3D打印鱼糜配方优化及新型鱼糜仿生食品开发

我国水产资源丰富，鱼糜及其制品在水产品加工业中扮演着重要角色，2024年我国鱼糜制品行业产量已达132.08万t[1]，显示出广阔的潜力。传统鱼糜制品品类相对单一，目前市场上销售的主要是鱼丸、蟹肉棒等产品，对于鱼糜制品的研究主要围绕口感和滋味提升。开发高端鱼糜制品，实现定制化和精准营养制造已成为传统鱼糜产业升级的方向之一。带鱼是我国传统经济鱼类，海洋捕捞的大量低值小带鱼多用于制成鱼糜制品[2]，带鱼鱼糜凝胶质构差、腥味大，生产过程中需加入一定量的辅料来增强凝胶强度、改良风味。

食品3D打印在满足不同人群对食品外形和营养口味的独特需求方面展现出了巨大潜力，巧克力[3]、糖果[4]、奶酪[5]、淀粉[6]等食材均已应用3D打印技术，近年来，鱼糜3D打印[7]领域受到越来越多的学者关注，然而鱼糜在挤出堆叠后仍然为流动和半流动状态，在3D打印及后处理过程中会不可避免地出现变形、塌陷等问题[8-9]。目前相关研究主要集中在开发食品配料改善鱼糜3D可打印性[10-11]方面，常见的添加配料包括食盐、淀粉、蛋白粉、油脂和多糖等。也有学者利用微波[12-13]、激光[14]、射频[15]等技术实现3D打印过程鱼糜墨水的实时热固化，但这些手段需定制专用设备，成本较高且推广难度大。如何使用普通食品3D打印机实现高精度立体仿真食品制备有待进一步研究。

本研究以冷冻带鱼鱼糜为原料，探究不同添加量的淀粉、食盐、冰水对鱼糜3D打印产品品质的影响，通过单因素、正交试验优化3D打印最佳配方；在筛选出与试验3D打印机匹配的最适鱼糜配方的基础上，开发一种可对糜状原料进行常温3D打印的对映3D打印技术，以期为新型鱼糜仿生食品开发提供思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冷冻带鱼鱼糜（-80 ℃冻藏，水分含量约为74.5%）：浙江兴业集团有限公司；无碘食盐：湖南雪天盐业集团有限公司；玉米淀粉：南京甘汁园股份有限公司；果蔬色素：市售。

食物加工机（CY-329）：佛山市品胤科技有限公司；通用色差仪（NR10QC）：深圳市三恩时科技有限公司；质构仪（THINKSENSO）：浙江浙科仪器设备有限公司；3D打印机（Zero）：青岛易造智能科技有限公司。

1.2 3D打印鱼糜配方优化

1.2.1 鱼糜浆料制备

冷冻带鱼鱼糜在4 ℃下解冻12 h后，切成约2 cm3的小块，称取300 g鱼糜空斩处理2 min，加入食盐斩拌2 min后，加入玉米淀粉继续斩拌5 min，期间分次加入定量冰水[16]。斩拌结束后，快速将鱼糜浆料过30 目筛，得到质地均匀的带鱼鱼糜浆料，4 ℃冰箱存放8 h后用于3D打印。

1.2.2 单因素试验设计

选取淀粉添加量4%、6%、8%、10%和12%，食盐添加量为3%，冰水添加量为14%，3D打印制备的样品沸水蒸制25 min后，以感官评分及凝胶强度为指标，确定最适淀粉添加量[17-18]。

选取食盐添加量2.0%、2.5%、3.0%、3.5%和4.0%，淀粉添加量为8%，冰水添加量为14%，3D打印制备的样品沸水蒸制25 min后，以感官评分及凝胶强度为指标，确定最适食盐添加量[19]。

选取冰水添加量11.0%、12.5%、14.0%、15.5%和17.0%，淀粉添加量为8%，食盐添加量为3%，3D打印制备的样品沸水蒸制25 min后，以感官评分及凝胶强度为指标，确定最适冰水添加量[20]。

1.2.3 正交试验设计

在单因素试验的基础上，选择淀粉添加量（A）、食盐添加量（B）、冰水添加量（C）进行L9（34）正交试验，因素与水平见表1，试验设计见表2。

1.2.4 3D打印模型与打印参数设计

空心三棱柱：底为等边三角形（边长为30 mm），棱长为40 mm，用于打印成型效果和稳定性的评价；实心圆柱体[21]：直径为30 mm，高为30 mm，用于其他指标测定。利用建模软件blender 3.1绘制测试模型，导出为STL文件，通过切片软件Cura 4.8.0对模型文件进行分层切片处理，转换为3D打印机可识别使用的G-code文件，测试模型及尺寸如图1所示。

3D打印参数：喷嘴直径1.6 mm，层高1.4 mm，初始层高1.2 mm，壁1层，打印速度20 mm/s，填充模式同心圆，打印温度25 ℃，实心圆柱体填充密度90%，空心三棱柱填充密度10%。

1.2.5 3D打印过程及成型质量评价

3D打印产品质量评估参考Pan等[22]的方法并稍作调整。3D打印完成后，立即用游标卡尺测量成品实心圆柱体和空心三棱柱数据，利用公式（1）、（2）计算3D打印精确性。

式中：J1为打印实心产品精确性，%；Ra为圆柱体模型半径，15 mm；Ha为圆柱体模型高度，30 mm；Ra0为打印后立即测量的圆柱体半径，mm；Ha0为打印后立即测量的圆柱体高度，mm。

式中：J2为打印空心产品精确性，%；La为三棱柱模型边长，30 mm；Lb为三棱柱模型棱长，40 mm；La0为打印后立即测量的三棱柱边长，mm；Lb0为打印后立即测量的三棱柱棱长，mm。

将打印空心三棱柱成品在25 ℃下静置30 min，利用游标卡尺测量空心三棱柱顶部塌陷最严重的点到底部平面的高度，利用公式（3）计算3D打印的稳定性。同时，用手机拍摄3D打印成品的照片，评估其打印质量。打印精确性的绝对值越接近100%表示打印精度越高，高于100%表示与模型相比偏大，低于100%表示与模型相比偏小。

式中：W为稳定性，%；H0为打印后立即测量的三棱柱高度，mm；H1为放置30 min后测量的高度，mm。

1.2.6 感官评价

参考吴芳等[23]的评价方法，由10 位接受过专业感官培训的小组成员（5 位女性和5 位男性）对成品进行感官评价，色泽、组织状态、气味和弹性的权重分别为0.2、0.2、0.3和0.3，采用加权法计算总分，各项指标取平均值。感官评价标准见表3。

1.2.7 质构特性测定

参考Wang等[24]的测定方法并稍作修改，测定3D打印的圆柱体样品质构特性。选用P/50探头，测前速率5.0 mm/s，测中速率1.0 mm/s，测后速率5.0 mm/s，测试压缩比45%，触发力5 g，两次压缩间隔5 s。

1.2.8 凝胶强度测定

参考罗华彬等[25]的测定方法，选用P/0.5探头，测定破断力和破断距离，两者乘积即为凝胶强度（g·mm），测前速度5.0 mm/s，测中速度1.0 mm/s，测后速度10.0 mm/s，测试压缩比60%，触发力5 g。

1.2.9 蒸煮损失率测定

参照Chao等[26]的方法将3D打印产品蒸制25 min。熟化后，用滤纸擦干成品表面，并在室温下静置10 min。蒸煮损失率（Z，%）按公式（4）计算。

式中：M0为蒸煮前质量，g；M1为蒸煮后质量，g。

1.2.10 持水力测定

参考刘文娟[27]的测定方法并稍作修改，在凝胶样品中间部分切取厚约5 mm，质量约3 g的薄片，置于上下各4层的滤纸中间，在其上加约0.5 kg的重物，保持3 min后。鱼糜凝胶的压力持水力（C，%）按公式（5）计算。

式中：W0为加压前质量，g；W1为加压后质量，g。

1.3 对映3D打印技术制备新型鱼糜制品

在筛选出最适鱼糜配方的基础上，利用对映立体3D打印技术制造仿生食品。对映立体3D打印技术流程如图2所示。

由图2可知，以制备仿生南美白对虾食品为例，基于有机化学“手性”概念，利用“3D扫描建模”技术获得南美白对虾数字三维模型，并通过建模软件blender 3.1修复处理得到完整可用的半虾模型a，在切片软件Cura 4.8.0中获得镜像对称的半虾模型b，以单面对虾模型为基础，进行3D打印得到一对镜像仿生的南美白对虾鱼糜成品a′、b′，将打印的单面对虾a、b放入90 ℃水浴加热10 min，捞出后用生鱼糜将其对称粘贴在一起，水浴10 min熟化定型后捞出晾干，上色处理后便制备出了3D立体仿生对虾，成品抽真空密封存放于4 ℃冰箱，即可得完整的仿生对虾成品。

1.4 数据处理与分析

根据单因素试验结果，进行正交试验，获得最佳3D打印鱼糜配方。对于每一批样品，试验平行测定5 次，结果以平均值±标准差表示。数据使用SPSS 26.0软件分析，P＜0.05表示差异显著，采用Origin Pro 2022软件绘制相关图表。

2 结果与分析

2.1 3D打印鱼糜配方开发

2.1.1 不同原料添加量对感官评分的影响

不同原料添加量对感官评分的影响见图3。

由图3可以看出，随着淀粉添加量的增加，带鱼鱼糜的感官评分呈现先增加后降低的趋势，淀粉添加量为8%时，3D打印产品感官评分达到最高值7.20，少量的淀粉改善了鱼糜的组织状态及风味；而当淀粉添加过高时，感官评分呈下降趋势，此时的鱼糜硬度增大，质地粗糙[28]。食盐添加量为3.5%时，感官评分最高。不同冰水添加量对感官评分的影响差异不大，添加量为11.0%时，感官评分最低，为5.88。

2.1.2 不同原料添加量对质构特性和凝胶强度的影响

不同原料添加量对鱼糜3D打印产品质构特性和凝胶强度的影响见表4。

质构特性和凝胶强度是评估3D打印产品品质的重要指标[29]。由表4可知，不同原料添加量对3D打印产品的硬度、弹性、内聚性、咀嚼性和凝胶强度均有一定影响。同一原料添加量变化均对3D打印产品的内聚性无显著影响（P＞0.05）。随着淀粉添加量的增加，3D打印产品硬度、咀嚼性和凝胶强度均呈现升高趋势，添加量为12%时，硬度、咀嚼性和凝胶强度达到最高值。随着食盐添加量的增加，硬度和咀嚼性整体呈现降低趋势，弹性无显著差异，凝胶强度呈现下降趋势，可能是食盐添加量过高诱导鱼糜蛋白无序聚集，破坏鱼糜凝胶网络，导致凝胶强度降低，这与Zhao等[19]获得的结果相似。冰水的添加显著降低了3D打印产品的硬度、咀嚼性和凝胶强度，体系过高的水分含量降低鱼糜蛋白浓度，形成松散的网状结构[30]。

2.1.3 正交试验

2.1.3.1 不同配方的3D打印效果

不同配方带鱼鱼糜的3D打印效果如表5所示。

打印实心产品精确性表示不同配方鱼糜打印实心产品与设计模型的差异，打印空心产品精确性表示不同配方鱼糜打印空心产品与设计模型的差异，稳定性表示空心产品室温下放置30 min后的坍塌情况。由表5可知，所有实心产品的外观形态较为统一规则，层与层结构紧密，表面纹理光滑。3D打印实心产品的精确性均大于100%，可见鱼糜经3D打印产生了轻微的体积膨胀，且数值上无显著差异，这可能与较高的填充密度（90%）有关。空心样品打印过程中极易发生形变，产品在0 min时已经与模型存在偏差，打印空心产品精确性为97.12%到78.96%，通过照片可以明显观察到空心产品在打印过程中的内凹或者外凸现象，放置30 min后所有产品都发生了不同程度的塌陷，可见生鱼糜原料在打印空心薄壁结构方面存在不足，且较易发生形变。因此，选择打印实心产品精确性作为指标参与后续分析。

2.1.3.2 不同配方3D打印产品的品质特性

图4为不同配方3D打印产品的蒸煮损失率和持水力，不同配方3D打印产品的质构特性如表6所示。

蒸煮损失率和持水力是评价3D打印产品品质的重要指标，鱼糜3D打印产品的内部结构与蒸煮损失率和持水力密切相关，产品内部的蛋白质、淀粉等成分经过蒸煮熟化形成了较为致密的网络结构，能够与水分子相互作用，将水分固定在体系内。从图4可以看出，组别6和7的持水力相对较高；组别1和9的持水力相对较低。组别7和9的蒸煮损失率相对较高，组别1拥有最低的蒸煮损失率，表明第1组3D打印的鱼糜产品熟化后结构致密且均匀。

由表6可知，内聚性反映材料内部结合力，硬度高意味着打印产品结构更紧实，最高硬度和内聚性分别为第7、9组，组别8弹性最好，达到1.04，组别3、5的弹性相对较低。咀嚼性综合体现了硬度、弹性和内聚性，第7、8、9组咀嚼性较高，组别3最低。总体而言，组别7、8、9的质构特性表现较为出色，合适的质构特性组合能够提升并获得更优的感官品质。

2.1.3.3 正交试验结果分析

对不同配方3D打印产品的精确性、持水力、感官评分和凝胶强度进行极差分析，结果如表7所示。

由表7可知，影响3D打印产品精确性的因素主次顺序为食盐添加量＞冰水添加量＞淀粉添加量，最佳组合为A1B3C2；持水力的影响因素主次顺序为冰水添加量＞淀粉添加量＞食盐添加量，所得最佳组合为A3B3C3；感官评分与凝胶强度的影响因素主次顺序为淀粉添加量＞食盐添加量＞冰水添加量，所得最佳组合均为A3B1C1。将直观分析所得3组组合与试验结果最优组合A3B2C1、A3B1C3进行验证试验。

2.1.3.4 验证试验结果

使用5组配方进行3D打印，结果如表8和图5所示。

由表8和图5可知，最终确定最优配方为A3B1C1，即淀粉添加量为10%、食盐添加量为2.5%、冰水添加量为12.5%，此条件下精确性为100.35%，持水力为92.63%，感官评分为7.75，凝胶强度为256.08 g·mm。

2.2 3D打印仿生对虾食品制备

采用3D打印鱼糜最优组合，应用对映3D打印技术打印仿生对虾，各阶段鱼糜形态变化如图6所示。

由图6可知，打印效果与模型基本一致，虾须结构完整，具有较高还原度，因此运用对映3D打印技术制备的仿生对虾与真实南美白对虾高度相似，区别于传统的鱼糜仿生食品。

3 结论

本文以淀粉、食盐和冰水添加量为考察因素，采用单因素和正交试验对3D打印鱼糜配方进行优化，综合考察3D打印成型质量和成品品质特性，最终筛选得到适合带鱼鱼糜3D打印的最优配方为淀粉添加量10%、食盐添加量2.5%、冰水添加量12.5%。验证试验证实其3D打印精确性和成品持水力、感官评分、凝胶强度均达为最佳。在优化配方的基础上，利用鱼糜浆料，通过对映3D打印技术，精确打印出左右对称的模型，将两半模型熟化后再粘合起来，制备出形态逼真的3D立体仿生对虾，通过优化支撑结构设计，增大3D打印鱼糜浆料与打印平台间的接触面积，显著提升了打印成品的稳定性和立体效果，打印的对虾饱满立体。本研究创新性的提出了一种适用于糜状原料的常温立体打印的方法，为新型鱼糜仿生食品开发提供了新思路。

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Optimization of Surimi Formulation for 3D Printing and Development of Novel Surimi-Based Bionic Food

MAO Wenhui1，LIU Yijin1，SHEN Xuanju2，SHI Xuezhi3，ZHOU Xiaomin4，ZHENG Bin1，SONG Yan1，ZHAO Yadong1*

（1. Food and Pharmacy College，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022，Zhejiang，China；2. Zhejiang Uish Environmental Technology Co.，Ltd.，Zhoushan 315300，Zhejiang，China；3. School of Marine Engineering Equipment，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022，Zhejiang，China；4. Zhejiang Xingye Group Co.，Ltd.，Zhoushan 316101，Zhejiang，China）

Abstract：To provide a new idea for surimi-based bionic marine food，this study investigated the effects of starch addition，salt addition，and ice water addition on the sensory score，texture characteristics，and gel strength of 3D printed surimi products by single-factor experiments using frozen hairtail surimi as the raw material. The surimi formulation suitable for 3D printing was determined by orthogonal tests and verification tests.Further，the enantiomorphic 3D printing technique was developed utilizing 3D scanning and layered slicing techniques. The results showed that the optimal surimi formulation for 3D printing was 10% starch addition，2.5% salt addition，and 12.5% ice water addition. Under these conditions，the 3D printed product exhibited a printing accuracy of 100.35%，a water-holding capacity of 92.63%，a sensory score of 7.75，and a gel strength of 256.08 g·mm. The enantiomorphic 3D printing technique can be applied to the preparation of novel surimibased bionic food based on the Litopenaeus vannamei model.

Key words：hairtail surimi；food 3D printing；molding effect；enantiomorphic 3D printing；bionic food

DOI：10.12161/j.issn.1005-6521.2026.08.002

基金项目：2023年度宁波市第一批重大科技攻关暨“揭榜挂帅”项目（2023Z123）

作者简介：毛雯慧（2000—），女（汉），硕士研究生，研究方向：水产品加工与贮藏。

*通信作者：赵亚东（1985—），男（汉），教授，博士，研究方向：水产品加工与贮藏。

引文格式：毛雯慧，刘亦锦，沈选举，等. 3D打印鱼糜配方优化及新型鱼糜仿生食品开发[J]. 食品研究与开发，2026，47（8）：8-17.
MAO Wenhui，LIU Yijin，SHEN Xuanju，et al. Optimization of Surimi Formulation for 3D Printing and Development of Novel Surimi-Based Bionic Food[J]. Food Research and Development，2026，47（8）：8-17.

收稿日期：2024-11-06

责任编辑：冯娜