食品3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

劉倩楠，張春江，張 良，胡小佳，余永名，胡宏海，黃 峰，田 芳，譚瑤瑤,，戴小楓,，張 泓,※

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院合肥食品營(yíng)養(yǎng)與健康創(chuàng)新研究院，合肥 238000）

0 引 言

3D打印是迅猛發(fā)展的快速成型技術(shù)催生而出的一項(xiàng)新興技術(shù)。3D打印技術(shù)又稱為“增材技術(shù)”，可將金屬、塑料、橡膠、石膏等材料通過熔融擠出、粉末燒結(jié)、光敏反應(yīng)等途徑制造出預(yù)先設(shè)定的形狀。由于該技術(shù)能將復(fù)雜的加工工藝進(jìn)行數(shù)字化操作，具有精度高、速度快、成本低等優(yōu)勢(shì)，因此被認(rèn)為是推動(dòng)工業(yè)4.0變革的重要技術(shù)手段。3D打印技術(shù)首先在生物器官、汽車制造、房屋建造等方面取得了突破進(jìn)展，但是在食品制造領(lǐng)域也已嶄露頭角[1-3]。

目前消費(fèi)者對(duì)食品的關(guān)注主要集中在營(yíng)養(yǎng)、口味、外觀和方便性等方面。中國(guó)居民的膳食營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)不平衡是影響國(guó)民健康的重要因素，因此越來越多的消費(fèi)者更關(guān)注食品的營(yíng)養(yǎng)[4-8]。將 3D打印技術(shù)引入營(yíng)養(yǎng)健康食品加工領(lǐng)域，采用多品種的原料混合復(fù)配，使蛋白、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質(zhì)及其他功能因子等營(yíng)養(yǎng)素成分按照需求比例加以平衡[2]，在滿足原料3D加工適宜性的前提下，打印成為營(yíng)養(yǎng)均衡、美味可口、外觀優(yōu)美、方便食用的新型食品，實(shí)現(xiàn)對(duì)團(tuán)體人群或個(gè)性化精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)的配餐供應(yīng)，應(yīng)用前景十分廣闊。

1 食品3D打印的方式

1.1 擠出型食品3D打印

擠出型食品3D打印通過數(shù)字化控制擠出過程，按照設(shè)定的路徑一層一層地打印，最終得到三維食品。擠出型食品3D打印是食品打印的一種重要形式，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的三維設(shè)計(jì)和食品的營(yíng)養(yǎng)控制[2]。該打印方式操作簡(jiǎn)單，但是對(duì)食品物料的流動(dòng)特性要求較高。

擠出型3D打印首先根據(jù)加工需要設(shè)計(jì)三維模型，然后通過三維軟件建立立體模型，隨后將建立的立體模型輸入到3D打印機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，在3D打印機(jī)上設(shè)定操作參數(shù)，并結(jié)合物料加工特性制定物料的加工流程，如圖1所示[3]。

圖1 擠出型食品3D打印的工藝流程Fig.1 Process flow chart of extrusion-based food 3D printing

1.1.1 擠出型食品3D打印坐標(biāo)形式

擠出型食品3D打印的驅(qū)動(dòng)路徑需通過坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)。目前應(yīng)用到食品3D打印機(jī)中的坐標(biāo)系主要有4種形式：笛卡爾（Cartesian）坐標(biāo)、三角（delta）坐標(biāo)、極（polar）坐標(biāo)和平面關(guān)節(jié)（scara）坐標(biāo)，如圖2所示[2]。

圖2 擠出型食品3D打印坐標(biāo)形式Fig.2 Extrusion-based food 3D printer configuration

1）笛卡爾（Cartesian）坐標(biāo)

笛卡爾坐標(biāo)的食品3D打印機(jī)共有x、y和z3個(gè)坐標(biāo)軸，打印噴頭和模型之間可以前后、左右和上下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如圖2a所示。該坐標(biāo)應(yīng)用在3D打印上，目前有3種常用的實(shí)現(xiàn)形式。第 1種是下方底板不動(dòng)，上方打印噴頭按照預(yù)定的程序?qū)崿F(xiàn)x、y和z3個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，例如西班牙Natural Machines食品3D打印機(jī)Foodini[9]如圖3a；第2種是底板實(shí)現(xiàn)Z軸方向的上下運(yùn)動(dòng)，上方打印噴頭實(shí)現(xiàn)x-y坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動(dòng)，例如江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院孫鐵波等人研制的 3D奶油打印機(jī)[10]和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所研制的食品3D打印機(jī)，如圖3b；第3種是底板實(shí)現(xiàn)Y軸方向的前后運(yùn)動(dòng)，上方打印噴頭實(shí)現(xiàn)x-z坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動(dòng)[2]。

由于笛卡爾坐標(biāo)系的3D食品打印機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易維護(hù)和校準(zhǔn)，控制精準(zhǔn)，控制程序簡(jiǎn)單，最初的3D食品打印機(jī)多采用該坐標(biāo)系完成打印。但打印速度慢、組成機(jī)構(gòu)復(fù)雜和價(jià)格相對(duì)昂貴等因素是制約該坐標(biāo)系打印機(jī)發(fā)展的瓶頸。

圖3 笛卡爾坐標(biāo)食品3D打印機(jī)Fig.3 Food 3D printer of Cartesian configuration

2）三角（delta）坐標(biāo)

三角（delta）坐標(biāo)的食品3D打印機(jī)噴頭通過3個(gè)機(jī)械手臂控制，類似于機(jī)械手，其底座固定不動(dòng)，通過 3個(gè)機(jī)械手臂帶動(dòng)打印噴頭實(shí)現(xiàn)空間的幾何運(yùn)動(dòng)，如圖 2b所示。目前，市場(chǎng)上常見的三角（delta）坐標(biāo)的食品3D打印機(jī)有Pinya3[11]和波蘭的Tytan 3D[12]（圖4）。

圖4 三角坐標(biāo)食品3D打印機(jī)Fig.4 Food 3D printer of Delta configuration

與笛卡爾坐標(biāo)的食品3D打印機(jī)相比，三角坐標(biāo)的食品3D打印機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使得3D打印機(jī)制造成本更低。三角坐標(biāo)食品3D打印機(jī)的打印速度較快，能在短時(shí)間內(nèi)制作 1個(gè)體積比較大的食品，但是打印的精度相對(duì)較低，控制程序比較復(fù)雜。由于三角坐標(biāo)的食品3D打印機(jī)加速或者減速比較快，容易造成振動(dòng)，不利于打印食品的穩(wěn)定性[2]。

3）極（polar）坐標(biāo)

極坐標(biāo)的食品3D打印機(jī)由底盤、擠出噴頭和支桿組成。底盤可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，擠出噴頭可實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)和繞支桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[2]。目前市場(chǎng)上的極坐標(biāo)食品3D打印機(jī)有荷蘭的TNO食品3D打印機(jī)（圖5a）[3,8]和XOCO巧克力3D打印機(jī)（圖5b）[13]。

根據(jù)極坐標(biāo)的食品3D打印機(jī)的機(jī)械構(gòu)成特點(diǎn)，該形式的食品3D打印機(jī)的打印速度較快，但是打印的食品形狀受限制，僅能打印以圓形為基礎(chǔ)路徑的空間形狀。

圖5 極坐標(biāo)食品3D打印機(jī)Fig.5 Food 3D printer of Polar configuration

4）平面關(guān)節(jié)（scara）坐標(biāo)

平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)的食品 3D打印機(jī)設(shè)計(jì)思想源于機(jī)器人的手臂，2根可相對(duì)旋轉(zhuǎn)的連桿實(shí)現(xiàn)x、y方向的運(yùn)動(dòng)；連桿機(jī)構(gòu)固定在主機(jī)上，可實(shí)現(xiàn)z方向的上下運(yùn)動(dòng)。該類型的食品3D打印機(jī)由哥倫比亞大學(xué)設(shè)計(jì)，并制作了許多產(chǎn)品[14-15]，如圖6所示。該種形式的食品3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造成本亦相對(duì)較低。

不同坐標(biāo)形式的3D打印機(jī)均有優(yōu)缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在打印速度和打印精度不同。在選擇打印機(jī)的時(shí)候，需綜合考慮打印速度和打印精度的影響，選擇合適的坐標(biāo)形式打印機(jī)。

1.1.2 擠出食品3D打印的擠出原理

擠出型3D打印機(jī)的擠出原理主要有3種方式：注射器式擠出、氣壓式擠出和螺桿式擠出[2]，如圖7所示。

1）注射器式擠出原理

注射器式擠出原理的食品 3D打印機(jī)擠出系統(tǒng)由電機(jī)、注射器、柱塞和擠出噴頭組成，如圖 7a。注射器腔體可用于儲(chǔ)存食品物料，柱塞由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)，使得注射器內(nèi)部的物料通過擠出噴頭均勻擠出。運(yùn)用該擠出原理的食品3D打印機(jī)主要有英國(guó)的Choc Creator（圖8a）[9]、3D Systems公司與巧克力食品巨頭好時(shí)公司合作開發(fā)的CocoJet（圖8b）[16]以及臺(tái)灣三維公司的XYZ食品3D打印機(jī)（圖8c）。注射器式食品3D打印機(jī)適用于半固態(tài)和固態(tài)物料的擠出，例如土豆泥、豆沙等原料。

圖6 哥倫比亞大學(xué)的平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)食品3D打印機(jī)Fig.6 Food 3D printer of Scara configuration made by Columbia University

圖7 擠出型食品3D打印的擠出原理[2]Fig.7 Extrusion mechanisms of extrusion-based 3D printing[2]

圖8 注射器式擠出食品3D打印機(jī)Fig.8 Syringe-Based Extrusion food 3D printer

2）氣壓式擠出原理

氣壓式擠出原理的食品3D打印機(jī)擠出系統(tǒng)由氣泵、物料盒和擠出噴頭組成，如圖7b。物料存放在物料盒中，在氣泵中壓縮空氣的推動(dòng)下，物料通過擠出噴頭擠出。目前應(yīng)用該擠出原理的食品3D打印機(jī)有TNO和Barilla共同開發(fā)的意大利面3D打印機(jī)（圖9）[3]。氣壓式擠出原理的食品3D打印機(jī)適合打印流體狀物料，物料流動(dòng)性較好。壓縮空氣需要通過消毒和過濾再連接到食品3D打印機(jī)。

3）螺桿式擠出原理

螺桿式擠出原理的食品3D打印機(jī)擠出系統(tǒng)由電機(jī)、螺桿、物料盒、原料入口處和擠出噴頭組成，如圖 7c。物料通過原料入口處進(jìn)入物料盒，電機(jī)帶動(dòng)螺桿向前擠出物料，最終物料通過擠出噴頭擠出成型[2]。此種擠出形式的空間控制不易實(shí)現(xiàn)，目前應(yīng)用較少。

3種擠出原理的食品3D打印機(jī)，適合擠出的原料不同。在選擇打印機(jī)時(shí)，根據(jù)原料的特性，選擇相對(duì)應(yīng)擠出原理的食品3D打印機(jī)，從而得到滿意的打印食品。

圖9 意大利面3D打印機(jī)Fig.9 Pasta 3D printer

1.1.3 擠出食品3D打印的成型原理

擠出食品3D打印機(jī)的打印原料狀態(tài)不同，成型原理也不同，主要有 3種形式：常溫?cái)D出、加熱熔融擠出和凝膠形成擠出，如圖10所示[2]。

圖10 擠出型食品3D打印成型原理Fig.10 Forming principle of extrusion-based 3D printing

1）常溫?cái)D出成型

常溫?cái)D出成型的食品3D打印原料，自身具有一定的黏度，可以相互黏連成型。此種形式打印出來的產(chǎn)品需要通過焙烤、油炸、蒸制等形式進(jìn)行熟化，如圖11所示[15]。打印出來的產(chǎn)品包括披薩、餅干、煎餅等。原料多采用黃油、芝士、面粉、雞蛋、牛奶等，需要將上述原料混合均勻，形成均勻的固態(tài)、半固態(tài)或流體狀的打印原料。

圖11 常溫?cái)D出成型的3D打印食品Fig.11 3D printing food of room temperature extrusion

2）加熱熔融擠出成型

加熱熔融擠出成型的食品 3D打印原料多為巧克力豆或巧克力粉[17-18]。巧克力豆或巧克力粉加熱之后呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，流動(dòng)性好，容易成型[19-22]。擠出成型后，在常溫條件下凝固，使得 3D打印的形狀能夠保持較長(zhǎng)時(shí)間，打印出的成品一般不需要再熟化，可以直接食用，如圖12所示。由于巧克力打印凝固后形狀穩(wěn)定，可以打印形狀復(fù)雜的模型，例如鏤空模型。

圖12 3D打印的巧克力食品Fig.12 3D printing chocolate

3）凝膠擠出成型

凝膠擠出成型的食品 3D打印原料中含有具有物理凝膠特性的成分，在不同溫度下呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。在原料中加入具有凝膠特性的成分，例如瓊脂，根據(jù)配方要求配備成不同比例的均勻溶液，加入到食品 3D打印機(jī)中，通過擠出頭擠出打印成型，有時(shí)需要在一個(gè)溫度較低的水浴中完成定型[23-24]。此種擠出成型的食品3D打印機(jī)由日本山形大學(xué)發(fā)明，如圖13所示。另外一個(gè)應(yīng)用范圍比較廣的是糖果擠出成型機(jī)，例如德國(guó)糖果公司Katjes的糖果3D打印機(jī)及糖果產(chǎn)品[25]（圖14）。

常溫?cái)D出由于需要進(jìn)行后處理熟化加工，產(chǎn)品穩(wěn)定性沒有加熱熔融擠出和凝膠擠出產(chǎn)品的穩(wěn)定好，產(chǎn)品的可打印的復(fù)雜程度也不如其他2種擠出形式。

圖13 日本山形大學(xué)的凝膠擠出成型食品3D打印機(jī)Fig.13 Hydrogel-forming extrusion 3D printer of Yamagata University

圖14 德國(guó)糖果公司Katjes的糖果3D打印機(jī)及糖果產(chǎn)品Fig.14 3D printer and 3D candy of Katjes in Germany

1.1.4 擠出型食品3D打印原料的選擇

為了打印出質(zhì)量?jī)?yōu)越的食品，除了選擇適合的3D打印形式之外，還需要選擇能夠滿足某種3D打印形式的原料。3D打印的食品原料需要滿足3個(gè)特性：打印性、適宜性和后加工性[24]。

打印性對(duì)于擠出型3D打印來說主要指的是原料的流變性、熱特性（熔點(diǎn)和玻璃轉(zhuǎn)化溫度）和凝膠特性等[26-28]。淀粉的凝膠特性可以改變糊狀3D打印的食品原料的黏度，從而影響3D打印的打印性和適宜性。淀粉含量增加使得食品原料黏度降低，力學(xué)強(qiáng)度增加，形狀穩(wěn)定性好[29-30]。蛋白的凝膠性有利于 3D產(chǎn)品的成型，無機(jī)鹽的加入，可改變蛋白的特性，從而影響整個(gè)原料的流變性能[31-32]。含有不同種類蛋白的糊狀原料其黏度和流變性不同，因此在 3D打印原料中添加蛋白來改變?cè)系牧鲃?dòng)特性時(shí)，要根據(jù)其流變特性的需求，選擇合適的種類和添加量。水的加入，會(huì)降低淀粉、蛋白以及明膠等食品聚合物的玻璃轉(zhuǎn)化溫度[33-36]。不溶性物料的顆粒組成、粒徑大小和形狀均對(duì)糊狀3D打印原料的流變性和力學(xué)性能有影響。富含纖維素的原料由于粉碎不充分，含有纖維素的原料會(huì)堵塞噴頭。當(dāng)富含纖維素的原料中添加富含脂肪的原料之后，流動(dòng)性變好，因?yàn)橹究梢宰鳛樵系脑鏊軇┗蛘邼?rùn)滑劑。糊狀擠出物料在高剪切下需要黏度足夠低，易于擠出，擠出沉積之后物料必須迅速恢復(fù)高黏度，以保持形狀的穩(wěn)定性。

并不是所有的食品原料都適合擠出型的食品 3D打印，其適宜性受原料特性的限制。對(duì)于需要后續(xù)進(jìn)行熱處理的擠出型食品3D打印，后加工性也是需要考慮的一個(gè)重要因素。3D打印糊狀原料的組成對(duì)其后處理影響很大，例如不同糊狀原料組成的加熱干燥和冷卻干燥的處理時(shí)間不同，最終產(chǎn)品的狀態(tài)也不同[37-38]。當(dāng)原料中加入谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶和黃原膠后，可改善3D打印產(chǎn)品的穩(wěn)定性；在曲奇中，通過改變黃油、蛋黃和糖的濃度可改善烹飪過程中曲奇形狀的穩(wěn)定性[39]。

1.2 粉體凝結(jié)型食品3D打印

粉體凝結(jié)型打印是食品 3D打印中常用的另外一種打印形式，通過將粉末按照設(shè)定的模型逐層凝結(jié)，最終形成一個(gè)完整的3D打印模型。該食品3D打印形式與擠出型打印形式相比，打印速度較快，并可打印出形狀較為復(fù)雜的食品。

粉體凝結(jié)型打印主要有 3種形式：選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）、熱空氣熔融燒結(jié)（selective hot air sintering and melting，SHASAM）和液體黏合（liquid binding，LB）[40-44]。首先確定好要打印模型的形狀，并對(duì)圖形逐層進(jìn)行分解，通過熱源（激光或熱空氣）或液體黏結(jié)劑對(duì)粉末床上原料進(jìn)行加熱凝固或黏結(jié)，完成一個(gè)截面圖形之后，粉末床向下降一層，添加一層新的粉末層，重復(fù)上述流程，得到預(yù)先設(shè)計(jì)的模型，打印工藝流程如圖15所示[40]。

粉體凝結(jié)型3D打印多采用笛卡爾坐標(biāo)，對(duì)于液體黏結(jié)中黏結(jié)劑，由于黏結(jié)劑的流動(dòng)性要求，黏結(jié)劑的擠出多采用氣壓式擠出。

圖15 粉體凝結(jié)型食品3D打印工藝流程Fig.15 Process flow chart of powder binding food 3D printing

1.2.1 選擇性激光燒結(jié)（SLS）

選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)是采用紅外激光器作能源，使粉末造型材料凝結(jié)成型。食品3D打印也可以以激光作為熱源，使打印出的食品粉末經(jīng)過激光燒結(jié)形成預(yù)先設(shè)計(jì)的食品形狀，其打印工藝流程如上所述。由于該種形式的3D打印是通過逐層鋪設(shè)不同的粉體完成的，每層的粉體可以不同，可完成不同原料，特別是營(yíng)養(yǎng)素均衡搭配的食品加工[45]。激光的選擇對(duì)打印食品質(zhì)量影響很大[46]。主要原因是激光對(duì)原料的熔化程度影響較大，包括原料的激光吸收率與激光的波長(zhǎng)、粉末的致密程度與激光的能量密度等因素有關(guān)[47]。

荷蘭TNO公司食品3D打印采用選擇性激光燒結(jié)的形式，以糖粉、巧克力粉、咖喱粉等制作了不同形狀的3D打印食品，如圖16所示[3]。

圖16 選擇性激光燒結(jié)3D打印食品Fig.16 3D printing food based on SLS technology

1.2.2 熱空氣熔融燒結(jié)（SHASAM）

熱空氣熔融燒結(jié)（SHASAM）食品3D打印與選擇性激光燒結(jié)食品3D打印相類似，只是將激光熱源替換為熱空氣，工藝流程如上所述，打印食品如圖17所示。熱空氣的溫度和氣流速度對(duì)于此類型的打印食品至關(guān)重要[47]。

1.2.3 液體黏合（LB）

液體黏合（LB）食品 3D打印通過具有黏結(jié)性能的液體，將二維的粉體薄片組合成復(fù)雜的三維模型[48]。對(duì)于食品3D打印，黏結(jié)劑也可以同時(shí)作為口味、色澤等的調(diào)節(jié)劑，豐富打印食品的風(fēng)味和色彩。目前應(yīng)用比較廣泛的是在糖粉領(lǐng)域，可制作色彩多樣、形狀各異的糖果產(chǎn)品，如圖18所示。

圖17 熱空氣熔融燒結(jié)3D打印食品Fig.17 3D printing food based on hot airmelting and sintering

圖18 液體黏合3D打印機(jī)和3D打印食品Fig.18 3D printer and food based on LB technology

3種不同形式的粉體凝結(jié)型食品3D打印，打印速度較快，打印的模型較復(fù)雜，但是其原料的特性要求較高。

1.2.4 粉體凝結(jié)型食品3D打印原料的選擇

對(duì)于粉體凝結(jié)型食品 3D打印的原料最重要的是要滿足原料的打印性。粉體凝結(jié)型食品3D打印原料的打印性主要指粉體的粒度分布、堆積密度、潤(rùn)濕性和流動(dòng)特性[49-51]等。理想的粉體凝結(jié)型3D打印粉末原料粒徑分布是雙峰或者多峰分布，這樣有助于粉末的散布和增強(qiáng)其附著力。較小的顆粒填充在較大顆粒的縫隙中間，形成比較致密的結(jié)構(gòu)，降低孔隙率[52]。根據(jù)3D打印的應(yīng)用程序和期望模型的最小特征尺寸，原料顆粒的中位粒徑在20到100μm之間比較合適。相關(guān)研究表明，中位粒徑在30到100μm的顆粒原料比細(xì)顆粒原料組成的模型機(jī)械強(qiáng)度更高[51]。粉體的流動(dòng)特性與粉體顆粒的形狀、大小、顆粒之間的相互作用、粉末密度、壓縮性以及粉末與設(shè)備之間的摩擦有關(guān)[53-54]。球形粉體的流動(dòng)性最好；粗顆粒比細(xì)顆粒流動(dòng)性好。空氣的濕度會(huì)影響粉末的靜電力，從而影響粉末的流動(dòng)性[54]。

對(duì)于液體黏合 3D打印來說，除了粉末原料特性之外，還需選擇合適的黏結(jié)劑。在噴射過程中，黏結(jié)劑液滴需要保持球形，不能有拖曳和合并現(xiàn)象，在一定的速度下能保持直線運(yùn)動(dòng)，并準(zhǔn)確的降落在預(yù)定的位置上。可通過公式（1）計(jì)算來評(píng)價(jià)黏結(jié)劑的噴射性Z，充分考慮了噴射條件下材料上的黏性、表面張力和慣性力[55]。Z值在1～10范圍內(nèi)，產(chǎn)生的液滴比較穩(wěn)定。

式中η代表黏度，γ代表表面張力，ρ代表密度，L代表公稱尺寸（噴嘴直徑/液滴直徑）。

食品 3D打印中的黏結(jié)劑大多采用的是糖和淀粉粉末混合物與水或醇基的混合液體[56]。由于糖含量太多不利于身體健康，因此需要找到其他的替代物。纖維素作為一種天然的多糖，由于人體消化道內(nèi)部不存在纖維素酶，是一種0 cal的膳食纖維。研究表明，在適當(dāng)?shù)臈l件下，經(jīng)過球磨法破壞的結(jié)晶纖維素得到的纖維素粉末可以重新結(jié)晶，形成剛性結(jié)構(gòu)[57-59]。黃原膠是一種剪切變稀的多糖[39]。在纖維素粉末中添加少量的黃原膠有利于提高噴墨性能，與纖維素協(xié)同增強(qiáng)結(jié)合性能[52]。

1.3 噴墨打印（IJP）

噴墨食品（Inkjet printing，簡(jiǎn)稱IJP）3D打印是在已有的食品上加入裝飾，是二維打印在食品中應(yīng)用的延伸[60-61]。裝飾品原料在打印過程中需維持流動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng)的原料通過擠出噴嘴到原有食品上[62-63]，不同于擠出食品3D打印，噴墨食品3D打印不是整體逐層打印，而是采用局部打印的形式，最終完成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)原理如圖19所示，打印速度較快，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。噴墨食品3D打印有的可以自己成型，如Foodjet公司的圖形裝飾，如圖20a所示；有的需要通過原有食品腔體對(duì)裝飾原料進(jìn)行固形，如腔體沉積和表面填充，如圖20b、20c所示。

圖19 噴墨食品3D打印原理Fig.19 3D printing principle of IJP

圖20 噴墨3D打印食品Fig.20 3D printing food of IJP

噴墨打印實(shí)現(xiàn)過程中，采用笛卡爾坐標(biāo)系，原料通過氣壓式控制完成擠出。巧克力等噴涂需要加熱后擠出，披薩醬等擠出常溫?cái)D出即可。

噴墨打印中圖形裝飾原料多采用巧克力，腔體沉積和表面填充的原料多采用流動(dòng)性較好的奶油、意大利面醬等。

2 食品3D打印與群體或個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)食品

2.1 膳食營(yíng)養(yǎng)與健康

食物中可以被人體吸收利用的物質(zhì)叫營(yíng)養(yǎng)素。碳水化合物（糖類）、脂肪、蛋白質(zhì)、維生素、水和無機(jī)鹽是人體所需的六大營(yíng)養(yǎng)素，其中碳水化合物（糖類）、脂肪和蛋白質(zhì)可為人體提供能量。人體每天對(duì)必需營(yíng)養(yǎng)素的需要量由年齡、性別、身高、體重和新陳代謝程度等決定。

目前世界上共有 4種主要的膳食模式，不同膳食模式的食品所含的熱量和營(yíng)養(yǎng)素不同，長(zhǎng)期食用會(huì)對(duì)身體造成不同的影響。一是以動(dòng)物性食物為主的膳食模式，又稱為西方膳食模式，具有“三高一低”特點(diǎn)——高熱量、高脂肪（膽固醇）、高蛋白質(zhì)和低膳食纖維，優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)在膳食結(jié)構(gòu)中占的比例高，但容易造成熱量過剩。二是以植物性食物為主、動(dòng)物性食物為輔的膳食模式，又稱東方膳食模式，我國(guó)以此種膳食模式為主，該膳食具有低熱能、低蛋白、低脂肪、高碳水化物的“三低一高”特點(diǎn)，富含維生素、膳食纖維等營(yíng)養(yǎng)素，同時(shí)優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)攝入不足，容易造成營(yíng)養(yǎng)不良和勞動(dòng)能力低下。三是動(dòng)植物性食物均衡的膳食模式，動(dòng)植物性食物消費(fèi)量較為平衡，能量、蛋白質(zhì)、脂肪的攝入量基本上符合營(yíng)養(yǎng)的要求，有利于預(yù)防營(yíng)養(yǎng)相關(guān)疾病。四是地中海膳食模式，蔬菜、水果、魚肉、豆類等食物較多，而紅肉較少，并且烹飪時(shí)用植物油代替動(dòng)物油，尤其提倡用橄欖油，富含膳食纖維等復(fù)合碳水化合物，飽和脂肪酸攝入量低[64]。不同人群根據(jù)自身?xiàng)l件的不同，需要選擇正確的膳食模式。例如高血壓人群適宜選擇地中海膳食模式，超重或肥胖人群不適合西方膳食模式，糖尿病人群適合均衡的膳食模式。合理的膳食，特別在人年輕時(shí)，是預(yù)防許多疾病的關(guān)鍵因素[65]。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的人開始關(guān)注食品營(yíng)養(yǎng)、身體健康，注重食品的私人個(gè)性化定制。在一些健康膳食中，某種食品原料由于味道比較特殊，不被食用者接收，可通過食品 3D打印的手段，將各種不同的原料進(jìn)行配置，調(diào)整食品的風(fēng)味和滋味，同時(shí)利用3D打印成型的方式豐富食品的外觀和色澤，增強(qiáng)食欲。營(yíng)養(yǎng)健康和智能制造的大產(chǎn)業(yè)，為食品3D打印開拓了一個(gè)新紀(jì)元[66-67]。食品3D打印作為一種可以數(shù)字化控制食品的原料組成以及口味變化的加工形式，越來越受到不同種人群的青睞，特別是孕乳婦、嬰幼兒、老年人、肥胖癥人、糖尿病人、高血脂病人等特殊人群[68]。

2.2 食品3D打印與膳食營(yíng)養(yǎng)的結(jié)合方式

由于不同人群身體狀況不同，對(duì)各種營(yíng)養(yǎng)素的需求不同，所需食品各異。利用3D打印技術(shù)制作不同人群所需的食品，可按照該人群所需的營(yíng)養(yǎng)素配比進(jìn)行原料配置，制定合理的膳食。首先根據(jù)該人群營(yíng)養(yǎng)素比例的需要，合理地制定規(guī)劃膳食食譜。將食譜中原料進(jìn)行處理，使其滿足3D打印的條件，進(jìn)而得到打印原料的密度。然后，根據(jù)人群所需營(yíng)養(yǎng)素的質(zhì)量以及能量，計(jì)算得到打印食品的體積。最后，根據(jù)體積建立相應(yīng)的三維模型，將處理好的原料放入食品3D打印機(jī)，同時(shí)將建好的三維模型輸入食品3D打印機(jī)，最終得到該人群所需的營(yíng)養(yǎng)定制食品。但是，由于打印的食品大多要通過熱加工進(jìn)行熟化，需要對(duì)原有的原料配方進(jìn)行微調(diào)[2]。例如：為解決老年人群的吞咽和咀嚼困難等問題，利用食品3D打印技術(shù)（Foodjet）制作出了柔軟并具有特殊紋理方便吞咽的老人專用食品，此種食品的制作過程還加入了營(yíng)養(yǎng)需求的特殊強(qiáng)化，保證滿足老年人群的營(yíng)養(yǎng)需求。對(duì)于幼兒，可以通過形狀各異的3D打印食品來提高其食欲，保證其營(yíng)養(yǎng)元素的均衡，促進(jìn)幼兒發(fā)育成長(zhǎng)[66]。

隨著科技的發(fā)展以及在前人的研究基礎(chǔ)上，在不同人群的膳食營(yíng)養(yǎng)指南[69]以及個(gè)人基因檢測(cè)結(jié)果[70]指導(dǎo)下，將食品3D打印技術(shù)和精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)相配合，在滿足視覺盛宴的同時(shí)，針對(duì)不同個(gè)性化的營(yíng)養(yǎng)和能量需求，將各種原料進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)和能量分析并進(jìn)行科學(xué)配伍，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)的3D打印制造，最大程度滿足個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)健康的需求。

3 展 望

食品3D打印從興起到現(xiàn)在，打印技術(shù)越來越趨于成熟。各種食品3D打印方式應(yīng)運(yùn)而生，能滿足不同的打印需求，為食品加工行業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。不同的打印方式可打印多種形式的3D食品，目前應(yīng)用較廣泛的是擠出型食品 3D打印，但是由于食品原料的復(fù)雜性等原因，制約其發(fā)展的是打印速度和模型打印后的穩(wěn)定性；粉體凝結(jié)型食品打印3D打印，打印速度較快，但原料特性要求較高；噴墨打印比較容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，但打印的模型相對(duì)較簡(jiǎn)單。

為加速食品3D打印技術(shù)的發(fā)展，今后需從四方面開展深入研究，一是食品3D打印原料特性的研究，對(duì)于擠出型食品3D打印，通過研發(fā)食品3D打印原料助劑，改善原料的流動(dòng)性，研究物料的凝膠特性，提高打印產(chǎn)品的穩(wěn)定性；對(duì)于粉末凝結(jié)型食品3D打印，通過微膠囊技術(shù)來對(duì)粉體的粒徑進(jìn)行干預(yù)。二是開發(fā)精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)3D打印全流程智能化控制軟件，對(duì)食品3D打印程序進(jìn)行優(yōu)化，增加打印噴頭數(shù)量，提高打印效率；改用新的熱加工方式，例如遠(yuǎn)紅外加熱、過熱蒸汽加熱等，縮短加熱熟化時(shí)間。三是創(chuàng)制一批精密度高、協(xié)同性強(qiáng)、高效穩(wěn)定的家庭用3D打印裝備；研發(fā)可自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行和自適應(yīng)的工業(yè)化生產(chǎn)線。四是增強(qiáng)食品營(yíng)養(yǎng)科學(xué)與3D打印技術(shù)的結(jié)合，針對(duì)不同人群，例如嬰幼兒、老年人、糖尿病人、高血脂病人等特殊人群，進(jìn)行特殊膳食食譜的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)食品的個(gè)性化定制。

與此同時(shí)，應(yīng)加大3D打印技術(shù)的科普宣傳，讓更多的消費(fèi)者認(rèn)識(shí)并認(rèn)可這項(xiàng)新興技術(shù)對(duì)人類飲食健康生活的改變，進(jìn)而推動(dòng)家庭制作式和社會(huì)化供應(yīng)式的3D打印食品產(chǎn)業(yè)并駕齊驅(qū)。

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