設(shè)計未來食品：利用食品3D打印技術(shù)封裝生物活性化合物
摘要
生物活性化合物（BCs）通過與活體組織和系統(tǒng)的一種或多種成分相互作用，提供了許多健康益處。然而，盡管BCs具有潛在的健康益處，但大多數(shù)BCs的生物可及性和生物利用度較低，阻礙了其潛在的健康促進(jìn)活動。傳統(tǒng)的封裝技術(shù)是耗時的，并且在其食品應(yīng)用中具有主要限制，包括使用非食品級化學(xué)品、不期望的感官特性和儲存穩(wěn)定性問題?；?D打印的尖端新技術(shù)可以幫助解決與傳統(tǒng)封裝技術(shù)相關(guān)的問題。
3D食品打印可以通過將BCs精確地結(jié)合到三維基質(zhì)中來幫助保護(hù)BCs，這可以提供（i）儲存期間的保護(hù)，（ii）提高生物利用度，以及（iii）BCs的有效遞送和控制釋放。最近，已經(jīng)研究了各種3D打印技術(shù)和油墨，以創(chuàng)建具有不同組成和幾何形狀以及不同釋放模式的遞送系統(tǒng)。這篇綜述強調(diào)了基于3D打印的封裝方法的進(jìn)展，導(dǎo)致了增強的遞送系統(tǒng)和定制的食品配方。
使用基于擠壓的3D打印方法封裝BCs
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Figure 1. (a) Schematics illustrating the production of printable emulsion gels, extrusion-based 3D food printing, and images of the 3D-printed tablets. Lipid-based formulations compositions: type II long-chain (II-LC), type IIIA long-chain (IIIA-LC), type IIIA medium-chain (IIIA-MC). these formulations contain different ratios of soybean oil, maisine CC (mixed long-chain glycerides), tween 85, kolliphor EL (polyethoxylated castor oil), captex 355 EP/NF (medium-chain triglycerides), and capmul MCM EP (mixed long-chain glycerides). Adopted from Johannesson et al. (Citation2021); (b) Schematic illustrating the coaxial extrusion-based 3D food printing, the 3D model of the spiral cube shape used for 3D printing, and lutein encapsulation in dual-layered starch/ethyl cellulose gels. Adopted from Ahmadzadeh and Ubeyitogullari (Citation2023a); (c) Schematic illustrating the dual extruder 3D printing, 3D models of drug-loaded tablets, and light microscopic images of 3D-printed tablets in the bottom view (left), top view (Middle) and side view or view without top (container-lid coating only) (right). Adopted from Kempin et al. (Citation2018).
基于擠壓的3D打印技術(shù)為生物活性化合物（BCs）的封裝提供了一種精確且可控的方法。這種技術(shù)通過將BCs與可打印材料（如脂質(zhì)、水凝膠等）混合，形成具有特定流變學(xué)性質(zhì)的油墨，然后通過擠壓噴頭逐層沉積，構(gòu)建出三維結(jié)構(gòu)。
該方法的優(yōu)勢在于能夠精確控制BCs的分布和釋放模式，同時保護(hù)其生物活性。例如，通過調(diào)整打印參數(shù)（如溫度、壓力、擠出速度等）和材料配方，可以實現(xiàn)BCs的緩釋或靶向釋放，提高其生物利用度和治療效果。
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Figure 2. (a) 3D model designed for the printing of emulsion-templated oleogel, the dimension of the shape is 40?mm × 35?mm × 2.25?mm; (b) 3D printed oleogel (stabilized using GG1.5) loaded with curcumin and resveratrol after printing (left) and freeze-dried 3D printed MCT oleogel (right); (c) SEM image of freeze-dried MCT oleogel stabilized with GG1.5 at magnification 1000x; (d) Release profile of curcumin (CUR) and resveratrol (RSV) during each phase of in vitro digestion study conducted for 4?h. Control: MCT oil, and sample: MCT oleogel stabilized with GG1.5. Adopted from Kavimughil et al. (Citation2022). GG: Gellan gum, MCT: medium-chain triacyglycerols, CUR: curcumin, RSV: resveratrol.
傳統(tǒng)的BCs封裝方法通常涉及復(fù)雜的多步過程，包括乳化、噴霧干燥、包衣等。而3D打印技術(shù)為傳統(tǒng)封裝方法帶來了新的突破，通過將封裝和成型過程整合為一步，簡化了生產(chǎn)流程。
例如，研究人員利用3D打印技術(shù)制備了負(fù)載姜黃素和白藜蘆醇的油凝膠（oleogel），通過控制打印參數(shù)和材料組成，實現(xiàn)了對BCs釋放速率的精確調(diào)控。這種方法不僅提高了BCs的穩(wěn)定性，還改善了其在食品中的分散性和口感。
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Figure 3. (a) Schematic illustration of the coaxial extrusion-based 3D food printing, and the 3D model used for lutein encapsulation into dual-layered starch (S)/ethyl cellulose (EC) gels via 3D printing; (b) Images of the 3D-printed spiral cubes produced using S concentrations of 9, 10, 11 (w/w), EC concentration of 10% (w/v), at three printing temperatures (55, 65, and 75?°C). the images indicate the samples without lutein (left), and with 20?mg lutein per 1?g EC solution (right). (c) Storage stability of lutein at 25 and 50?°C. Adopted from Ahmadzadeh and Ubeyitogullari (Citation2023a).
在3D打印過程中直接封裝BCs是一種創(chuàng)新的方法，它將BCs的保護(hù)和遞送系統(tǒng)的構(gòu)建同步完成。例如，采用同軸擠出3D打印技術(shù)，可以將BCs包裹在雙層結(jié)構(gòu)中，內(nèi)層提供保護(hù)功能，外層控制釋放速率。
研究表明，通過優(yōu)化打印參數(shù)（如溫度、壓力、流速等）和材料選擇（如淀粉、乙基纖維素等），可以顯著提高BCs的穩(wěn)定性和生物利用度。此外，3D打印還允許創(chuàng)建復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強了對BCs釋放行為的控制能力。
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Figure 4. (a) Thermally-induced crosslinked hydrogels from ovalbumin by acylation modifications. Adopted from Hu et al. (Citation2022); (b) Schematic illustrating the production of polyvinyl alcohol (PVA) hydrogels by the freeze-thaw method. Adapted from Adelnia et al. (Citation2022); (c) Ionic crosslinked hydrogels from alginate. Adopted from Abasalizadeh et al. (Citation2020); (d) Schematic illustration of the 3D printing process using methylcellulose-Tyramine bioink prepared via the dual crosslinking method. Thermal crosslinking (step 1) + photo crosslinking (step 2). Adopted from Shin et al. (Citation2020); (e) Gelation of bicomponent polymer network (BCN) using UV treatment, and hydrogel characteristics. Adopted from Eke et al. (Citation2017).
水凝膠因其良好的生物相容性、高含水量和可控的降解性能，成為3D打印封裝BCs的理想材料。不同類型的水凝膠，如熱交聯(lián)水凝膠、離子交聯(lián)水凝膠和雙重交聯(lián)水凝膠，已被廣泛研究用于BCs的遞送。
例如，通過化學(xué)修飾的卵清蛋白制備的熱交聯(lián)水凝膠，能夠在溫和條件下形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效保護(hù)BCs免受外界環(huán)境的影響。此外，雙重交聯(lián)水凝膠結(jié)合了兩種交聯(lián)機制的優(yōu)勢，提供了更精確的釋放控制和更好的機械性能。
未來展望
同時3D打印和封裝將食品加工和封裝融合到一個步驟中。為了確保BCs的3D打印具有適當(dāng)?shù)墓δ?，在配制食品油墨時必須考慮材料特性和封裝方法。此外，在設(shè)計食品輸送系統(tǒng)時，應(yīng)研究預(yù)處理和后處理對封裝BCs的影響。
研究挑戰(zhàn)
- 優(yōu)化打印參數(shù)以保持BCs的生物活性
- 開發(fā)適合3D打印的食品級材料
- 解決大規(guī)模生產(chǎn)中的精度和速度問題
- 建立3D打印食品的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)
應(yīng)用前景
- 個性化營養(yǎng)食品的定制生產(chǎn)
- 功能性食品和營養(yǎng)補充劑的精準(zhǔn)遞送
- 特殊人群（如老年人、運動員）食品的設(shè)計
- 減少食品浪費和優(yōu)化供應(yīng)鏈
理想情況下，BCs的生物活性不應(yīng)在預(yù)處理或后處理時降低，并且包封的BCs必須保持穩(wěn)定，直到它們遞送到靶位點。其他工藝因素包括核心和外殼材料、封裝方法、封裝的穩(wěn)定性、3D結(jié)構(gòu)的預(yù)處理和后處理、BCs的儲存穩(wěn)定性、釋放和生物利用度。所有這些變量都需要在3D打印過程優(yōu)化期間進(jìn)行處理。
結(jié)論
"3D打印的出現(xiàn)帶來了定制和個性化食品設(shè)計的進(jìn)步和好處。封裝和3D打印是兩種革命性的技術(shù)，它們可以提供各種優(yōu)勢和健康益處，當(dāng)結(jié)合在一起時，可以在開發(fā)定制功能食品方面取得有希望的結(jié)果。"
然而，由于這些方法大多是經(jīng)過實驗室驗證的技術(shù)，它們的實際應(yīng)用尚未解決。本文詳細(xì)介紹了這種組合技術(shù)的各個方面，以及BCs遞送和功能性食品開發(fā)方面的前瞻性解決方案和進(jìn)展，以及在實施過程中面臨的問題。
在未來的研究中，必須解決與過程優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議相關(guān)的挑戰(zhàn)。目前的工作為未來的發(fā)展提供了有用的參考，并為3D打印與封裝相結(jié)合開發(fā)3D打印功能食品提供了有價值的信息。
