综述：功能性食品3D打印进展：聚焦植物基墨水

《Food and Humanity》：Advances in 3D Printing of Functional Foods: A Focus on Plant-Based Inks

本综述系统探讨了3D打印技术在植物基功能性食品制造中的应用前景，重点分析了水胶体（如SA、GA、GG）作为结构化剂对食品墨水流变性（G′、G″、tan δ）和打印性的调控机制，并展望了融合益生元/益生菌等活性成分开发个性化营养食品的新路径。

　　

Abstract

健康饮食与合理营养是现代生活的重要组成部分。水果和蔬菜是均衡饮食的核心，然而许多市售食品却是高热量、低营养的零食。为解决这一问题，富含功能性成分的蔬菜基零食生产正成为备受关注的替代方案。近年来，科学技术的进步致力于通过添加益生菌和益生元等健康促进成分来增强果蔬制品。与此同时，3D打印等新兴制造技术为开发个性化和营养均衡的食品提供了可能。本综述探讨了3D打印在植物基和替代成分中的应用，重点阐述了水胶体在食品墨水配方中的作用、其对打印性的影响以及当前功能性食品原型的研究现状。

Introduction

消费者对食品质量意识的提高与快速的技术进步相结合，正在推动具有精确目标感官属性的创新食品的开发。这种日益增长的需求与全球确保不断增长的人口获得充足食物供应的挑战相一致，凸显了开发高营养价值产品的重要性。自2007年引入以来，三维（3D）打印已成为食品领域的变革性技术，为解决传统制造工艺的一些局限性提供了方案。这种也称为添加剂制造的技术，依赖于计算机辅助设计（CAD）模型来指导打印机以受控的、逐层的方式沉积材料。生产高质量的3D打印结构不仅需要合适的材料特性，还需要优化的工艺参数，以及在必要时进行后处理。报道的优势包括结构定制、简化制造、成本效益和新颖的感官体验。

从营养角度来看，3D打印允许设计满足特定饮食需求的个性化膳食——特别是针对孕妇、老年人、儿童和运动员等群体——从而支持更健康的饮食习惯。该过程的核心是可打印配方（通常称为“食品墨水”），其必须满足既定标准以确保产品质量。用于食品打印的原料通常分为三类：天然可打印材料、不可打印材料和替代成分。蔬菜通常被认为是不可打印的，因为它们含水量高且缺乏固有的结构稳定性。然而，通过降低水分并加入合适的添加剂，它们可以转化为可打印的基质。

为实现这一目标，需要添加结构和流动调节成分来调整流动性和粘度。常用的水胶体包括海藻酸钠（SA）、阿拉伯胶（GA）和瓜尔豆胶（GG）。由于其多功能的化学和机械特性，水胶体被认为是食品制造中很有前景的结构化剂。利用这些特性需要清楚地了解原材料的流变行为，因为这些特性决定了可加工性和最终产品的质量。

与此同时，功能性成分如益生元和益生菌越来越多地被纳入打印配方中，以支持肠道微生物群调节和整体健康。最近的研究优化了益生菌在3D打印食品中的掺入，以保持产品稳定性，同时提供促进健康的替代品。

本综述提供了主要用植物基成分配制的3D打印食品发展的最新概述——这些材料在天然状态下通常不可打印——并强调了水胶体如何使其转化为可打印基质。我们综合了关于这些添加剂在植物基配方中的流变学和功能作用的当前知识，并评估了掺入益生菌、益生元和其他生物活性化合物以生产营养强化的3D食品原型的可行性。与之前的综述不同，我们明确地将配方策略、3D打印期间的技术性能以及最终产品的功能潜力联系起来。最后，我们指出了现有的知识差距，并提出了利用新兴技术开发个性化功能性食品的未来研究方向。

Food Inks for 3D Printing Technology

为3D打印设计的食品材料通常被称为食品墨水。这些是由食品成分组成的配方，能够通过3D打印机挤出，从而制造具有特定形状和设计的可食用原型。根据Lee等人（2019）的观点，这些墨水的打印性是指它们在挤出过程中能够顺畅流动，同时表现出足够的机械强度以保持其形状并避免变形或坍塌的能力。食品墨水可以根据其成分和打印机制进行分类。对于基于挤出的打印，墨水必须具有适当的流变特性，例如剪切稀化行为，以便在挤出时易于流动，但在沉积后能迅速恢复其结构以保持形状。

Rheology of Food Inks

探索和表征植物基食品墨水的关键流变参数——例如表观粘度、流动行为、屈服应力、储能模量（G′）、损耗模量（G″）、它们的比值（G′/G″）（反映了弹性与粘性行为之间的平衡）以及损耗角正切（tan δ）——对于理解其打印性、挤出性能和沉积后结构稳定性至关重要。这些特性影响打印过程的关键方面，包括挤出难易度、分辨率和最终产品的结构完整性。例如，具有过高粘度的墨水可能导致挤出困难或喷嘴堵塞，而粘度过低则可能导致沉积后结构坍塌。因此，流变学表征是优化食品墨水配方以实现成功3D打印的关键步骤。

3D Printing Technologies

3D打印是一种添加剂制造过程，其中物体通过材料的连续、逐层沉积来制造，由数字设计模型指导。该过程始于使用CAD软件对三维原型进行虚拟设计。该软件将模型切片成单独的层，并生成机器代码，指导打印机在制造过程中的运动。一旦打印机加载了代码和适当的材料，打印头就会根据设计路径移动，沉积材料层，这些层凝固并相互粘合，最终形成三维物体。在食品领域，几种3D打印技术已被应用，包括基于挤出的打印、选择性激光烧结和粘合剂喷射。基于挤出的打印是最常用的食品打印方法，涉及通过喷嘴推动糊状或半固体食品材料。

3D Food Products with Functional Potential

根据世界卫生组织（WHO）、美国食品药品监督管理局（FDA）和欧洲食品安全局（EFSA）等国际组织的说法，当一种食品除了提供基本营养价值外，还含有有益影响一种或多种生理功能（例如改善整体健康或预防和管理非传染性慢性病）的生物活性化合物时，它被认为是功能性的。3D打印为将此类功能性成分（如益生菌、益生元、维生素、抗氧化剂和植物化学物质）整合到个性化食品基质中提供了独特的平台。通过精确控制成分的沉积，可以设计具有特定营养密度和健康益处的食品。例如，可以为特定饮食需求定制富含益生菌的零食，或者为老年人设计易于咀嚼和吞咽的强化食品。将功能性成分成功融入3D打印食品的关键挑战在于在打印过程和后处理（如烹饪）中保持这些成分的活性和生物利用度。

Conclusion

3D打印是一种变革性技术，正在食品领域迅速取得进展。对这种先进方法日益增长的科学和技术兴趣正在推动其被采用作为一种多功能的食品加工系统，能够应对行业关键挑战，同时促进旨在改善消费者福祉的功能性食品的开发。3D打印的主要优势之一在于其能够利用支持健康营养的原材料，例如水果和蔬菜，这些材料通常因其高水分含量和缺乏结构而在天然状态下难以打印。通过水胶体等添加剂的使用，这些材料可以被改造成适合打印的墨水。此外，将益生菌和益生元等功能性成分融入这些墨水中，为创造具有增强健康益处的个性化营养食品开辟了新途径。未来的研究应侧重于优化打印参数以保持生物活性成分的功能性，探索更广泛的可打印植物基材料，以及评估这些3D打印功能性食品的感官特性和消费者接受度。通过解决这些方面，3D打印有潜力彻底改变食品制造，为更健康、更可持续和更个性化的饮食做出贡献。