植物基納米纖維素在食品3D 打印中的應用

徐 博，馬 濤，戶昕娜，盧舒瑜，宋 弋*

（1 中國農業大學食品科學與營養工程學院 北京100083 2 國家果蔬加工工程技術研究中心 北京100193 3 農業農村部果蔬加工重點實驗室 北京 100193）

3D 打印是一種基于計算機輔助設計建立數字模型，運用可黏合材料，通過逐層添加物料的方式堆積制造三維物體的加工制造技術[1]，因其快速成型、高度定制、工藝簡單的優點而在醫學[2]、生命科學[3]、食品[4]、建筑[5]、紡織[6]等領域得到廣泛應用，被視為能夠引發技術革命的下一代前沿科技。在食品領域，3D 打印技術由于逐層添加食物原料的加工方式，也被稱為食品分層制造技術，可以用于生產傳統制造方法難以實現的復雜結構，降低生產成本，擴大食品原料的使用范圍，有助于節約時間成本，增強產品競爭力和針對需求實現個性化定制調控[7]。

纖維素是自然界儲量最為豐富、分布最為廣泛的天然有機高分子材料，其作為細胞壁的主要組成成分存在于所有植物中，是最易獲取的綠色可再生資源之一[8]。將纖維素通過機械處理結合化學分解法得到的具有納米尺度的纖維素材料稱為納米纖維素，納米纖維素的理化特性因納米尺寸效應發生改變，其比表面積、機械性能、結晶度等特性相對纖維素更為出色[9-11]，是一種高性能的可再生納米材料[12]。此外，用于生產納米纖維素的植物原料來源廣泛、易得[13]，還可以充分利用秸稈等傳統意義上的農業廢棄資源，實現農副產物高效利用[14]。

植物基納米纖維素因優良的力學性能和流變學特性而適用于3D 打印技術，可提高材料強度，增強可打印性，使更多原料可作為3D 打印墨水使用。來源于植物的特點使其滿足食品領域對原料安全性的要求，可廣泛結合其它可食用或食品級材料，因此在食品3D 打印領域具有良好的發展潛力和廣闊的應用前景。目前相關領域尚處于起步階段，有待深入研究。本文綜述植物基納米纖維素材料結合3D 打印技術在食品領域的應用現狀，并對未來發展方向進行展望。

1 植物基納米纖維素

纖維素由D-葡萄糖基通過β-1，4-糖苷鍵鏈接而成，葡萄糖基在相互鏈接后仍保存了大量羥基，羥基通過分子間和分子內氫鍵作用影響纖維素的結晶程度，在纖維素中形成大量納米級的結晶區和無定形區[15]。以纖維素為原料，通過不同提取方法可制得兩種具有不同形貌的納米纖維素，分別被稱為纖維素納米纖維（Cellulose nanofibril，CNF）和纖維素納米晶（Cellulose nanocrystal，CNC）。

1.1 纖維素納米纖維和纖維素納米晶

通過劇烈的機械作用將植物纖維素原纖化，得到的納米尺度纖維素被稱為纖維素納米纖維（圖1）。CNF 呈細長的絲狀，同時包括纖維素的結晶區和無定形區，根據美國紙張與造紙工業技術協會（Technical association of the pulp and paper industry，TAPPI）的定義，其寬度通常為5～30 nm，長徑比大于50。由于CNF 較高的長徑比，其柔韌性好，易糾纏形成網狀結構；CNF 包含纖維素的無定形區，其結晶度相對較低[16]。通過化學方法除去纖維素無定形區，得到的納米尺度纖維素晶體被稱為纖維素納米晶（圖1）。CNC 呈棒狀或紡錘狀，僅包含纖維素的結晶區，根據TAPPI 的推薦定義，其寬度一般位于3～10 nm 區間，長徑比高于5。CNC 由于僅包含纖維素的結晶區，長徑比相對CNF 較低，柔韌性較差，而具有很高的強度和楊氏模量[17]。相較于天然纖維素，這2 種納米纖維素都表現出更為優異的性能，雖然具體的結構尺寸有所差異，但都具有高比表面積[18]、表面易改性、良好的機械性能[19]以及生物安全性等特點[20]。

圖1 植物基納米纖維素的制備[21]Fig. 1 Preparation of plant-based nanocellulose[21]

1.2 植物基納米纖維素的功能特性

納米纖維素豐富的功能特性使其廣泛適用于細胞組織培養、生物醫學工程、先進裝備制造在內等眾多領域，考慮到其與食品3D 打印技術的相適應性，對其機械強度、表面基團、流變學特性以及生物安全性相關的部分特性進行介紹。

1.2.1 機械強度 纖維素本身具有良好的機械強度，由其制備的納米纖維素同樣具備優良的機械性能，并且可作為增強材料使用。CNC 由去除無定形區后的纖維素結晶區構成，結構高度有序，自身剛度高，其單位密度彈性模量能達到鋼鐵的4～5倍[22]。將少量CNC 添加至其它聚合物中，即可顯著提高混合物的力學強度和楊氏模量[23]。CNF 雖未具備高度有序的結構，但其仍包含有大量纖維素結晶區，能表現出較好的力學性能，其強度是其它纖維素復合材料的3～15 倍[24]。將CNF 添加入其它聚合物構建的體系中，結構強度能夠得到有效提高[25-26]。

1.2.2 表面基團 由于納米纖維素表面攜帶大量親水羥基，這些羥基的存在能夠被多種不同的取代基或小分子物質所利用，作為表面改性的結構化平臺，賦予納米纖維素更多優異的功能性質[27]。在制備納米纖維素過程中的化學處理是對納米纖維素改性的最常見方式。在制備CNF 預處理階段使用2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基（2，2，6，6-Tetramethyl-1-piperidinyloxy，TEMPO）對其氧化，通過機械處理后可得表面被羧基、醛基修飾的CNF，其形態和結晶度不會產生變化[28]。CNC 則常用酸水解法制備，這會在其表面修飾帶負電荷的基團，例如使用硫酸水解制備的CNC 表面會帶有磺基[29]，使用TEMPO 氧化CNC 也會使其表面攜帶羧基[30]。此外，物理吸附[31]、羥基酯化[32]、接枝其它聚合物[33]等方式也是常見的納米纖維素改性手段。

1.2.3 流變學特性 研究流體在外力作用下產生的變形和流動行為的力學被稱為流變學，常用于描述高分子材料微觀結構的復雜性質。水中的納米纖維素可通過氫鍵作用結合周圍水分子，提高體系黏度，使懸浮液黏度與其濃度呈正相關；在靜態或低剪切速率條件下納米纖維素排列無序，高剪切速率下則易沿流動方向產生相對滑動，使其黏度降低，因此納米纖維素的穩態黏度隨剪切速率的升高而降低，既呈剪切稀化現象[34-35]。隨著濃度的繼續增加，納米纖維素分子間相互連接形成空間網狀結構，限制水分子運動形成水凝膠，此時流體的存儲模量高于損耗模量，表現出類似固體的性質[36]。因此納米纖維素可作為增稠劑或膠凝劑改良其它材料流變性能，提高復合物物黏度或形成半固體凝膠。

1.2.4 生物安全性 天然纖維素廣泛存在于食品中，微米尺度的纖維素及其衍生物也在食品加工中作為乳化劑和增稠劑使用，二者都得到了美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）一般公認安全（Generally regarded as safe，GRAS）認證[37]?？紤]到納米尺度材料在生命系統中可能表現出與同類非納米材料不同的性質，有必要對其生物安全性進行充分研究[38]。目前關于納米纖維素安全性的研究已從模擬消化道吸收、體外毒性以及對營養物質吸收影響等多方面展開，尚處于起步階段，多以體外細胞試驗為主，考慮到纖維素來源不同、表面修飾基團不同以及細胞種類之間的差異，尚無法得出確切結論。目前在體外研究中還沒有發現納米纖維素導致的嚴重細胞或遺傳物質損傷[39-41]，而納米纖維素的種類差異和修飾基團可能會引發炎癥反應[42-44]。此外，已有研究發現納米纖維素能夠影響包括脂肪和葡萄糖在內的體內吸收效果，這可能有助于治療肥胖病[45-46]。目前多數研究對納米纖維素的安全性持樂觀態度[47-48]，總體上認為納米纖維素沒有細胞毒性，其在胃腸道中的吸收可忽略不計[45]，而在此方面仍需要進行深入研究，以期得到明確的安全性評價。

2 植物基納米纖維素與食品3D 打印的適配性

應用于食品3D 打印中的原料，需要綜合考慮原料的物理化學特性、加工方式對其品質的影響，選擇與原料相適應的具體打印條[49]。目前基于擠出的3D 打印技術在食品相關領域應用最為廣泛，使用納米纖維素可以構建出符合擠出技術對原料性質要求體系，從而作為打印墨水使用。

2.1 基于擠出的3D 打印技術

基于擠出的3D 打印技術主要包括熔融沉積成型（Fused deposition modeling，FDM）和直接擠出打?。―irect ink writing，DIW）2 種（圖2）。FDM 是通過計算機程序控制噴頭運動，將固體或半固體原料經過加熱融化為液體擠出后，沉積在打印平臺或打印截面上，通過層層堆積的方式完成整個打印操作[50]。DIW 則是在熔融沉積成型方式的上去掉了加熱融化這一步驟，原料依靠自身黏性實現連接，這對物料流變特性提出了較高要求，需滿足原料能夠在打印過程中流暢擠出，既具有剪切稀化特性，同時還要求擠出后的材料能夠維持原有的形狀不發生流動[51]。FDM 和DIW 法的優點在于工藝簡單、成本相對較低以及可用材料廣泛，但必須考慮物料流過噴嘴后固化或凝膠化的速度，這會影響打印后的形狀保真度以及打印層后續的自支持能力，絕大多數傳統食品原料和相關材料僅依靠其自身的物理特性，難以實現較高的打印分辨率，需添加其它原料輔助實現[52]。

圖2 基于擠出的3D 打印技術[53]Fig. 2 Extrusion-based 3D printing[53]

2.2 植物基納米纖維素構建的3D 打印墨水

納米纖維素優良的機械性能可以為物料提供結構強度，同時考慮到其較好生物安全性，在食品領域具有廣泛的應用前景。因此，納米纖維素能夠作為3D 打印墨水的主要成分或增強性能的輔助成分。以其為基礎可構建水凝膠、乳液等分散體系，能夠應用于基于擠出的食品3D 打印技術。

2.2.1 水凝膠 水凝膠是以聚合物結構為主體框架，內部由水相填充構成的復合體系，其具備剪切稀化特性，是應用于擠出成型的理想打印原料[54]。CNF 相對較大的長徑比和其自身的半結晶結構較容易形成相互纏繞的網狀結構，有利于形成機械性能穩定的凝膠結構[55]。然而，純CNF 墨水中纖維基本無法產生交聯，其結構無法承受較大的機械力，3D 打印性能很差，一般通過化學交聯手段增強CNF 的可打印性或結合其它增稠劑制備復配凝膠[56]。Torres-Rendon 等[57]將TEMPO 氧化改性的CNF 水凝膠加工成中空圓筒狀結構，確認了用CNF 凝膠制造復雜形狀的可行性。Mietner 等[58]使用不同金屬離子交聯TEMPO 氧化改性的CNF 制備凝膠，對凝膠的流變學性能和打印性能測試后認為使用二價金屬陽離子交聯CNF 制備的凝膠具備作為3D 打印墨水的潛力。

除以CNF 為基礎制備凝膠3D 打印外，CNF的加入也可增強其它聚合物形成的凝膠的打印性能。Baniasadi 等[59]使用TEMPO 氧化的CNF 增強木瓜種子黏液的打印特性，CNF 的存在能夠顯著增強木瓜種子黏液凝膠的自支撐性，在適宜的比例范圍下能夠打印出分辨率良好的網格狀立體結構，且冷凍干燥后仍能維持（圖3a）。使用未改性CNF 與殼聚糖制備的水凝膠同樣能應用于3D 打印，Tamo 等[60]制備的凝膠墨水未經任何化學改性或添加化學交聯劑，僅依靠其自身的理化性質實現凝膠的形成且展現出良好的打印效果（圖3b）。其中CNF 主要提供凝膠的可打印性和良好的打印分辨率，同時殼聚糖良好的生物相容性未因此受到影響。CNF 還可以用于修飾其它聚合物，改善打印性能較差物質的流變特性。Chen 等[61]將TEMPO 氧化的CNF 原位聚合到水性聚氨酯上，降低了凝膠中聚氨酯顆粒的尺寸并改善凝膠的流變特性，聚合CNF 的水性聚氨酯和CNF 混合制備的凝膠僅需2.7%～7.4%添加量即可達到良好的3D打印效果，顯著低于單獨使用水性聚氨酯制備打印墨水所需的質量分數（圖3c）。

圖3 3D 打印CNF 水凝膠[59-61]Fig. 3 3D printing CNF hydrogels[59-61]

CNC 水凝膠在3D 打印領域也得到了廣泛應用，Siqueira 等[62]發現CNC 水凝膠在6%質量分數以上就會表現出明顯的類似固體性質，在8%質量分數以上就能夠出現明顯的剪切稀化現象，這是其具備3D 打印潛力的良好證明。不同于CNF，CNC 相對較低的長徑比不易發生纏繞，而在3D打印時會出現由打印過程誘導的顆粒取向變化，具體表現為CNC 顆粒沿打印方向排布，打印后材料在沿打印方向上的剛性也顯著增強。Hausmann等[63]在此基礎上深入分析了較高濃度的CNC 凝膠墨水在3D 打印過程中顆粒排布方式的變化規律，當施加的剪切應力能夠克服材料的屈服應力時，在純剪切流條件下就會出現CNC 粒子對齊現象，通過對具體打印參數調節可控制粒子沿打印方向的排布程度，實現根據需求對特定方向上機械強度的定制，這種充分利用3D 打印技術制備的各向異性水凝膠具有較好的實用價值（圖4a）。

圖4 3D 打印CNC 水凝膠[63-64]Fig. 4 3D printing CNC hydrogels[63-64]

考慮到單獨應用CNC 制備凝膠進行3D 打印需要較高濃度，先前的研究[64]使用CNC 分別與高/低甲氧基果膠復配制備水凝膠，CNC 的加入能夠替代低甲氧基果膠成膠所需的鈣離子，調節高甲氧基果膠成膠時對蔗糖濃度以及pH 值的要求，復配凝膠同樣呈現了良好的打印效果（圖4b）。Baniasadi 等[65]使用CNC 與黃原膠復合制備具有良好擠出效果及結構穩定性的打印墨水，復合凝膠的可打印性主要由CNC 提供，CNC 含量的增加能夠顯著增強框架結構的強度。打印后的結構具有良好的形狀保真度和優良的分辨率，將其冷凍干燥后能夠得到孔隙率高達70%以上的多孔框架，在組織工程等諸多領域都展現出了應用潛力。

2.2.2 乳液 由2 種互不相溶的液體相構建的乳液分散系在食品領域十分常見，納米纖維素自身的高機械強度和親水性可大量存在于水相中，增強乳液的黏度，增強乳液的力學性能，提高乳液的可打印性。Huan 等[66]利用CNF、海藻酸鈉、聚乳酸制備了內相體積分數在10%～50%的多相乳液，得到的乳液具有良好的打印效果以及打印保真度，能夠作為3D 打印墨水使用，同時打印成品干燥后收縮幅度很小，重新潤濕后能恢復到原有的形狀（圖5a）。CNF 的添加對乳液具備可打印性起關鍵作用，其存在于連續相中，能夠提升乳液的彈性模量，改善乳液的流變特性。

圖5 3D 打印納米纖維素乳液[66，71-72]Fig. 5 3D printing nanocellulose emulsions[66，71-72]

使用傳統的小分子表面活性劑穩定乳液時，表面活性劑添加量會隨內相體積增加而顯著增加，且體系熱力學穩定性差，易發生破乳現象。然而，當體系中具有互不相融的兩相和膠體顆粒時，膠體顆粒分散到互不相融兩相的界面上時體系的能量最低，通過此原理構造的乳液被稱為Pickering 乳液，能夠有效防止乳液內相析出和液滴合并，顯著增強乳液的穩定性[67]。大量的膠體粒子還可在連續相中形成交聯，乳液黏度和穩定性得到進一步增強[68]。納米纖維素可作為膠體顆粒穩定于油水兩相界面上，以此穩定乳液。Souza 等[69]將CNF 用作不同油相的Pickering 乳液穩定劑，通過對表面覆蓋度的測定，證實了CNF 能夠在油滴周圍形成網絡結構，由此穩定乳液，且形成的乳液具有類似固體的假塑性和剪切稀化特點，這為將CNF 穩定的乳液應用于3D 打印提供了可能。

在乳液體系中，分散相以液滴形式分散于連續相中，當分散相的體積分數升高時，液滴間的距離逐漸縮短，當分散相的體積分數達到74%以上時的乳液被稱為高內相乳液，此時密集的液滴會擠壓產生形變，形狀由較為分散時的球形轉變為相互擠壓導致的多面體形狀，此時緊密的內部結構會使乳液的黏度和楊氏模量升高，乳液呈現出近似于固體的性質，表現為類似凝膠的自支撐性[70]。Miao 等[71]對未表面改性的CNC 穩定的高內相（油相體積分數80%）以及中等內相（油相體積分數60%）Pickering 乳液的流變性能進行了深入研究，發現在中等內相乳液中，乳液性能主要由范德華力和氫鍵主導；高內相乳液中，性能則取決于內相的致密程度，因此高內相乳液具有更高的剛度、黏度以及儲存穩定性。此外，較高的CNC 添加量能夠使其充分覆蓋兩相界面，有助于提高乳液的黏度和楊氏模量，這證實了利用CNC 穩定的高內相乳液具備良好的力學性質，能夠在3D 打印技術應用（圖5b）。先前的研究[72]成功通過高速離心法使制備了未改性CNC 穩定的高內相Pickering 乳液，得到的乳液內相高達80%并能夠成功用于3D 打印，同時對乳液的pH 值和離子強度條件進行了優化，為納米纖維素穩定的高內相乳液打印高分辨率和高形狀保真度的物體提供了理論依據（圖5c）。

3 植物基納米纖維素在食品3D 打印領域應用

目前將納米纖維素結合3D 打印技術應用到食品產業中，主要包括下列4 種形式。除直接將其作為食品添加劑用于3D 打印食品中外，在食品包裝材料、食品新鮮度指示器、功能物質載體等相關食品領域的應用研究也已開展。

3.1 食品添加劑

納米纖維素可改善傳統食品的3D 打印性能，傳統配方餅干能夠應用3D 打印技術加工，而由于脂肪含量較高，餅干的形態結構在后續處理會產生明顯變化，嚴重影響餅干的觀感。Lille 等[73]用CNF 分別與淀粉、脫脂乳粉、半脫脂乳粉混合物作為3D 打印食品中的功能營養成分潛力進行研究，以期得到一種高纖維、高蛋白、低脂肪的3D 打印餅干配方。直接使用CNF 凝膠進行打印效果相對較差，添加淀粉或脫脂乳粉后打印質量雖得以改善，但仍會出現針頭堵塞情況，使用CNF 和半脫脂乳粉混合進行打印，出絲連貫且能得到最優的打印效果（圖6a）。大多數泥糊狀食品黏度較低，需流變改良劑輔助才能作為3D 打印墨水使用，而常見的膠原蛋白類和淀粉類添加劑會改變食品的營養特性和風味。Armstrong 等[74]使用CNC 替代傳統流變改良劑添加入蘋果醬、菠菜泥以及番茄泥中賦予其可打印性，這些高含水量（88%以上）的泥糊狀食品在加入CNC 后具備了3D 打印能力，可用于生產各種復雜形狀，冷凍干燥后形狀也能夠得到較好保留（圖6b）。此外Shoseyov 等[75]在其申報的國際專利中聲稱已開發出一種利用3D 打印技術生產低熱量的營養食品方法及配方，配方中的可食用非熱量成分由納米纖維素提供，能夠通過打印制備漢堡、雞塊、披薩、蛋糕、意大利面、糖果等種類豐富的食品。

圖6 納米纖維素3D 打印食品添加劑[73-74]Fig. 6 Nanocellulose 3D printing food additives[73-74]

3.2 食品包裝材料

3D 打印在食品包材研發設計領域具有重要作用，能夠顯著降低設計驗證過程中的成本和風險，精確快速實現復雜結構的包材制造[76]。使用3D打印技術制備的常規包材機械性能有所下降，而添加納米纖維素能夠提高打印包材的性能。聚乳酸是一種可用于食品包裝的生物材料，Ambone 等[77]對比了壓縮成型和3D 打印兩種方式制備薄膜的機械性能，發現3D 打印聚乳酸薄膜的強度模量顯著下降，而通過添加CNF 的方式，能夠使3D 打印制備的薄膜具備和壓縮成型薄膜相同的機械性能（圖7a）。

圖7 納米纖維素3D 打印食品包裝[77-78]Fig. 7 Nanocellulose 3D printing food packaging[77-78]

果蔬類農產品在儲運過程中極易受到機械損傷，嚴重影響產品品質和運輸效率，目前大多數果蔬減震緩沖包裝以發泡塑料為主，難以回收降解，環境友好性差。利用納米纖維素機械性能好、可生物降解、安全性高的優點，可由此開發用于新鮮果蔬食品的減震緩沖包裝材料。Zhou 等[78]開發了一種具備良好的生物降解性，同時具備緩沖和抗菌功效的氣凝膠食品包裝，使用同軸3D 打印技術將具有廣譜抗菌性的納米銀粒子包裹在內層實現控制其添加量，外殼則由羧甲基納米纖維素為主要基體構建。此氣凝膠具有良好的緩沖和回彈能力，在食品減振緩沖包裝領域展現出巨大的應用潛力，并且對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌展示出明顯的抑菌作用（圖7b）。

3.3 食品新鮮度指示器

新鮮度作為食品品質的重要指標，對其進行實時監測能夠滿足消費者對高品質食品的需求，可通過檢測分析食品中由于微生物繁殖產生的代謝產物或與之發生反應，隨后顯示出顏色變化，反映食品質量。新鮮度指示器的檢測分析功能主要通過指示劑實現，需要其它材料作為載體，且載體的吸濕性能直接影響指示劑的靈敏程度，這對載體的親水性提出了較高要求[79]。納米纖維素良好的親水性以及安全性可作為新鮮度指示劑的載體。Lu 等[80]使用甘蔗渣提取TEMPO 氧化改性的CNF 制備水凝膠作為pH 值和二氧化碳指示劑的載體，能夠響應雞胸肉微生物生長和氣溫變化程度，水凝膠較高的彈性模量說明其可通過3D 打印技術加工成不同的形狀，用以適應不同的包裝方式（圖8a）。

圖8 納米纖維素基3D 打印食品新鮮度指示器[80-81]Fig. 8 Nanocellulose-based 3D printing food freshness indicators[80-81]

3D 打印技術除賦予其特定形狀結構外，還可以實現對過于敏感的化學物質保護以及可控釋放。1-甲基環丙烯具有良好的保鮮性能且無毒性，雖可用于果蔬保鮮，但其易揮發且穩定性差，簡單將其與指示劑混合可能會互相產生干擾。Zhou 等[81]利用同軸3D 打印技術，將含有1-甲基環丙烯的殼聚糖包裹于不易受環境因素干擾的內層，外層以CNF 為基礎負載pH 值指示劑花青素，實現了保鮮與新鮮度檢測功能的一體化。具有保鮮功能的1-甲基環丙烯成功表現出緩釋行為，能夠有效延長荔枝的保質期，同時其能夠根據荔枝的新鮮程度變化產生顏色響應，實現反映新鮮度變化的功能（圖8b）。

3.4 功能物質載體

不同人群對功能性物質的種類和需求程度存在特異性，通過3D 打印能夠根據需求實現功能性物質組成和含量的個性化定制，有助于開發新型功能食品。以納米纖維素構建的凝膠或乳液體系為基礎能夠作為部分營養物質的有效負載形式，改善生物利用度[82-83]。

納米纖維素制備的乳液及以此為模板的功能活性物質載體系統最為常見。Urbánková 等[84]使用CNC 和酪蛋白酸鈉結合制備了穩定的Pickering乳液，酯化除去水相得到含十六烷和橄欖油的油凝膠，二者均為脂溶性營養物質的常見載體（圖9a）。蝦青素是一種人體內不能合成的天然類胡蘿卜素，對光照、溫度等環境條件敏感。Li 等[85]使用TEMPO 氧化的CNF 穩定的Pickering 乳液負載溶解于葵花子油中的蝦青素，能夠在高溫下有效保護蝦青素并表現出良好的儲存穩定性，使其在體外消化過程中也表現出較高的生物利用度（圖9b）。

圖9 納米纖維素負載功能物質[84-85，87]Fig. 9 Nanocellulose load functional substances[84-85，87]

基于納米纖維素的凝膠同樣能作為負載傳遞功能活性物質的載體。Olmos-Juste 等[86]使用CNF和海藻酸鈉為原料的水凝膠進行流變學表征，在制得能用于3D 打印的墨水后負載姜黃素并測試其體外釋放效果，證實了CNF 的添加對姜黃素穩定性及釋放效率至關重要。在此基礎上，其團隊繼續對CNF 和海藻酸鈉復配凝膠負載功能物質的能力進行探究，復配凝膠能夠有效負載親水性和疏水性小分子物質，3D 打印后采取不同干燥方式得到孔隙度各異的固體材料，可實現對功能物質釋放速率的調節（圖9c）[87]。

4 總結與展望

3D 打印顛覆了傳統食品加工成型技術，為食品行業高質量發展提供新技術模式，是目前食品領域的研究熱點之一。植物基納米纖維素綠色天然、儲量豐富、性能優越，作為新食品原料在新興功能食品以及智能食品包裝領域具有良好的應用前景和廣闊的發展空間。在未來的應用中可重點突出納米纖維素的特色優勢，包括但不限于直接借助納米纖維素表面基團負載功能物質，借助3D打印實現對特定環境條件下釋放速率的控制，實現功能物質的高效利用；結合現有在食品包裝和新鮮度檢測的相關應用，使用納米纖維素3D 打印包裝實現負載環境響應物質檢測食品新鮮度、緩釋保鮮劑延長保質期的目的，實現食品包裝的智能化、功能化。

使用植物基納米纖維素高效結合3D 打印這一面向未來的加工技術，并充分利用納米纖維素的功能特點發揮3D 打印的技術優勢，可為食品行業的發展和產業升級提供技術驅動力。