基于文献计量学的国内外食品3D打印技术研究进展

李春丽 唐甜甜 张 慜

(1. 江南大学《食品与生物技术学报》编辑部，江苏 无锡 214122；2. 江南大学食品学院，江苏 无锡 214122)

三维(3D)打印，也称增材制造、实体自由成型制造，自出现以来，即被视为一场潜在的工业革命。该技术是一种在三维空间中逐层构建的方法，最初应用于打印塑料和金属等合成物质，以创造具有新特性的定制材料，之后逐渐被应用于建筑、汽车制造、医疗保健和航空航天。增材制造技术因其众多优势而受到行业、公众和学术界的强烈关注，研究[1]显示，在全球市场规模上，3D打印产品和服务的年增长率约为26%，预计到2024年将达到400亿美元。在食品领域，2007年，康奈尔大学的研究人员首次报道了3D打印技术在食品结构设计中的相关应用[2]。2011年，英国埃克塞特大学研发出世界首台3D巧克力打印机，并于次年推向市场[3]。2014年，3D Systems公司推出了3D打印糖果。2015年，意大利面食公司Barilla与荷兰技术公司TNO合作研发了以小麦粗粉和水为原料的3D打印意大利面。西班牙创业公司Natural Machines研制出的可以打印披萨、手指巧克力、意大利面等的Foodini食品3D打印机。2016年，世界上第一家3D美食店Food ink进行了为期3 d的试营业。2019年，已经研发出了可以用于定制3D打印食品的APP[4]。截至目前，包括巧克力、糖果、意大利面、披萨、蛋糕、饼干、面包、冰淇凌在内的多种食品均可以通过3D打印机制作(图1)。

来源：Microsoft Bing

3D打印技术用于食品工业具有若干潜在优势：

(1) 缓解粮食危机。通过使用非传统食品材料(例如昆虫、藻类、高纤维植物基材料及动植物副产品废料)来拓宽可用食品材料的来源，可以减少粮食浪费，为不断增长的全球人口提供可持续的营养和有吸引力的食物。

(2) 满足个性化或特殊膳食营养需求。3D打印技术通过开发营养强化、低盐低糖或保健食品，可以为有特定营养需求的人提供科学合理的健康饮食，实现营养精准调控，例如儿童、航天员、运动员、孕妇、老年人或吞咽困难的患者。

(3) 突破传统工艺限制，实现食物造型艺术性设计。3D打印可以实现人工或工业模具难以完成的花纹图案样式，自由地为食品设计新造型，增加趣味性。

一定时期内某一研究领域出版的学术研究成果，其传播与扩散能力大小，表明该学术成果对科研活动的学术贡献程度，也能反映出社会对其学术价值与应用价值的认知水平与认同程度，彰显该研究成果在相关应用领域的发展前景。近10年，食品3D打印相关研究势头强劲，受到学术界的重视，其科学出版物也显著增加。利用文献计量学方法统计不仅可以分析食品3D打印技术发展历程，厘清该技术研究过程的学术脉络，还可以从中发现并明晰3D打印技术在食品领域的未来研究方向与应用前景。

课题组首先搜索了与食品3D打印领域相关的文献(英文文献搜索时间截止到2022年8月1日，中文文献搜索时间截止到2022年11月2日)。中文文献来源于中国知网数据库，以“3D AND 食品 AND 打印”为检索词进行主题检索，手动剔除无关文献，共获得197篇文章；外文文献来源于Web of Science核心合集数据库，根据Fasogbon等[5]的研究以“3D AND food AND printing”为检索词进行主题检索，共获得860篇文献，然后将获得的文档限制为论文、综述论文、在线发表、会议摘要、书籍章节，最终获得854篇文章。将检索到的数据及信息(关键词、引文、摘要、作者和书目信息)以制表符分隔文件和Excel格式下载。使用VOS viewer软件(版本1.6.17)对收集到的文献计量信息进行分析和图形可视化，Microsoft Excel用于其他一般指标的可视化。

1 国际食品3D打印研究进展

1.1 国外相关出版物发表趋势

每年发表的出版物数量可以很好地反映特定学科领域的发展趋势，对出版物发表量的分析可以提供有关近期的研究趋势的信息。图2显示了国际食品3D打印相关出版物的发文量和累计被引频次的趋势图。食品3D打印相关技术研究始于2007年，Brogårdh[6]首次提出食品行业将是未来机器人/3D视觉产品发展的驱动力之一。直至2014年，食品3D打印研究开始逐渐引起关注，当年有6篇论文出版。此后论文发表数量呈逐年升高趋势，特别是在2018年之后数量有明显上升。2021年发表数量为260篇，月均22篇；截止发稿前，2022年的出版物发表量已达176篇，月均25篇。预计到2022年结束时发表量将超过2021年。

图2 国际食品3D打印相关出版物逐年发文量和

从出版物逐年发文量可以看出，越来越多的研究人员开始关注食品3D打印加工技术。截止发稿前，食品3D打印出版物总被引频次16 701次，篇均19.56次。每年出版物的被引频次与发文量变化趋势相同，2021年出版物的被引频次最高，为6 320次。截至目前，2022年出版物的总被引频次为3 894次。

1.2 国际发文学者和发文机构的文献计量评价

论文的被引频次能在一定程度上反映出同领域学者对该研究内容的认可，是文章重要性的体现，更是反映了一个研究团队的活跃度和生命力。影响引文数量的因素有很多，包括研究热度、发表时间、篇幅长度、发表的期刊等。表1统计了3 178名发文学者的总被引频次、发文量、H指数等重要指标，显示在该领域发表过8篇及以上科学文献的作者为18名。其中，中国江南大学张慜研究团队在该领域发文量和被引频次最多，发表文章65篇，被引用2 097次，对食品3D打印领域出版物的贡献率(发文量占总出版物数量的百分比)最高，为7.611%。其次是澳大利亚昆士兰大学Bhandari B课题组，发表35篇，被引用1 756次，贡献率为4.098%。Prakash S和Liu Z B被引频次分别为881和627次，均发表16篇出版物。这4位学者在国际食品3D打印研究中存在合作关系，主要涉及马铃薯/紫薯淀粉、莲藕粉凝胶、山药、柠檬汁凝胶、芒果汁凝胶、草莓汁凝胶、鱼糜凝胶、糙米、面团、谷物、复合乳制品、巧克力、肉制品等食物材料的3D打印和打印参数优化，以及打印品的前处理和后处理研究。此外，中国华南理工大学陈玲、郑波，西北农林科技大学江昊也在国际期刊发表食品3D打印相关文章8篇以上。

食品3D打印领域的854篇出版物共涉及1 080个机构，在该方向发文量超过10篇的机构为16个(表2)，中国的江南大学、中国农业大学、浙江大学、华南理工大学和大连工业大学均位于其中。总被引频次排名前三的机构分别为江南大学、昆士兰大学和瓦格宁根大学，发文量分别为84，46，19篇。昆士兰大学、福贾大学、瓦格宁根大学、加州大学的篇均被引频次相对较高，中国江南大学的发文量最多，但篇均被引频次相对较低，说明论文质量有待进一步提高。

表1 食品3D打印方向发文量超过8篇的国际学者(排名依据总被引频次)

表2 食品3D打印方向发文量超过10篇的国际机构(排名依据总被引频次)

1.3 国际高被引、高发文量国家和期刊的文献计量评价

有73个国家在食品3D打印领域发表过文章，发文量至少10篇的国家有24个(表3)。中国、澳大利亚和美国是被引频次最高的国家，同时也是发文量最高的国家，被引频次分别为5 457，3 408，3 050次，发文量分别为250，84，139篇，对3D打印领域文章的贡献率分别为29.274%，9.836%，16.276%。与其他国家相比，新西兰的研究被引用次数最少，13篇文章仅获得93次引用。瑞士的篇均被引频率最高，12篇文章获得了1 648次的引用量，平均137.33次/篇，其次为德国(58.5次/篇)、新加坡(44.95次/篇)和澳大利亚(40.57次/篇)。中国的篇均被引频次处于中间位置(21.83次/篇)，h-指数最高。从发文量和被引频次来看，食品3D打印出版物大部分来自中国，提示中国在食品3D打印的研究处于领先位置。

表3 在食品3D打印方向发文量超过10篇的高被引国家(排名依据总被引频次)

表4列出了在食品3D打印领域发表7篇以上的出版物期刊。共23种期刊，最受欢迎的期刊是Journal of food engineering，发表了66项研究，被引用2 341次。其次是Food hydrocolloids，发表46篇文献，被引用700次。LWT-food science and technology以669的被引频率排在第三，发文量24篇。Foods的发文量为31篇，但仅被引129次，排名第12。Trends in food science & technology以仅7篇的发文量获得了633的被引频次，篇均被引频次超过90，可能是该刊的高影响因子(16.002)吸引了学者。Journal of food engineering(35.47次/篇)和Food and bioprocess technology(35次/篇)的篇均被引频次也相对较高。这23种期刊的影响因子介于2.889(Journal of food process engineering，Q3)和16.002(Trends in food science & technology，Q1)，平均影响因子7.58，包含19篇一区、3篇二区和1篇三区期刊。因此可以发现，食品3D打印因其高的新颖性和创新性的研究内容，大部分发表在一区食品类期刊上。

表4 在食品3D打印方向发文量超过7篇的高被引期刊 (排名依据总被引频次)

1.4 ESI全球排名前1%的相关高被引文章

根据ESI(Essential science indicators)数据库的界定，高被引论文是指近10年内发表且被引次数排在相应学科领域全球前1%以内的论文。854篇食品3D打印相关出版物中的ESI高被引论文共有39篇，包括26篇研究性论文和13篇综述。单篇最高和低被引频次分别为1 403和24次。被引频次最高的文章是Ligon等[7]的工作，回顾了用于3D打印和定制增材制造的聚合物加工，及其在建筑、食品加工、光学、能源技术、牙科、药物输送和个性化医疗领域中的应用。其次是Godoi等[8]的综述文章，被引350次，介绍了3D打印技术应用于食品设计的现状与前景，特别强调了3D打印技术的优势/局限性，及对打印食品结构的影响。高被引文章共涉及147位作者，Zhang M是发文量最多的作者(10篇)，对高被引文章的贡献率为25.641%。Zhang M与包括Bhandari B、Guo C F在内的16名研究人员有直接关系，表明这些作者参与了合作研究。

国际合作交流有助于提升食品打印的影响力，创造更多有价值的研究成果。有22个国家参与发表了高被引文章，中国、澳大利亚、新加坡和美国是发表高被引文章最多的国家，分别有18，9，5，5篇，对高被引文章的贡献率分别为46.154%，23.077%，12.821%，12.821%。高被引论文通常涉及广泛的国际合作，国际合作通常会提高论文的知名度，并在引用方面被证明是有用的。Pislyakov等[9]发现大约92%的俄罗斯高被引论文涉及国际合作，部分学科国际合著论文比例达到100%。Aksnes[10]指出63%的挪威高被引论文有来自其他国家的合著者。Fu等[11]称47%的中国高被引论文是有国际合作的。对于食品3D打印领域，有53.8%的高被引论文(21篇)涉及国际合作，说明了国际合作在产出高被引论文方面发挥关键作用。

使用VOS viewer对39篇高被引论文进行可视化分析，关键词共现分析涉及311个关键词(图3)。图中，节点表示关键词，节点越大代表关键词出现的频次多，颜色越黑说明关键词出现的时间越晚。分析结果表明，“3d打印(16次)”“优化(11次)”和“增材制造(10次)”是出现频次最高的关键词。“流变特性(6次)”“流变(6次)”“质地(5次)”“可印刷性(5次)”“凝胶(4次)”等关键词的重复使用，说明流变特性是评估打印食品可印刷性和机械性能的一个重要参数。根据目前所发表的文章，食品3D打印技术研究主要集中在模型设计、配方优化、后处理方法和吞咽困难患者饮食开发方面。此外，通过外部刺激和交互机制来驱动打印食品动态变化的4D打印已经受到学术界和工业界的广泛关注，且在3D和4D打印基础上，原则上可以打印复杂结构，具有更高的强度和更少的材料的5D和6D打印已经被提出[12]。这项工作有望将传统的单一材料3D打印食品扩展到多材料食品，并为开发丰富多彩的食品提供新的方向。

图3 食品3D打印领域高被引文章(ESI全球前1%)关键词共现分析

2 中国食品3D打印研究进展

2.1 中国相关出版物发表趋势

图4显示了基于中国知网数据库检索出的中国学者食品3D打印论文发表情况，呈逐年递增趋势，且增长幅度较大。共检索到197篇文章，涉及151篇期刊、40篇硕博士论文。首篇关于食品3D打印的报道发表于2011年，题目为《食品“打”出来》，刊登于《中学生天地(B版)》，报道了美国康奈尔大学成功研制出了“3D食物打印机”，装着奶酪、巧克力、蛋糕糊等特殊“墨水”的机器会根据电子设计图，逐行逐层“打印”出食物来[13]。紧接着，在2012年，《食品与机械》介绍了荷兰国家应用科学研究院研发出一台食品3D“打印机”[14]，这是首篇由食品类专业期刊做出的报道。直到2014年，食品类期刊《中国食品学报》和《食品与生物技术学报》报道了西班牙创业公司Natural Machines研制出世界上第一台名为“Foodini”的食品3D打印机，可用于打印比萨、手指巧克力、意大利小方饺在内的一系列食品[15-16]。此后，食品3D打印逐渐引起关注，论文发表数量呈逐年升高趋势，2015年发表了19篇相关文章。2020和2021年，食品3D打印相关文章年发表数量为30和29篇，截止到该调查撰写时，2022年的出版物发表量已达27篇，有望超过2021年。

图4 国内食品3D打印相关出版物逐年发文量和被引频次

迄今为止，国内食品3D打印出版物被引频次总被引869次，篇均被引频次4.41次。2017年论文的被引频次最高，为224次。近几年，总被引频次较低，可能与文章发表时间较短有关。总之，从近年来的发文量看，越来越多的国内学者开始了食品3D打印研究。

2.2 中国发文期刊、机构和学者的文献计量评价

图5显示了食品3D打印相关中文文章的类型分布、主要发表的期刊和发文机构。食品3D打印相关涉及151篇期刊、40篇硕博士论文、3项会议论文、2项科研成果、1项报纸。期刊类文章主要来源于《食品与机械》《食品发酵工业》《食品工业科技》《食品科学》《食品工业》《现代食品科技》《农业工程学报》以及《食品与生物技术学报》，分别发表了12，9，7，6，5，5，4，3篇。《食品与机械》是首个报道食品3D打印研究的食品类专业期刊，也是目前最受欢迎、发文量最多的期刊。其所刊登的12篇食品3D打印报道，总下载量9 419次，均篇下载量784次，总被引91次，均篇被引7.58次。该刊物所发表的3D打印文章主要为食品3D打印机的设计[17-19]和食品3D打印技术应用进展类综述文章[20-22]。其中江阴职业技术学院李光玲[23]所发表综述文章《食品3D打印的发展及挑战》下载量和被引频次最多，分别为3 291次和41次。与其他食品类期刊相比，《食品与生物技术学报》发文量较少，3篇文章的总下载次数为869，总被引3次，包括麻薯配方与打印特性类研究[24]和4D食品打印热点报道[25]。

图5 中文食品3D打印相关文章的类型分布、主要发表的期刊和发文机构

发表食品3D打印相关文章的机构主要为江南大学、大连工业大学、南京农业大学、华南理工大学、广东海洋大学、沈阳农业大学、西北农林科技大学、上海海洋大学和沈阳师范大学等，发文量分别为16，10，7，7，7，6，4，4，4篇。江南大学的发文包括9篇期刊类和7篇硕博士论文，总被引86次，总下载量11 457次。江南大学学者张慜、范大明，大连工业大学学者董秀萍，南京农业大学学者徐幸莲，华南理工大学学者陈玲、王小英，沈阳农业大学学者李春强、孟宪军，西北农林科技大学学者陈琳，广东海洋大学学者刘书成、孙钦秀等研究团队的发文量和培养的硕博士较多。

2.3 中国食品3D打印高被引文章和发展方向

目前，国内食品3D打印领域被引频次最高的出版物多数为综述性论文，其中题目为《熔融沉积成型3D打印技术应用进展及展望》[26]、《3D打印技术在我国食品加工中的发展前景和建议》[27]、《食品3D打印的发展及挑战》[23]三篇综述的总被引频次最高，分别为71，41，41次，发表在《工程塑料应用》《中国农业科技导报》和《食品与机械》上。表5总结了被引频次排名前十的研究性论文，主要涉及马铃薯、蓝莓、鱼糜、鲢鱼糜等材料的打印特性分析，以及奶油、冰激凌等食品3D打印机的设计。所发表刊物有3篇来源于《现代食品科技》，研究方向主要为油墨的优化和打印效果研究，有2篇来源于《食品与机械》，主要研究食品打印机的设计。

表5 被引频次排名前十的食品3D打印研究性论文

根据目前发表的论文，国内关于食品3D打印技术研究集中在：

(1) 3D打印机的设计与研发、打印软件的优化。如多材质、对称啮合双螺杆式3D打印机的研发，以及糖果、巧克力、冰激凌、奶油等打印机的设计。

(2) 3D打印食品工艺研究。如打印原料配方改良、凝胶混合体系打印特性研究、打印参数对成型效果的影响等。

相较于其他国家，在食品3D打印相关领域，中国论文发表情况现已位居世界第一。但中国国内各地区、各机构间的研究团队相对孤立，具有前瞻性、高质量、高创新性的研究仍较少。

中国的食品3D打印技术领域的学术研究十分活跃，具有较强的后劲，为了进一步提高国际影响力，建议从以下方面进行调整：

(1) 应着重培养具备信息技术、机械工程、计算机控制、食品加工和3D打印知识的科技复合型人才，弱化学科界限，强化学科交叉，设立新型学科，重点推进数字化技术、打印设备、打印材料等关键技术的研发。

(2) 鼓励科技创新，开发高效率、低成本、高可靠性的食品打印机。

(3) 加强与国内外3D打印企业或高校之间的交流与合作，学习国内外先进的3D打印技术与经验，充分发挥各自的优势和特色，取长补短，增强实力和竞争力。

(4) 立足中国食品产业，前瞻思考，科学布局，真正地提出科学问题、解决科学问题，提高论文发表和专利申请质量，提高专利或科技成果转让和转化率。

(5) 国家和政府应投入专项经费支持，凝聚更多的研发力量，利用多方合作平台加强研讨和交流，为3D打印食品制定有效的法律框架/立法，确保3D打印工艺符合严格的卫生和质量法规，促进食品3D打印行业规范、健康发展。

在智能化时代，制造全过程智能化有望成为中国食品工业转型升级的关键。在无需机械加工或模具条件下，以高度灵活和智能化的重复“打印”方式完成传统加工过程中的多个繁琐工序，可以替代传统加工生产线。3D打印技术在食用工业中显示了越来越重要的作用，把握3D打印食品的发展机遇，开展扎实的有科学依据的原创探索，提高SCI论文的质量和数量，有利于提升中国在食品增材制造领域的国际权威性，优先取得科研成果的领先权和话语权。

3 总结与展望

从国际和国内食品3D打印领域发表论文的趋势看，其研究热度呈快速上升的趋势。增材制造是最有潜力的未来食品制造技术之一，一方面，许多非传统食材，如藻类、真菌、海藻、昆虫、农业或食品加工的副产物等，可以作为可持续和环保的印刷材料来源，从而缓解全球粮食短缺问题；另一方面，以薯类、谷物类、果蔬类、植物胶类和富含蛋白质的动物性原料为主的食品3D打印油墨，可以迎合各种不同的饮食习惯，如素食主义、无蛋白、低糖和低盐人群。值得关注的是，食品3D打印可以将医学和人类营养结合，帮助患者更愉快地进食；针对不同人群营养需求，开发适合肥胖症、糖尿病人、高血压患者和老人食用的特殊膳食食谱，实现精准营养食品个性化定制。

多样化设计、个性化定制、复杂结构打印和节省材料是食品3D打印的优势。但目前该领域面临的技术瓶颈也需加以考虑。

(1) 生产效率是商业食品3D打印面临的一个巨大挑战。虽然可以通过提高打印速度或扩大喷嘴直径获得，但往往会导致打印精度和分辨率的下降。另一种潜在的方法涉及使用多喷嘴打印机同时制造多个物体，但迄今为止，没有工业规模的打印机可提供此功能。目前大多数3D打印机都是实验室规模的，只有有限的用途用于商业环境。与传统制造技术相比，增材制造技术受到成本、时间和大规模生产的限制，这一工程障碍很可能决定了3D打印机的商业化基础。

(2) 确保3D打印食品的安全性和保质期也是一项重大挑战。许多设备，例如食品注射器、喷嘴、材料桶和平台，如果管理不当，可能会受到微生物污染。并且在打印食品的后处理操作中，如微波加热、设备清洗、产品安全检测等，还没有明确的证据来验证3D打印食品的可食用安全性。一些研究[36]显示，某些基于果蔬的3D打印产品在贮藏期间接触空气时会产生高浓度的微生物，具有潜在的食品安全问题。大多数3D打印食品的保质期有限，3D打印的果泥或面团的流变学特性在生产2 h后发生变化。

(3) 开发具有强可印刷性的营养丰富的材料至关重要[27]。某些本身不具备可印刷性能的食品原料，可能不可避免地需要使用一些食品添加剂或食用胶，食品添加剂的种类和用量需要考虑。并且打印和后处理操作过程(包括干燥、油炸、烘烤、冷却等)对食品中营养成分、味道和香气质地的影响研究尚不清晰，打印后的产品需要能承受烹饪而不变形，这要求严格控制后处理操作条件，如烘烤或加热温度、烹饪时间。目前打印食品仍处于发展初期，需要多次优化试验才能推向市场。

食品3D打印是一个年轻的研究领域，科学出版物仅数百篇，虽然中国在高水平论文发表上处于领先地位，但食品3D打印在国内的科研成果转化和商业化应用极少。目前在工业规模上采用3D打印可能具有挑战性，在下一步的研究方向上，不仅需要开发工业规模的食品3D打印机，还需要进一步研究食品质量，包括适合这种大规模打印的食品材料特性。前处理和后处理的新技术为提高材料的印刷性能提供了很大的空间。此外，需要更多的研究来分析3D打印加工前后的杀菌操作，以提高3D打印食品的安全性，从而增加消费者的接受度。最后，需要进一步加强3D打印与后处理相结合的研究，实现可重复性和流程化的食品加工制造。

近年来，世界各国都在积极尝试将3D打印应用于食品行业，中国许多科研工作者也已经做出了巨大努力。对于3D打印食品，未来的挑战无疑是多方面的、多层次的，但同时也给人们带来很多的遐想和机遇。中国食品加工业正处于高速发展时期，在科技创新发展战略的驱动下传统食品加工技术必然迎来革命性的变革。增材制造技术为食品生产加工开辟了一条新的道路。与传统食品加工和机器人食品制造技术不同，食品3D打印集成了3D打印和数字美食技术，不仅可以为定制食品设计和个性化营养控制提供解决方案，还具有重构定制食品供应链的潜力。进入新时代，开启新征程，科技工作者迎来新使命，更应以祖国需要为出发点，把论文写在祖国的大地上，把科技成果应用在建设社会主义现代化强国的伟大事业中。最后，鉴于国际期刊报道状况的分析，国内食品类期刊要及时调整报道方向，关注食品3D打印的研究进展。