3D食品打印技术的应用状况与发展趋势*

田周萍，黄鹭强

（福建师范大学生命科学学院，福建 福州 350117）

3D 食品打印技术是指运用数字模型文件，使用可食用材料再逐层打印出所需食品的技术。随着材料和技术的发展，一定程度上解决了消费者对于个性化食品的需求，也为一些特殊人群提供所需的食品。本文概述了3D食品打印技术的特点及其在食品中的应用状况，为该技术在食品的研发提供参考。

1 3D 食品打印概况

1.1 原理

3D 打印目前已经广泛应用于建筑[1]、航天航空[2]、生物医药[3]等领域，解决了一些工程化的实际问题。该技术用于食物制造，可为消费者提供个性化饮食，满足不同人群的需求；同时能够制备一些传统食品以延缓目前的粮食危机[4]。

3D 食品打印技术是通过利用计算机的三维建模技术对要打印的食品逐步进行程序设计和平面分解，再使用3D食品打印机按照原先设置好的运动方式挤出食品原材料，最终实现“逐层打印、堆叠成型”的目的[5]。目前常使用的3D食品打印可以分为熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、喷墨打印（IJP）、选择性烧结成型（SLS）等4大类[6-9]。目前专业客户购买3D食品打印机时，生产企业才提供相应的食材配方[5]。虽然目前食品材料来源众多，但是适合使用3D打印并且能满足风味需求的食品材料种类局限性仍然很大[9]。

1.2 原料

3D 食品打印的原料可分为可打印原料、不可打印的传统食材和替代的原材料；按原料状态分为液体、粉末和细胞培养。典型的材料有：肉酱、果酱、糖霜、奶酪、凝胶、巧克力、液态面团等。

康奈尔大学的研究人员以奶酪、蛋糕糊和巧克力等为原料通过喷墨打印制作出蛋糕和小甜点[10]。果蔬原料是一种典型的不可打印材料[11]。杨帆等[12]用芒果作为主要原料，通过改变马铃薯淀粉的比例来改变芒果果浆的流变学性能，最终得到适合于 3D打印的凝胶体系。使用3D打印技术，人们可以打印出鸡腿、牛肉等高仿真肉制品，减缓食物供应危机[13]。替代材料可包括从藻类、昆虫、真菌或羽扇豆种子中提取的蛋白质，创造出美味的结构化食物。这些原材料不仅有益于健康，而且有益于环境，昆虫比如甲虫和蟋蟀体内的蛋白质含量比较高，将其用于3D食品打印能够较好地提高肉制品的美感。科研人员用昆虫粉末作为新的新的蛋白质来源，使用3D打印技术制作出美味的食物[14]。

1.3 设备

3D 打印设备的构成一般包括如下组件：料筒，用于供应打印所需原料；挤压头，用于检测和调节挤压头里的原料的温度、压力、流量等，进而获得精确、高质量的原料；喷头，用于针头直径较小可达到所需精度同时喷头还可以加热，可调节打印的速度和温度，高温喷头能够可加热到100℃以上、有注射器式挤出、气压式挤出和螺杆式挤出三种挤出结构。打印平台一般支持自动校准、全彩触摸屏；配套智能化的专业软件，操作简单容易上手。这些都为操作者提供了友好的界面及产品解决方案。

2 3D 食品打印的特点

2.1 优缺点

3D 食品打印可以减少生产产品所需时间，消耗较少的资源和生产成本；生产出的产品能够满足尺寸、营养和感官的需求，具有方便、口味佳的优点，同时可以定制食品，进行造型设计，改良营养结构[15]；根据每个人的身体情况再科学的定制健康食谱，给众多的儿童、患者、老人带来了福音[16]；3D食品打印技术还能根据需求打印色彩、尺寸、感官、富含营养等的食品。

然而3D食品打印也有一些缺陷，如大多数材料需要在挤压时加热以产生一种可延展性物质，通过挤压喷嘴打印到打印机底座上冷却，该过程可能导致食品受到细菌或真菌的影响，从而缩短了货架期。

2.2 影响因素

食品种类是影响打印结果的内在因素，包括食品材料的水分[17]、粒度[18]和流变性[19,20]等性能对打印的成败至关重要。原料本身具有一定的弹性模量、屈服应力，较低的黏稠指数和流动指数，可以通过加入增稠剂[21]、改变原料状态[22]等方式使其易于打印。

不同的原料需要在不同温度下打印成型，既要让原料顺利挤出，也要保证材料能够成型。原料需要加热到一定温度后从喷头挤出到打印平台，温度过高一方面会影响原料冷却成型的时间，另一方面有可能会造成食材的口感破坏。通常巧克力、糖果等在较高的温度下使用热熔挤出方式打印，而肉类、面食等在室温下打印即可。

3 3D 食品打印的应用情况

3.1 传统食品

中国传统食品具有取材范围广、制作工序复杂、造型变化多等特点，但目前配套的食品油墨和设备硬件研发滞后，导致运用还处于初始阶段。相比于传统食品的加工过程，3D食品打印灵活性高，不仅能够简化食品的生产工艺，而且可以减少食品在加工过程中对环境造成的污染[23]。

最初人们对饼干进行了研究，在传统的饼干制作配方中，烘烤时黄油容易液化，难以凝固；现在煎饼、面条等也成为3D打印食品的打印对象，面糊是打印时使用的最基本打印原料。胡雪等[24]使用自制的3D煎饼打印机，将泡打粉、白糖、牛奶和面粉按照1∶8∶8∶20的比例混合，再向其中加入一个鸡蛋并充分搅拌，经过过滤、预热烤盘和翻面后煎饼的制作就完成了。丁易人[25]以面粉为原料，在同种面团配置条件下，用最大打印层数和打印线宽作为指标，研究表明在和面热水温度100 ℃、水和面粉配比0.8∶1、0.6 mm的内径喷头、挤出头距离平台0.8 mm、700 mm/min的速度、进给速率为0.66 mm/min时，3D打印的效果最佳。冯传兴等[26]研究了3D打印前中后3个阶段原料的物质结构变化，为3D打印在马铃薯淀粉领域的深入研究提供了理论支持。

豆腐是典型的中国传统食品，目前尚未有3D打印的成功案例，主要原因有二方面：一是需要用容器装豆浆，再向其中加入凝固剂和消泡剂，或者使用双喷头打印机；二是由于豆腐制作对pH要求严格，3D打印机的喷嘴温度往往比较高，有可能导致pH的变化而使豆浆无法凝固。受现有的打印机喷头规格限制，传统月饼的制作也难以完成，3D打印的月饼馅口感不佳，月饼皮图案效果差。

对中国传统食品而言，3D食品打印机确实能够用于技艺传承和文化传播，操作者易于掌握，但是由于高温制作过程很可能破坏其原有的风味，现有的技术还不与人工制作的相媲美。同时3D食品打印机价格昂贵，用于制作一些普通传统食品成本偏高，无法进行大规模生产销售。

3.2 现代食品

由于3D食品打印机的快速和机械化生产条件，其可以用于制作出更加丰富和营养的食品样式[27]，同时对于传统食品的口感和外观能有所提高。在段松岐等[21]研究了卡拉胶等多种物质对3D，打印食品的质构特性、微观结构和流变学性质的影响，最终发现添加了1.3%卡拉胶的产品具有最高的精度、最紧实的结构和极佳的口感。

3D 食品打印技术最早应用于甜点领域，此外还可打印传统食品如甜点[28]、肉制品[29]、航天食品[30]、定制食品[31]等。He, Chang[32]等研究了pH和马铃薯含量对于土豆泥的流变性能、表观性能和3D打印性能的影响，证明了土豆泥的颜色与二者有密切的相关性，为4D打印多色彩食品提供了新的视角；Pietro Rando等[33]研究了3D打印中热传导对于巧克力打印效果的影响；潘禹希[34]以海参浆、鲢鱼糜（3∶7）为原料时能兼顾营养价值与打印效果。

由于太空条件的限制，现有的绝大部分食品不能作为航天储备食物。NASA研发出的3D航空食品打印机，制作出在太空中能食用的面糊、披萨等。Liu等[22]通过制备乳蛋白复合凝胶，发现蛋白质凝胶中蛋白质的含量越高越有利于打印。

全球人口老龄化趋势加剧，老年人常患有吞咽、咀嚼或消化困难症，运用3D打印研发老年人食品具有潜在优势。Aakanksha Pant等[17]通过3D打印蔬菜冻干粉制成的水胶体来治疗消化困难。

4 3D 食品打印的挑战与发展

3D 打印食品虽然外观多样，但是因为打印精度欠佳、普及率不高和原料供应问题没有完全解决等原因，其竞争力很难与传统的食品相当，并且没有在市场大面积进行销售[35]。

4.1 五大挑战

⑴ 打印精度：通过添加符合标准的食品添加剂来改变食品特性，或利用精度较高、直径较小的喷嘴打印，但是小喷嘴所消耗的打印时间较长，喷嘴速度、临界喷嘴高度等都会引起浆料的改变甚至引起拖曳效应，从而影响打印精度。

⑵ 普及率不高：目前大部分桌面的3D打印机价格在2万人民币左右，然而能打印的产品种类较少。其次由于3D食品原料有限[23]，原料需预先制成糊状或者进行粉碎，这使得其打印出来的食品在感官上相较于传统食品还有一定的差距；最后由于在消费者固有思维里将3D打印制作的产品视作不可食用产品[36]。

⑶ 原料供应问题：由于原料需要满足可加热性、可打印性的需求，目前仍缺乏系统的知识将材料的结构和其间相互作用联系[11]。Wang.L[37]等研发了鱼糜凝胶作为潜在的打印原料；Godoi等[38]通过改变打印后处理时的温度或是添加塑化剂等方式来改变材料的流动性能；或是研究纤维素等广泛存在的物质如何用于食品打印[39]；将动物副产品用作蛋白质的替代来源[36]。未来可望通过研发新材料或优化现有材料的性能来实现更多的应用。

⑷ 道德伦理问题：目前的3D打印技术已经能够打印出人体组织和器官，那么不远的将来是不是可以打印出“人类”呢？这无疑会带来一系列的道德伦理问题[40]。

⑸ 知识产权问题：由于3D食品打印技术具有可以轻松复制、随意修改的功能，但恰好是这些功能设计专利法、著作权、商标法等法律法规的风险性和兼容性等问题。

4.2 发展趋势

在3D打印基础上发展起来的4D食品打印，使用微波[41]、脱水[42]等不同的食品加工方式产生多层次、色彩丰富的多元化食品[43]。4D食品打印可以解决目前3D食品打印的精度不佳、操作性不强等问题，再能够定制个性化食品方案和提供便携式设备，那么4D食品打印将会用于生产更多产品，例如盛开的花朵、多色彩食物、老年人的可食用凝胶等。Chang He等[32]使用海藻酸钠、柠檬酸等食品添加剂研发多色彩的土豆泥；Chen Chen等通过微波处理生产多色彩的可食用姜黄素凝胶[44]。未来4D食品打印还有很大的发展空间，应更深入研究复合材料、多色彩的食品打印工艺来满足市场的需求。

5 结语

随着科学技术的快速发展，3D食品打印技术将会应用在越来越多的行业领域。3D食品打印技术正逐渐应用于航空航天食品和特殊人群食品，同时，对一些新的替代材料或混合材料进行研发，研究如何改变物质的结构性质使其能够满足3D食品打印的几大特性。由于不同人群需要的营养稍有偏差，因而3D食品打印可以很好地应用于定制个性化食品。

未来3D食品打印有三大发展趋势：一是对食物后处理性的研究，要让经过打印处理的产品烹饪后依旧不变形；同时3D打印可以实现大型的食品雕刻制作时间过长的障碍，实现作品的分部制作和精细结构，尤其适合大型的中国传统宴席。二是科研人员依旧需要不断对打印产品的感官性能进行提升，既要保持食物的营养价值也要保留食物的风味性能；3D食物打印在未来可以用在解决一些手工较难完成的复杂工艺食品，构建一些微小的立体结构和图案。三是培养3D食品打印技术的专业人才，开发更多的新材料降低打生产成本，惠及大多数人；方便携带，提供移动式的设备和服务；同时可以构建数据库，将常用的一些方案储备于设备中，便于制作人员掌握实施；也可以设立不同用户的个性化食品方案，为他们带来更贴心的服务。