楊慶余，王妍文，李 響，張依睿，呂春月，羅志剛,2，肖志剛,

（1.沈陽師范大學糧食學院，遼寧沈陽 110034；2.華南理工大學食品科學與工程學院，廣東廣州 510641）

中華人民共和國的第十四個五年規(guī)劃中，3D 打印被列為食品領域高質量發(fā)展的重點研究方向。3D（3-Dimensional）打印技術誕生于20 世紀80 年代[1]，是一種以數字模型文件為基礎構造物體的新興技術，又被稱為“快速成型技術”（RP）[2]，以方便、靈活、低成本、高精度等特性受到國內外科研人員和社會人員的廣泛關注[3-5]。目前，3D 打印技術以材料和技術等優(yōu)勢，在食品、航空航天、醫(yī)療、生物等多個領域被廣泛應用[6-9]，并成為很多領域的研究熱點，被認為是推動第三次工業(yè)革命的重要技術之一[10]。食品3D 打印技術作為一種新興的食品加工技術，集成了數字化技術和食品加工技術等多種技術，具有個性化、營養(yǎng)、安全、形狀多樣等優(yōu)點，能夠根據配方和營養(yǎng)成分的不同對食品營養(yǎng)組分進行優(yōu)化，方便快捷制造出可滿足不同人群需求的健康食品（如低糖、低鹽和高維生素等），豐富食品種類，改善食品品質[11-12]。因此，3D 打印技術在食品開發(fā)領域具有巨大的研究潛力。現有的研究大多集中在3D 食品打印材料表觀特性上，食品材料特性是3D 打印產品質量的重要基礎，對3D 食品打印適用材料的理論研究的不足嚴重制約了3D 打印技術在食品領域的發(fā)展。

為了闡明3D 打印技術在食品加工領域的發(fā)展趨勢，本文主要針對食品3D 打印機理、食品材料的特性以及3D 打印技術在食品加工領域的應用進行綜述，旨在為3D 打印技術在食品行業(yè)的研究應用提供技術支持，促進3D 打印技術在食品領域的開發(fā)和利用奠定基礎。

1 3D 打印技術

1.1 3D 打印技術的優(yōu)勢

3D 打印技術作為一項新興技術，與傳統(tǒng)技術相比具有低損耗、低成本等優(yōu)點，食品3D 打印技術最突出的特點是能夠個性化定制食物，既可實現造型的個性化定制、快速制作出花式多樣和結構別致的食品，改變傳統(tǒng)食品加工中造型較為單一的狀況和其他缺點，滿足人們追崇時尚和提高生活品味的需求；另外還可實現個性化營養(yǎng)定制，通過配比各種食材的用量和比例來調整食品的營養(yǎng)組成，從而適應不同個體健康的需求，實現營養(yǎng)與科技的融合，將集成計算機數控等技術融入食品加工過程中，為食品加工業(yè)帶來新的發(fā)展思路[13]。該項技術主要應用情況見表1。

表1 3D 打印技術的應用[14-15]Table 1 Application of 3D printing technology[14-15]

1.2 食品3D 打印技術的種類及原理

常見的食品3D 打印技術有選擇性激光燒結打印（Selective Laser Sintering，SLS）[11]、噴墨打?。↖nkjet printing，IJP）[16]和擠壓型3D 打印技術[17]。

1.2.1 選擇性激光燒結打?。⊿elective Laser Sintering，SLS）SLS 技術采用紅外激光器作能源，使材料凝結成型[18]，其工作原理采用“分層制造、逐層累加”的制作方式（見圖1[19]），首先使用激光對目標區(qū)域內的粉末進行掃描，使其熔化并粘結在下一層粉末上，在該層粉末燒結完成后，開始下一層的燒結，逐層重復此步驟，直到制件最終成型[20]。但其具體的成型原理根據打印材料的不同略有差別。

圖1 選擇性激光燒結工作原理圖[19]Fig.1 Schematic diagram of selective laser sintering[19]

1.2.2 噴墨打?。↖nkjet printing，IJP）噴墨打印常用作打印其他食品上的裝飾或表面填充，其原理是將流動的原料通過擠出噴嘴打印到基片上（常用披薩餅、餅干等作為基片），裝飾品原料在打印過程中需維持流動狀態(tài)[11]（見圖2[21]）。不同于SLS 技術，噴墨食品3D 打印不是逐層打印，而是采用局部打印的形式，最終完成一個整體[22]。由于噴墨打印頭結構復雜，噴孔直徑較小（一般為20～40 μm），如果“墨水”做的不好，會出現斷墨、散點、堵頭等現象[21]，對打印材料的表面張力、粘度、顆粒度有較高要求。

圖2 噴墨打印技術工作原理圖[21]Fig.2 Schematic diagram of inkjet printing[21]

1.2.3 擠壓型3D 打印技術 擠壓型3D 打印技術分為熔融沉積技術（Fused Deposition Modeling，FDM）和常溫擠出技術，其中常溫擠出技術又分為注射器式擠出、氣壓式擠出和螺桿式擠出3 種方式[21]（見圖3[11]）。在3D 食品打印中，FDM 技術應用最為廣泛，其材料選擇多、設備簡單、局限性少等優(yōu)點，備受人們關注[23]。FDM 主要是原料通過送絲機構被送入預熱好的噴嘴中，在噴嘴內受熱融化，形成具有流動性可打印的原料，打印操作裝置根據計算機建立物體的三維模型數據，通過數控等技術控制3D 打印機，將噴頭送至指定位置，噴頭將熔融的原料擠出，打印操作裝置根據先前設定好的二維形狀在平面上運動，一層制作完成后，打印操作裝置上升一層，繼續(xù)按上述構造平面，最后累計形成了最終產品[24]（見圖4[19,25]）。

圖3 常溫擠出型食品3D 打印原理圖[11]Fig.3 Schematic diagram of room temperature extrusion[11]

圖4 熔融沉積打印工作原理圖[19,25]Fig.4 Schematic diagram of fused deposition modeling[19,25]

目前研究應用于FDM 食品材料主要有凝膠、奶酪、巧克力、砂糖等食品。打印過程中由于溫度變化引發(fā)材料的相變，從而保證從食品原料從噴頭順利擠出，并在擠壓沉積中保持良好形狀，該方法通過食物基本成分（碳水化合物、蛋白質和脂肪等）之間的協(xié)同組合和打印過程中食品材料的內在特性和結合機制實現[26]，打印效果主要是由食品材料的融化和固化特性所決定。

常溫擠出成型的3D 打印食品原料在常溫下應呈現半固體狀態(tài)，自身具有一定的流動性和粘性，打印層可以相互粘連成型，一般為面糊、蛋糕糊等，打印完成的產品需要經過焙烤、油炸、蒸制等方法進行烹飪后才可以食用[27-28]。為保證打印成品具有良好的美觀性，不能采用支撐性能弱、結構造型差等不能滿足3D 打印工藝要求的食品材料，否則易導致產品的坍塌變形和成型性差等缺陷[29-30]。由此可見，3D 打印技術作為一項新型食品加工技術可以彌補我國傳統(tǒng)的食品加工過程成本高、利潤較低、能耗較大、產品結構單一等不足，對傳統(tǒng)食品加工產業(yè)升級具有極為重要的意義。

2 食品3D 打印原料

除了選擇適當的打印方式，3D 打印食品原料的打印性、適宜性和后加工性也十分重要，直接影響打印后食品的食品打印精度和成型穩(wěn)定性[31]。食品3D 打印的原料主要有三類，分別為天然具有打印特性的食品材料、不具有3D 打印特性的食品原料和替代原料。食品3D 打印過程中，食品材料可能會因自身重量發(fā)生崩塌、變形，所以打印材料應具有良好支撐性和穩(wěn)定性，從而保證3D 打印產品具有良好的三維空間結構。根據食品打印材料的成分不同，根據成分主要分為三大類（見表2）。在食品的復合體系中，淀粉、蛋白質、脂肪和果蔬類等營養(yǎng)成分的變化也會影響食品材料在3D 打印過程中的熔融行為、玻璃態(tài)和塑化性等性質[9]。

表2 3D 打印材料種類[32-34]Table 2 Types of 3D printing materials[32-34]

2.1 淀粉類原料

適用于3D 打印的淀粉材料應具有適宜的假塑性流體特性和較好的流動性，易于從打印機噴嘴擠出，能在擠出后快速固化。淀粉的凝膠特性可以改變糊狀原料的黏度，從而改善3D 食品打印材料加工適宜性。隨著淀粉含量的增加，食品原料黏度降低，力學強度增加，原料打印后的成型穩(wěn)定性得到明顯改善[35]。不同類型的淀粉材料，其加工性能也不同，例如淀粉顆粒的大小會影響焙烤的性能和凝膠行為[36]。Feng 等[37]揭示了豌豆蛋白對馬鈴薯淀粉基3D 打印材料在內部結構特性和熱力學性能方面的影響。淀粉的黏度特性可以反映其流體性質，通過對比研究流變性能和黏度特性可了解食品原料的支撐行性能、擠出性和成型穩(wěn)定性等。較高的黏度和較慢的回生速率導致打印精度降低，也會導致食品原料粘附在3D 打印機的內壁，造成擠出和成型困難[38]。一般來說，3D 打印機擠壓打印過程中產生的機械力會使淀粉糊化，從而使直鏈淀粉的含量增加，導致樣品的硬化和收縮[39]。適當的老化有利于淀粉凝膠成型，從而有效增強淀粉的凝膠穩(wěn)定性。通過對原淀粉改性可以改變淀粉的打印性能，例如氧化淀粉具有糊化溫度較低、加熱粘度小、透明度高等優(yōu)點[40]。當加熱溫度高于膠凝溫度時，淀粉顆粒發(fā)生不可逆的溶脹，淀粉鏈打開。冷卻后，若直鏈淀粉濃度大于臨界膠凝濃度，淀粉鏈發(fā)生交聯形成凝膠。

2.2 蛋白質類原料

蛋白的凝膠性有利于3D 食品的成型，在3D 打印過程中，要選擇合適的蛋白種類和添加量來改變材料流變特性。冷熱處理、加酸堿鹽離子、酶水解均可使蛋白質發(fā)生聚集，形成有序的空間網狀結構，提高蛋白質的膠凝性，促使膠凝空間結構的形成。Lipton 等[41]利用處理過的火雞肉和芹菜進行了實驗，發(fā)現加入轉谷氨酰胺酶可使食品打印材料具有更好的成型穩(wěn)定性，可經受更長時間的烹飪處理。在原料中加入酶可有效改變原料的空間結構，有效改善了蛋白質的加工適宜性。3D 打印前，將酶與蛋白質混合，蛋白質通過酶的作用交聯，使其具有良好的流變性能，具有較好支撐性和成型性。明膠是對膠原纖維結構進行不可逆處理而得到的一種衍生蛋白質[42]。蛋白質分子溶于水后，與水相互作用構成了螺旋結構，形成的凝膠降溫后可迅速固化，打印出的產品不易變形、富有彈性。在凝膠中加入營養(yǎng)成分，也可有效提高產品的營養(yǎng)品質。岑培倩[43]利用明膠為原料研究得到了適于3D 打印的載有中藥提取復合多糖的凝膠軟糖基質，3D 打印后成型性良好。

2.3 脂肪類原料

高脂類食品原料內部存在大量的脂肪結晶，脂肪結晶網絡結構的不同，3D 打印脂類內部結構、機械性能、硬度不同，脂肪結晶網絡結構呈現具有特定流變學性質的軟材料，具有較強的可塑性[44-47]。目前，巧克力、肉泥等高脂類食品材料作為3D 打印食品材料已在在食品3D 打印技術中得到應用。賓夕法尼亞大學的研究團隊于2012 年最先利用3D 打印技術，以糖和脂肪為原料進行肉類產品3D 打印，打印的生肉紋理、質地和口感與普通生肉無明顯差別[3]。Narine 等[48]研究表明脂肪結晶網絡結構的機械性能將會影響產品的軟硬程度、質地等性質。

巧克力3D 打印過程中，脂肪結晶有助于提高原料的機械性能，改善產品的空間結構，并對空間結構提供具有支撐作用的骨架結構。脂肪的晶型復雜，在固液態(tài)轉變過程中，不同的降溫條件會形成四種不同比例的γ、α、β’、β晶體[49]，一般來說，相同甘油三酯的不同晶體類型在融化過程中有不同的焓變，其中β晶型的焓變和熔點值最大，在外界能量充足的情況下，不同晶型之間可以從非穩(wěn)定態(tài)向穩(wěn)定態(tài)轉化，這些晶體變化影響著巧克力在打印過程中的物理特性，β晶型數量越多的3D 打印巧克力制品，成品質量越穩(wěn)定[50]。巧克力的3D 打印形成了β型晶體結構，呈現均勻細小的顆粒組織狀態(tài)?？煽芍亩嗑螒B(tài)對食品的支撐特性和貯藏穩(wěn)定性等有一定的影響。在3D 打印肉類食品生產中，肉的感官品質和保質期受甘油三酯影響，其中脂肪酸碳原子數越多熔點越高，雙鍵數越多熔點越低。因此，脂肪酸碳鏈長度、雙鍵數量具有調節(jié)脂類3D 打印原料的熔點和支撐性能的作用。

2.4 果蔬類原料

果蔬原料是一種典型的不可打印材料，果蔬原料粘度低，水分含量偏高，破碎成果泥后流動性強，不易成型，果蔬中纖維含量高，大顆粒原料在打印過程中容易產生堵塞顯現，并且果蔬原料在加工過程中，容易發(fā)生氧化褐變、微生物增長等，失去原有營養(yǎng)和品質[51]。Derossi 團隊[52]研發(fā)出了一種專門為兒童設計的3D 打印食品，以香蕉、檸檬汁等水果為主要原料，同時輔以果膠，制備的產品富含多種維生素。楊帆等[53]以芒果為主要原料，通過調馬鈴薯淀粉比例來改變芒果漿的流變學性能，從而得到適于3D 打印的凝膠體系。王浩等[54]通過利用藍莓果漿、果膠和魔芋膠等按一定比例的復配，3D 打印的效果、質構、流變性能等均明顯改善。

2.5 其他

單一食品原料很難滿足3D 打印的要求，單一食品原料在色澤、形狀、口味等很難滿足現代人對營養(yǎng)追求。通過研究原料的種類和添加量來改善3D 打印材料的特性的流變特性和質構特性，蛋白質、碳水化合物、脂肪和果蔬等食品原料的不同配比也將影響其溶化溫度、流動性、塑化溫度等，通過改變食品原料的結構特性使其具有較好的3D 打印成型效果。

3 食品3D 打印的加工性能

3.1 打印性

打印性能是指食品材料通過3D 打印機進行控制，有效保持打印后的形狀。打印性能依賴于食品材料的結構，通過3D 打印機打印并保持打印后的產品結構的穩(wěn)定，食品材料應該具有良好的凝膠結構才能打印出造型多樣、穩(wěn)定性好的產品，材料的凝膠特性、流變性能和熱冷轉化性能（熔點和玻璃化轉變溫度Tg）等均影響食品打印的效果[55]。糖類在3D 打印過程中，糖對打印材料的玻璃化轉變溫度影響明顯，不同的玻璃化轉變溫度對食品打印材料的支撐性能有重要調控作用。同時，糖粉的流動性和濕潤性都將影響打印性能，因此適宜的流動性和濕潤性可使打印的產品涂層均勻，并具有良好的機械性能[56]。

3.2 適用性

食品3D 打印屬于智能化的食品加工技術，可實現對產品的形狀、色澤、風味、組織結構和營養(yǎng)的個性化定制，滿足了人們對個性化營養(yǎng)的需求，3D 打印將會給食品行業(yè)帶來新的顛覆性變化。食品3D 打印集合了智能裝備和食品加工的技術特點，其材料的適用性決定了食品3D 打印技術在食品領域中的應用范圍。Severini 等[57]將梨、胡蘿卜、獼猴桃、西蘭花、鱷梨和魚膠原蛋白等多種食品原料按比例混合，得到金字塔形狀且營養(yǎng)豐富的“可打印冰沙”，將食品的營養(yǎng)價值與獨特的設計結構結合，構建一種新型的營養(yǎng)、風味和造型兼具的新型食品。

3.3 后加工性

食品的3D 打印可分為可直接食用的3D 打印食品和需要后加工的3D 打印食品。后加工性能是指經過打印后的產品可經受焙烤、煎炸、蒸煮等烹飪等加工后才具備可食用的食品[58]。在后續(xù)加工過程中，后加工的處理方式會影響到產品打印后的形狀，因此為了保持食品材料性的穩(wěn)定性，選用適宜后加工處理的食品材料，同時具有合適的物理化學性能、流變性能、機械性能和結構性能的食材至關重要的。

4 3D 打印技術食品中的應用

上世紀80 年代后期美國人Charles Hull 研究出3D 打印技術，并在1986 年研發(fā)出世界上第一臺商用3D 印刷機，3D 打印技術在食品中的應用是由康奈爾大學Godoi 等人首次提出[12]。如今，隨著食品3D 打印技術的不斷進步，3D 打印食品原料的種類不斷豐富，3D 打印食品呈方興未艾之勢，呈現出良好的發(fā)展勢頭。3D 打印食品具有個性化設計、營養(yǎng)豐富、造型多樣等特點，最大程度的滿足人們心理和生理的需求，成為21 世紀食品領域新的研究熱點。

4.1 食品3D 打印技術在肉制品中的應用

近年來，隨著人們對肉制品品質的要求不斷提高，以及需求量的不斷擴大，肉類產品出現了嚴重的供求不平衡，將食品3D 打印技術應用到肉制品生產中，研發(fā)出紋理和口感與傳統(tǒng)肉類媲美的3D 打印肉制品，大大降低了資源消耗。Liu 等[59]利用3D 打印技術以雞肉、豬肉和魚肉為原料，通過加入明膠溶液作為粘合劑，以漿液的形式打印出一款便于老年人咀嚼的人造肉。3D 肉制品打印不僅可以以傳統(tǒng)肉類為原料，也可以添加昆蟲、藻類作為替代原料作為新型的食品營養(yǎng)補充劑，制成適合3D 打印的粉糊狀或肉糊狀，既可以降低傳統(tǒng)肉類的能源消耗，也可以用于定制餐的生產[60]。

4.2 食品3D 打印技術在果蔬制品中的應用

果蔬制品為人類提供了維生素、礦物質和膳食纖維等必不可少的營養(yǎng)物質，果蔬加工產生的副產品仍具有較高的營養(yǎng)價值，利用3D 打印技術與蔬果食品原料相結合，在豐富了3D 打印食品營養(yǎng)特性的同時能夠提高原料利用率，節(jié)約成本[61]。Dovetai LED 公司研制出一款“水果打印機”，利用果汁、海藻酸、氯化鈣等原料通過分子球化工藝進行3D 打印，獲得的打印食品與水果的口感相似[62]。Vancauwenberghe 等[63]利用包封技術，將萵苣葉細胞封裝到果膠中，通過3D 打印技術打印出與植物組織相似的食品。Park[64]等將海藻酸鹽與胡蘿卜愈傷組織分散體按比例混合，制備了愈傷組織基生物油墨。

4.3 其他

隨著3D 打印在食品業(yè)的發(fā)展，各種3D 打印食品層出不窮。荷蘭TNO 公司和Barilla 公司以小麥粗粉和水為打印原料，生產出一種極具特色的意大利面[3]。美國航空航天局發(fā)明的宇航員專用3D 食品打印機，可以打印在太空中食用的披薩、面糊等[65]。在甜品焙烤食品中，巧克力是應用最廣泛的食品原料，Hao 等[17]通過控制打印機參數，研究發(fā)現擠壓速率，噴頭速率和噴頭高度等因素對于巧克力3D 打印成型質量的影響顯著，并進行了一系列試驗來優(yōu)化最佳的3D 打印參數，研發(fā)出了一種采用逐層疊加的方式制作個性化的3D 巧克力產品，這種方法被稱為“巧克力增層制造”，生產出造型豐富的立體巧克力。

5 結論與展望

目前，食品3D 打印技術處于起步階段，由于受到原材料和設備等限制，食品3D 打印技術的發(fā)展受到嚴重制約。食品原料成分和結構的復雜性是影響產品的打印精度和成型穩(wěn)定性的重要因素，通過現代技術和食品原料的調控來改善原料的流變學特性，將3D 打印技術與食品營養(yǎng)相結合，尋求特殊人群的個性化定制食品，從而達到滿足不同人群的需求。對3D 打印程序和設備領域進行研究，提高食品打印效率，能夠實現降低食品加工成本的目的。因此，為了提供口感良好、個性化營養(yǎng)、形狀多樣的3D 打印食品，需要開發(fā)新型3D 打印食品原料和與之相匹配的技術來滿足食品3D 打印領域發(fā)展的需求。雖然上述原因制約著食品3D 打印的應用和發(fā)展，但與傳統(tǒng)食品加工手段相比，在節(jié)約原料、產品造型和個性化營養(yǎng)定制等方面具有不可替代的優(yōu)勢。未來食品領域中的3D 打印技術的發(fā)展發(fā)展將對傳統(tǒng)食品加工產業(yè)帶來深刻變革，為食品行業(yè)的發(fā)展注入新的科技驅動力。