王怡涵

（阿尔伯塔大学农业、食品和营养科学学院，阿尔伯塔 埃德蒙顿 T6G2R3）

0 引言

3D 打印技术是在快速成型技术的基础上发展而来的。快速成型技术诞生于20 世纪80 年代末，该技术是通过计算机辅助设计（CAD）来完成建模、组装和制造的过程［1］。作为一种更先进的快速成型技术，增材制造可用塑料聚合物丝、金属、可食用材料（如糖和巧克力）来逐层构建起复杂的三维物体［2］。在第一代食品打印机原型的基础上，研究人员从概念设计出发，对材料挤压和沉积进行深入研究［3］。此外，其还可应用于其他领域，如3D 打印心脏模型、正畸保持器和离子动力纳米卫星推进器［4-6］。诸多研究已经证明了3D 打印技术在食品行业中的价值［7］。3D 打印技术可生产出不同形状和口味的食品［8］。以往的商品在定制过程中会涉及劳动密集型技术，导致生产速度降低，从而使生产成本增加。通过提供的食品形状、颜色和口味，3D 打印技术可克服传统食品制作中存在的问题，如通过基于挤压打印制造和加工出的蛋糕糖霜、奶酪和糖饼干［9］。通过获取得到的营养成分（如碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维和其他功能成分），3D 食品打印可完成数字化构建，从而精确控制产品的配方和营养水平。从本质上讲，3D 食品打印作为一种原型设计工具，可促进新食品的开发，并作为一种潜在的新型食品机器，能重新配置食品供应链。

虽然3D 打印技术从出现到现在已经有十几年时间了，但其发展仍存在着限制。目前，该技术耗时严重，使3D 打印食品的生产规模受到限制。由于流变学特性，导致3D 打印技术产生的食品的物理稳定性差，打印出来的食品不能长期保持形状。还有一些消费者认为3D 打印食品是“不自然”的食品或不健康的食品，使这项技术的商业化面临着挑战。鉴于3D 打印技术的潜力和局限性，本研究将重点研究3D 打印技术在食品行业中的应用，分析其优势和挑战，并分析其未来发展方向。

1 技术和应用

目前，已有众多学者针对3D 打印技术在食品开发中的应用进行研究。在Scopus 中，通过搜索“3D 打印”和“食品”，搜索结果显示，2013—2022 年共计979篇相关论文。通过分析可以发现，3D打印技术在食品开发中的应用可分为两类：①任何食品材料的营养密度和可能的用途；②通过对食品材料的宏观和微观结构进行管理，增强现有食品的外观和触感［10］。根据最新研究，热熔挤出法、选择性镭射烧结、黏着剂喷胶成型技术和喷墨食品打印是最常见的3D 食品打印方法。基于原型对这四种方法进行配方修改、设备修改和食品印刷工艺调整［11］。

1.1 热熔挤出法

热熔挤出法（HME）是采用温度控制或基于软材料的半固体黏性系统［12］（见图1）。材料先被收纳进一个筒中，喷嘴会对材料进行加热，从而确保材料是可流动的；然后对其进行水平移动，逐层沉积，同时平台垂直移动。为了保证材料的黏度，并使其能够顺利流过喷嘴，其温度要保持在一个合适范围内。在食品工业中，食品挤压技术被应用于多种材料的成型中，如预调质巧克力、食品和副产品泥、肉泥，甚至奶酪和面团等［12］，还可用热熔挤出法来制造糖果产品。而高重复性和复杂性使手工制作面临着挑战，这为3D 食品打印技术的应用提供了契机［13］。基于挤压的食品打印机虽然具有占地面积小、维护成本低等特点，但其也受材料选择、制造时间长和温度波动引起分层的限制。

图1 热熔挤出法

麻省理工学院（MIT）的研究人员通过应用HME来定制3D巧克力产品。开发出的功能原型被称为数字巧克力机，其使用热熔巧克力作为分配液体。巧克力机通过压缩空气将融化后的巧克力从腔室中推出，用于创作定制糖果。在使用热熔巧克力挤出基材的基础上，三维食品打印机可创建出三维彩色图像。然而，为了将各层融合在一起，需要有一个后处理步骤［14］。

1.2 选择性镭射烧结

选择性镭射烧结（SLS）也被称为热风烧结（HAS），是一种适用于糖或富含糖的粉末材料的3D 打印技术。如荷兰应用科学研究组织（TNO）已成功将SLS 技术应用于烧结糖和Nesquik 粉末中［15］。此外，SLS 技术也会被应用于制作咸味零食。如图2和图3所示，激光和热空气沿轴线移动，粉末颗粒会发生融合，将散开的新鲜粉末黏合在一起，从而形成一个固体层。烧结后的材料会成为产品部件，而未烧结的粉末则成为产品结构支撑。然后，3D 打印机将重复这一过程，用新的材料层直接覆盖融合后的表面，直到打印出完整的食品。在融化糖床时可选择低速流。为了能够最大限度地减少热变形，并与前一层进行融合，制造出的粉床要被加热到刚好低于材料的熔点［16］。上述烧结方法虽然能在短时间内构建出复杂的食品，且不需要进行后期处理［11］，但其仍存在两个缺点：一是只有熔点相对较低的糖和脂肪基材料才适合该方法；二是涉及的变量多，对机器建造形成挑战。

图2 选择性镭射烧结

图3 热风烧结

1.3 黏着剂喷胶成型技术

黏着剂喷胶成型技术是通过黏合剂液体（胶水）将粉末颗粒固定在一起，在短时间内为产品提供独特而复杂的形状。成型材料为食品粉末，可通过涂层机来进行逐层涂抹［17］。将糖和淀粉等食品粉末均匀地分布在制造平台上，以确保粉末材料可高精确度地应用于建筑区域。为了尽量减少因黏合剂分布不均而造成的损坏，可利用水雾来稳定粉末材料［11］。将液体黏结剂加入打印头中，通过打印头来释放黏结剂，使其与模具中的每一个颗粒连接在一起（见图4）。表面的辐射加热能增加机械的性能，使得下一层的沉积成为可能［12］。重复上述过程，从而获得3D打印食品。

图4 黏着剂喷胶成型技术

基于上述原理，黏着剂喷胶成型技术只适用于粉状材料，如奶粉和巧克力粉。材料参数（颗粒大小、黏合剂黏度和流动性）、加工因素（喷嘴直径、印刷速度、喷头类型和层厚度）和后处理因素（烘烤、加热和去除剩余物）等都会对印刷精度产生影响［18］。黏着剂喷射法的制造速度很快，可用于制造结构复杂的全彩3D 食品结构。此外，其生产成本低、具有修改口味的功能。然而，适合该技术的材料有限、成品表面相对粗糙、机器成本高等限制着该技术的应用与发展［11］。

1.4 喷墨食品打印

喷墨食品打印也被称为非接触法，这是因为打印头在打印过程中不接触食品。该方法使用注射器式喷头按需来分配液流。喷出的液流会在重力的作用下下落，并冲击基材。干燥后，液滴可在蛋糕、饼干或糖果等食品的表面形成二维半的数字图像。此外，该方法主要用于食品装饰或表面填充［17］。在进行图像填充时，非接触法可保证食品不会受到污染。详细操作见图5。

图5 喷墨食品打印

喷墨食品在打印过程中要对一些关键参数进行管理和控制，如材料特性（食品墨水与填充、打印表面的兼容性，以及可食用墨水的流变特性和表面特性），要在打印前进行监督。印刷速度、喷嘴直径、印刷高度和温度都会影响印刷的精度。喷墨食品打印没有后处理阶段。在这个过程中使用的墨滴可以是多种颜色，从而创造出独特的、个性化的食品图像，同时还可完成快速制造。适合该技术的材料应该具有低黏度，如比萨酱或水基油墨［19］。

2 机遇与挑战

作为食品科学的前沿之一，3D 食品打印技术为食品的独特性和创造性提供了机会，但也带来了挑战。3D 食品打印技术具有广阔的应用前景，其可在饮食中增加质地改性的食品。该技术可与食品油墨强化技术结合，以提高质地改性食品的吸引力，从而增加摄入量，并降低营养不良的风险。Burke-Shyne 等［11］指出，3D 食品打印可改善需要质地改良食品的人群的饮食平衡和整体生活质量，从而使其能够更独立地生活。打印食品可用于提供个性化的营养，或为更多人提供新奇产品，从而使患有糖尿病或肾病等慢性疾病的患者更容易吸收营养。目前，3D 食品打印技术只能生成软质食物，在评估3D 食品打印机对一般用途的吸引力时，更广泛的食物质地将是有益的［11］。

在3D 食品打印技术商业化过程中，打印速度是限制其发展的关键因素之一，低速度将导致低容量，给批量生产带来挑战。而3D 打印食品另一个问题是其保质期短［20］。由于流变特性的转变，使用3D 打印机生产出来的产品只能稳定1～2 h［21］。此外，3D 打印机的性能、与其他烹饪过程的整合，以及打印机在纹理间的适应能力等都要进行改进。3D 打印成本和打印食品的定制是现阶段额外的经济和技术困难［22］。

3D 打印食品的伦理和社会问题一直备受人们的关注。通过研究消费者对3D 打印食品的看法可以发现，参与者担心打印食品具有超加工食品的特性，认为其相比于未经过3D 打印的食品更“不健康”［23-24］。还有人认为，虽然3D 打印食品可能会在大众生活中发挥作用，但其仍不可能改变整个社会的饮食和烹饪方式。Lupton 等［25］通过研究发现，消费者可能会对品尝打印食品感兴趣，或对该技术感兴趣，但对完全接受该技术作为生产食品的新手段，人们普遍持怀疑态度。

3 3D食品打印的未来发展方向

将微胶囊技术整合到3D 打印中是3D 食品打印未来发展方向之一。将微胶囊技术整合到食品打印中，可使用多个打印头系统，其中至少有一个打印头在制造的食品中创造和分配微胶囊［26］。与该技术相关的应用包括测试制作、稳定性增强和控制释放，这将使脆弱和敏感的成分在加工制造和包装过程中存活下来，延长活性化学物质的保质期，并提供有吸引力的香味释放、味道、气味和颜色掩盖。该技术简化了功能性食品的制造过程，从而提高功能性成分的稳定性，如益生菌和生物活性化合物，并允许调味剂和营养物质的控释［11］。

4 结语

食品打印技术在食品制造方面具有巨大的潜力。食品打印可能会对众多食品工艺产生实质性的影响，使食品设计师或消费者能够对形式和材料进行个性化处理。个性化的营养使消费者能精确地尝试新奇的味道、质地和形式，从而创造全新的饮食体验。虽然已有几种食品打印技术，但3D 打印技术要实现商业化，还要进一步改进打印技术和创新加工方法。