引言
近年来，全球食品生产和消费需求发生了显著变化，消费者对食品特性和生产方式日益关注。植物基饮食因其健康益处、伦理考量及环境可持续性而受到青睐，相关产品消费量增长了约39%。三维（3D）打印作为一种尖端的增材制造技术，能够通过数字模型文件引导，逐层精确沉积食品材料，为满足复杂食品材料、个性化营养和定制化食品设计的需求提供了创新解决方案。该技术特别适用于植物基食品的开发，旨在改善其感官特性，并为不同人群提供可持续的、定制化的食品解决方案。
植物材料基3D打印
植物基食品的日益流行推动了食品行业的重大创新，尤其是在3D食品打印领域。挤出式打印机因普及度高而最常用于植物基材料。基于可打印性，食品材料通常分为三类：天然可打印材料（如巧克力、蛋糕糖霜）、传统不可打印材料（如大米、肉类，需添加流变改良剂）以及替代成分（如富含蛋白质、膳食纤维和生物活性物质的藻类、羽扇豆、真菌等）。蛋白质基墨水（如大豆分离蛋白SPI、豌豆蛋白）因其凝胶形成、乳化和水合特性而备受青睐，有助于打印结构的稳定性。淀粉基墨水（来自土豆、玉米等）常与亲水胶体或蛋白质复配以改善性能。果蔬浆、微藻和脂肪/油基墨水则能增强产品的营养、色泽和风味。这些创新使得通过3D打印定制营养、视觉吸引人且可持续的植物基食品成为可能。
谷物基3D产品
谷物是日常饮食的重要组成部分，也是营养强化的有效载体。玉米、小麦、大米等谷物淀粉含量高，具有良好的剪切稳定性，分子间相互作用有助于维持沉积结构的稳定性，因此广泛用于挤出式打印。研究表明，当玉米粉含量在30%-32.5%时，面团呈现稳定的可打印性，其储能模量（G′）和损耗模量（G″）随玉米粉含量增加而增大，且G′始终大于G″，损耗因子（tan δ）随玉米粉含量增加而降低，表明固体样行为更明显。参数如tan δ、屈服应力、表观粘度和粘附性显著影响挤压性，而最小应变下的损耗因子、弹性模量、杨氏模量和硬度则影响打印过程中的自支撑能力。另一研究将益生菌加入糙米墨水，发现益生菌发酵降低了糙米粒径，提高了打印质量，并改善了消化率，更适合老年人和消化系统敏感人群。控制水合和淀粉糊化对于实现稳定的打印性能至关重要。
豆类基3D产品
豆类是必需营养素的丰富来源，在低收入国家饮食中扮演关键角色。由于其营养和健康益处，全球对豆类的需求不断增长。研究评估了不同豆类成分用于3D打印结构的潜力。例如，通过改变蚕豆墨水中蛋白质、淀粉和纤维含量的配方，发现富含纤维的部分显示出优异的可打印性和形状保持性，而富含蛋白质和淀粉的墨水则因流动行为不稳定和形状稳定性不足而易出现打印失败。感官评价表明，高纤维和高淀粉产品更脆，而高蛋白产品则更硬、更坚实。主成分分析表明，蚕豆墨水中的纤维成分促进了更高的弹性和形状稳定性。此外，利用鹰嘴豆和羽扇豆粉制备的无麸质零食墨水均表现出粘弹性行为和尺寸稳定性，但微观结构和长丝质量存在差异。3D打印的零食含有更大的气隙，边缘呈现更明显的层状和致密微观结构。感官分析显示，羽扇豆和鹰嘴豆配方在风味和质地感知上存在显著差异。大豆分离蛋白SPI与明胶或海藻酸钠结合，可优化流变学、可打印性和质地。SPI溶液表现出剪切稀化行为，添加2%-10%明胶可在打印过程中保持几何稳定性。这些豆类基3D打印食品为个性化、可持续饮食提供了营养益处。
水果基3D产品
水果为吞咽障碍患者提供必需营养素，如蛋白质、维生素、抗氧化剂、矿物质和微量元素，有助于改善生活质量。然而，大多数水果由于含水量高、粘度低，本身不符合3D打印要求。添加蛋白质、淀粉、果胶等材料可以增加高生物利用度植物蛋白的含量，同时改善其可打印性和稳定性。3D打印水果不仅能呈现鲜艳的外观，还能避免长时间热加工，从而保留维生素C等关键微量营养素的生物活性。例如，研究表明，豌豆蛋白分离物PPI的加入增强了芒果浆的流变学特性、水分分布和质地特性，形成了凝胶状结构。PPI含量为60/100 g的混合物具有最佳的3D打印结构，实现了目标几何形状和高分辨率，表面纹理更光滑，缺陷更少。在感官评价中得分最高。目前，3D打印果蔬常使用冻干果粉，以保留颜色、风味和营养含量。利用葡萄汁与干热淀粉制备的水凝胶，可降低吞咽障碍患者的窒息风险，并显示出潜在的抗炎特性。酚类物质可与淀粉形成V型复合物，并被蛋白质封装。干热处理增强了木薯淀粉凝胶的硬度和3D可打印性，在3D打印中使用葡萄汁可以减少冻干损伤并提高成本效益。水果基墨水可打印性的主要限制在于高水分含量和低固有粘度，需要添加蛋白质或多糖来形成具有足够屈服应力和形状保真度的凝胶状网络。
蔬菜基3D产品
蔬菜是营养植物性饮食的重要组成部分，提供必需矿物质、膳食纤维以及多种植物化学物质。传统上，蔬菜由于水分含量高，蛋白质、脂质和碳水化合物浓度低，被认为不适合3D打印。通过凝胶化、团聚和固化可以实现可打印性。此外，在墨水中添加多糖和其他成分可以高达89%的准确度预测其是否适合3D打印。研究利用冻干胡萝卜和西兰花粉制备食品墨水，发现含有50%和75%蔬菜含量的墨水具有优异的可打印性和形状保持性。所有墨水均表现出剪切稀化行为，西兰花的影响最为显著。不同类型和数量的蔬菜粉对烘焙后的3D打印样品的硬度有显著影响，胡萝卜基产品的硬度高于西兰花产品。另一研究使用花园豌豆、小白菜和胡萝卜等新鲜蔬菜与多种多糖（如κ-卡拉胶、黄原胶、刺槐豆胶）制备低淀粉墨水，用于吞咽障碍饮食。控制水分含量和亲水胶体浓度对于实现食品墨水所需的流变特性至关重要。所有配方的粘度均随剪切速率增加而降低，表现出剪切稀化假塑性行为。胡萝卜墨水、豌豆墨水和小白菜墨水的特定配方显示出良好的可打印性、理想的质地特性，并有望适用于吞咽障碍饮食。
油籽和坚果基3D产品
植物蛋白衍生物是开发高蛋白食品的关键。油籽和坚果提供植物蛋白、维生素、矿物质、膳食纤维以及健康脂肪（如Omega-3和Omega-6脂肪酸），其饱和脂肪酸含量极低，富含亚油酸和油酸等不饱和酸。坚果和油籽中的纤维、蛋白质和健康脂肪使其非常适合3D打印。利用部分替代马豆粉的奇亚籽粉CSF进行蛋白质强化食品的3D打印研究发现，发芽后烘烤马豆显著提高了其持水能力，并显著改善了生马豆的质地和流变学特性，导致粘度和屈服应力增加。添加CSF则增强了粘度但降低了屈服应力，从而改善了挤压性。在3D打印中，CSF含量为10%和15%时打印精度最高（>95%），硬度值降低，使其适合吞咽障碍患者，并符合IDDSI指南的5级食品标准。核桃蛋白营养丰富，添加黄原胶XG可鼓励氢键形成，从而显著改善机械性能、持水性、凝胶强度、剪切稀化行为和固体的强粘弹性。XG含量为1.5%时，打印圆柱体变形最小，表面纹理光滑。花生蛋白具有高溶解性、持水性、发泡能力和乳化稳定性，将其与结冷胶和卡拉胶复合可增强水凝胶的凝胶行为和可打印性。增加多糖浓度可提高储能模量和机械特性，使复合水凝胶具有热可逆特性，可用于4D食品打印。油籽和坚果基墨水的功能性与其水结合能力、蛋白质结构和脂肪含量密切相关，这些因素决定了粘度、屈服应力以及打印层的稳定性。
真菌基3D产品
蘑菇具有营养和治疗价值，富含生物活性肽、矿物质、膳食纤维、多糖、蛋白质、维生素和氨基酸，具有抗氧化、抗肿瘤、抗衰老和免疫调节功能。利用不同浓度的大豆分离蛋白SPI通过3D食品打印研究白蘑菇粉的效果，并对比了吞咽障碍饮食的分类表征。将SPI加入白蘑菇凝胶中降低了水的流动性并促进了氢键的形成，显著提高了墨水的内聚性和机械强度。SPI含量为3%和5%的墨水可通过勺子倾斜测试，被归类为5级湿软和切碎食品，具有良好的自支撑能力。然而，SPI浓度过高会导致粘度和屈服应力过高，造成打印缺陷。平菇营养丰富，利用其粉末与黄油配制可打印墨水的研究表明，当浓度达到40%时，墨水呈现良好外观和自支撑能力，并保持了氢键的分子间稳定性，所有墨水均表现出积极的剪切稀化行为。添加黄油提高了亮度，但内部结构有序度降低。蒸制混合物5分钟可通过促进分子间氢键的稳定性来提高打印精度。香菇富含矿物质和维生素，研究其在添加不同浓度黄原胶XG、κ-卡拉胶KG和阿拉伯胶AG后的3D打印吞咽障碍食品发现，添加XG和KG可显著提高机械强度，而添加AG则降低了机械强度、粘度和硬度。XG和KG含量为0.3%的样品被归类为5级切碎饮食。
藻类基创新用于3D产品
藻类种类繁多，包括蓝细菌、微藻和大型藻。微藻营养丰富，是很有前景的功能性成分，可提供蛋白质、类胡萝卜素、脂肪酸、矿物质和生物活性分子，具有促进健康、预防心血管疾病、降低高血压、管理体重、中和氧化应激和提供抗癌益处等功效。将三种小球藻生物质加入富含蛋白质的蔬菜泥中，研究发现小球藻增强了营养特性，所有配方均显示出高消化率，且含有光滑小球藻的菜泥铁含量高，是铁的来源。添加光滑小球藻产生了视觉吸引人的绿色菜泥，对粘弹性、质地和表观粘度特性影响最小，保持了适用于吞咽障碍患者的适用性。所有菜泥均成功进行3D打印。另一研究考察了微藻小球藻和螺旋藻对饼干面团质地和流变特性的影响，发现加入微藻增加了3D打印过程中的机械阻力，弹性模量占主导地位，螺旋藻配方需要最高的挤出力，富含微藻的面团在特定丝径和层高下打印性能最佳。微藻的加入主要改变了墨水的弹性模量和固体含量，使其在适当含量下能够改善形状定义，而不会过度增加挤出力。
3D打印植物基肉类似物
植物基饮食因其对健康、可持续性和减少生态足迹的益处而成为许多人的首选。植物基肉类似物的开发旨在风味、质地和视觉特性上接近传统肉类。利用再蘑菇、平菇和松乳菇等不同蛋白质源制备肉类似物，并评估其流变学、质地特性、微观结构、颜色、烹饪损失和感官评价。所有墨水均表现出剪切稀化和凝胶状粘弹性，蘑菇的添加降低了硬度和咀嚼性，但提高了营养价值和多汁性。大豆分离蛋白SPI是人类饮食中重要的蛋白质来源。利用绘制大豆蛋白和织构大豆蛋白研究墨水底物的质地差异，以创建牛排类食品。研究发现，织构大豆蛋白墨水显示出优于绘制大豆蛋白墨水的可打印性和形状稳定性，即使使用相同的亲水胶体。黄原胶改善了织构大豆蛋白的剪切稀化行为，促进了平滑的喷嘴挤出。打印样品在油炸后仍能保持形状。研究还评估了填充图案和比例对质地的影响。绿豆蛋白含有20种氨基酸，脂肪含量低，将其与木糖、甜菜红色素结合制备肉类似物，研究发现木糖的增加显著提高了剪切模量，可能由于氢键或美拉德反应导致的蛋白质相互作用。含有木糖和甜菜红的配方在打印后能保持形状，烹饪后颜色从红色变为黄色，随着木糖含量增加，美拉德反应加剧，肉类似物颜色变深。
3D打印特殊食品
植物基饮食富含蔬菜、水果、全谷物、坚果和豆类，提供必需营养素，有助于减肥并增强对生活方式相关疾病的抵抗力。3D食品打印为食品定制提供了一种新方法，能够根据特定饮食需求定制形状、质地和营养成分。
吞咽障碍食品：吞咽障碍影响约40-50%的老年护理人群和14%的50岁以上老年人，导致营养缺乏和营养不良风险增加。优化营养摄入可能增强吞咽康复。3D食品打印能够定制特殊食品以满足不同的营养需求。研究表明，添加特定胶体（如黄原胶与刺槐豆胶组合）的墨水表现出更强的剪切稀化行为，减少了咀嚼过程中的粘性，并显示出更致密的网络结构，适用于有各种吞咽障碍的老年人，从而改善营养和生活质量。另一研究确定了黄原胶在优化豌豆蛋白分离物PPI衍生的吞咽障碍饮食的流变学和结构特性方面的有效性，发现低XG添加量可实现相对均匀的微观结构，含有0.3% XG的样品显示出高打印精度、细腻的表面纹理和优异的感官特性，可能被归类为4级增稠吞咽障碍饮食。
幼儿和儿童的个性化营养：儿童，尤其是幼儿，有独特的营养需求，但不良的饮食模式、食物新恐惧症、质地敏感性和对营养密集型食物的接受度低，常导致营养素缺乏。3D食品打印机可以通过生产高度营养个性化的3D食品来改善幼儿的饮食习惯。利用玉米、亚麻籽和胡芦巴胶为幼儿制作特殊形状的3D打印产品，流变学测量表明，添加亚麻籽蛋白降低了屈服强度和粘性。含有5%亚麻籽蛋白和0.8%胡芦巴胶的墨水具有良好的支撑特性和吸引人的外观。另一研究利用赤藓糖醇和玉米淀粉作为打印墨水，并补充瓜尔胶，开发了对儿童友好的打印产品，发现亲水胶体添加剂增加了刚度、硬度、粘度和自支撑能力，含有1.5%瓜尔胶的墨水表现出优异的自支撑性能、清洁的表面纹理和高打印精度。优化后的打印墨水还支持添加营养密集型成分，如豆类、全麦面粉、Omega-3油、益生元和矿物质强化剂，而不会负面影响适口性。此外，3D打印可以通过生产有趣的、形状设计的食品来增加参与度和食物好奇心，从而改善挑食者的摄入量。
未来展望与挑战
将3D打印与植物基成分相结合面临若干技术和工业挑战。许多植物基材料（如蛋白质和多糖）的流变特性通常限制其可打印性和打印过程中的结构稳定性。克服这些问题需要优化食品墨水配方，以确保可打印性而不影响质地或营养价值。此外，打印参数对营养素稳定性和消化率的影响仍未充分探索，需要进一步研究这些因素如何影响生物利用度。3D食品打印的工业规模化应用也面临障碍，包括高设备成本、可扩展性问题和监管挑战。植物基材料在3D食品打印中的使用为开发可持续的、营养定制的和消费者特定的食品产品提供了重要机遇。通过利用大豆、豌豆和豆类等环保植物基材料，与全球可持续发展目标保持一致。将豌豆、大米、大豆、小麦面筋和绿豆等替代植物蛋白纳入3D打印材料，可以减少对传统动物蛋白的需求。营养个性化是最有前景的方向之一。利用植物基成分增强墨水营养含量，创造独特风味，并减少对传统加工方法的依赖。针对特定需求（如糖尿病或胃肠道疾病）修改蛋白质、维生素和矿物质等营养素，可能会为健康意识饮食开辟新市场。实现最佳可打印性和营养素稳定性仍面临挑战。确保墨水的流变稳定性对于保持打印食品的形状保真度和打印过程后的结构稳定性至关重要。生产效率是另一个挑战，增加喷嘴直径或打印速度可能会降低打印精度。自适应算法和多喷嘴打印机提供了潜在的解决方案。规模化3D食品打印需要优化食品基墨水，理解材料特性并解决速度限制。
结论
利用植物基材料的3D食品打印技术的发展具有改变食品行业的巨大潜力，通过促进可持续性和实现定制化、营养强化的食品产品，作为传统食品选择的替代方案。本综述强调了对植物基3D打印食品的需求，并检查了源自各种植物来源的多样化植物基材料墨水及其在3D打印技术中的应用。当前研究重点在于开发创新设计，以功能性和营养组分增强传统材料。值得注意的是，植物基3D打印肉类似物正在成为有效的替代品，密切模仿传统肉类的质地、味道和营养成分。通过利用3D打印技术，植物基食品可以被设计成营养素输送系统，以解决营养不良问题或满足有健康问题人群的需求。虽然3D食品打印前景广阔，但其发展受到成分配方、可打印性、质地优化、打印产品安全性和生产效率等挑战的阻碍。随着消费者对可持续、个性化和健康食品的需求不断增长，3D打印植物基产品将在塑造食品技术未来和通往更高效、可持续和营养均衡的食品系统方面发挥至关重要的作用。
