蛋白质3D食品打印研究进展

李京蓉，郇伟伟，宋丽丽,*

（1.浙江农林大学，省部共建亚热带森林培育国家重点实验室，浙江 杭州 311300；2.浙江农林大学，浙江省林业生物质化学利用重点实验室，浙江 杭州 311300）

我国食品行业正进入以营养为导向的发展新阶段，产品加工从满足人们的饱腹感和安全感，转向满足人们日益增长的健康和幸福感需要；食品供应从满足一般、大众食品消费需求转向满足个性化、定制化食品消费需求[1]。因此，食品行业需要找到新的生产方式和产品开发技术以满足客户需求。

随着3D打印（Three-dimensional printing）技术的日益成熟，其在工业[2]、航空航天[3]、医疗[4-5]和交通运输[6]等制造业领域中得到普遍应用。近年来，由于人们将更多的目光投向食品行业，3D食品打印（Threedimensional food printing，3D-FP）也应运而生[7]。通过3D-FP的食品显示出许多超越传统食品的优势，其造型复杂精美，更具视觉吸引力，能够深深抓住消费者的购买欲望[8]；其不但可使营养成分配制个性化、精美造型定制化、食物资源浪费低效化、食物易吞咽化[9]，而且还能出色地完成航天、军队等食品的供应。这些优势促进了该技术在食品行业中的迅速发展[10]。

蛋白质是一种被公认为在提供人类膳食营养和增强人体免疫能力及抵抗力等功能中起重要作用且化学结构复杂的生物大分子。蛋白质作为膳食能量的重要来源之一，广泛应用于食品加工。近年来，植物蛋白产品、植物“肉”和高蛋白零食产业蓬勃发展。为了开发出能够更加满足当代多元化膳食需求的植物蛋白产品，以高蛋白质含量、高生物利用度、良好氨基酸结构、功能性和生物化合物为主导的食品新基质及以个性化、数字化为主导优化食品加工的模式[11]已被广泛研究。其中，新基质包括大豆蛋白[12]、豌豆蛋白[8,13]、玉米醇溶蛋白[14]、藜麦蛋白[15-16]、绿豆蛋白[11]、日本小米蛋白[17]、菌菇蛋白[18]、藻类蛋白[19-20]以及昆虫分离蛋白[21]。

蛋白质除能提供必需氨基酸以保证人体对营养成分摄入的需求，还具备一定的功能特性，如乳化性、发泡性、自凝胶化等[22]，这均有助于其开发为3D食品打印的可食用生物油墨。上述大多数蛋白质源已通过3D-FP加工，但蛋白质材料的性能仍有不足。例如蛋白质对温度敏感，氨基酸结构不够稳定，因此需要对其进行一定处理，如采用高压、超声波等技术改变蛋白质的结构和性质；对于蛋白质易于与其他成分发生反应这一特点，可以通过不同的检测手段和评价方式，提供进一步的优化思路。研究表明，食品3D打印加工工艺的优化和蛋白质来源的拓宽有利于个性化蛋白质类食品的开发。但目前还没有一种可适配所有类型蛋白的3D打印加工方案。本文旨在概述3D-FP 技术在蛋白质食品工业中的研究进展，阐述新型蛋白质制备成打印材料的影响因素，以期促进基于食品3D打印的蛋白质类功能产品和个性化食品的开发与应用，为食品工业的创新发展提供新思路。

1 3D食品打印技术

1.1 新兴食品开发技术

3D 打印是增材制造（Additive manufacturing，AM）的总称，是一种通过将材料分层并逐层打印来开发不同产品的技术[23]，其改变了传统工业格局，并已应用于食品生产中。3D-FP是以3D打印技术为基础发展起来的一种快速原型食品技术[24]。它提供了食品复杂形状的自由、食物纹理的新颖、营养成分的数字化、食品设计的个性化及供应链的便捷化，真正实现在低成本、无生产线的条件下满足差异化市场的需求，直接制作出传统模具不能替代的奇妙食物，提高了经济收益，加快了食品工业迈向食品智能定制和精加工新时代的步伐[25-29]。

为实现3D 打印食品的生产，目前科研人员主要针对食物材料、打印参数等多方面进行探索和研究[10，26，30-31]。食物材料的可打印性在很大程度上取决于食材自身的性能和所使用3D 打印机的参数。因此，在打印开始前要充分了解打印材料的黏度、弹性、硬度、附着性、持水性等，这些特性能够影响层与层之间相互粘连，相互支撑，进而影响打印后食品的稳定性[32-34]。形成合适的打印配方后，还需进一步对打印参数进行试验和优化。如较小的喷嘴直径可提高打印模型的精度[35]；较低的喷嘴高度可以避免挤出延迟，从而确保打印模型的层层堆叠并能降低终产品边缘毛糙或内部塌陷等的发生[36]；调试至合适的打印速度可以提高打印产品和模型的相似度，避免多余打印材料堆叠在打印轨迹而形成的重叠层，或因打印速度过快导致的出料中断[30]。

荷兰应用科学研究组（TNO）已通过3D打印得到功能特性食物，通过改变蛋白质和脂肪等营养成分的水平，为咀嚼和吞咽障碍者、老年人和运动员提供定制膳食[37，64]。数字食品加工计划（DFPI）也相继开发出相关项目，如为士兵、军队、老年人提供个性化营养餐食，保证能量、蛋白质和维生素D 的充足摄入[11]。近年来，对3D-FP 的研究不断取得进步，但其在材料选择、混合材料的可打印性、打印产品形状的稳定性、与传统食品加工技术的兼容性、3D-FP 消费与健康监管的完善性等多方面仍面临挑战[11,38]。

1.2 食品3D打印的深度开发

近年来，随着增材制造技术的深入研究，新的分支技术——4D、5D、6D技术也应运而生，并获得形态更加多样的产品，它们的打印材料为“智能材料”（图1）。

图1 2D、3D、4D、5D和6D打印的流程、区别及打印食品的适用场景Fig.1 The 5 types of printing(2D,3D,4D,5D,and 6D printing)process flow and differences as well as application scenarios of printed food

4D 打印技术是在原有3D 的基础上加入了时间轴，即打印材料随时间发生不同程度变化，从而实现打印动态3D 结构的技术[39-40]。4D-FP 的发展增加了用餐时的视觉享受。其打印而成的产品在一定的外部刺激（压力、pH、温度、光、化学成分等）下，形状、颜色、质地和风味随时间而发生变化（图2）。经微波脱水诱导的紫甘薯泥（PSP）3D 打印产品的形状发生了改变，呈现向上弯曲状，而经空气脱水诱导的打印产品弯曲度更高（图2A）。3D 打印含花青素的马铃薯淀粉凝胶或土豆泥在喷洒不同pH 溶液后自发变色，呈现随pH变化的颜色梯度变化（图2B和图2C）。通过电子鼻检测分析发现，大豆分离蛋白、卡拉胶和香草混合物在微波诱导下会产生新的风味物质，这对于食欲不振的消费者尤其重要。

图2 部分4D食品打印产品效果图[41-45]Fig.2 Some products using 4D food printing[41-45]

5D 打印的概念于2016 年首次由美国大学提出并实现[46]，它在原有3轴的基础上添加了2个旋转轴，可打印任何需求的曲直线或面，实现从不同角度和方向对模型进行五轴打印[47]。与3D打印相比，5D打印实现了用更少的材料生产弯曲结构的食品，得到多维度高强度的坚固物体[48]，打印产品的稳定性和美观性得以提高，尤其是球形类或具有曲面的食品，使食物更具吸引力。最近，6D打印技术也孕育而生，其概念于2021年由Georgantzinos等[49]提出。它是4D和5D 技术的结合，其产品可更高效、更可控地自弯曲，且在运输过程中形状能保持较高的稳定性[39，49]。相信在不久的将来，该技术在智能食品中会崭露头角。食品加工技术的发展也会随着科技与工业的发展更加创造化、智能化。

2 可用于3D-FP的蛋白质

2.1 动物性蛋白质

动物性蛋白质主要来源于禽畜鱼类等的肉、蛋、奶，并被作为其他来源蛋白比对的标准和期望达成的目标。其他来源蛋白通过各种技术手段使其具备与肉、蛋、奶相似的风味或口感。目前有几种新型动物蛋白值得关注，其获取难度和获取周期均优于传统动物性蛋白。其中鱼糜蛋白和昆虫蛋白因具有蛋白质含量高、营养价值高、可塑性优异的特点而用于3D-FP中。

鱼糜（其所含蛋白为鱼糜肌原纤维蛋白）可通过对鱼肉进行连续洗涤、脱水和切碎而获得，这样获得的鱼糜具有假塑性，即在非剪切过程中表现出较高的黏度，在挤出和剪切过程中黏度大大降低，因此鱼糜肌原纤维蛋白是一种很有潜力的高蛋白食品3D打印材料，同时也可以作为其他食品3D 打印开发的基础材料[50]。适当增加盐浓度会降低鱼糜的黏度，使其在3D-FP过程中挤出更容易。Wang等[51]以银鳕鱼为原料，从持水性、水分分布、流变性、凝胶强度及微观结构5方面探究氯化钠的作用，发现添加1.5%的Na-Cl可以得到适合3D打印的材料。但流变特性会受到鱼品种和加工方式的影响。Liu等[52-53]为提高鱼糜蛋白的胶凝性能和打印精度，以金鲳鱼为原料，探究了鱼糜加工过程中水分与质构间的相关性以及流变行为、蛋白质分子结构和3D 打印特性之间的相关性。微生物谷氨酰胺转氨酶（MTGase）的加入可通过改善不溶性蛋白质的溶解性，进一步增强鱼糜凝胶强度和持水性[54]。Cao 等[55]探究了NaCl 和MTGase 的加入对白姑鱼鱼糜凝胶的影响，筛选出3D-FP 的最适添加剂浓度。

可食用昆虫蛋白是一种新的食品工业蛋白质来源。已经有团队根据黄粉虫分离蛋白（Mealworm protein isolate，MPI）的特性，开发出一种适合老年人的3D-FP新型食品，将MPI加入到鸡肉糜中既满足了高蛋白摄入需求，又能有效降低鸡肉糜的黏弹性和硬度，改善鸡肉糜的质地，使其打印成适合老年人或吞咽困难患者的食品[56]。黄粉虫幼虫碾碎的粉末中蛋白质和必需氨基酸含量都高于面粉，因此Severini等[57]尝试采用黄粉虫幼虫粉替代部分面粉制作面团，来提高面团的营养价值。同时发现，提高黄粉虫粉添加量可增加面团柔软度，抑制打印产品在后处理中的尺寸缩小，使得3D-FP 产品具有更好的造型能力。Amarender 等[58]对蟋蟀科哑蟋属（Gryllidae）的昆虫全精磨喷雾干粉进行了测定分析及脱脂处理研究，结果表明，蟋蟀干粉的蛋白质含量为63.43%，可作为食品工业的替代蛋白质来源。除上述两种昆虫之外，双叉犀金龟（Allomyrina dichotoma）和白星花金龟（Protaetia brevitarsis）也作为可食用昆虫被研究过[21]。研究表明，以上3种可食用昆虫的蛋白质含量为49%～85%，并具有人体所需的必需氨基酸，提取出的昆虫分离蛋白具有良好的乳化和凝胶性能，可以作为一种良好的蛋白质功能增强剂。尽管目前尚未针对其3D 打印能力进行验证，但已有初步迹象表明该材料具有巨大的开发潜力[21，59]。上述研究表明，昆虫蛋白可作为食品工业蛋白质来源，且部分蛋白被验证可满足3D-FP 材料的要求，今后可利用3D-FP技术改变昆虫蛋白的食物形态，使人们更易于接受这类蛋白质。目前仅部分昆虫蛋白粉的营养价值、理化属性和推广发展的合理性被明确，但这并不意味着大众能够接受，同时也要配套制定相关安全规定，以保障食品安全。

2.2 植物蛋白质

根据近十年的文献检索发现：植物性食物对健康的积极影响已得到广泛认可，对植物蛋白材料的研究显著增多[26]，尤其是对豆科植物（大豆、鹰嘴豆、豌豆等）蛋白和谷物分离蛋白（小麦蛋白、玉米醇溶蛋白、大米蛋白、高粱醇溶蛋白、燕麦蛋白等）的研究。

豆科植物蛋白因为极易获得而广为人知。大豆分离蛋白（Soybean protein isolate，SPI）富含人体必需氨基酸，具备相当优异的食品加工性能[60]。目前对大豆蛋白3D-FP的研究主要集中于添加亲水胶体或者将大豆蛋白作为乳化剂和稳定剂来改善大豆蛋白类食品油墨的流变性能。已有研究表明，SPI与亲水胶体（海藻酸钠和明胶）混合可以形成理想的印刷材料[61]。在3D-FP 加工研究中，随着SPI 添加量的增加，虾肉糜的弹性、硬度和结构稳定性得到显著改善；添加6%SPI 的虾肉糜打印精确度和打印稳定性最高[62]。此外，可通过微波诱导增强SPI 的可打印性和即时固化性能[63]。SPI 虽富含人体必需氨基酸，但其蛋白质消化率校正后氨基酸分数（PDCAAS）较低，为此人们开始寻找同样具备完整氨基酸结构又有较高PDCAAS的蛋白来源。其中，豌豆蛋白因富含蛋氨酸外的必需蛋白、对凝胶温度要求低、吸湿能力强而使用最多[40]。豌豆蛋白与马铃薯淀粉混合的3D打印材料中，添加1%豌豆蛋白的打印质量最好[30]。豌豆蛋白与海藻酸钠质量比为1∶4 的3D-FP 可打印性能表现最佳[8]。有研究表明，豌豆分离蛋白的添加促进了食品蛋白质含量的增加和营养价值的提升；此外，新鲜豌豆-胡萝卜-白菜制作的蔬菜型3D-FP食品适合吞咽困难患者食用，并具备足够的营养成分和稳定的结构[64]。

谷物蛋白主要存储于植物的胚乳中，含量一般为7%～15%[65]。与大豆蛋白相比，谷物蛋白拥有不同的营养及功能特性[66]。在大豆蛋白中添加小麦面筋蛋白可更大限度地提高其所产生风味物质的多样性[67]。Guo 等[68]研究证明，在大豆蛋白中添加适量的小麦面筋蛋白，有利于弥补氨基酸含量的不足，并在挤压成肉类类似物时减少挥发性风味物质的损耗。苋菜、藜麦、白藜为富含纤维素的无麸质蛋白，它们与玉米粉混合后经过挤压可得到新型无麸质零食，3种食材因膳食纤维含量（苋菜＜藜麦＜白藜）差异造成产品截面扩张指数和硬度不同[16]。玉米醇溶蛋白富含亮氨酸、谷氨酸和丙氨酸，可以用于制备功能性多肽。添加玉米醇溶蛋白的小麦面团可将面筋形成的连续网络改为纤维网络结构。近年来有研究证明，玉米醇溶蛋白还可作为食品原料的纤维材料，为制作肉类类似物产品提供基础[69]。谷朊粉的原料是小麦粉，主要成分是面筋蛋白，多应用在面食产品中。当前，对于谷朊粉的研究集中于其自身特性（黏弹性、吸水性等）及作为面粉中添加物在糊化、流变等方面所产生的影响[70]。随着消费者对健康和粮食安全的日益关注，植物蛋白的应用不再满足于面粉制品，于是开始探究制备口感和风味兼备的素肉制品，例如SPI 复配经3D 打印制备成植物肉[71]；豌豆蛋白复配处理后可制备成适合特定群体的人造牛排[72]。

上述研究表明，目前已基本掌握豆类蛋白、谷物蛋白的材料性能及其应用于3D-FP中的打印性能和稳定性，但对于潜在植物蛋白，如坚果、植物叶片、花蕊中的蛋白质[73]的相关探究较少。有研究证明，植物叶片蛋白因其低成本、易获得、富含氨基酸，可作为食品中蛋白的补充剂[74-76]。研究发现，水葫芦叶片的蛋白质含量可达50%[77]，菠萝蜜植物叶子的蛋白质含量为65.82 g/100 g[78]，南瓜和苋菜叶片的蛋白质含量分别为11.75%和10.7%[79]。桑叶蛋白在预防和治疗溃疡式结肠炎方面具有良好功效[80]。还有研究表明，牡丹花蕊蛋白能够明显提高面团的硬度、黏着性和咀嚼性，添加量低于6%时效果优于SPI；其能有效地促进面筋蛋白网络结构的形成，提高面团的品质[81]。尽管这些新型蛋白质来源更加环保、营养丰富且具备药用功能，但未来还需要系统地研究其特性，以充分发挥其在3D打印食品领域的巨大潜力。

2.3 其他蛋白质

微藻被认为是最有前途的蛋白质替代植物之一，这是因为微藻含有高达50%的蛋白质，并且具有出色的氨基酸组成，在满足人们对可持续食品供应需求方面具有巨大的潜力[82-83]。小球藻是绿藻门的球形成员，因为其蛋白质含量高（51%～58%），作为食品补充剂和蛋白营养强化剂。小球藻富含多种氨基酸，其他有益营养素（β-1,3-葡聚糖、维生素（VB 复合物和抗坏血酸））、矿物质（镁、铁和钙）、β-胡萝卜素、叶绿素和小球藻生长因子也较为丰富[84-86]。小球藻粉的替代添加可提高面包中蛋白质、叶黄素、脂肪酸的含量，提高无麸质面包的营养品质[20]。An 等[32]在研究3 种形态的球藻油墨（新鲜小球藻、脱水小球藻干粉末和小球藻干粉与马铃薯淀粉混合物）打印效果时发现，重新水化的小球藻凝胶比新鲜小球藻所形成的凝胶更优质。此外，延长复水时间、加热处理和添加淀粉明显有助于提高复水小球藻粉末的三维成型性。这些研究为藻类与其他成分结合形成新型3D-FP蛋白质产品提供了可能性。然而目前藻类的培养和加工技术尚不发达，需要提高技术成熟度以改变现状。同时考虑到消费者的健康及安全，藻类加工过程中的食品安全问题也应加以更多的关注。

菌类因数量大、种类多、分布广，是另一个可利用群体。Derossi等[87]将牛肠杆菌干粉作为钙、铁和蛋白质的来源，添加到一种专为儿童设计的3D 打印零食中，证明了菌类作为3D打印材料的可行性。Keerthana 等[18]利用食品3D打印技术，在试验中尝试了不同比例的双孢蘑菇粉与小麦粉的组合以改善小麦面团的理化特性、营养价值与香气，制作出理化性质优良的蘑菇饼干，这为利用3D 打印技术可持续地在个性化营养方面开发食物提供了参考和依据。同时，采用连续流动发酵技术发酵链孢霉菌（Fusarium venenatumA3/5）得到的菌丝体发酵产物——菌类蛋白也被广泛应用[88]。纤维素含量高、脂肪含量低这两大特性决定了菌类蛋白在人造肉生产制造领域的应用前景[89]。自然界中的微生物数量庞大，是食品蛋白资源宝库，但其开发还存在局限性。在菌类蛋白和人造肉加工生产中，具备安全性和良好加工性的可食用真菌已经展现出高利用价值和广阔的市场前景。目前，对食用菌的菌类蛋白产物探寻力度和深度不够，未来应加大挖掘食用菌的潜力。表1为对上述蛋白质分类的汇总。

表1 可用于3D食品打印的蛋白来源Table 1 Protein sources that can be used for 3D food printing

3 3D-FP中蛋白质的改性

随着功能性复合食品的出现和发展，在对3D-FP材料特性的探究中需重点关注蛋白质与各组分间的相互作用，探究蛋白质材料的流变性能和热性能，以获得满足预期的食品。

3.1 多酚类物质对蛋白质3D-FP产品的改性

蛋白质与多酚的结合既能改善蛋白质的功能性质，又能提高多酚类化合物的利用度和生物利用率。自然界中存在的大多数蛋白质和植物多酚类化合物是通过非共价结合而存在的。闫馨月等[90]发现，大豆蛋白中的β-伴大豆蛋白（7S）和大豆蛋白（11S）分别通过氢键和疏水作用与黄芩素结合，可改善打印凝胶的热稳定性。然而，由共价键形成的复合物更适用于食品，因为它们具有更强和更持久的高稳定性。不同蛋白质与多酚结合的能力不同。王晨等[91]利用荧光光谱法和傅里叶变换红外光谱法分析，发现花青素与小麦醇溶蛋白、麦谷蛋白的结合作用不同，前者是疏水作用，后者是范德华力和氢键。白藜芦醇和小麦醇溶蛋白的结合作用和花青素相同，但与玉米醇溶蛋白主要通过氢键作用结合。总酚含量是影响蛋白质质构特性的重要因素。胡莹等[92]研究发现，茶多酚添加量对大豆蛋白素肉的质构、色泽和微观结构等方面均有影响。增加茶多酚添加量，食物的硬度、胶着性、咀嚼性及拉伸强度均呈现先降低后升高的趋势（图3A）。然而，蛋白质与多酚类物质发生哪种相互作用取决于两者浓度，可通过不同的检测手段探究相互力的转变机制，以达到使打印材料具备更好塑性效果的目的。

图3 部分食品3D打印中蛋白质改性后的打印产品图[7，92-94]Fig.3 Some printed products using 3D food printing with modified protein[7，92-94]

3.2 多糖类物质对蛋白质3D-FP产品的改性

蛋白质与多糖类物质（简称多糖）之间的作用以非共价结合为主，如多糖与蛋白质的物理交联促进疏水作用，淀粉中大量的-OH 决定了氢键是淀粉和蛋白之间的亲水作用力，多糖的阴离子基团和蛋白质上的带正电基团会产生静电相互作用力。在蛋白质3D打印原料中添加多糖化合物能够改善材料的流动性、黏度及硬度。Ji 等[7]探究了酪蛋白与木薯淀粉凝胶3D打印性能的潜在机制，结果表明，随着酪蛋白含量的增加，3D 打印产品的精度得以提高。这是由于随着酪蛋白含量增加，在热处理后降低了淀粉短程有序结构，从而增加了凝胶的弹性和刚性（图3B）。Liu 等[93]利用低场核磁共振研究了不同种类以及不同添加量的淀粉对于鱼糜蛋白持水性、流变特性以及3D打印能力的影响（图3C）。Pan等[94]通过添加金针菇多糖解决了大豆分离蛋白水凝胶重塑中存在的问题，这是因为大豆蛋白从金针菇多糖中引入-OH后增强了β-片状物结构的生成，降低了凝胶黏性和强度，使水凝胶可以更轻易地挤出，微观结构上更加均匀和致密（图3D）。金针菇多糖的添加成功地改善了水凝胶的特性，从而使其具备3D 打印特性。这也成功证实了天然多糖具有改善蛋白质3D打印性质的作用。

3.3 油脂对蛋白质3D-FP产品的改性

脂类物质有助于多方位改善蛋白类食物的感官，提高产品硬度、润滑度。在鱼糜加工处理中难免发生脂质的损失，因此通常添加植物油、起酥油等外源性油脂来弥补，以改善鱼糜制品的质地和风味。油脂的添加占据了蛋白质基质的孔隙，改变了蛋白质的二级结构和微环境，保护了凝胶网络结构的完整性，使产品风味和口感得以改良，保水性和多汁性得以提高，弹性和色泽得以改善，凝胶强度和白度得以提高。Zhou等[95]研究发现，油茶籽油浓度对鱼糜质地和蛋白质二级结构有着积极作用，与鱼糜凝胶的凝胶强度、乳液稳定性和保水能力呈正相关，离子键和疏水相互作用力指数随油脂浓度的升高而增加。冷冻扫描电镜和拉曼光谱结果显示，油脂的添加能够增加蛋白质二级结构含量，增强凝胶三维网络的稳定性。在蛋白质凝胶形成过程中，油脂和蛋白质的互作关系首先表现在界面蛋白膜形成过程中所需蛋白质间的相互作用，其次是油脂与界面蛋白膜间的相互作用[50]。油脂和蛋白质间最终形成油脂-界面蛋白膜-蛋白质基质乳化体系。Shao等[96]研究结果显示，加热导致β-折叠结构的增加和其疏水作用的增强，表明油脂可以改变鱼糜蛋白质的微环境，提高蛋白凝胶性能。目前为了降低饱和脂肪酸含量，逐渐用植物油脂代替动物油脂。但油脂的种类和pH值都会影响油脂与蛋白质间的作用力，因此在选用脂类添加剂提高蛋白质凝胶性能时要对环境参数多加注意。

3.4 外源蛋白对蛋白质3D-FP产品的改性

在加工处理过程中，外源蛋白一般扮演抑制剂或交联剂的角色。外源蛋白的添加会改变蛋白质浓度，对体系分散性和组织化改性，影响蛋白质间相互作用。一般豆类蛋白均含有蛋白酶抑制剂，其可起到改善凝胶性能、抑制凝胶自溶的作用。Kudre 等[97]探究发现，黑豆分离蛋白和绿豆分离蛋白具有明显抑制沙丁鱼鱼糜蛋白水解酶的效果，对肉糜凝胶化、持水性有促进作用。研究发现，大豆分离蛋白、花生分离蛋白或大豆分离蛋白、大米分离蛋白这两种混合外源蛋白的添加有利于增强凝胶密度，促进肌原纤维蛋白（MP）自凝胶化。动物性蛋白的添加对蛋白质基质的效果相似，但作用机制略有不同[98]。Rawdkuen等[99]研究发现，乳清浓缩蛋白表现为外源抑制鱼糜自溶剂，同时乳清浓缩蛋白的添加浓度与鱼糜凝胶强度、保水性呈正相关。外源蛋白的交联剂作用则可表现在与MP 相互作用、相互交联、氢键和疏水相互作用力促进凝胶网络的形成上。Wang 等[100]通过向未漂洗鱼糜中加入不同添加量的鸡胸肉后，显著提升了肌动蛋白含量和凝胶性能，产品表面更加光滑，凝胶网络更致密。这说明在混合过程中其可促进蛋白质间的交联，改善网络结构。综上可知，不同种类外源蛋白的添加能够对蛋白凝胶特性和品质起到积极影响。

酶类蛋白中主要以谷氨酰胺转氨酶（Transglutaminase，TGase）作为外源蛋白添加剂。TGase酶能够催化蛋白质中赖氨酸残基上的ε-氨基和谷氨酸残基上的γ-酰胺基发生转酰基反应，诱导蛋白质分子内和分子间生成ε-（γ-谷酰胺）-赖氨酸共价键，促进鱼糜蛋白凝胶网络结构的形成[50，54]，从而改善产品的口感、风味及质地等。此外，蛋白质易受到生存、加工环境的影响，需要注意pH值对蛋白质表面电荷和溶解度的促进（或抑制）效果，不利的环境会使蛋白质变性而无法达到改善凝胶结构、提高打印效果的目的。综上所述，不同类别外源添加物对蛋白质3D-FP产品的改性不同（表2）。

表2 3D食品打印中蛋白质的改性Table 2 Modification of proteins in 3D food printing

4 预处理及后加工对蛋白质3D-FP的影响

打印精度和形状稳定性是3D-FP 目前面临的最大挑战。为了开发出性能更好的材料，借助热处理、微波、超声波、高压等方法对材料进行预处理或加工后处理，可提高打印精度和材料的稳定性[26,101]。

水浴加热是最常用的热处理方法，依据食品材料对温度的热敏性而应用于3D-FP中。许多研究利用这种机制对蛋白质或其复配原料进行打印前处理。Liu等[102]将蛋清蛋白溶液与明胶、玉米淀粉和蔗糖的混合物在55 ℃水浴下制备成具有可打印性的复合打印材料。Lille 等[103]将30%黑麦麸皮、35%燕麦浓缩蛋白或45%蚕豆浓缩蛋白混合，经水浴加热后形成用于3D 打印的凝胶，打印后产品的稳定性高。将乳清蛋白分离物和乳蛋白浓缩物以质量比2∶5 的比例混合并添加一定量的甘油和黄原胶，也可以成功地进行3D打印[33]。

3D-FP 蛋白产品大多处于液态或半固态，在包装和运输过程中易发生形变，微波协同3D-FP 热处理方式能有效解决这一问题。Yang 等[104]研究微波真空干燥后处理方式对芒果汁凝胶的影响，比较不同干燥时间下打印产品的风味、质地、水分分布和介电性能，发现经过4 min微波真空干燥处理后得到的产品表现出最佳的形状稳定性和准确性。赵子龙[105]采用微波3D 打印协同方法完成了打印过程中鱼糜的液固转变。Yu 等[63]将大豆蛋白与半胱氨酸微波加热不同时间（20、25、30 min）以提高其打印性和自凝胶化，转谷氨酰胺酶与微波协同作用形成的ε-（γ-谷氨酰胺）共价键作用有助于形成稳定的凝胶网络结构，从而实现大豆蛋白凝胶的液固转变。Fan 等[101]研究了微波-盐协同预处理对大豆分离蛋白-草莓油墨3D 打印性能和自支撑性能的影响，结果表明，盐和微波处理可以显著提高这类油墨的打印精度和自支撑性能。微波干燥方式能更好地保留营养成分，同时确保颜色和质地特性的最小变化，甚至引起风味变化。但并不是所有的材料都能通过微波处理得到改善。

超声波技术被认为是一种具有应用前景的环保技术。因蛋白质易受高压均质过程中的空穴效应影响，使蛋白乳化性质等发生改变，因此超声波通常在蛋白质最终产品生产前应用。超声波主要通过促进不同蛋白质类食物基质中蛋白质与其他膳食成分相互作用，从而提高打印材料的稳定性[106]。Ma等[107]研究了超声波处理后蛋白质基质中发生的静电相互作用，表明450 W、70 ℃的超声波处理能显著加快大豆分离蛋白与多糖（柑橘果胶/苹果果胶）的结合。Chen 等[108]在探究超声波处理对鲢鱼鱼糜3D 打印特性的影响中发现：频率100 kHz、功率300 W、持续时间45 min 的超声波处理可减少对蛋白质结构特征的损伤，并增加其与水的相互作用。Chen 等[109]使用超声波（20/23 kHz，400 W，10 min，10 ℃）加强鸡肉糜和黄芩素之间的氢键和疏水性作用，从而减少对油的需求，增强凝胶的抗氧化能力。此外，采用超声波和植物半胱氨酸蛋白酶可制成适合老年人的嫩化人造肉[110]。

超高压技术是一种非热处理加工技术，以水或流体作为介质传导压力，可瞬时破坏共价键，不同程度改变肽链折叠层度和蛋白质分子结构[111]。超高压的作用体现在以下几方面：①加强蛋白质打印凝胶强度。王炳智[112]研究了不同高压对小麦面筋蛋白的影响，发现随着压力的增强，打印凝胶强度增大。这表明超高压技术对蛋白质分子结构的展开、疏水相互作用力、三维网络结构的形成起到了积极作用。②提高蛋白质的乳化性和起泡性。周一鸣等[113]在研究高静水压对荞麦蛋白功能性质的影响中对此予以了证明。此外，研究证明，超高压对蛋白质结构和其水合特性也有一定的影响。超高压处理对共价键的瞬时破坏，导致二硫键、疏水基团和其他官能团暴露，蛋白质分子受到拉伸，影响蛋白质的溶解性和持水性。压力为0～600 MPa时，溶解性随压力的增加表现为先下降后上升[114]。黄薇[115]的研究结果表明：同样进行超高压处理，面筋蛋白和小麦醇溶蛋白的溶解性变化趋势与麦谷蛋白相反；超高压处理下蛋白的持水性和蛋白种类相关。戴彩霞等[116]研究超高压对菜籽蛋白功能性质和结构的影响时，发现超高压处理菜籽蛋白质时，其溶解性受蛋白所处环境的酸碱度影响。高压作用力、蛋白种类和反应环境条件（温度、pH 等）因素不同程度上共同影响着蛋白质的水合特性。根据上述提到的处理方式按其对蛋白质3D-FP的影响进行了归纳（见表3）。

表3 预处理及后加工对蛋白质3D-FP的影响Table 3 Effect of pretreatment and post-processing on protein products prepared by 3D-FP

5 蛋白质3D-FP性能检测技术

黏弹性、剪切变稀性的流变特性和快速恢复性能是3D打印成功的关键。研究人员利用低场核磁共振（Low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）分析水分迁移变化时发现，弛豫时间和相应的峰面积等参数与食品油墨的剪切稀释和黏弹性具有很强的相关性[117-118]。LF-NMR 是一种可以观察到物质质量变化、水相和水分子结合状态的检测手段。该技术的使用证明了淀粉改善肉糜流变性和打印性时，水分分布也会随之改变[119]。Liu等[93]的聚类分析结果发现，淀粉种类、淀粉添加量、水分和流变性能与鱼糜3D打印性能密切相关。以上研究均为LF-NMR可作为预测食材的流变性能并评价其3D打印性能的手段提供了理论依据。

近红外光谱法（Near infrared spectrometry，NIR）是数字化分析仪器和化学计量学方法的结合形成的研究方法，可用于分析食品中脂肪、蛋白质、氨基酸等含量，并据此评定食品品质。食品中胶体颗粒的大小对乳制品的理化、功能和感官特性有相当大的影响。利用NIR 可以对牛奶样品中的脂肪球大小进行定量分析[120]。NIR 在食品行业中作为检测工具体系还需进一步完善，但利用该技术对食品类成分与功能进行预测或测量无疑是食品加工和3D-FP中一个不错的检测与评价方法。

傅立叶红外光谱（FTIR）和拉曼光谱所呈现的图谱已经成为蛋白质二级构象信息的可靠数据分析来源[121]。康怀彬等[122]采用FTIR 研究高温对蛋白结构的影响，发现温度升高时，α-螺旋结构会向无规卷曲结构转变，对蛋白凝胶性和持水性有负面影响。Zheng 等[123]采用FTIR 研究发现，肉糜加工制备中，盐可改变水分分布和蛋白质二级结构含量，改善肉制品品质。

上述方法均能用来检测蛋白质材料的打印特性和评估打印产品的恢复性及稳定性。但对其单独使用仅能从水分分布或蛋白质结构上对产品进行评价。因此，在探究新型蛋白质打印材料时应对以上方法进行复合使用，这有利于更全面、更透彻地分析产品特性。如Yang 等[124]采用LF-NMR 和拉曼光谱法相结合的研究方法，从低场磁场和pH 两个角度对提高猪肉糜凝胶特性的机理进行更全面地探究。

6 展望

本文对3D打印技术应用于食品行业的优势及发展趋势进行了概述，总结了不同种类蛋白质及其3D打印产品特性的改变，并分析了蛋白质与各食物组分间的相互作用力对3D-FP 产品的影响，这将有助于开发新型的多组分蛋白质3D-FP 食品，提高蛋白质应用的广度或深度。但是，目前蛋白质3D-FP 食品主要面临两方面的挑战：一方面是如何发掘更多可以应用于3D-FP的蛋白质材料。由于打印特性与食品材料自身的理化性质相关，有些材料难以直接进行打印。为解决这一问题，可以优化蛋白质与不同食品组分间的作用力或通过预处理方式改善自凝胶性、假塑性，使其具备可打印的能力。参照鱼糜蛋白、大豆分离蛋白、小麦醇溶蛋白成熟的体系研究，加深藻类蛋白、昆虫分离蛋白、植物叶片蛋白、农林副产品蛋白、坚果蛋白等潜在蛋白质来源的探究。另一方面，蛋白质复合组分3D-FP 食品如何以更好的风味、造型呈现，以适应当前消费者市场和个性化营养市场。应该宏观把握前沿技术发展和市场需求动向，进一步推敲细化多元组分相互作用对蛋白凝胶的影响，完善复合凝胶理论体系，拓宽3D-FP食品加工来源和增强食物成品效果。同时，多种技术的结合是未来食品加工发展趋势，如人工智能与3D-FP有效结合等。综上所述，3D-FP 具有广阔的应用前景，有必要进一步加强3D-FP和蛋白质结合的探究。当然，3D-FP 技术还有很长的探索之路，本综述抛砖引玉，以期对新蛋白来源的开发、活性成分的添加、食品感官的丰富性加以更多关注，共同面对3D-FP新的挑战。