韓蓉，焦陽,3*

1(上海海洋大學 食品學院,上海，201306)2(上海海洋大學,食品熱加工工程研究中心,上海，201306) 3(國家淡水水產品加工技術研發(fā)中心(上海),上海，201306)

近年來，3D打印技術因其設計自由、生產成本低、制造周期短、適用于復雜結構、可定制、制造速度快等優(yōu)點而受到普遍關注，廣泛應用于各行各業(yè)，逐漸過渡到食品行業(yè)。3D食品打印機的出現加速了3D打印技術在食品加工中的應用。從巧克力、奶酪到以蛋白質類、淀粉類原料為主加以輔料的復合型原料的打印，3D食品打印技術的廣泛使用促使對于食品材料打印性的研究越來越深入，可滿足消費者個性化定制食品、進行精準營養(yǎng)膳食定制等需求，在食品工業(yè)中有著良好的發(fā)展前景。本文對3D食品打印技術的概念、類型進行了概括，并主要探討了以蛋白質類、碳水化合物類原料為主的食品材料的擠出打印性及研究進展，旨在為蛋白質類、碳水化合物類原料在3D食品打印領域的廣泛而創(chuàng)新性地應用提供理論指導。

1 食品3D打印技術概述

1.1 背景

食品3D打印技術，即以食用材料為原料，逐層構建復雜的3D對象，以設計出具有獨特質地、精準營養(yǎng)配比、造型個性化的新型食品，實現手工及傳統(tǒng)模具無法完成的復雜結構設計[1]，并以其小批量生產的特點滿足個體定制化食品的需求[2]。擠出式3D打印技術又分為熔融沉積成型技術(fused deposition modeling，FDM)和常溫擠出技術。FDM是食品3D打印中常用的技術，即使材料熔化并通過噴嘴擠出，在平臺上凝固成型，根據其橫截面逐層創(chuàng)建三維結構，適用于各種食品原料的3D打印，尤其是巧克力、糖等，因其凝固點高于室溫，一般可直接沉積，不需添加額外的膠凝劑作為支撐材料[3]。

3D食品打印技術的優(yōu)勢在于：(1)可以為不同消費群體定制個性化食品。通過調整食品材料的成分、結構、密度，以滿足不同年齡、職業(yè)和生活方式人群的需求和口味，尤其適合為兒童和老年人開發(fā)易于咀嚼和吞咽的食物[4]。此外，3D打印健康零食的研制也促進了個性化食品的發(fā)展；(2)提高生產效率。3D打印能夠取代傳統(tǒng)食品生產的多個步驟，從而降低大規(guī)模定制成本，減少定制食品生產中的人為因素，提升生產效率；(3)開發(fā)新產品。3D食品打印技術可以制作出別具一格的新產品，“新”不僅體現在質地、風味，還體現在食品材料的創(chuàng)新性、復雜多樣的食品結構開發(fā)，或高端食材的可替代產品開發(fā)[5]。

1.2 分類

依據食品3D打印方式的不同，可以分為選擇性激光燒結/熱空氣燒結、熱熔擠出/常溫擠出、液體黏合和噴墨打印。由于食品原料特征，擠出型3D食品打印是最常用的方法[6]，根據原料熔點的不同，可分為熱熔擠出和常溫擠出2種成型方式[7]。

1.2.1 熱熔擠出

熱熔擠出的概念第一次由CRUMP[8]提出，后被廣泛應用于制作3D巧克力產品，加熱時有良好流動性、常溫下容易凝固成型的原料可運用此種擠出方式[9]。該方法打印出的成品具有一定強度，可以在一段時間內維持形狀不變，且不需要經過后處理加工，一般可直接食用[7]。

1.2.2 常溫擠出

常溫擠出指的是在室溫條件下能夠平滑地擠出打印材料，有一定的自我粘結成型能力。常見原料有面團、奶酪、糖霜、奶油花生醬等[10]。常溫擠出還可以應用于面食的打印，以及比薩餅、餅干和圖形裝飾的表面填充[11]，此種形式打印出的產品一般需要進行蒸煮、烘烤等后處理過程[7]。常溫擠出過程受原料特性限制和打印參數影響，因此需經較復雜的調試過程，具體過程如圖1所示。

圖1 3D食品打印步驟示意圖Fig.1 Schematic diagram of steps for 3D food printing

2 基于蛋白質、碳水化合物類原料打印性的研究

碳水化合物與蛋白質作為食品原料中主要的營養(yǎng)來源，提供了人類生命活動所需大部分能量，因此，以蛋白質與碳水化合物為主要成分的食品原料是3D打印食品開發(fā)的主要研究對象。本文綜述了基于蛋白質和碳水化合物的兩大類食品原料在適配3D打印過程中的研究與發(fā)展。

2.1 蛋白質類原料

除了一些膠狀蛋白質，如明膠，大多數蛋白質原料因其黏性和支撐性較差，無法直接用作3D打印的食品原料[12]，需要添加特定的成分如黏合劑來維持蛋白質結構，通過離子交聯和復合凝聚層的形成提升其打印特性。蛋白質的交聯特性有利于3D食品的成型，在3D打印過程中，可選擇添加合適的蛋白種類和添加量來改變原料的流變特性。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。此外，蛋白質類原料打印后食用前往往需要進一步后處理熟化，因此也需考慮后處理過程中材料形狀的改變。

2.1.1 不同種類蛋白質原料打印效果的研究

2.1.1.1 肉類蛋白

肉類的打印可分為2類，一類是以肉糜、魚糜等為原料的3D打印，另一類是人造肉的3D打印[13]。

肉糜打印過程中往往需要借助穩(wěn)定劑、增稠劑、鹽和微生物谷氨酰胺轉胺酶等改善其流變特性，使之更利于擠出和成型[14]。LIPTON等[14]在打印之前分別將扇貝、火雞肉泥與適量轉谷氨酰胺酶混合，肉泥中的蛋白質發(fā)生交聯作用，使得成品具有良好的支撐性、成型性和流變性能[15]。WANG等[16]研究了NaCl對魚糜凝膠流變特性、凝膠強度、持水性、水分分布和微觀結構的影響，由圖2可知，添加1.5%(質量分數)的NaCl效果最好。研究人員還發(fā)現，親水膠體的添加可以改善原料的特性。例如，DICK等[17]研究了黃原膠和瓜爾豆膠對3D打印熟豬肉糜流變學、質構和微觀結構特性的影響，結果發(fā)現，含有該2種親水膠體的樣品具有更低的硬度、咀嚼性和內聚性，保水性更好，可以作為咀嚼和吞咽困難者的食物。此外，魚糜的打印經常需要添加適量的淀粉改善其品質，尤其是改性淀粉。米紅波等[18]研究了原木薯淀粉和木薯變性淀粉對白鰱魚魚糜的影響，結果表明，淀粉添加量為1%(質量分數)時，可以得到更為致密的凝膠網絡結構，尤其是變性淀粉中的羥丙基淀粉可以改善凝膠品質。

圖2 NaCl添加量對魚糜凝膠3D打印效果的影響[16] (A 0.0%,；B 0.5 %,；C 1.0 %；D 1.5%)Fig.2 Effect of NaCl addition on the 3D printing quality of surimi gels[16]

除肉類原料的打印，3D打印機還可以以肌肉細胞為原料打印出更加美觀、更利于咀嚼且風味與原肉糜相差無幾的人造肉[19]。美國賓夕法尼亞大學利用糖、蛋白質、脂肪、肌肉細胞等原材料作為基質，研制出了與真實肉類高度相似的人造肉[20]。圖3顯示了3D打印人造肉的過程。3D打印人造肉技術既可以打印出適合于兒童、老人和病人等所需要的營養(yǎng)價值高又易于吞咽的肉制品，同時又能緩解高檔肉制品供不應求的情況[15]。該技術在軍事和航空食品等領域都具有潛在優(yōu)勢和應用，但由于細胞的分化、擴增等技術仍處于探索期，從動物中分離干細胞也具有一定的挑戰(zhàn)性和高昂的成本[21]，該方法仍然局限于實驗室規(guī)模的生產，工業(yè)化生產仍有待考量。

圖3 3D打印人造肉[15]Fig.3 3D printing cultured meat[15]

2.1.1.2 昆蟲蛋白

昆蟲蛋白質含量十分豐富，粗蛋白含量一般在20%～70%，其中氨基酸組分比例非常合理，接近或超過聯合國糧食及農業(yè)組織制定的蛋白質中必需氨基酸比例模式，是人們理想的食品原材料。因此，作為21世紀三大蛋白質來源，昆蟲蛋白近年來得到了廣泛關注[22]。將昆蟲蛋白應用于3D打印食品，再加入其他調味品等添加劑，可提升產品的營養(yǎng)特性同時兼具感官及風味特性。SEVERINI等[23]研究發(fā)現，黃粉蟲粉的添加可以改變小麥面團的可打印性，由此制得了一種黃粉蟲粉和小麥粉混合的3D打印零食，黃粉蟲粉的添加減小了打印過程中因為面團較軟易產生沉積的不利影響，圖4顯示了烘焙后產品的形態(tài)。最終成品的總必需氨基酸含量為41.3 g/100g蛋白質，營養(yǎng)價值得到提高。SOARES等[24]致力于將3D食品打印技術和昆蟲食品聯系起來，使得昆蟲蛋白質得到充分的利用。他們將黃粉蟲的幼蟲磨成粉與香料、軟糖混合，制成一系列可打印的昆蟲面粉原料，再經過CAD軟件設計食品形狀，打印出具有昆蟲本身特色的產品，可用于制作裝飾在蛋糕上表面的糖霜[25]。

圖4 3D打印昆蟲粉-小麥粉樣品烘焙后效果圖[23]Fig.4 Images of 3D printed insect powder-wheat flour sample after baking[23]

2.1.1.3 其他蛋白質

卵清蛋白通過簡單的加熱較易形成可食用的凝膠，現在被普遍用于開發(fā)3D打印食品[26]。LIU等[27]探索出一種適合于復雜形狀食品打印的配方，包括明膠(14.27 g)、玉米淀粉(19.72 g)、蔗糖(8.02 g)和卵清蛋白(12.98 g)，獲得了較好的流變性和擠出性。XU[28]等提出了一種基于熱誘導蛋黃的新型3D打印食品(圖5)，在76 ℃下加熱8 min后具有最佳的打印效果，打印出的形狀及結構完整、立體。

圖5 不同熱處理條件對3D打印蛋黃的影響[28]Fig.5 Influence of different heat treatment conditions on 3D printed egg yolk[28]

乳清蛋白是奶酪生產的副產品，由于其營養(yǎng)價值和功能特性，乳蛋白濃縮物(milk protein concentrate，MPC)和乳清蛋白分離物(whey protein isolate，WPI)被廣泛用于高附加值食品，LIU等[29]人利用這兩種物質通過3D打印技術生產高蛋白食品模擬物，受眾群體為運動員、健身愛好者或幼兒等需要攝入一定量蛋白質的人群。實驗證明，m(MPC)∶m(WPI)=5∶2時，該蛋白混合物具有合適的粘度，打印效果與預設模型最為匹配。

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[30]。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)強化物質，可有效提高產品的營養(yǎng)品質，并改變其打印特性。岑培倩[31]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，馬鈴薯氧化淀粉和低酰結冷膠復配作為空白凝膠軟糖的凝膠劑 3D 打印后成型性良好。此外，明膠凝膠具有獨特的口感，可用于調節(jié)3D打印原料特性[15]。

綜上，表1總結了基于蛋白質原料不同添加物對打印效果的影響。

表1 不同蛋白質類原料的打印效果Table 1 Printing effects of different protein materials

2.1.2 打印參數及添加物對打印效果的影響

3D食品打印能否成功不僅與食品本身的原料特性有關，也與打印參數的設置密切相關，這都將關乎終產品的質量。WANG等[16]研究了3D打印魚糜凝膠的打印參數對其影響，研究表明，噴嘴移動速度為32 mm/s時會發(fā)生拖絲現象，進而導致斷線；而較低的噴嘴移動速度會導致出絲不穩(wěn)定，打印分辨率降低，結果表明最優(yōu)的噴嘴移動速度為28 mm/s。此外，WANG等[33]總結出擠出速率和絲徑之間存在的線性關系，如公式(1)所示：

(1)

式中：hc為臨界層高值，mm；Vd為擠出速率，mm3/s；Vn為打印速度，mm/s；Dn為噴嘴直徑，mm。結果表明，擠出速率越高，擠出的魚糜漿料體積越大，從而直徑越大，通過測量絲徑可以由公式(1)推斷出最佳擠出速率。同樣，金立明等[34]研究了不同打印條件對魚糜打印效果的影響，研究發(fā)現，當填充密度大于60%，分層高度、打印速度和噴嘴孔徑分別為 0.8 mm、35 mm/s和1.2 mm時，魚糜漿料體系能夠打印出品質較好、精度較高的成型樣品。打印速度越快，越省時，樣品的白度越好，但過快易導致樣品塌陷，且噴嘴直徑過小會造成斷線，影響打印效果。向晨曦等[35]研究了不同打印參數對未漂洗鱘魚糜凝膠3D打印成型效果的影響。研究發(fā)現，層高過低，噴嘴移動時與樣品表面產生摩擦，導致外觀不平整；層高過高，每層重量增加，樣品出現塌陷下沉現象。綜合考慮，層高為1.2 mm時打印精度最高。此外，研究發(fā)現擠出程度為100%時，打印樣品成型性最好，線條光滑且連續(xù)；當擠出程度低于100%時，斷條現象較明顯，線條混亂，如圖6所示；而高于100%時，物料擠出過度導致噴嘴與樣品表面產生摩擦，成型性較差。

a-60%；b-80%；c-100%；d-120%；e-140%圖6 擠出程度對未漂洗鱘魚糜凝膠成型效果的影響[35]Fig.6 Effect of extrusion degree on the forming effect of unrinsed sturgeon surimi gel[35]

此外，DICK等[32]探究了填充密度和脂肪含量對3D打印牛肉—豬油復合層的后處理可行性的影響，結果證明所有試驗配方均可以成功地進行后處理，并保持內部和外部完整性，填充密度的增加使得硬度和內聚性增加，反之，脂肪含量的增加使之降低。ZHU等[36]研究了內含巧克力的蛋白棒在不同打印模式下(層狀、直線狀、同心圓狀)的質構特性和感官特性，研究表明，相同巧克力含量下，同心圓狀填充的蛋白棒比層狀填充的蛋白棒更堅硬，而層狀填充的蛋白棒相比于直線填充的蛋白棒具有更強的內聚性，3種填充方式下咀嚼性和感官方面沒有顯著差異，因此通過改變3D打印模式，改變了巧克力在蛋白棒中的空間分布，最終在不影響消費者偏好的情況下改變了食品的質構特性和感官特性。ZHU等[36]還提出，半固體狀態(tài)或糊狀食品可以通過填充類似巧克力這樣的固體食品來改變其質構特性。

2.2 碳水化合物類原料

2.2.1 原料特性對打印效果的影響

淀粉作為食品中常見碳水化合物的主要成分，在3D食品打印中具有良好的剪切稀化特性，有助于擠出成型。隨著淀粉含量的增加，淀粉分子之間的相互作用導致機械強度增加，成型穩(wěn)定性得到明顯改善[37]，有助于保持打印結構的形狀[25]。不同類型的淀粉材料加工性能隨組分不同而有所不同[38]。

小麥面粉含有淀粉和面筋蛋白，在加水攪拌情況下形成的面團具有一定黏彈性和可塑性[39]。因此，小麥面粉具備成為3D食品打印原料的潛力。周浩宇等[40]探究了8種不同蛋白質含量的小麥淀粉理化特性、混合特性、流變特性及其與3D打印特性的關系，結果表明，小麥面粉蛋白質含量在9%～10%時打印效果較好，與模型契合度較高，研究證明小麥面粉作為3D打印材料的可行性。與小麥面團類似，大米面團也是具有高剪切稀化行為的非牛頓流體[41-43]。LIU等[44]推測大米面團可以作為潛在的3D食品打印材料，分別把糯米、粳米和秈米磨成粉，改變加水量對配方進行優(yōu)化，探究3D打印大米面團的可打印性，并從結構穩(wěn)定性和淀粉體外消化率3個方面對蒸煮后的3D打印米制品的質量進行了評價。結果顯示，蒸煮前，糯米粉和水的料液比(g∶mL)為100∶90的產品打印效果最好、精度高，蒸煮后糯米因支鏈淀粉含量高結構穩(wěn)定性較差，而粳米和秈米制成的面團具有良好的結構穩(wěn)定性。此外，馮蕾等[45]以山藥淀粉為原料，探究了不同濃度山藥淀粉凝膠體系的3D打印特性，研究表明，隨著山藥淀粉濃度的增加，凝膠體系的儲能模量及損耗模量先增大后降低，硬度逐漸增大。如圖7所示，當山藥淀粉濃度增加至40%時，凝膠體系的3D打印成型效果最好，繼續(xù)增加淀粉濃度時，凝膠強度雖然增強，但成型性較差。

圖7 山藥粉含量對凝膠體系3D打印成型效果的影響[45]Fig.7 Effect of yam powder content on 3D printing of gel system[45]

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。較高的黏度和較慢的回生速率導致打印精度降低，也會導致食品原料黏附在3D打印機的內壁，造成擠出和成型困難[46]。余陽玲等[46]對不同種類淀粉進行了橫向比較，研究了馬鈴薯淀粉、玉米淀粉、小麥淀粉的打印特性，結果表明，小麥淀粉凝膠具有較低的黏度、較好的擠出性和貯藏性能，且打印出的樣品最接近設計模型。結果顯示，打印操作不會對淀粉結構造成改變，且小麥淀粉制作的3D打印樣品的微觀結構比馬鈴薯淀粉和玉米淀粉更加規(guī)則，更適合于3D食品打印。

2.2.2 添加物對打印效果的影響

淀粉可以作為添加劑添加到其他食品材料中，用以改善其流變特性。隨著馬鈴薯主食化戰(zhàn)略的推行，結合馬鈴薯淀粉的可延展性、保水性以及作為優(yōu)異的膠體穩(wěn)定劑的能力[47]，土豆泥常被用作3D打印原料。HE等[48]研究了pH和馬鈴薯淀粉含量對于土豆泥的流變性能、表觀性能和3D打印性能的影響，證明了土豆泥的顏色與二者有密切的相關性，為4D打印多色彩食品提供了新的視角。LIU等[49]在土豆泥中添加2%的馬鈴薯淀粉，所得材料具有良好的可打印性和擠出性，由圖8可知，打印出的結構表面較光滑，并且穩(wěn)定性較好。同時，該團隊還發(fā)現，在此基礎上再添加1%的紫薯粉，所得產品表面光滑，打印精度高，可制作出色彩豐富、結構多樣的3D產品。天然的淀粉通常不具備食品的理想性能，所以經常需要一定比例的添加劑，DANKAR等[47]分析了4種食品添加劑瓊脂、藻酸鹽、卵磷脂、甘油在兩種濃度下對土豆泥流變特性的影響，結論表明，瓊脂和藻酸鹽對其流變性影響較小，更適合作為3D打印馬鈴薯泥的添加劑。

圖8 馬鈴薯淀粉含量對土豆泥打印效果的影響 (蘋果形、心形)[49]Fig.8 Effect of potato starch content on printing of mashed potato (apple-shaped and heart-shaped)[49]

3D食品打印常用的材料還有小麥面團[12]。YANG等[50]研究了不同黃油濃度對小麥面團可打印性的影響，結果表明，添加6%的黃油可以得到最完整的形狀。同時，蔗糖的添加量在3.3～6 g/100g內增加時，也可獲得完整的形狀。

3D打印產品的機械強度在很大程度上取決于食品的成分，蛋白質、淀粉等成分功能特性對溫度敏感，在后處理過程中，過熱可能導致產品發(fā)生顯著變形[51]。例如，制作餅干的面團在后續(xù)烘焙時會發(fā)生變形，影響產品質量[14]。所以，KIM等[52]通過試驗證明，向餅干面團中添加黃原膠可以解決3D打印餅干>在烘烤后處理過程中變形的問題，含有0.5 g/100g黃原膠的餅干面團的質地與傳統(tǒng)餅干制品相似，在后處理過程中具有良好的熱穩(wěn)定性，保持其原有的形狀。豌豆分離蛋白是植物蛋白的優(yōu)良來源，含有氨基酸，有助于提高免疫力，消化率高達98%。HUSSAIN等[53]創(chuàng)新性地用豌豆分離蛋白部分替代精制面粉，達到提高面團營養(yǎng)價值的目的，試驗證明，當豌豆分離蛋白含量達到10%，復合面粉的蛋白質百分比增加到21.04%。該項發(fā)現可被用于制作具有高附加值的餅干。

近年來，適于3D食品打印的淀粉類材料趨于多元化。糙米含有約75%～80%的淀粉，具有良好的糊化能力，且具有豐富的營養(yǎng)價值，被認為是一種潛在的食品3D打印材料。HUANG等[54]使用親水膠體對糙米凝膠進行改性，研究發(fā)現，添加黃原膠-瓜爾膠混合物的糙米具有最佳的打印適性，在直徑和高度上的打印偏差均偏小，硬度適中，從微觀結構可以看出外殼光滑，無明顯斷裂。麻薯是以糯米粉等其他淀粉類物質及水為主要原料，經過蒸煮及定型制成的團狀糕點類食品。楊帆[55]等研究了不同麻薯配方中糯米粉含量、打印溫度及噴頭直徑對打印產品成型效果的影響，結果表明當配方為m(糯米粉)∶m(水)∶m(異麥芽糖漿)∶m(高麥芽糖漿)∶m(芝麻油)=29.37∶33.99∶16.20∶19.44∶1.00，噴頭擠出溫度為30 ℃及噴頭直徑為0.8 mm 時，打印產品的成型效果最好。AHMED等[56]、ISRAR等[57]、MARTNEZ等[58]發(fā)現，在小麥粉中添加多糖，如亞麻籽膠、羅勒籽膠、黃原膠或瓜爾豆膠可以提高原料的表觀粘度，這使得擠出的產品更硬，最終增強3D打印產品的結構強度。

綜上，表2總結了不同碳水化合物類食品原料以及添加物對打印效果的影響。

表2 不同淀粉類原料的打印效果Table 2 Printing effects of different starch materials

3 前景與展望

近年來，3D食品打印技術發(fā)展迅速，由此推動3D食品打印機快速發(fā)展，可以實現定制化食品、精確性的營養(yǎng)調控。3D打印食品原料從最初的以天然可打印性材料為主到現今趨向多元化，從單一食品原料到復合物，從傳統(tǒng)意義上的食品到更加美觀、營養(yǎng)的功能型食品，發(fā)生了巨大變化。然而，食品原料特性的研究仍是3D食品打印中的重要基礎[59]，食品的組分、打印前的預處理、后加工過程中產生的形變也是食品打印過程中的重要考慮因素[30]，所有這些因素都將對食品打印的精確性，最終產品的質地、口感產生重大影響。未來3D食品打印技術將會逐步擴大市場，首先對消費者進行該技術的科普，然后逐步與餐飲業(yè)接軌，使用3D食品打印機從小規(guī)模食品企業(yè)試點生產到工業(yè)化生產，最后實現技術的廣泛使用。FOODINI是西班牙公司Natural Machines推出的世界第一臺3D食品打印機，可用于打印比薩、巧克力、漢堡、意大利面等一系列食品，實現一些復雜的設計，定制化食物外觀[60]。

3D食品打印技術可以為嬰幼兒、老年人、吞咽困難者、及其他有特殊膳食需求的人群服務，實現營養(yǎng)的精準調控，并實現自我監(jiān)測[7]。比如通過食品3D打印技術生產出硬度較低的肉制品，有利于老年人和咀嚼吞咽困難者食用[9]，獲取必要的營養(yǎng)維持身體狀態(tài)；也可通過3D打印生產出造型獨特，美味可口的食物，吸引愛挑食兒童的注意力，同時攝入必需營養(yǎng)素。未來3D打印實現大規(guī)模應用后，個人可實現自己設計食譜，控制蛋白質、脂肪等營養(yǎng)素的攝入量，便捷地制定自己的健身餐。因此，3D食品打印技術的目標群體可對標各個年齡階段，有助于人類生活質量的提高和社會的發(fā)展，同時，基于3D食品打印技術衍生出的4D、5D及6D食品打印技術將會進一步加快食品領域的創(chuàng)新步伐，生產出更多復雜多樣、高質量的食品。

4 4D食品打印技術概述

4D食品打印是一項新興技術，在2013年首次被提出。與3D食品打印類似，4D食品打印在其基礎上增加了時間這一維度，即隨著周圍條件的變化，打印出的食物在感官特性、形狀和功能方面按照人們期望的方式改變[61]。目前，4D食品打印的材料主要是大豆分離蛋白、淀粉或水凝膠[62]。HE等[63]對3D打印的淀粉凝膠進行了更深入的研究，將土豆泥分別與海藻酸鈉、檸檬酸和碳酸氫鈉混合，形成不同酸堿度的土豆凝膠系統(tǒng)。打印模型每一層內部是紫薯凝膠，周圍是不同pH值的馬鈴薯凝膠。隨著時間的推移，內部紫薯所含的花青素滲入外部馬鈴薯凝膠中，發(fā)生變色反應，如圖9所示，成品具有良好的支撐性，且色彩豐富。而PHUHONGSUNG等[64]以大豆分離蛋白、κ-卡拉膠和香草精組成的配方作為打印材料，在微波熱誘導條件下制造出具有自動變化風味特性的4D打印食品。

圖9 不同pH的紫薯泥-土豆泥復合原料打印圖[63]Fig.9 Images of purple mashed potato and mashed potato composite materials with different pH values[63]

4D食品打印技術體現的是食品材料內部的結構、性質與外部刺激之間的協同作用[62]，未來可著重于打印材料內部的結構設計，研究新的刺激因素，實現顏色、形狀、風味等多種特性的同時改變，同時，探索食品內部和外部的特性隨時間變化的規(guī)律，有助于更好地評估打印模式。盡管4D打印有其優(yōu)點，但也有局限性，比如打印自由度受限，處理時間較長等，這些局限性促使諸如5D和6D食品打印技術為代表的新型制造技術快速發(fā)展。5D食品打印技術即在5個不同的軸上打印，可實現高強度復雜食品結構的打印，且用料少；6D食品打印技術結合了4D和5D食品打印的優(yōu)勢，能夠高效率地打印出堅固且復雜的產品，加工精度較高[65]。

5 結語

盡管3D打印技術已經在食品加工行業(yè)中得到了一定程度的推廣應用，但仍然存在諸多限制性因素。食品原料的復配及其流變特性的研究、打印速度和消費者購買需求之間協調、打印及熟化處理后的產品成型性等問題都為3D打印技術在食品加工行業(yè)推進造成了一定阻礙，設備完善程度及工藝參數調節(jié)也有待進一步系統(tǒng)性探索。作為人類營養(yǎng)中的重要組成部分，以蛋白質和碳水化合物為基礎的食品原料在3D打印中應當得到廣泛重視。在未來發(fā)展的過程中，逐步縮減成本、開發(fā)新型物美價廉、多樣化、營養(yǎng)價值高的復合食品材料將會是一個重要的趨勢。此外，3D打印人造肉技術作為一種新技術，為傳統(tǒng)肉類生產提供了一種替代方法，可以為特定的消費者群體制造出具有獨特質地和形狀、高營養(yǎng)價值的產品，但生產成本昂貴的問題亟需解決。3D打印技術的應用對新型食品加工行業(yè)起到了推動作用，加快了新興技術如4D、5D及6D打印技術的發(fā)展，彌補傳統(tǒng)食品加工技術的不足，促進食品領域協同發(fā)展。