改善炎癥,促進糖尿病患者骨組織再生,為糖尿病性骨缺損癥狀提供了一種具有增強成骨、血管形成和抗炎活性的多功能骨移植新技術[14]。因此,利用3DFP技術開發功能性食品用于兒童群體或特殊兒童群體的飲食營養補充具有同樣重要的開發潛力。

本文從果蔬原料的打印特性、打印助劑的性質、打印后處理等三個方面對果蔬基材料的適印性以及3D打印應用于兒童飲食領域的潛力和優勢進行了綜述,分析了未來兒童飲食領域3DFP技術發展的前景與挑戰。果蔬基質是具有多種理化特性的復雜體系,未來需要開展更多的研究來克服3D打印技術的局限性,推動和實現食品領域技術變革,本文更關注果蔬材料3D打印的可能性,以滿足1～12歲兒童的飲食營養、個性化需求。

1 果蔬基材料適印性的研究

當前已報道的可用于食品3D打印研究的打印技術類型主要有黏合劑噴射技術、噴墨打印技術、選擇性燒結技術和擠出型打印技術[12]。其中擠出型打印技術是將一種或多種原料為基礎的食品油墨,通過攪拌或加熱等方式制成凝膠狀、粉狀或糊狀的可食用物料,在一定的打印溫度下經打印噴嘴擠出成型[15],所使用裝置簡單、易于操作、打印成本較低、適用于多原料型食品打印,因此在工業生產和商業市場中被廣泛應用。水果和蔬菜是攝入膳食微量營養素和植物化學物的重要來源。果蔬類原料屬于多組分食品體系,包含糖類、礦物質和維生素等成分,各成分的含量變化都會影響食品油墨的適印性,從而改變熱擠壓3D打印效果。當前,可食用的果蔬類印刷食品有蘋果[16]、檸檬[17]、香菇[18]等。研究表明,食品材料成功打印取決于原料特性、添加劑性質、打印后處理等關鍵性因素[19-20]。

1.1 果蔬基食品3D打印的原料特性

3D打印原料的選擇具有多樣化的特點,食品配方嚴格按照食品安全國家標準執行?？捎∷⑹称酚湍杞涱A處理或半預處理后,達到消費者食用的接受度。在預處理階段,果蔬基原料的選擇應符合3個基本特性:流變特性、營養特性和感官特性[21]。

1.1.1 流變特性

流變特性是由黏度、剪切速率、剪切應力、復數模量(G*)、儲能模量(G′)、損耗模量(G″)等多組分構成,描述食品體系在可控環境下的流動情況[3]。在熱擠壓3D打印過程中,食品材料的良好流變特性有利于打印噴嘴順利擠出。最佳的食品油墨需要具有對交變剪切應力快速、剪切稀化特性、可逆的模量松弛響應這3個性質[22]。通常,黏度作為衡量材料抵抗力高低的指標,影響材料的印刷適性。而水果和蔬菜中豐富的水分含量決定了其良好的流動性,因此,利用果蔬類原料研發3D打印個性化營養食品具有可操作性。但果蔬的高水分含量亦會降低食品油墨的黏度,不利于打印成型,通常在香蕉、白菜、土豆泥等果蔬材料中添加水膠體以提高其黏度,順利從噴嘴擠出[23]。各類水膠體對不同的原料的流變性能有不同的改善效果,因此對各類品種的果蔬材料打印效果的提升也不同。

CUOMO等[24]分別評價了富含蛋白質和以蔬菜為基質的2種新型食物配方的營養特性和流變學特性,比較了新配方與商業配方的流變性能,發現它們的流變性能具有可比性。而對3D打印南瓜泥凍干后形狀保真度和酥脆特性的研究[25]發現其黏度會隨剪切速率的增加而降低,材料均表現出剪切變薄特性,其黏彈性受含水率的影響,含水率的降低會增加G′和G″,促進印刷工藝的順利進行。水果和蔬菜的流變性能是研發3D打印食品的關鍵要素,可通過測定食品體系的流變性能驗證其打印的可行性,能為特定人群的飲食帶來全新的感官享受和用餐體驗,開啟了利用高形狀保真度來創造酥脆食品的新視角。

1.1.2 營養特性

果蔬原料的營養特性是研發3D打印食品最基本和最重要的要求。中國1～6歲兒童膳食營養狀況調查存在不同月齡兒童對水果和蔬菜攝入不足,以及對鈣、鎂、維生素A、維生素B9等營養素的攝入量偏低的現象[26]。因此,加強兒童膳食營養質量的科學管理和制定是非常必要的,3D打印技術為合理補充兒童膳食結構提供了有效方法。藍莓富含花色苷能幫助兒童改善視力。通過改變藍莓粉的添加量和設置相應的打印參數,建立了藍莓果粉—馬鈴薯淀粉混凝體系,研究發現[27]在馬鈴薯淀粉中藍莓果粉添加量為20%(質量分數),打印速度25 mm/s,填充率50%,噴嘴直徑1.2 mm時打印效果較優(圖1),3D打印精度最高。兒童成長所需要的鈣、維生素可利用3D打印技術[28],在油墨體系中加入含鈣、鐵及維生素D豐富的脫脂牛奶、白豆、蘑菇等物質,設計出滿足兒童能量需求的水果零食配方。兒童神經系統發育不良和巨幼細胞貧血等癥狀與缺乏葉酸(維生素B9)有關,而葉酸主要來源于動物肝臟和綠色蔬菜中[26]。幼齡兒童難以通過直接食用攝入,3D打印技術[29]制造了一種具有多種釋放性的四合一口服復方制劑,能在30 min內迅速釋放維生素B類似物且活性成分不受降解影響。3D打印工藝可以彌補傳統口服片劑的生產缺陷?？蓱糜趦和后w定制個性化營養補充劑。這些研究為開發和應用果蔬類打印食品提供了科學依據,而果蔬材料的營養和功能特性決定了其在未來3D打印食品領域的巨大潛力。

a-不同藍莓果粉添加量;b-打印速度;c-噴嘴直徑

1.1.3 感官特性

食品的感官特性是影響消費者購買力的首要因素,消費者往往更關注形狀獨特、色澤明亮、氣味芳香、質地結構穩定的產品。QIU等[16]使用黃原膠∶羅勒籽膠為2∶1(質量比)的蘋果玫瑰油墨打印出表面光滑細膩,質地穩定的食品,通過設計不同樣品形狀,刺激消費者的食欲,提高進食欲望(圖2)。肉類或淀粉類食品一般通過高溫蒸煮來塑造食品形狀,形式單調且可塑性低。3D打印技術通過設計淀粉油墨的各種造型,提高消費者興趣。利用3D打印的玉米淀粉樣品邊緣平整無凸出,動物形狀逼真[30](圖3)。在山藥泥中加入不同果蔬來源的花青素,通過改變色素的添加量和控制pH值范圍,確定食品配方的最佳色澤[31]。利用感官色澤的變化,提高食品的吸引力和創新度。此外,感官指標應考慮食用安全性,大多數3D打印果蔬食品屬于即食食品,保質期有限。擠出式打印機經高溫熔融食品油墨,在打印平臺上擠出打印后,在外界環境冷卻過程中,會受到其他外源微生物污染,從而影響食品的長期保存。WAGHMARE等[21]在探究果蔬類打印食品中檢測到4.28 lg CFU/g濃度的細菌,說明打印機和食品油墨的衛生處理是有效提高3D食品安全性的必要措施。

圖2 3D打印代表性模型圖[m(黃原膠)∶m(羅勒籽膠墨水)=2∶1][16]Fig.2 Representative model of 3D printing with 2∶1/xanthan gum∶basil seed gum ink[16]

a-馬鈴薯淀粉;b-小麥淀粉;c-玉米淀粉

1.2 打印助劑對印刷效果的影響

果蔬水分含量高,制成食品油墨后流動性大,降低打印黏度,不利于擠出成型,并且它們的高纖維含量易造成噴嘴堵塞,影響打印模型的精度。因此,一般通過加入食品添加劑、增稠劑、穩定劑、黏彈性調節劑(黃原膠、卡拉膠、明膠等)等物質進行紋理改性修飾,塑造方便擠出成型,結構穩定的印刷食品[32]。在蘋果和玫瑰中分別添加不同比例的黃原膠和羅勒籽膠,發現高羅勒籽膠添加量的油墨表現出較高的表觀黏度和屈服應力,而高黃原膠濃度的樣品表現出相反的趨勢,當黃原膠與羅勒籽膠以2∶1(質量比)混合比例添加時,打印食品表面光滑且具有良好的自支撐力,經國際吞咽困難飲食標準化倡議(international dysphagia diet standardisation initiative,IDDSI)試驗,滿足5級絞碎和濕性吞咽困難飼料的要求[16]。此外,在檸檬汁凝膠中加入馬鈴薯淀粉也能明顯改善其流變特性和機械性能。設置噴嘴直徑1 mm、擠出速度24 mm/s、移動速度30 mm/s的最佳打印參數下,打印樣品表面光滑無凹陷、分辨率高[33]。水果在打印過程中會產生拖尾效應,分辨率降低,采用豌豆分離蛋白添加入香蕉基質中,防止擠壓過程中材料出現斷裂或過度拉伸現象[34]。LIU等[35]制備出基于菜籽油的高含油量食品糊,3D打印過程表現出良好的印刷適性和表觀黏度。

目前,適用于3D打印果蔬基質的打印助劑依然比較欠缺,但逐漸趨于多元化發展。因此,為提高消費者對打印食品的滿意度,提高3D打印食品的感官特性,需開發更多適合打印的果蔬食品凝膠。當前可解決果蔬材料打印缺陷的打印助劑主要是4類:水膠體、碳水化合物、蛋白質和脂類[36-37](表1)。水膠體具有增稠和膠凝作用,不同來源的水膠體形成的凝膠結構和特征差別很大,對纖維含量較高、不易打印成型的果蔬更適于添加水膠體類添加劑進行打印,成型穩定[38-40];常用的碳水化合物類添加劑主要有糖類和淀粉類,通常含水量豐富的檸檬、芒果、橙子、白菜等果蔬類食物制成的油墨流動性較大,通過添加淀粉類以提高油墨黏度和硬度,改善油墨流變特性和力學性能[41-42];蛋白質類添加劑一般添加于含糖量較高、質地較軟的香蕉、梨等水果,彌補其蛋白含量,增加油墨營養特性,同時蛋白質可與多糖相互作用,形成緊密的網絡結構,改變油墨流變性[21, 34];脂類添加劑能有效提高產品的多汁性、潤滑性及硬度,對黏度較大、質地粗糙的果蔬類材料具有良好的修飾效果[36]。

表1 不同打印助劑對果蔬類原料印刷效果的影響Table 1 Effect of different printing aids on the printing effect of fruit and vegetable materials

1.3 打印后處理

3D打印完成后,大多數產品不能即時食用,如土豆泥、雞肉糜、豬肉、牛肉等。需要經過后處理操作,增加產品的風味,并提高產品的形狀穩定性和內部結構精度。通常是將傳統加工技術(烘烤干燥、冷卻、蒸煮)與3D打印技術結合,靈活定制食品[43]。通過3D坐標軸上“時間軸”的延伸,催生了4D打印技術。4D打印技術可根據打印環境的濕度、酸堿度或溫度等變化作出相應反應,改變樣品的形狀、屬性和功能,拓寬產品設計領域[1]。即利用智能材料在經3D打印后,暴露于預定的外界刺激下,被打印的產品實現外觀和功能上的自我轉換,形成預設的新產品。4D食品打印(four-dimensional food printing,4DFP)的基本組件一般由3D打印機、打印軟件、食品智能油墨、結構設計和刺激物構成[44]。隨著研究的深入,基于打印設備和打印條件的完善,通過脫水干燥、微波加熱等方式輔助實現利用3D打印技術來生產個性化4D打印變色食品[45](表2)。如利用微波真空干燥(microwave vacuum drying,MVD)技術對芒果汁凝膠進行3D打印后處理,對比不同干燥時間(0、2、4 min)里打印食品的質地、風味、水分分布及介電性能差異。結果表明,MVD后處理4 min的3D打印食品具有最優的形狀保持力和結構硬度,外形精度可達99.8%[46]。說明MVD技術可以完成3D打印食品在后處理過程中形狀的可控智能性轉變,實現了4D打印。HUANG等[47]通過控制3D打印孔隙率大小降低了高含水量的復合蔬菜凝膠的凍融滴漏損失,從而保證冷凍型產品的3D打印加工效果。目前4D打印原料受限于淀粉類凝膠或水凝膠等體系,在果蔬類原料中的研究運用比較少,3D打印后樣品的自發可控4D變形等處理條件有待進一步開發。同時,打印后的產品須消毒殺菌處理,提高其安全性以及延長保質期。后處理操作能顯著提升打印食品商業特性,且不同的加工技術會產生不同的效益。

表2 3D打印食品后處理加工技術及4D打印Table 2 Food post-processing technology based on 3D printing and 4D printing

此外,3D打印后處理加工技術的種類和運用方式在不斷完善,均旨在提高3D打印食品的穩定性和安全性。隨著研究的深入,后處理技術的范疇得到了進一步地豐富和拓展,基于刺激反應材料疊加刺激加工技術誘導3D打印食品的變色、變形和風味變化,觸發了4D打印[43]。因此,3D打印后處理技術既是3D打印的延伸,也是4D打印的過渡,亦或是4D打印的一部分,其作用提升了打印食品的商品屬性,加速4D打印和提高食品智能和改造/升級食品工業的進程,推動了打印食品的產業化應用。

2 在兒童飲食領域的研究

果蔬富含生物活性化合物、酚類化合物及生物堿等功能物質,在提高兒童免疫力、預防過敏、降低哮喘等方面發揮關鍵作用。然而果蔬感官特性如酸味、苦味可能會降低兒童的攝入量。因此,利用3D打印技術為兒童定制果蔬類食品、提供個性化營養、解決兒童飲食問題、促進兒童補充營養和飲食安全具有重要意義。

2.1 應對兒童吞咽困難

吞咽困難是指吞咽固體或液體時出現困難的癥狀,常發生于兒童、老年人群體。嚴重時會導致咳嗽、嘔吐甚至窒息現象。感染新型冠狀病毒(COVID-19)病情嚴重的兒童可能患上急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS),造成吞咽困難癥狀。另外,腦癱患兒的吞咽困難極限明顯低于同齡正常發育兒童。這就間接要求食物的質地足夠柔軟、流動性大、易于吞咽。傳統的兒童輔食通常是簡單的將食物原料搗碎,制成泥狀?？谖秵我?質地粗糙,難以保證兒童的飲食攝入充足。3D打印技術可對食品質地進行改良,通過修飾食品的硬度、黏度、黏彈性等關鍵特征,將食品設計成符合兒童吞咽困難飲食的水平。LIU等[18]研究了添加不同量的膠體(卡拉膠、黃原膠、阿拉伯膠)對香菇3D打印生產易消化食品的潛力。結果表明,黃原膠的摻入顯著提高了食品油墨的機械強度、降低了水的流動性、促進了氫鍵的形成、使3D打印物體具有很大的自持能力。并在IDDSI框架內,含黃原膠的樣品可劃分為5級絞碎和濕性吞咽困難飲食。此項研究為吞咽困難人群的飲食結構設計提供了可行性建議。此外,改性淀粉應用于開發吞咽困難飲食的3D打印葡萄汁凝膠,打印產品所含的花青素具有抗炎、抗氧化等生物活性,凝膠樣品堅固性高,適用于吞咽困難人群[56]。因此,研發印刷性能優越、營養豐富、感官品質良好且符合兒童吞咽需求的3D食品,有望解決兒童吞咽困難難題。

2.2 滿足兒童營養需求

兒童的營養狀況是評價兒童身體健康的重要指標。多組調查數據發現食物質地敏感兒童(4～36個月)表現出對食物的負面行為較多,更有可能拒絕特定的食物質地,如耐嚼、堅硬、塊狀食物。且5～12歲兒童在測試過程中,食物質地敏感兒童比非質地敏感兒童情緒更不穩定。這些分析均有助于為食物質地敏感兒童提供滿意的食物質地選擇[57]。因此,利用3DFP技術對食物質地進行改良,能滿足兒童對食物質地的特殊需求。

此外,在個性化膳食中添加營養素、益生菌或生物酚類活性成分已成為了3D打印食品的新趨勢。腸道菌群發育紊亂是引起兒童營養不良的原因之一,采用嬰兒雙歧桿菌菌株治療患有嚴重急性營養不良的嬰兒,顯著增加其體重并減少了腸道炎癥[58]。含有益生菌的3D打印食品可以阻止潛在致病微生物的定植,改善與胃腸道疾病相關的消化問題。已有研究證明了引入動物雙歧桿菌亞種的可行性,在土豆泥中接種乳酸菌BB-12,設定噴嘴直徑<0.6 mm、打印溫度<55 ℃的最佳處理條件下,在5 ℃保存12 d,益生菌活力無顯著差異,存活率可達9.773 lg CFU/g以上,遠高于益生菌食品中推薦的最低劑量6 lg CFU/g[59]。未來,可通過3D打印改變食品的內部結構,為益生菌營造無氧的有利環境,提供3D打印功能性食品開發的新維度。另外還可在食品油墨中添加纖維素、酪蛋白、低聚糖等物質幫助兒童消化、預防便秘、改善營養吸收程度等。

2.3 預防兒童過敏

食物中的各種生物化學成分不僅對兒童的健康發育發揮促進作用,也存在某些致敏性物質會導致兒童產生過敏發應。例如牛奶過敏是多種食物過敏兒童的最大困擾。因牛奶過敏而避免喝牛奶,減少了鈣的攝入會導致兒童出現生長障礙。目前有通過口服免疫療法定期補充牛奶來改善牛奶過敏兒童的身高[60]。雖然有一定的治療效果,但兒童在長時間的口服治療過程中產生的抵觸情緒會增長,不利于觀察治療。利用3D打印技術可選擇性地在食品油墨中添加特定的營養成分,剔除不利成分,可為兒童量身定制個性化食品。例如對雞蛋蛋白過敏的兒童可以考慮添加其他非過敏蛋白,如大豆蛋白或食用昆蟲粉來定制3D食物,達到蛋白質平衡。有研究將面粉團中添加昆蟲粉來定制一種圓柱形的3D打印零食?？刂票嚎緯r間和焙烤溫度,觀察其顯微結構、綜合品質和營養特性的變化。發現焙烤條件并沒有改變樣品的整體外觀,但昆蟲粉含量的增加使樣品中的必需氨基酸含量增加,可達到41.3 g/100 g蛋白質[61]。表明推廣食用昆蟲蛋白質作為3D打印成分是一種可持續食物來源的新穎方式。然而目前3D打印食品在應用于預防兒童過敏方面的研究非常少,對于如何有效剔除食物中過敏性物質還有待探索,在未來這將是3D打印兒童食品的新興發展趨勢。

3 未來挑戰

3D打印技術通過個性化定制、復雜結構的設計、營養成分的添加,應用于開發兒童食品優勢明顯,但3D打印食品規?；a的缺陷也非常突出。3D打印技術的推廣限制于打印機器制作成本高、精密程度高、無法進行工廠化連續生產等條件。3D打印機Foodini有5個100 mL的不銹鋼膠囊,打印溫度可控制在80 ℃,且更換不同食物材料期間,打印機每次必須重新啟動并校準。盡管該機器打印噴嘴直徑較大,能容納更大的食物顆粒,但更耗時耗材,難以實現工業化生產[62]。同時針對兒童定制的3D打印食物外觀、大小也有較高限制標準,這就需要打印設備的擠出噴嘴直徑符合兒童咽喉道寬度來設計。此外,適用于3D打印的食品油墨原料種類受限,加工過程中食物原料浪費嚴重。盡管有研究利用3D打印技術對食品加工副產品進行再加工生產,一定程度上減少了食物浪費,產品推陳出新,但這類實驗還未推廣,仍需深入研究[20]。同時,消費者對3D打印食品的接受度、3D打印食品的市場需求等均需考慮。因此,打印設備的改進、費用投入的減少、豐富原料種類配制以及提高對3D打印食品健康無害觀念的宣傳力度有待解決,未來有望將3D打印變成3D制造,3D打印食品在消費市場占有一席之地。

4 總結

綜上,3DFP技術有潛力為兒童解決吞咽困難、營養不良和食物過敏等問題。本文主要概述了3D打印果蔬類食品的適印性以及在兒童飲食領域應用的挑戰性,利用果蔬基質作為打印原料,不僅能降低生產成本、有針對性地提供必要營養素,而且更易調控食品油墨的性質,為3DFP技術在商業制造中的廣泛應用提供科學指導。未來的研究還將集中于研發打印新材料、食品油墨配制、優化打印技術、提升產品品質和穩定性、低成本的商業化生產、3D打印食品對傳統消費市場和消費者可接受度的影響、堅持3D打印高營養品質的理念。此外,基于3D打印后處理的研究,探討了3D打印后處理和4D打印之間的聯系,分析了4D打印食品的特點,以及拓展4D打印技術的限制因素,結合上述多重因素以期為不同消費群體提供理想、可行的打印食品。