趙一果 何 君 孫翠霞 魯 偉 方亞鵬

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院 上海200240）

當(dāng)前， 全球人口不斷上升， 食品需求快速增長(zhǎng)，進(jìn)而加速農(nóng)業(yè)產(chǎn)量擴(kuò)增，而這樣的增長(zhǎng)會(huì)消耗更多資源，也會(huì)帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題[1]。以畜牧業(yè)為例，據(jù)估算生產(chǎn)1 kg 的肉消耗植物原料約2～15 kg，且當(dāng)前約18%的溫室氣體排放來(lái)自于牲畜養(yǎng)殖[2-3]。 發(fā)展包括仿生肉制品在內(nèi)的環(huán)境友好型仿生食品，可有效解決人類飲食多樣性需求以及數(shù)量增加與當(dāng)前的資源短缺、環(huán)境污染、技術(shù)滯后之間的矛盾。

現(xiàn)有的仿生食品常以大豆蛋白、 面筋、 低值魚(yú)/蝦糜等為原料，采用擠壓、剪切等多種食品加工方法，一般從外形、風(fēng)味、結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)等多角度模擬天然食品，涵蓋仿生海洋食品、仿生肉制品、仿生發(fā)酵食品、仿生果脯[4-5]。 據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，食用仿生食品時(shí)， 消費(fèi)者的關(guān)注度主要在于對(duì)比仿生食品與目標(biāo)食品的形態(tài)、口感和質(zhì)地[6]。目前，通過(guò)風(fēng)味物質(zhì)和天然植物色素復(fù)配已經(jīng)使得仿生食品的外觀和口感都能達(dá)到一定的相似度， 然而其質(zhì)地的模擬有待提升， 尤其是各向異性結(jié)構(gòu)的質(zhì)地模擬非常關(guān)鍵。

食品因組成成分、 加工方法或儲(chǔ)藏方式的不同，形成各異的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)各向異性特征或各向同性特征[7]。 其性質(zhì)不受觀測(cè)位點(diǎn)的限制，為各向同性；依賴于觀測(cè)位點(diǎn)則為各向異性[8]。 食品的各向異性結(jié)構(gòu)，賦予了食品多層次豐富的性質(zhì)，使得食品在如彈性、黏性、斷裂能、擴(kuò)散性能等方面隨著測(cè)量方向不同而結(jié)果各異， 豐富了消費(fèi)者的感官體驗(yàn)和品質(zhì)需求[9]。

基于食品結(jié)構(gòu)復(fù)雜多層次性考慮， 通過(guò)食品加工的工藝改進(jìn)和原料創(chuàng)新來(lái)模擬構(gòu)建天然食品內(nèi)部各向異性結(jié)構(gòu)，從而提高仿生食品的相似度，具有重要的產(chǎn)業(yè)推動(dòng)意義。 本文介紹不同類型食品的內(nèi)在各向異性結(jié)構(gòu)特征， 以及當(dāng)前食品領(lǐng)域中各向異性結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)建方法， 進(jìn)而明確食品各向異性結(jié)構(gòu)在仿生食品領(lǐng)域的意義和重要性，以期為仿生食品的研究發(fā)展提供參考。

1 食品中各向異性結(jié)構(gòu)

食品結(jié)構(gòu)的分析是食品科學(xué)基礎(chǔ)研究的重要內(nèi)容。 在宏觀到微觀不同的觀測(cè)尺度上， 如圖1所示，食品呈現(xiàn)豐富的結(jié)構(gòu)。 常見(jiàn)食品包括果蔬、肉等多屬于各向異性結(jié)構(gòu)， 如蘋果的最大壓縮破裂能隨著擠壓的方向不同（軸向或徑向）而改變，肉的應(yīng)力或應(yīng)變隨著垂直或平行纖維方向呈現(xiàn)出各異性， 然而也有些食品因內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻或定向結(jié)構(gòu)受到破壞而呈現(xiàn)各項(xiàng)同性，如新鮮的土豆，粉碎的肉末等[10-11]。 此外，食品級(jí)原輔料基于一般性工藝加工后，形成具有一定組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的食品，也會(huì)呈現(xiàn)各向異性特征。

圖1 某些食品中的各向異性結(jié)構(gòu)Fig.1 Anisotropic structures in some foods

1.1 天然植物源食品的各向異性結(jié)構(gòu)

由于植物內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)具有一定的方向取向性，如圖1 所示，植物源食品如水果、蔬菜，多呈現(xiàn)出各向異性結(jié)構(gòu)特性。在植物器官發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞分裂和細(xì)胞壁生長(zhǎng)并不是完全隨機(jī)， 而是具有傾向性，因此最終形成有取向的組織結(jié)構(gòu)，整體上呈現(xiàn)出各向異性特征[15]。 這種各向異性結(jié)構(gòu)不僅是植物生理的需要，該性能還對(duì)于對(duì)水果、蔬菜的采摘、貯運(yùn)、加工等方面均具有重要的指導(dǎo)意義。

Pǎduret 等[16]研究了3 個(gè)不同品種草莓（Coral，Darselect 和Elsanta）的質(zhì)構(gòu)， 在韌性和抗壓力方面，Darselect 品種的草莓具有最高各向異性度，達(dá)到1.22 至1.26；同時(shí)，研究不同成熟狀態(tài)（初熟、成熟、過(guò)熟）下的草莓結(jié)構(gòu)，仍然呈現(xiàn)出各向異性特征，而且處于初熟期的草莓韌性最高，這為果蔬的采摘提供了一定的理論指導(dǎo)。呂俊龍等[17]運(yùn)用電子式拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)得白蘿卜軸向壓縮時(shí)彈性模量為2.19 MPa，徑向彈性模量為1.98 MPa，表現(xiàn)出各向異性，而且白蘿卜的彈性模量越大，抗壓能力越強(qiáng)，因此，在白蘿卜運(yùn)輸和儲(chǔ)藏過(guò)程中，盡量豎著進(jìn)行分裝，從而避免徑向受力，保護(hù)白蘿卜不受損傷。 對(duì)甘肅省靖遠(yuǎn)縣的小口大棗分別沿著縱向或橫向進(jìn)行壓縮力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果如表1 所示，縱向的彈性模量、破裂負(fù)載、破裂相對(duì)變形量等力學(xué)性能均優(yōu)于橫向，呈現(xiàn)出各向異性特征，這也為鮮棗選擇合理的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、包裝等提供了理論參考[18]。

常見(jiàn)的蘋果和梨，鑒于各向異性結(jié)構(gòu)特征，其衰變彈性模量、平衡彈性模量、松弛時(shí)間和粘滯系數(shù)等均受到取樣方向的顯著影響， 呈現(xiàn)出高度的依賴性[19-20]。 在表征具有各向異性結(jié)構(gòu)的水果、蔬菜時(shí)，也需要考慮方向?qū)τ谛再|(zhì)的影響，測(cè)量該類樣品需保證每次測(cè)量方向位點(diǎn)相同。 各向異性結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能為果蔬的加工、 儲(chǔ)藏提供了有力的參考，為消費(fèi)者提供了豐富的口感體驗(yàn)。

表1 加載速率30 mm/min 時(shí)鮮棗的壓縮機(jī)械性能[13]Table 1 Compression mechanical properties of fresh jujube under 30 mm/min loading rate[13]

1.2 天然動(dòng)物源食品的各向異性結(jié)構(gòu)

天然植物源食品如蔬菜， 基于多面形植物細(xì)胞組織形成的為相對(duì)溫和的各向異性結(jié)構(gòu)， 然而對(duì)于天然動(dòng)物源食品——肉，如圖2 所示，是基于定向肌肉纖維束結(jié)構(gòu)導(dǎo)致顯著的各向異性特征[16]。 肌動(dòng)蛋白、肌凝蛋白和膠原蛋白等肉中的纖維蛋白，在氫鍵的相互作用下形成α-螺旋、反平行β-折疊或者三螺旋立體結(jié)構(gòu)，再經(jīng)自組裝成高度規(guī)則且具有層次的纖維束， 從而形成各向異性結(jié)構(gòu)[11，21]。

圖2 肌肉層次結(jié)構(gòu)示意圖[22]Fig.2 The hierarchical structure of the skeletal muscle[22]

以肉類為主的動(dòng)物源食品， 由于其富含高質(zhì)量的蛋白質(zhì)和多汁口感， 是人類從食物中獲取優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)資源的重要方式， 一般可將肉分成紅肉（如牛肉、羊肉、豬肉等）、白肉（如雞肉、魚(yú)肉等）和加工肉（如煙熏的肉、火腿、培根、香腸、漢堡等）[23]。Krintiras 等[3]分別沿著平行或者垂直纖維束方向研究生牛肉的拉伸性質(zhì)，結(jié)果表明：平行纖維方向的拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變均高于垂直纖維方向，呈現(xiàn)各向異性結(jié)構(gòu)， 應(yīng)力各向異性度和應(yīng)變各向異性度分別是2 和1.8 左右。Chiang 等[24]測(cè)量了煮熟的雞胸肉成分和性質(zhì)， 其蛋白質(zhì)含量28.97%，pH值6.26，水分含量由75%降至69%。由于肌肉蛋白的變性，引起雞肉的收縮，導(dǎo)致水分流失，沿著平行或垂直纖維方向，記錄切割力，得出各向異性度1.63，表明蒸煮并未破壞雞肉的定向纖維結(jié)構(gòu)。

肉類食品的各向異性度的變化可用來(lái)表征其品質(zhì)。 基于極化微波法（10～24 GHz），分別沿著平行或垂直肌肉纖維的方向， 在不破壞樣品情況下測(cè)量牛肉或魚(yú)肉的介電性能，計(jì)算各向異性度，通過(guò)對(duì)比不同老化程度的牛肉和不同新鮮程度的魚(yú)肉， 表明各向異性度的衰減程度與牛肉的老化度或者魚(yú)肉新鮮度呈現(xiàn)相關(guān)性， 進(jìn)而可建立各向異性度與肉品質(zhì)關(guān)系，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的[25]。

1.3 加工食品的各向異性結(jié)構(gòu)

食品級(jí)物料經(jīng)擠壓、切片、揉捏、加熱等加工工藝后，可制備出具有一定組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的食品，宏觀呈現(xiàn)出各向異性特征。 馬蘇里拉（Mozzarella）奶酪制備涉及在熱水中對(duì)凝乳進(jìn)行揉捏和拉伸，導(dǎo)致蛋白質(zhì)纖維和脂肪沿著拉伸力的方向而取向， 該組織結(jié)構(gòu)使平行蛋白取向的馬蘇里拉奶酪的拉伸性能遠(yuǎn)高于垂直蛋白取向的拉伸性能，如圖1c 所示，形成各向異性特征[26-27]。

Gonzalez 等[28]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用質(zhì)構(gòu)儀的標(biāo)準(zhǔn)TA-47刀片切割熟的意大利烤寬面條（Lasagna）時(shí)，垂直于生產(chǎn)中擠壓烤寬面條方向時(shí)所需的切割力遠(yuǎn)高于平行其擠壓方向， 說(shuō)明該食品在加工過(guò)程中形成了各向異性結(jié)構(gòu)。在我國(guó)及東南亞地區(qū)，食用傳統(tǒng)的豆類加工食品如面筋、素雞、印尼豆豉等，產(chǎn)品內(nèi)部富有多層次規(guī)則的結(jié)構(gòu)， 具有一定肉的相似質(zhì)感；同時(shí)，其富含蛋白質(zhì)，受到素食主義者的喜愛(ài)[29]。 比如素雞，以素仿葷，其風(fēng)味和口感與雞肉相似，形似白條雞，頗受消費(fèi)者喜歡，通過(guò)研究其制作工藝發(fā)現(xiàn)，在制作過(guò)程中涉及纏卷、造型、蒸煮等步驟，將豆腐坯結(jié)實(shí)地卷成圓柱體，再經(jīng)高溫?cái)D壓定形即可制備出具有肉感的素雞[30]。 常見(jiàn)的加工工藝為食品各向異性結(jié)構(gòu)的模擬構(gòu)建提供了方法和靈感，可優(yōu)化仿生食品的生產(chǎn)。

2 食品中各向異性結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)建方法

根據(jù)構(gòu)建原理不同， 基于構(gòu)建各向異性結(jié)構(gòu)的加工尺度， 常見(jiàn)主要食品中的各向異性結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法可分為“自下而上（bottom-up）”和“自上而下（top-down）”兩大類。 “自下而上”的方法是先形成獨(dú)立定向的結(jié)構(gòu)微元素， 通常為微觀納米級(jí)的加工， 然后組裝成具有多層次各向異性結(jié)構(gòu)的宏觀食品，具體方法包括細(xì)胞培養(yǎng)（In vitro culture cells）、紡絲（Spinning）；“自上而下”的方法是直接作用于宏觀食品， 內(nèi)部大分子在外力的作用下，形成定向聚集，構(gòu)成各向異性特征，其缺乏天然食品的內(nèi)部多層次結(jié)構(gòu)， 具體方法包括擠壓（Extrusion）、定向冷凍（Directional Freezing）、剪切技術(shù)（Shear technology），還包括3D 打印技術(shù)（3D Printing）[31]。

2.1 食品中“自下而上”類的各向異性結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法

2.1.1 細(xì)胞培養(yǎng) 體外細(xì)胞培養(yǎng)方法可用于制作培養(yǎng)肉（Cultured Meat），該產(chǎn)品不同于直接從被屠宰的家畜身上獲得的肉， 而是在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿里通過(guò)動(dòng)物的肌肉細(xì)胞培養(yǎng)而成[32]。 首先將成肌細(xì)胞從動(dòng)物的骨骼肌中提取出來(lái)， 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)胞培養(yǎng)法放大復(fù)制培養(yǎng)成肌細(xì)胞；然后，當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)的數(shù)量足夠時(shí)， 被轉(zhuǎn)移到帶有錨點(diǎn)的生物支架上以連接和排列細(xì)胞，再結(jié)合電場(chǎng)或其它方法，確保肌肉纖維的定向排列生長(zhǎng)；最后，經(jīng)過(guò)大約3 周的培養(yǎng)，可形成長(zhǎng)度約2～3 cm，厚度小于1 mm 的肌肉纖維，進(jìn)一步擴(kuò)大培養(yǎng)，即可形成具有各向異性結(jié)構(gòu)的仿生肉[33]。 從微觀的細(xì)胞培養(yǎng)到最后宏觀的肌肉組織形成， 該方法幾乎可以模擬出肉的所有結(jié)構(gòu)特征，然而規(guī)模因素、安全因素、成本因素、 道德因素等等均制約著其在仿生食品方面的進(jìn)一步應(yīng)用以及擴(kuò)大化生產(chǎn)培養(yǎng)肉[34-35]。

2.1.2 紡絲 紡絲是用來(lái)構(gòu)造富含蛋白質(zhì)食物的各向異性結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)加工方法，如圖3a 基于分散相的變形和定向固化，最終形成取向結(jié)構(gòu)[9]。 當(dāng)生物聚合物液體經(jīng)噴絲頭擠壓噴出時(shí)， 經(jīng)過(guò)拉伸得到纖維；然后應(yīng)用鹽、酸或堿溶液等固化所得纖維；經(jīng)洗滌后得到最終纖維有序排列的結(jié)構(gòu)， 紡成的纖維厚度約為噴絲孔尺寸，數(shù)百微米左右[37]。 應(yīng)用紡絲技術(shù)，不僅可以在生物、化工等領(lǐng)域制備出定向結(jié)構(gòu)的DNA、碳納米管，而且在食品領(lǐng)域也可制備具有排列取向性的纖維，如圖3b 所示，基于食品級(jí)乳清蛋白經(jīng)過(guò)靜電紡絲所形成各向異性結(jié)構(gòu)[36，38-39]。 目前食品蛋白為來(lái)源的紡絲材料較為常見(jiàn)，不同的食品蛋白因氨基酸組成及構(gòu)象不同，最終形成的結(jié)構(gòu)也有所差異，比如經(jīng)紡絲后，豌豆蛋白和蠶豆蛋白的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變， 蛋白顆粒結(jié)構(gòu)展開(kāi)，形成定向立體纖維結(jié)構(gòu)，具備各向異性特征，然而大豆分離蛋白經(jīng)紡絲后，并沒(méi)有明顯的取向，無(wú)各向異性特征[37，40]。雖然紡絲技術(shù)能夠制備出均一的定向食品纖維，但是由于固有技術(shù)弊端，如制備過(guò)程中使用化學(xué)試劑，產(chǎn)生大量的廢汽，同時(shí)，食品工業(yè)上將單根纖維組裝成宏觀食品的技術(shù)復(fù)雜性等， 因此紡絲在食品方面的應(yīng)用研究比較欠缺[9]。

圖3 靜電紡絲的原理（a）[36]和排列的靜電紡絲纖維（b）[36]Fig.3 Principle of electrospinning（a）[36] and aligned electrospun fibers（b）[36]

2.2 食品中“自上而下”類的各向異性結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法

2.2.1 擠壓 擠壓組織化工藝是最常用的將植物基原料轉(zhuǎn)化為纖維化產(chǎn)品的商業(yè)技術(shù)， 分為低水分?jǐn)D壓和高水分?jǐn)D壓[31]。 20 世紀(jì)60年代初，Wenger 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用低水分?jǐn)D壓技術(shù)首次制造了具有多孔肉狀結(jié)構(gòu)的塊狀產(chǎn)品[43]。20 世紀(jì)90年代初，隨著雙螺桿食品擠壓機(jī)的開(kāi)發(fā)，高水分?jǐn)D壓技術(shù)被應(yīng)用于制造仿生肉[44]。 傳統(tǒng)擠壓仿生肉多是通過(guò)低水分?jǐn)D壓技術(shù)制備，具有海綿狀結(jié)構(gòu)，并且食用前需要復(fù)水， 然而利用高水分?jǐn)D壓技術(shù)獲得的高水分組織化植物蛋白具有類似動(dòng)物肌肉的纖維結(jié)構(gòu)，無(wú)需復(fù)水、可直接食用[45]。 高水分?jǐn)D壓制備各向異性結(jié)構(gòu)過(guò)程主要涉及兩個(gè)部分： 擠壓部分和冷凍模具部分， 蛋白質(zhì)混合物首先經(jīng)過(guò)擠壓部分的高溫加熱和機(jī)械攪拌等處理， 原始結(jié)構(gòu)受到破壞，同時(shí)，蛋白分子聚集形成可溶或不可溶的聚合物，再經(jīng)過(guò)冷凍模具，蛋白質(zhì)分子在擠出流動(dòng)方向牽引下進(jìn)行重新排列，形成各向異性結(jié)構(gòu)[42]。

對(duì)比3 種豌豆蛋白和不同擠壓溫度（100，120，140，160 ℃），發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度超過(guò)120 ℃時(shí)，3 種豌豆蛋白樣品均形成各向異性結(jié)構(gòu)，擠壓過(guò)程中，蛋白纖維的形成主要依賴于溫度[46]。Chiang 等[24]研究了不同大豆蛋白濃縮物和面筋比例對(duì)擠壓纖維結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)以煮熟的雞胸肉作為對(duì)照物，結(jié)果如表2 所示，隨著面筋含量的增加，各向異性度逐漸升高，形成定向纖維結(jié)構(gòu)。由于擠壓整個(gè)過(guò)程涉及復(fù)雜的輸出、輸入，因此將擠壓工藝涉及參數(shù)分為三大類：工藝參數(shù)（包括螺桿轉(zhuǎn)速、含水量、筒體溫度、螺桿結(jié)構(gòu)、模具尺寸、原材料特性等）、系統(tǒng)參數(shù)（包括能量輸入、停留時(shí)間等）、產(chǎn)品特性（包括顏色、營(yíng)養(yǎng)、質(zhì)地、口感等），其中，工藝參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)均會(huì)對(duì)產(chǎn)品特性產(chǎn)生影響[47]。 盡管擠壓加工已被廣泛研究多年， 對(duì)擠壓產(chǎn)品的工藝和設(shè)計(jì)的控制還主要基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)[48]。 擠壓構(gòu)建各向異性結(jié)構(gòu)，雖然屬于能源密集型技術(shù)，但是由于簡(jiǎn)單、有效，仍被廣泛應(yīng)用于仿生食品。

2.2.2 定向冷凍 定向冷凍的關(guān)鍵在于控制冰晶的生長(zhǎng)取向， 因溶質(zhì)在溶劑晶體中溶解度極低而被析出，誘發(fā)溶質(zhì)和溶劑產(chǎn)生相分離，再經(jīng)過(guò)真空冷凍干燥，晶體升華揮發(fā)后，原有位置形成定向孔道結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)體系呈現(xiàn)各向異性[49]。 該方法主要應(yīng)用于高分子材料領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)定向冷凍后，大分子單體等溶質(zhì)被定向分離富集， 在輻照等合成方法激發(fā)下，引起大分子單體的原位聚合反應(yīng)，從而制備出各向異性結(jié)構(gòu)[50]。 此外，食品大分子如家禽骨頭蛋白、蝦蛋白等（圖5b），經(jīng)過(guò)定向冷凍后，也可制備出定向纖維片狀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)各向異性[51-52]。

圖4 雙螺桿擠出機(jī)原理示意圖（a）[41]和擠壓仿生肉圖片（b）[42]Fig.4 Schematic diagram of twin-screw extruder （a）[41] and visual images of extruded meat analogues （b）[42]

表2 不同大豆蛋白濃縮物與面筋比例的擠壓物的各向異性度[24]Table 2 Degree of anisotropy of extruded products with different soy protein concentrate to wheat gluten ratios [24]

通過(guò)調(diào)控溶質(zhì)的濃度、冷凍條件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)孔道結(jié)構(gòu)的微觀形貌和性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。 提高大分子濃度，孔道壁變厚，穿透性變成非穿透性，從而影響該結(jié)構(gòu)的性能；降低冷凍溫度和提高冷凍速率，促進(jìn)大量的晶核形成，可調(diào)節(jié)冰晶的尺寸，進(jìn)而影響孔道形貌[31，53]。 隨著冷凍速率從2 mm/min 提高到20 mm/min，定向冷凍形成的定向多孔道水凝膠的孔徑逐漸變小，且均呈現(xiàn)出各向異性結(jié)構(gòu)[54]。 定向冷凍常以水為溶劑，結(jié)合物理冷凍結(jié)晶過(guò)程，無(wú)其它化學(xué)反應(yīng)及副產(chǎn)物生成， 具備環(huán)境友好的特點(diǎn)，同時(shí)，整個(gè)操作工藝參數(shù)簡(jiǎn)單，便于調(diào)控，適用范圍廣泛[55]。 該方法所有冷凍源包括液氮、有機(jī)溶液或鹽溶液，雖技術(shù)較為成熟，但存在操作復(fù)雜、制冷條件可調(diào)節(jié)性差等， 在其工業(yè)化的應(yīng)用方面有待進(jìn)一步發(fā)展。

圖5 定向冷凍誘導(dǎo)示意圖（a）[56]和定向冷凍（-25 ℃）家禽骨頭蛋白的微觀組織形貌（b）[51]Fig.5 Schematic diagram of directional freezing （a）[56] and the microstructure of the protein isolate from poultry bones after directional freezing at -25 ℃（b）[51]

2.2.3 剪切技術(shù) 為了克服擠壓機(jī)的擠壓過(guò)程中“黑盒”（Black box）特征，受流變儀的明確剪切流程啟發(fā)， 近年來(lái)國(guó)際上引入剪切變形的技術(shù)來(lái)構(gòu)建各向異性結(jié)構(gòu)[57-58]。 目前，根據(jù)轉(zhuǎn)子形狀研制出兩種剪切裝置：錐形剪切池（a cone-cone device/shear cell）和圓柱形剪切池（a concentric cylinder device/coquette cell），同時(shí)，以大豆分離蛋白和面筋混合物為原料，結(jié)合以上模具，均制備出各向異性結(jié)構(gòu)[3]。

剪切原料特性（如蛋白濃度、種類、物料比）和剪切過(guò)程參數(shù)（如剪切速率、剪切時(shí)間、剪切溫度）可影響剪切產(chǎn)物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[59-61]。通過(guò)研究大豆分離蛋白和面筋混合比例， 發(fā)現(xiàn)純大豆分離蛋白無(wú)法制備出各向異性結(jié)構(gòu)，提高面筋濃度，剪切產(chǎn)物的纖維結(jié)構(gòu)將變成片狀結(jié)構(gòu)，因此，剪切誘導(dǎo)形成各向異性結(jié)構(gòu)基于原料間的相分離和形變、 固化完成[62]。 目前，酪蛋白鈣和油脂的混合物、大豆分離蛋白和面筋的混合物、 大豆分離蛋白和果膠混合物、 大豆蛋白濃縮物等均已應(yīng)用剪切技術(shù)制備出片狀或纖維結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出各向異性[59-61，63]。 Krintiras 等[64]應(yīng)用圓柱形剪切池，以大豆分離蛋白和面筋為主要原料，完成了中試擴(kuò)大試驗(yàn)，單次處理原料可達(dá)7.5 kg，如圖4 所示，剪切溫度120 ℃，剪切速率20 r/min， 剪切時(shí)間30 min 時(shí)， 形成厚度為3 cm 的纖維狀結(jié)構(gòu)的剪切物，呈現(xiàn)各向異性結(jié)構(gòu)。

圖6 庫(kù)埃特套筒裝置用于生產(chǎn)肉模擬纖維結(jié)構(gòu)（a）[41]；剪切產(chǎn)物（長(zhǎng)度596mm，厚度332mm）（b）；剪切產(chǎn)物橫截面的纖維結(jié)構(gòu)[64]（c）Fig.6 Couette cell device used to produce meat-analogue fibrous structure （a）[41]； the shear-induced product（length=596 mm， thickness=332 mm）（b）； the obtained fiber structure at the cross section of shear-induced product （c）[64]

2.2.4 3D 打印技術(shù) 食品3D 打印步驟主要包括軟件建模、程序控制、物料擠出、固化成形，如圖7a 所示牛奶蛋白濃縮物（MPC）和乳清蛋白分離物（WPI）糊狀物的3D 打印效果圖。 相比于材料類的3D 打印，食品3D 打印的原料較為特別，需考慮在擠出過(guò)程中的流動(dòng)性和固化成形過(guò)程中可塑性，以及一定的剛度來(lái)支撐結(jié)構(gòu)[65]。 基于打印材料的不同，食品3D 打印可分為：軟物質(zhì)擠壓，比如將面團(tuán)、肉泥、奶酪等通過(guò)其自支撐混合和沉積，達(dá)到最終結(jié)構(gòu)成形的目的；熔融擠壓，通過(guò)材料擠出前后溫度的改動(dòng)達(dá)到定形的作用， 常用于包括巧克力、糖果等食品；水凝膠構(gòu)建擠出，通過(guò)物料中大分子在離子或者交聯(lián)劑的誘導(dǎo)下凝膠化的特點(diǎn)，固化食品結(jié)構(gòu)[66]。 3D 打印食品不一定都存在各向異性的結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為，只有當(dāng)噴頭擠出物接收盤上有序的定向排列時(shí)， 才能較為宏觀形成各向異性的結(jié)構(gòu)如圖7a、7b，7c；另外，在3D 打印擠出的過(guò)程中，基于食品混合物的黏性流動(dòng)機(jī)理，可能會(huì)出現(xiàn)分散相的拉伸定向或者排列定向， 因此一定程度上微觀也可能會(huì)出現(xiàn)各向異性的結(jié)構(gòu)， 這主要取決于剪切速率，混合物料的流變學(xué)性質(zhì)[67]。

現(xiàn)有的3D 仿生食品打印的研究與實(shí)踐應(yīng)用主要集中在產(chǎn)值較高的仿生肉制品方面，如圖7a，7b，7c， 因受到打印設(shè)備擠出噴頭尺寸的限制，仿生肉制品多為層狀的各向異性結(jié)構(gòu)， 與真實(shí)肉制品的纖維狀結(jié)構(gòu)還存在一定差距。 此外，3D 食品打印在打印效率方面還需要進(jìn)一步提升，圖如7d所示結(jié)合多個(gè)噴頭同時(shí)打印， 可在提高效率的同時(shí)產(chǎn)生更為精細(xì)的各向異性結(jié)構(gòu)。

圖7 牛奶蛋白濃縮物（MPC）和乳清蛋白分離物（WPI）糊狀物的3D 打印效果圖（a）[68]；基于3D 打印設(shè)計(jì)的仿生肉制品：香腸、牛排“重組肉”、肉餅（b）[69]；六噴頭3D 打印機(jī)及其最終產(chǎn)品（c）[70]Fig.7 3D printing illustration of milk protein concentrate （MPC）and whey protein isolate （WPI）based paste hypothetical food designs based on 3D printing （a）[68]； meat analog produced by 3D printer： sausage， steak‘recombined meat’， and patty （b）[69]； examples of a filament six-head 3D printers and the resulting final product （c）[70]

2.3 其它

基于食品軟物質(zhì)體系的本質(zhì)特質(zhì)， 可參考目前在高分材料領(lǐng)域中， 尤其是與食品凝膠相似的材料類水凝膠構(gòu)建各向異性結(jié)構(gòu)較為成熟的方法，包括利用電場(chǎng)、磁場(chǎng)和力場(chǎng)等定向牽引，離子的定向擴(kuò)散以及影印石板術(shù)構(gòu)造技術(shù)來(lái)構(gòu)建各向異性結(jié)構(gòu)材料的方法， 通過(guò)調(diào)節(jié)食品組分間的相互作用及結(jié)構(gòu)模型， 構(gòu)建具有各向異性結(jié)構(gòu)的仿生食品[71]。 然而，基于食品材料的安全性以及化學(xué)性質(zhì)較為活潑的因素， 也需要考慮食品級(jí)的原材料在電磁場(chǎng)作用下的穩(wěn)定性， 離子的定向擴(kuò)散中所涉及的離子濃度對(duì)人體影響， 以及影印技術(shù)中相關(guān)有機(jī)溶液的殘留等問(wèn)題。再者限于上述方法，目前大規(guī)模研究以及生產(chǎn)實(shí)踐的局限性， 還需對(duì)其材料/食品加工工藝的優(yōu)化創(chuàng)新做進(jìn)一步探索。

3 小結(jié)

仿生食品技術(shù)是解決資源短缺、 環(huán)境保護(hù)和食品需求三者之間矛盾的重要手段， 也是實(shí)現(xiàn)食品精準(zhǔn)高效制造產(chǎn)業(yè)化的有效途徑。 以現(xiàn)有天然食品中極具特點(diǎn)的各向異性結(jié)構(gòu)入手， 解析其結(jié)構(gòu)形成機(jī)理和微觀宏觀的表現(xiàn)形式， 對(duì)于研究制備仿生食品有重要意義。 基于食品材料各向異性特征， 從微觀納米級(jí)別到宏觀肉眼可見(jiàn)級(jí)別的多尺度性， 目前還需要深入挖掘食品組分在加工條件下多尺度的結(jié)構(gòu)變化與組分分子間的相互作用機(jī)制，從而精準(zhǔn)調(diào)控食品結(jié)構(gòu)，有效構(gòu)建各向異性仿生結(jié)構(gòu)。 此外，融合多學(xué)科交叉發(fā)展，參考水凝膠、 軟物質(zhì)以及材料學(xué)科中物質(zhì)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的新思路，借助機(jī)械、電子元器件開(kāi)發(fā)對(duì)于加工單元及設(shè)備的設(shè)計(jì)制造，可改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)手段及加工方法，從而進(jìn)一步優(yōu)化創(chuàng)新食品各向異性仿生結(jié)構(gòu)的搭建。