基金项目：辽宁省高等学校基本科研项目(编号:
L J KM Z ２０２２０８９５)作者简介：童强，男，大连工业大学讲师，博士.
通信作者：董秀萍(１９７７ )，女，大连工业大学教授，博士.E Ｇm a i l :９８４５５７２８６＠q q
．c o m 收稿日期:２０２２Ｇ１１Ｇ２７㊀㊀改回日期:
２０２３Ｇ０４Ｇ２３D O I :１０．１３６５２/j ．s p j
x ．１００３．５７８８．２０２２．８１０６９[文章编号]１００３Ｇ５７８８(２０２３)０７Ｇ０００１Ｇ０５
R e s e a r c ho n t h ec h a r a c t e r i s t i c s a n da p p
l i c a t i o no f f o o dm a t e r i a l s i n f o o d ３D p r i n t i n g
童㊀强１
T O N GQ i a n g １㊀姜㊀宇１
J I A N GY u １㊀佟㊀垚１
T O N GY a o １㊀蒙玉祥１
M E N GY u Ｇx i a n g １㊀董秀萍２
D O N G X i u Ｇp i n g
２
(１．大连工业大学机械工程与自动化学院，辽宁大连㊀１１６０３４;２．大连工业大学食品学院，辽宁大连㊀１１６０３４
)(１．C o l l e g e o f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g a n dA u t o m a t i o n ,D a l i a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ,
D a l i a n ,L i a o n i n g １１６０３４,C h i n a ;２．S c h o o l o f F o o dS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,D a l i a nP o l y
t e c h n i c U n i v e r s i t y ,D a l i a n ,L i a o n i n g １
１６０３４,C h i n a )摘要：食品材料是食品３D 打印的关键因素.文章总结了
目前在食品３D 打印中常用食品材料(
瓶颈，并对未来食品３D 打印技术的发展趋势进行了展望.
关键词：食品材料;３D 打印;
材料特性；食品加工A b s t r a c t :F o o d m a t e r i a l i st h ek e y f a c t o ro ff o o d３D p r i n t i n g ．T h i sr e v i e w s u mm a r i z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ff o o d m a t e r i a l s (p r o t e i n ,s t a r c h ,h y d r o g e l a n df a t )c o mm o n l y u
s e di nf o o d３D p r i n t i n g a t p r e s e n t ,a n a l y
z e dt h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n t m a t e r i a l c o m b i n a t i o n s o n t h e f o r m i n g p e r f o r m a n c e ．M o r e o v e r ,s u g g e s t i o n so n h o w t oi m p r o v et h e p r i n t i n g e f f e c to fd i f f i c u l t p r i n t i n g m a t e r i a l s w e r e a l s o p r o v i d e d ,a n d t h e t e c h n i c a l b o t t l e n e c k o f f o o d m a t e r i a l s d e v e l o p m e n t
f a c e d i n f o o d ３D p r i n t i n g n o w a d a y sw e r e n o t i c e d ．F i n a l l y ,t h e d i r e c t i o no f f o o d ３D p r i n t i n g t e c h n o l o g y i n t h e f u t u r ew a s p r o s p
e c t e d ．K e y
w o r d s :f o o dm a t e r i a l s ;３D p r i n t i n g ;m a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c s ;f o o d p r o c e s s i n g
食品３D 打印是一种将三维建模㊁机电控制㊁食品科学等诸多跨学科知识融于一体而形成的新型高科技应用技术
[１]
.针对不同的个体或人，食品３D 打印技术不仅
可以实现对营养的精准控制，还可以个性化定制营养餐
食[２]
.目前，利用３D 打印技术已经成功生产出了多种类型的食品，如巧克力㊁蛋糕㊁糖果和人工肉类等[
３]
.与传统的食品材料和制造方法相比，食品３D 打印具有低成
本㊁操作简单㊁快速成型等优点，可以实时生产具有成本效益的定制食品[４]
.目前，主要的食品３D 打印方式有
３种：粉体凝结型食品３D 打印㊁挤出型食品３D 打印和喷
墨打印[
５]
.对于食品３D 打印,
打印参数是影响打印质量的主要因素之一.C a i 等[６]
在研究开发含油量高达２０％的卡仕
达酱的试验中发现，打印速度和挤出率是打印过程中材料沉积和提高形状保真度的关键参数.不同的食品材料具有不同的性能，如流动性㊁耐咀嚼性㊁弹性等，这些都是影响打印参数的因子，因此不同的材料要选择合适的打
印参数[
４]
.此外食品原料的主要成分及其性质也是决定食品
３D 打印技术成功的关键[７]
，目前常用于食品３D 打印的
食品材料主要有蛋白质㊁淀粉㊁水凝胶和脂肪等，见表１.也有一些食品材料由于自身结构稳定性较弱，所以无法
用作食品３D 打印材料[８]
.如何通过技术手段改善这些
食品材料的特性，以适于３D 打印，可以拓宽食品３D 打印技术的应用范围与推广.
文章拟综述分别以蛋白质㊁淀粉㊁水凝胶和脂肪作为材料时打印成品所具备的不同特点，探讨不同材料组合对打印成品的改善效果，针对不适于打印的果蔬材料，总结目前打印的技术瓶颈以及最新的试验成果，最后提出
食品３D 打印材料的未来发展趋势和进一步的发展方向.
１㊀可打印材料的相关特性与应用
１．１㊀蛋白质
蛋白质是人类生命活动不可或缺的营养素之一，不
F O O D &MA C H I N E R Y 第３９卷第７期总第２６１期|２０２３年７月|
表１㊀可用于食品３D打印的材料特性
T a b l e１㊀M a t e r i a l s f o r f o o d３D p r i n t i n g
材料种类特性应用范围
蛋白质明胶㊁昆虫蛋白㊁豆类蛋白㊁肉
糜等提高黏度㊁增加流动性㊁结构
支撑㊁乳液稳定剂等
补充蛋白质㊁人造肉㊁外观改
良类食物等
淀粉㊀大豆淀粉㊁玉米淀粉㊁小麦淀
粉㊁土豆淀粉等
黏性㊁流变特性等土豆饼㊁曲奇㊁面条㊁面团等
水凝胶海藻酸钠㊁卡拉胶㊁黄原胶㊁葡
甘露聚糖等混合胶体溶液等提高表面纹路㊁增加结构强
度㊁亲水性㊁提高稳定性等
人造肉㊁浓缩物㊁益生菌等
脂肪㊀可可脂㊁奶油㊁黄油㊁奶酪等起霜性(巧克力)㊁结构支撑㊁
增强光泽等
巧克力等
少研究者都将其作为打印油墨应用于３D打印食品和组织工程领域中[９].蛋白质根据其分子结构的不同和其凝胶特性，可以通过多种机制形成凝胶，包括冷凝胶(明胶)㊁热凝胶(球状蛋白)㊁离子凝胶(带电蛋白)和酶凝胶(大部分蛋白)[１０].由于它们在受控条件下具有形成凝胶的能力，并且能够保持一定的形状，所以可以用于打印[１１].其中最常见的３D打印蛋白
质类材料有明胶㊁肉糜(鱼糜㊁虾糜㊁鸡肉糜)[１２]㊁昆虫蛋白(粉虫蛋白)[１３]㊁豆类蛋白[１４]等.其中明胶作为打印油墨既可以作为乳液稳定剂，增加乳液稳定性，还可以作为结构支撑㊁为细胞提供营养[９].最新研究[１５]表明，随着明胶添加量的增加，打印样品的凝胶强度显著性提升，同时样品的黏度也会显著增大，这样就会导致物料很难被挤出.杨耿涵等[１５]通过多组试验数据指出了明胶对打印材料强度和黏度的影响，但是未进一步探讨明胶添加量最佳值；资料[９]表明，乳清蛋白中蛋白质含量高达９７．８％，可用于软化油墨㊁增强流动性；鱼糜㊁虾糜不仅富含高蛋白，而且可以作为黏性结构剂㊁改善质构便于老年人食用[１６].D u等[１７]研究表明，加入谷氨酰胺转氨酶可催化蛋白质多肽在分子间和分子内发生共价交联反应，从而可以改善蛋白质的结构和功能，对蛋白质的热稳定性和保水性也有着显著的作用，影响着食品的风味㊁口感㊁质地和外观.该试验的成功，为研究蛋白质在食品３D打印中的应用提供了新的思路，即在符合食品安全指标前提下通过加入其他物质来优化蛋白质，以达到试验目的需求.上述表明，蛋白质作为一种３D打印食品材料具有很大的发展潜力.１．２㊀淀粉
淀粉是一种在人类饮食中起着重要作用的高分子碳水化合物，是由葡萄糖分子聚合而成的多糖[１８].淀粉作为膳食能量的重要来源之一，被广泛应用于食品加工过程中[１９].因独特的流变特性，淀粉作为凝胶剂和增稠剂应用于食品３D打印[２０].天然淀粉打印３D样品时由于保持较强的黏度，容易发生塌陷[２１]，但M a等[２２]研究表明，通过２０m i n的射频电磁波处理后，淀粉的黏度峰值会有所降低，可以得到强度显著性提高的凝胶样品，因此，射频处理是用于３D打印中淀粉凝胶改性和优化的有效途径之一.此外，在淀粉中加入高浓度的酪蛋白，可降低淀粉的短程有序结构，改变凝胶体系的水分分布，提升凝胶体系的刚度，降低凝胶体系的黏度，使物料顺畅挤出，可以在不破坏淀粉结构的前提下，兼顾刚度
和黏度两种物理性质，该方法也是一种优化淀粉凝胶的有效措施[２３].另外，外部环境也对印刷产品的稳定性有着一定的影响[２４]，通过控制环境温度可以改变淀粉材料可打印性，环境温度的升高淀粉模型的表面被强化，从而阻止了模型内部组分的自由流动，提高了结构的稳定性和支撑力，同时，喷嘴直径超过０．８mm可获得更好的打印效果[１９].
C h e n等[２５]研究表明,２５％玉米淀粉㊁１５％马铃薯淀粉或２０％水稻淀粉用于食品３D打印时，可以得到结构均匀㊁质地良好㊁凝胶强度较高的成型产品，这为今后生产一些个性化淀粉食物提供了有力的数据支撑和参考价值，上述都可以说明淀粉作为食品３D打印材料具有很高的可塑性和使用价值.
１．３㊀水凝胶
水凝胶是由亲水性三维网络结构组成的一种高分子材料，可以迅速吸水溶胀并保持溶胀状态，使大量的水不流失[２６].在食品领域中，许多高分子聚合物，如多糖㊁多肽㊁蛋白质都是亲水性聚合物，因此经常使用水作为分散介质，而这种水与一定比例的多种高分子聚合物的混合物称为水凝胶[２７].如K i m等[２８]利用含有卡拉胶(C G)成分的水凝胶替代蛋白质嵌入鱼糜中生产低热量的鱼糜，与蛋白质相比，卡拉胶具有零热量和高弹性的凝胶成型特性，这就可以使由它所形成的水凝胶也具备相同的特点，同时应用同轴嵌入技术，既保持了鱼糜鲜嫩的肉质口感，又具有较低热量，适用于老年人和健身者食用.P a n 等[２９]利用金针菇多糖(F V P)渗入到大豆分离蛋白(S P I)中来制备水凝胶，这种新型水凝胶的打印质量好，精度在９９．７％以上，稳定性在９９．９％以上，由于热处理和金针菇多糖的加入，水凝胶具有较低的黏度和较高的水结合能
前沿观点F R O N T I E R V I E W总第２６１期|２０２３年７月|
力，便于挤出，样品不易受到损伤，具有良好的稳定性.此外,K o等[２]通过将黄原胶(X G)㊁卡拉胶(C G)㊁海藻酸钠(S A)㊁葡甘露聚糖(GM)按照一定比例混合的水胶体嵌入蛋白质基质的中心构建３D结构，当水胶体中含有１．５％卡拉胶(C G)㊁１．５％葡甘露聚糖(GM)或２．５％卡拉胶(C G)㊁１．５％葡甘露聚糖(GM)时形成了坚固且稳定的凝胶，其弹性强度与牛肉相当,２．５％卡拉胶(C G)㊁１．５％葡甘露聚糖(GM)水胶体硬度与牛肉最接近，表明不同比例的水凝胶胶体其强度和硬度是有很大区别的，同时，也证明了人造肉在口感方面是可以接近真实肉质，为食品３D打印机生产肉类产品提供了新途径.当m卡拉胶ʒm黄原胶为１ʒ１时打印出的产品精度较高㊁线条细腻，能形成更好的形状纹路.这些都表明，水凝胶作为食品３D打印的 油墨 之一，对于打印食品有着很大的作用.１．４㊀脂肪
脂肪是一种具有大量碳原子的大分子物质，其特性会受到饱和度的影响[３０].饱和脂肪具有更理想的物理性能，可以在３０~４０ħ下融化，通过冷却固化可以更好地贮藏，例如可可脂，通过冷却可以在短时间内凝固形成自支撑层[３１]，但是由于其熔点略低，所以对加工环境较为严格，还要考虑打印成品后续存放等问题.研究[３２]表明，热敏可可脂的加入提高了植物蛋白基凝胶材料的流动性和３D结构的保形性，可用于食品３D打印中提高可塑性和成型性，但是在实际生产中，一定要严格把控可可脂添加量，过量的可可脂不但不会提高３D打印的成形性，反而会加快凝胶凝固速度，导致凝胶挤出时不连续甚至发生堵头现象，影响３D打印效果.含有不同成分的(牛奶㊁巧克力和黑巧克力)的巧克力显示出不同的打印特性，特别是改变配方，加入不同量的脂肪会改变颗粒间的相互作用[３３].在加工过程中添加脂肪和卵磷脂，覆盖了糖和可可颗粒，减少了相互作用[３４]，并使质构和热参数显著下降(P＜０．０５).脂肪含量较低的巧克力会使打印的产品变得
坚韧㊁稳定，很难挤出[３５]，较高的可可脂含量会降低流量阻力[３６].
以巧克力为典型脂肪类的可打印食材，国内外都做到了产业化生产，如２０２２年２月巧克力生产商百乐嘉利宝旗下装饰品牌 蒙娜丽莎 ３D设计工作室推出全球首款可大规模生产的个性化３D打印巧克力[３７]，其主要和高端酒店合作.此外，中国３D食品打印机生产商时印科技旗下 盼打 品牌推出自助式３D巧克力打印机，据了解，目前该公司的自助式３D巧克力打印机是世界上最快的３D巧克力打印机，消费者可以通过扫码选择自己喜欢的模型进行现场打印[３８].虽然脂肪作为食品３D打印材料没有上述３种材料应用范围广阔，但是其对最终产品的感官和物理特征的影响(支撑能力㊁光泽和贮存期间起霜现象[３９])，已然表明它是一个不可忽略具有未来发展前景的食品３D打印材料.
２㊀不易打印材料的相关特性与应用瓶颈在３D打印中，还存在一些塑性差㊁黏度低㊁机械强度弱的材料.这些不能直接进行３D打印的材料被统称为不容易打印的材料，如富含纤维素的水果和蔬菜原料.水果和蔬菜的原材料不仅黏度低，而且水分高，且在破碎后有很强的流动性，可塑性和成形性都较差.这就必须与其他材料结合，使可塑性增强.预处理过程中，为了获得均匀的糊状黏稠物，必须将水果和蔬菜捣碎，糊的黏度和流变性可通过添加诸如海藻酸盐㊁琼脂㊁卡拉胶㊁纤维素衍生物㊁黄原胶等亲水胶体来调节[４０]，但是以往的试验中为了保证果蔬打印制品的结构稳定性，通常会加入过多的亲水胶体[４１]，这样就会导致产品的风味受到影响，香气和口感大大降低，如何使用未脱水的蔬菜和最少的添加剂来印刷美观可口的食物一直是研究者们所要攻克的难题.P a n t等[４２]在最近的试验中使用大白菜与不超过２％的H C s(黄原胶㊁κＧ卡拉胶和槐豆胶)混合，在保持营养和口感的前提下成功进行了３D打印，这一技术的突破，有利于吞咽障碍患者改变其对３D打印食品味道的看法，有望在医院㊁养老院得到很好的应用.
此外，果蔬打印制品由于受环境因素影响和自身水分含量高等原因，极易腐烂变质.而冷冻是新鲜细胞食品中最常用的保鲜方法之一[４３]，但果蔬解冻后，冻融汁液流失和质地损失(硬度损失)会使冻结后的产品品质恶化[４４]，为此H u a n g等[４５]按一定质量比制备了大白菜泥 胡萝卜粉 黄原胶(m大白菜泥ʒm胡萝卜粉ʒm黄原胶＝８４ʒ１４ʒ２)食品凝胶油墨，并将打印后不同孔隙率的蔬菜样品进行冷冻再解冻.试验发现，通过提高打印的填充密度可以降低打印样品的孔隙率进而降低冻融汁液流失率，改善了３D打印果蔬产品冷冻贮藏后的产品品质.这项研究为果蔬打印制品的后处理和保存提供了新的方法，相对于脱水和冷冻干燥的果蔬粉，这种３D打印的新鲜蔬菜因含有微量的亲水胶体更适合吞咽障碍的老年人.
S e v e r i n i等[４６]从水果和蔬菜中获得的奶昔中发现了４．２８l g(C F U/g)细菌，所以，像蔬菜和水果此类３D打印即食食品，在保证新鲜口感和外观㊁延长保证期的同时，还要对其进行消毒处理[４７].水果和蔬菜打碎后导致的氧化问题[４８]，也是阻碍其作为常用食品３D打印原材料因素之一.
综上所述，食品３D打印是一种新兴的打印方式，可以生产一些相对复杂且定制化的食物，但是仅仅有上述材料还是不够的，随着世界人口的急剧上升，粮食供应也变得越来越紧张，很多人甚至吃不上饭，开发可持续㊁低成本㊁多种类㊁高回报的食物迫在眉睫，所以不能仅限于
|V o l．３９,N o．７童㊀强等：食品３D打印中的食品材料特性与应用研究进展
蛋白质㊁淀粉㊁水凝胶㊁脂肪类常见食品３D打印材料，还可以将以前从未或很少被列为食物选项的物质(如各种高蛋白
昆虫)通过３D打印成新的可令人接受的食品，减轻世界粮食短缺的压力，提高食物种类的丰富多样性.开发此类食物是接下来食品３D打印的重要研究方向之一.材料的局限性只是暂时的，食品３D打印的发展是持续性的，要对食品３D打印这项新兴技术抱有信心，未来大范围推广和应用会进一步提升人们的生活质量，终有一天，食品３D打印会进入千家万户，为人们带来别样的美食体验.
３㊀展望
目前，针对食品的３D打印技术才刚刚起步，由于原料和设备的局限性，食品３D打印技术的发展存在巨大缺陷.此外，消费者对３D食品的安全性也持有怀疑,３D食品过高的价格也令大多数人望而生畏，导致目前３D食品还无法普及.
因此，要对３D打印方法和设备进行进一步的优化，提高食品打印的效率，降低食品加工成本，节省时间.其次，探索更多可用于３D打印的食品材料和材料组合，用于生产多种多样的食物产品，满足消费者的各种需求.此外,３D打印食品的监管力度也要继续提升，因为随着材料的混合和３D打印机的改进，可能会出现一些食品安全问题，如设备对材料的影响㊁不同材料间发生的化学反应.加强监管力度既是对消费者负责，打消消费者对３D 食品安全和口感的怀疑，也是为了可以更好地发展食品３D打印技术.
近几年,４D打印技术作为３D打印技术的延伸，逐渐在食品领域得到了一些应用和发展，其最大特点就是引入了时间维度，可以使打印材料的物化特性随时间的变化而发生改变，从而实现由静到动的转变，为食品打印带来了新的思路.不过，目前的食品４D打印技术还处于研究阶段，尤其是与欧美等发达国家相比，还是存在一些技术上的差距.所以未来对
于４D食品的研究还是应该聚焦到新设备的研发㊁引入新的算法和丰富打印食品原料上，也期待４D打印技术可以早日应用到食品工业领域上.
研究如何高效㊁安全㊁便捷地打印出种类丰富㊁美味可口㊁针对不同人(吞咽障碍者㊁儿童㊁老年人等)的食品一直是研究者们共同奋斗的目标，相信在不久的将来，食品３D打印会有重大的技术突破.未来随着３D打印技术在食品行业的发展，将会给传统食品带来深远的影响，并为食品工业的发展注入新鲜的血液,３D食品打印会逐渐融入人们的生活.
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|V o l．３９,N o．７童㊀强等：食品３D打印中的食品材料特性与应用研究进展
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