基于食品3D 打印技术的食品原料研究及应用

杨庆余，王妍文，李 响，张依睿，吕春月，罗志刚,2，肖志刚,

（1.沈阳师范大学粮食学院，辽宁沈阳 110034；2.华南理工大学食品科学与工程学院，广东广州 510641）

中华人民共和国的第十四个五年规划中，3D 打印被列为食品领域高质量发展的重点研究方向。3D（3-Dimensional）打印技术诞生于20 世纪80 年代[1]，是一种以数字模型文件为基础构造物体的新兴技术，又被称为“快速成型技术”（RP）[2]，以方便、灵活、低成本、高精度等特性受到国内外科研人员和社会人员的广泛关注[3-5]。目前，3D 打印技术以材料和技术等优势，在食品、航空航天、医疗、生物等多个领域被广泛应用[6-9]，并成为很多领域的研究热点，被认为是推动第三次工业革命的重要技术之一[10]。食品3D 打印技术作为一种新兴的食品加工技术，集成了数字化技术和食品加工技术等多种技术，具有个性化、营养、安全、形状多样等优点，能够根据配方和营养成分的不同对食品营养组分进行优化，方便快捷制造出可满足不同人群需求的健康食品（如低糖、低盐和高维生素等），丰富食品种类，改善食品品质[11-12]。因此，3D 打印技术在食品开发领域具有巨大的研究潜力。现有的研究大多集中在3D 食品打印材料表观特性上，食品材料特性是3D 打印产品质量的重要基础，对3D 食品打印适用材料的理论研究的不足严重制约了3D 打印技术在食品领域的发展。

为了阐明3D 打印技术在食品加工领域的发展趋势，本文主要针对食品3D 打印机理、食品材料的特性以及3D 打印技术在食品加工领域的应用进行综述，旨在为3D 打印技术在食品行业的研究应用提供技术支持，促进3D 打印技术在食品领域的开发和利用奠定基础。

1 3D 打印技术

1.1 3D 打印技术的优势

3D 打印技术作为一项新兴技术，与传统技术相比具有低损耗、低成本等优点，食品3D 打印技术最突出的特点是能够个性化定制食物，既可实现造型的个性化定制、快速制作出花式多样和结构别致的食品，改变传统食品加工中造型较为单一的状况和其他缺点，满足人们追崇时尚和提高生活品味的需求；另外还可实现个性化营养定制，通过配比各种食材的用量和比例来调整食品的营养组成，从而适应不同个体健康的需求，实现营养与科技的融合，将集成计算机数控等技术融入食品加工过程中，为食品加工业带来新的发展思路[13]。该项技术主要应用情况见表1。

表1 3D 打印技术的应用[14-15]Table 1 Application of 3D printing technology[14-15]

1.2 食品3D 打印技术的种类及原理

常见的食品3D 打印技术有选择性激光烧结打印（Selective Laser Sintering，SLS）[11]、喷墨打印（Inkjet printing，IJP）[16]和挤压型3D 打印技术[17]。

1.2.1 选择性激光烧结打印（Selective Laser Sintering，SLS）SLS 技术采用红外激光器作能源，使材料凝结成型[18]，其工作原理采用“分层制造、逐层累加”的制作方式（见图1[19]），首先使用激光对目标区域内的粉末进行扫描，使其熔化并粘结在下一层粉末上，在该层粉末烧结完成后，开始下一层的烧结，逐层重复此步骤，直到制件最终成型[20]。但其具体的成型原理根据打印材料的不同略有差别。

图1 选择性激光烧结工作原理图[19]Fig.1 Schematic diagram of selective laser sintering[19]

1.2.2 喷墨打印（Inkjet printing，IJP）喷墨打印常用作打印其他食品上的装饰或表面填充，其原理是将流动的原料通过挤出喷嘴打印到基片上（常用披萨饼、饼干等作为基片），装饰品原料在打印过程中需维持流动状态[11]（见图2[21]）。不同于SLS 技术，喷墨食品3D 打印不是逐层打印，而是采用局部打印的形式，最终完成一个整体[22]。由于喷墨打印头结构复杂，喷孔直径较小（一般为20～40 μm），如果“墨水”做的不好，会出现断墨、散点、堵头等现象[21]，对打印材料的表面张力、粘度、颗粒度有较高要求。

图2 喷墨打印技术工作原理图[21]Fig.2 Schematic diagram of inkjet printing[21]

1.2.3 挤压型3D 打印技术 挤压型3D 打印技术分为熔融沉积技术（Fused Deposition Modeling，FDM）和常温挤出技术，其中常温挤出技术又分为注射器式挤出、气压式挤出和螺杆式挤出3 种方式[21]（见图3[11]）。在3D 食品打印中，FDM 技术应用最为广泛，其材料选择多、设备简单、局限性少等优点，备受人们关注[23]。FDM 主要是原料通过送丝机构被送入预热好的喷嘴中，在喷嘴内受热融化，形成具有流动性可打印的原料，打印操作装置根据计算机建立物体的三维模型数据，通过数控等技术控制3D 打印机，将喷头送至指定位置，喷头将熔融的原料挤出，打印操作装置根据先前设定好的二维形状在平面上运动，一层制作完成后，打印操作装置上升一层，继续按上述构造平面，最后累计形成了最终产品[24]（见图4[19,25]）。

图3 常温挤出型食品3D 打印原理图[11]Fig.3 Schematic diagram of room temperature extrusion[11]

图4 熔融沉积打印工作原理图[19,25]Fig.4 Schematic diagram of fused deposition modeling[19,25]

目前研究应用于FDM 食品材料主要有凝胶、奶酪、巧克力、砂糖等食品。打印过程中由于温度变化引发材料的相变，从而保证从食品原料从喷头顺利挤出，并在挤压沉积中保持良好形状，该方法通过食物基本成分（碳水化合物、蛋白质和脂肪等）之间的协同组合和打印过程中食品材料的内在特性和结合机制实现[26]，打印效果主要是由食品材料的融化和固化特性所决定。

常温挤出成型的3D 打印食品原料在常温下应呈现半固体状态，自身具有一定的流动性和粘性，打印层可以相互粘连成型，一般为面糊、蛋糕糊等，打印完成的产品需要经过焙烤、油炸、蒸制等方法进行烹饪后才可以食用[27-28]。为保证打印成品具有良好的美观性，不能采用支撑性能弱、结构造型差等不能满足3D 打印工艺要求的食品材料，否则易导致产品的坍塌变形和成型性差等缺陷[29-30]。由此可见，3D 打印技术作为一项新型食品加工技术可以弥补我国传统的食品加工过程成本高、利润较低、能耗较大、产品结构单一等不足，对传统食品加工产业升级具有极为重要的意义。

2 食品3D 打印原料

除了选择适当的打印方式，3D 打印食品原料的打印性、适宜性和后加工性也十分重要，直接影响打印后食品的食品打印精度和成型稳定性[31]。食品3D 打印的原料主要有三类，分别为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 打印过程中，食品材料可能会因自身重量发生崩塌、变形，所以打印材料应具有良好支撑性和稳定性，从而保证3D 打印产品具有良好的三维空间结构。根据食品打印材料的成分不同，根据成分主要分为三大类（见表2）。在食品的复合体系中，淀粉、蛋白质、脂肪和果蔬类等营养成分的变化也会影响食品材料在3D 打印过程中的熔融行为、玻璃态和塑化性等性质[9]。

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

2.1 淀粉类原料

适用于3D 打印的淀粉材料应具有适宜的假塑性流体特性和较好的流动性，易于从打印机喷嘴挤出，能在挤出后快速固化。淀粉的凝胶特性可以改变糊状原料的黏度，从而改善3D 食品打印材料加工适宜性。随着淀粉含量的增加，食品原料黏度降低，力学强度增加，原料打印后的成型稳定性得到明显改善[35]。不同类型的淀粉材料，其加工性能也不同，例如淀粉颗粒的大小会影响焙烤的性能和凝胶行为[36]。Feng 等[37]揭示了豌豆蛋白对马铃薯淀粉基3D 打印材料在内部结构特性和热力学性能方面的影响。淀粉的黏度特性可以反映其流体性质，通过对比研究流变性能和黏度特性可了解食品原料的支撑行性能、挤出性和成型稳定性等。较高的黏度和较慢的回生速率导致打印精度降低，也会导致食品原料粘附在3D 打印机的内壁，造成挤出和成型困难[38]。一般来说，3D 打印机挤压打印过程中产生的机械力会使淀粉糊化，从而使直链淀粉的含量增加，导致样品的硬化和收缩[39]。适当的老化有利于淀粉凝胶成型，从而有效增强淀粉的凝胶稳定性。通过对原淀粉改性可以改变淀粉的打印性能，例如氧化淀粉具有糊化温度较低、加热粘度小、透明度高等优点[40]。当加热温度高于胶凝温度时，淀粉颗粒发生不可逆的溶胀，淀粉链打开。冷却后，若直链淀粉浓度大于临界胶凝浓度，淀粉链发生交联形成凝胶。

2.2 蛋白质类原料

蛋白的凝胶性有利于3D 食品的成型，在3D 打印过程中，要选择合适的蛋白种类和添加量来改变材料流变特性。冷热处理、加酸碱盐离子、酶水解均可使蛋白质发生聚集，形成有序的空间网状结构，提高蛋白质的胶凝性，促使胶凝空间结构的形成。Lipton 等[41]利用处理过的火鸡肉和芹菜进行了实验，发现加入转谷氨酰胺酶可使食品打印材料具有更好的成型稳定性，可经受更长时间的烹饪处理。在原料中加入酶可有效改变原料的空间结构，有效改善了蛋白质的加工适宜性。3D 打印前，将酶与蛋白质混合，蛋白质通过酶的作用交联，使其具有良好的流变性能，具有较好支撑性和成型性。明胶是对胶原纤维结构进行不可逆处理而得到的一种衍生蛋白质[42]。蛋白质分子溶于水后，与水相互作用构成了螺旋结构，形成的凝胶降温后可迅速固化，打印出的产品不易变形、富有弹性。在凝胶中加入营养成分，也可有效提高产品的营养品质。岑培倩[43]利用明胶为原料研究得到了适于3D 打印的载有中药提取复合多糖的凝胶软糖基质，3D 打印后成型性良好。

2.3 脂肪类原料

高脂类食品原料内部存在大量的脂肪结晶，脂肪结晶网络结构的不同，3D 打印脂类内部结构、机械性能、硬度不同，脂肪结晶网络结构呈现具有特定流变学性质的软材料，具有较强的可塑性[44-47]。目前，巧克力、肉泥等高脂类食品材料作为3D 打印食品材料已在在食品3D 打印技术中得到应用。宾夕法尼亚大学的研究团队于2012 年最先利用3D 打印技术，以糖和脂肪为原料进行肉类产品3D 打印，打印的生肉纹理、质地和口感与普通生肉无明显差别[3]。Narine 等[48]研究表明脂肪结晶网络结构的机械性能将会影响产品的软硬程度、质地等性质。

巧克力3D 打印过程中，脂肪结晶有助于提高原料的机械性能，改善产品的空间结构，并对空间结构提供具有支撑作用的骨架结构。脂肪的晶型复杂，在固液态转变过程中，不同的降温条件会形成四种不同比例的γ、α、β’、β晶体[49]，一般来说，相同甘油三酯的不同晶体类型在融化过程中有不同的焓变，其中β晶型的焓变和熔点值最大，在外界能量充足的情况下，不同晶型之间可以从非稳定态向稳定态转化，这些晶体变化影响着巧克力在打印过程中的物理特性，β晶型数量越多的3D 打印巧克力制品，成品质量越稳定[50]。巧克力的3D 打印形成了β型晶体结构，呈现均匀细小的颗粒组织状态。可可脂的多晶形态对食品的支撑特性和贮藏稳定性等有一定的影响。在3D 打印肉类食品生产中，肉的感官品质和保质期受甘油三酯影响，其中脂肪酸碳原子数越多熔点越高，双键数越多熔点越低。因此，脂肪酸碳链长度、双键数量具有调节脂类3D 打印原料的熔点和支撑性能的作用。

2.4 果蔬类原料

果蔬原料是一种典型的不可打印材料，果蔬原料粘度低，水分含量偏高，破碎成果泥后流动性强，不易成型，果蔬中纤维含量高，大颗粒原料在打印过程中容易产生堵塞显现，并且果蔬原料在加工过程中，容易发生氧化褐变、微生物增长等，失去原有营养和品质[51]。Derossi 团队[52]研发出了一种专门为儿童设计的3D 打印食品，以香蕉、柠檬汁等水果为主要原料，同时辅以果胶，制备的产品富含多种维生素。杨帆等[53]以芒果为主要原料，通过调马铃薯淀粉比例来改变芒果浆的流变学性能，从而得到适于3D 打印的凝胶体系。王浩等[54]通过利用蓝莓果浆、果胶和魔芋胶等按一定比例的复配，3D 打印的效果、质构、流变性能等均明显改善。

2.5 其他

单一食品原料很难满足3D 打印的要求，单一食品原料在色泽、形状、口味等很难满足现代人对营养追求。通过研究原料的种类和添加量来改善3D 打印材料的特性的流变特性和质构特性，蛋白质、碳水化合物、脂肪和果蔬等食品原料的不同配比也将影响其溶化温度、流动性、塑化温度等，通过改变食品原料的结构特性使其具有较好的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过3D 打印机进行控制，有效保持打印后的形状。打印性能依赖于食品材料的结构，通过3D 打印机打印并保持打印后的产品结构的稳定，食品材料应该具有良好的凝胶结构才能打印出造型多样、稳定性好的产品，材料的凝胶特性、流变性能和热冷转化性能（熔点和玻璃化转变温度Tg）等均影响食品打印的效果[55]。糖类在3D 打印过程中，糖对打印材料的玻璃化转变温度影响明显，不同的玻璃化转变温度对食品打印材料的支撑性能有重要调控作用。同时，糖粉的流动性和湿润性都将影响打印性能，因此适宜的流动性和湿润性可使打印的产品涂层均匀，并具有良好的机械性能[56]。

3.2 适用性

食品3D 打印属于智能化的食品加工技术，可实现对产品的形状、色泽、风味、组织结构和营养的个性化定制，满足了人们对个性化营养的需求，3D 打印将会给食品行业带来新的颠覆性变化。食品3D 打印集合了智能装备和食品加工的技术特点，其材料的适用性决定了食品3D 打印技术在食品领域中的应用范围。Severini 等[57]将梨、胡萝卜、猕猴桃、西兰花、鳄梨和鱼胶原蛋白等多种食品原料按比例混合，得到金字塔形状且营养丰富的“可打印冰沙”，将食品的营养价值与独特的设计结构结合，构建一种新型的营养、风味和造型兼具的新型食品。

3.3 后加工性

食品的3D 打印可分为可直接食用的3D 打印食品和需要后加工的3D 打印食品。后加工性能是指经过打印后的产品可经受焙烤、煎炸、蒸煮等烹饪等加工后才具备可食用的食品[58]。在后续加工过程中，后加工的处理方式会影响到产品打印后的形状，因此为了保持食品材料性的稳定性，选用适宜后加工处理的食品材料，同时具有合适的物理化学性能、流变性能、机械性能和结构性能的食材至关重要的。

4 3D 打印技术食品中的应用

上世纪80 年代后期美国人Charles Hull 研究出3D 打印技术，并在1986 年研发出世界上第一台商用3D 印刷机，3D 打印技术在食品中的应用是由康奈尔大学Godoi 等人首次提出[12]。如今，随着食品3D 打印技术的不断进步，3D 打印食品原料的种类不断丰富，3D 打印食品呈方兴未艾之势，呈现出良好的发展势头。3D 打印食品具有个性化设计、营养丰富、造型多样等特点，最大程度的满足人们心理和生理的需求，成为21 世纪食品领域新的研究热点。

4.1 食品3D 打印技术在肉制品中的应用

近年来，随着人们对肉制品品质的要求不断提高，以及需求量的不断扩大，肉类产品出现了严重的供求不平衡，将食品3D 打印技术应用到肉制品生产中，研发出纹理和口感与传统肉类媲美的3D 打印肉制品，大大降低了资源消耗。Liu 等[59]利用3D 打印技术以鸡肉、猪肉和鱼肉为原料，通过加入明胶溶液作为粘合剂，以浆液的形式打印出一款便于老年人咀嚼的人造肉。3D 肉制品打印不仅可以以传统肉类为原料，也可以添加昆虫、藻类作为替代原料作为新型的食品营养补充剂，制成适合3D 打印的粉糊状或肉糊状，既可以降低传统肉类的能源消耗，也可以用于定制餐的生产[60]。

4.2 食品3D 打印技术在果蔬制品中的应用

果蔬制品为人类提供了维生素、矿物质和膳食纤维等必不可少的营养物质，果蔬加工产生的副产品仍具有较高的营养价值，利用3D 打印技术与蔬果食品原料相结合，在丰富了3D 打印食品营养特性的同时能够提高原料利用率，节约成本[61]。Dovetai LED 公司研制出一款“水果打印机”，利用果汁、海藻酸、氯化钙等原料通过分子球化工艺进行3D 打印，获得的打印食品与水果的口感相似[62]。Vancauwenberghe 等[63]利用包封技术，将莴苣叶细胞封装到果胶中，通过3D 打印技术打印出与植物组织相似的食品。Park[64]等将海藻酸盐与胡萝卜愈伤组织分散体按比例混合，制备了愈伤组织基生物油墨。

4.3 其他

随着3D 打印在食品业的发展，各种3D 打印食品层出不穷。荷兰TNO 公司和Barilla 公司以小麦粗粉和水为打印原料，生产出一种极具特色的意大利面[3]。美国航空航天局发明的宇航员专用3D 食品打印机，可以打印在太空中食用的披萨、面糊等[65]。在甜品焙烤食品中，巧克力是应用最广泛的食品原料，Hao 等[17]通过控制打印机参数，研究发现挤压速率，喷头速率和喷头高度等因素对于巧克力3D 打印成型质量的影响显著，并进行了一系列试验来优化最佳的3D 打印参数，研发出了一种采用逐层叠加的方式制作个性化的3D 巧克力产品，这种方法被称为“巧克力增层制造”，生产出造型丰富的立体巧克力。

5 结论与展望

目前，食品3D 打印技术处于起步阶段，由于受到原材料和设备等限制，食品3D 打印技术的发展受到严重制约。食品原料成分和结构的复杂性是影响产品的打印精度和成型稳定性的重要因素，通过现代技术和食品原料的调控来改善原料的流变学特性，将3D 打印技术与食品营养相结合，寻求特殊人群的个性化定制食品，从而达到满足不同人群的需求。对3D 打印程序和设备领域进行研究，提高食品打印效率，能够实现降低食品加工成本的目的。因此，为了提供口感良好、个性化营养、形状多样的3D 打印食品，需要开发新型3D 打印食品原料和与之相匹配的技术来满足食品3D 打印领域发展的需求。虽然上述原因制约着食品3D 打印的应用和发展，但与传统食品加工手段相比，在节约原料、产品造型和个性化营养定制等方面具有不可替代的优势。未来食品领域中的3D 打印技术的发展发展将对传统食品加工产业带来深刻变革，为食品行业的发展注入新的科技驱动力。