综述：细胞农业与3D食品打印技术的融合：定制化可持续无动物乳制品的开发路径

这篇综述系统探讨了细胞农业（CA）与3D食品打印（3DFP）技术在无动物乳制品领域的协同创新。通过细胞培养和精密发酵（PF）生产乳蛋白（如酪蛋白、乳清蛋白），结合3D打印的精准定制能力，可显著降低传统乳业95%的用水量和80%温室气体排放（GHG），同时实现营养、质构的个性化设计，为可持续食品系统提供突破性解决方案。

　　

细胞农业与3D食品打印的协同革命

Abstract
传统乳制品行业面临温室气体排放、水资源消耗和土地退化等严峻环境挑战。细胞农业（Cellular Agriculture, CA）与3D食品打印（3D Food Printing, 3DFP）技术的融合，为开发可持续、无动物乳制品提供了全新路径。细胞培养和精密发酵（Precision Fermentation, PF）技术可生产与天然乳制品功能相同的蛋白质（如β-乳球蛋白），同时减少95%的用水和80%的碳排放。3DFP则通过逐层堆积技术实现产品质构、营养的精准调控，显著降低食品浪费。

Introduction
全球乳制品行业每年产生4%的温室气体排放，主要来自反刍动物甲烷（CH₄
）排放。细胞农业通过两种核心技术突破这一困局：

1. 细胞培养：在生物反应器中培养乳腺上皮细胞，直接合成乳脂和乳蛋白；
2. 精密发酵：利用基因编辑微生物（如酿酒酵母）生产重组乳清蛋白（rWhey）。

3DFP技术中，挤出式打印尤其适合处理高粘度细胞培养乳基材料，可实现多层奶酪或含益生菌的酸奶结构设计。

Cellular Agriculture for Dairy Foods
细胞培养乳的关键突破在于：

• 使用无血清培养基降低生产成本；
• 通过转录因子调控促进β-酪蛋白表达；
• 生物反应器优化使细胞密度达到10⁸
  cells/mL。

精密发酵生产的乳铁蛋白（LF）已实现商业化，其抑菌活性与天然产物无统计学差异（p>0.05）。

Principles of 3D Food Printing
3DFP在乳制品应用中的创新包括：

• 温度控制挤出系统（20-40°C）保持蛋白活性；
• 共打印植物脂肪微球改善口感；
• 使用海藻酸钠（1.5% w/v）作为支撑材料。

Synergizing CA and 3DFP
技术整合面临的核心挑战是：

• 细胞培养乳糜的触变指数需调整至0.4-0.7 Pa·sⁿ
  以适应打印；
• 通过酪蛋白胶束重组改善熔融特性（T_m
  ≈60°C）；
• 多材料打印实现钙强化（200 mg/100g）产品。

Environmental Benefits
生命周期评估（LCA）显示，与传统乳业相比：

• 土地使用减少89%；
• 能源消耗降低35%；
• 富营养化潜能下降76%。

Conclusion
该技术融合不仅可生产无乳糖、高蛋白（30% w/w）定制产品，更能通过闭环生物制造系统将食品废弃物再利用率提升至92%。未来需突破生物墨水流变学调控和大规模生物反应器（>10,000 L）设计等关键技术瓶颈。