近年来，3D打印技术因其设计自由、生产成本低、制造周期短、适用于复杂结构、可定制、制造速度快等优点而受到普遍关注，广泛应用于各行各业，逐渐过渡到食品行业。3D食品打印机的出现加速了3D打印技术在食品加工中的应用。从巧克力、奶酪到以蛋白质类、淀粉类原料为主加以辅料的复合型原料的打印，3D食品打印技术的广泛使用促使对于食品材料打印性的研究越来越深入，可满足消费者个性化定制食品、进行精准营养膳食定制等需求，在食品工业中有着良好的发展前景。本文对3D食品打印技术的概念、类型进行了概括，并主要探讨了以蛋白质类、碳水化合物类原料为主的食品材料的挤出打印性及研究进展，旨在为蛋白质类、碳水化合物类原料在3D食品打印领域的广泛而创新性地应用提供理论指导。
1 食品3D打印技术概述
1.1 背景
食品3D打印技术，即以食用材料为原料，逐层构建复杂的3D对象，以设计出具有独特质地、精准营养配比、造型个性化的新型食品，实现手工及传统模具无法完成的复杂结构设计[1]，并以其小批量生产的特点满足个体定制化食品的需求[2]。挤出式3D打印技术又分为熔融沉积成型技术(fused deposition modeling，FDM)和常温挤出技术。FDM是食品3D打印中常用的技术，即使材料熔化并通过喷嘴挤出，在平台上凝固成型，根据其横截面逐层创建三维结构，适用于各种食品原料的3D打印，尤其是巧克力、糖等，因其凝固点高于室温，一般可直接沉积，不需添加额外的胶凝剂作为支撑材料[3]。
3D食品打印技术的优势在于：(1)可以为不同消费群体定制个性化食品。通过调整食品材料的成分、结构、密度，以满足不同年龄、职业和生活方式人群的需求和口味，尤其适合为儿童和老年人开发易于咀嚼和吞咽的食物[4]。此外，3D打印健康零食的研制也促进了个性化食品的发展；(2)提高生产效率。3D打印能够取代传统食品生产的多个步骤，从而降低大规模定制成本，减少定制食品生产中的人为因素，提升生产效率；(3)开发新产品。3D食品打印技术可以制作出别具一格的新产品，“新”不仅体现在质地、风味，还体现在食品材料的创新性、复杂多样的食品结构开发，或高端食材的可替代产品开发[5]。
1.2 分类
依据食品3D打印方式的不同，可以分为选择性激光烧结/热空气烧结、热熔挤出/常温挤出、液体黏合和喷墨打印。由于食品原料特征，挤出型3D食品打印是最常用的方法[6]，根据原料熔点的不同，可分为热熔挤出和常温挤出2种成型方式[7]。
1.2.1 热熔挤出
热熔挤出的概念第一次由CRUMP[8]提出，后被广泛应用于制作3D巧克力产品，加热时有良好流动性、常温下容易凝固成型的原料可运用此种挤出方式[9]。该方法打印出的成品具有一定强度，可以在一段时间内维持形状不变，且不需要经过后处理加工，一般可直接食用[7]。
1.2.2 常温挤出
常温挤出指的是在室温条件下能够平滑地挤出打印材料，有一定的自我粘结成型能力。常见原料有面团、奶酪、糖霜、奶油花生酱等[10]。常温挤出还可以应用于面食的打印，以及比萨饼、饼干和图形装饰的表面填充[11]，此种形式打印出的产品一般需要进行蒸煮、烘烤等后处理过程[7]。常温挤出过程受原料特性限制和打印参数影响，因此需经较复杂的调试过程，具体过程如图1所示。
图1 3D食品打印步骤示意图
Fig.1 Schematic diagram of steps for 3D food printing
2 基于蛋白质、碳水化合物类原料打印性的研究
碳水化合物与蛋白质作为食品原料中主要的营养来源，提供了人类生命活动所需大部分能量，因此，以蛋白质与碳水化合物为主要成分的食品原料是3D打印食品开发的主要研究对象。本文综述了基于蛋白质和碳水化合物的两大类食品原料在适配3D打印过程中的研究与发展。
2.1 蛋白质类原料
除了一些胶状蛋白质，如明胶，大多数蛋白质原料因其黏性和支撑性较差，无法直接用作3D打印的食品原料[12]，需要添加特定的成分如黏合剂来维持蛋白质结构，通过离子交联和复合凝聚层的形成提升其打印特性。蛋白质的交联特性有利于3D食品的成型，在3D打印过程中，可选择添加合适的蛋白种类和添加量来改变原料的流变特性。冷热处理、加酸碱盐离子、酶水解均可使蛋白质发生聚集，形成有序的空间网状结构，提高蛋白质的胶凝性，促使胶凝空间结构的形成。此外，蛋白质类原料打印后食用前往往需要进一步后处理熟化，因此也需考虑后处理过程中材料形状的改变。
2.1.1 不同种类蛋白质原料打印效果的研究
2.1.1.1 肉类蛋白
肉类的打印可分为2类，一类是以肉糜、鱼糜等为原料的3D打印，另一类是人造肉的3D打印[13]。
肉糜打印过程中往往需要借助稳定剂、增稠剂、盐和微生物谷氨酰胺转胺酶等改善其流变特性，使之更利于挤出和成型[14]。LIPTON等[14]在打印之前分别将扇贝、火鸡肉泥与适量转谷氨酰胺酶混合，肉泥中的蛋白质发生交联作用，使得成品具有良好的支撑性、成型性和流变性能[15]。WANG等[16]研究了NaCl对鱼糜凝胶流变特性、凝胶强度、持水性、水分分布和微观结构的影响，由图2可知，添加1.5%(质量分数)的NaCl效果最好。研究人员还发现，亲水胶体的添加可以改善原料的特性。例如，DICK等[17]研究了黄原胶和瓜尔豆胶对3D打印熟猪肉糜流变学、质构和微观结构特性的影响，结果发现，含有该2种亲水胶体的样品具有更低的硬度、咀嚼性和内聚性，保水性更好，可以作为咀嚼和吞咽困难者的食物。此外，鱼糜的打印经常需要添加适量的淀粉改善其品质，尤其是改性淀粉。米红波等[18]研究了原木薯淀粉和木薯变性淀粉对白鲢鱼鱼糜的影响，结果表明，淀粉添加量为1%(质量分数)时，可以得到更为致密的凝胶网络结构，尤其是变性淀粉中的羟丙基淀粉可以改善凝胶品质。
图2 NaCl添加量对鱼糜凝胶3D打印效果的影响[16] (A 0.0%,；B 0.5 %,；C 1.0 %；D 1.5%)
Fig.2 Effect of NaCl addition on the 3D printing quality of surimi gels[16]
除肉类原料的打印，3D打印机还可以以肌肉细胞为原料打印出更加美观、更利于咀嚼且风味与原肉糜相差无几的人造肉[19]。美国宾夕法尼亚大学利用糖、蛋白质、脂肪、肌肉细胞等原材料作为基质，研制出了与真实肉类高度相似的人造肉[20]。图3显示了3D打印人造肉的过程。3D打印人造肉技术既可以打印出适合于儿童、老人和病人等所需要的营养价值高又易于吞咽的肉制品，同时又能缓解高档肉制品供不应求的情况[15]。该技术在军事和航空食品等领域都具有潜在优势和应用，但由于细胞的分化、扩增等技术仍处于探索期，从动物中分离干细胞也具有一定的挑战性和高昂的成本[21]，该方法仍然局限于实验室规模的生产，工业化生产仍有待考量。
图3 3D打印人造肉[15]
Fig.3 3D printing cultured meat[15]
2.1.1.2 昆虫蛋白
昆虫蛋白质含量十分丰富，粗蛋白含量一般在20%～70%，其中氨基酸组分比例非常合理，接近或超过联合国粮食及农业组织制定的蛋白质中必需氨基酸比例模式，是人们理想的食品原材料。因此，作为21世纪三大蛋白质来源，昆虫蛋白近年来得到了广泛关注[22]。将昆虫蛋白应用于3D打印食品，再加入其他调味品等添加剂，可提升产品的营养特性同时兼具感官及风味特性。SEVERINI等[23]研究发现，黄粉虫粉的添加可以改变小麦面团的可打印性，由此制得了一种黄粉虫粉和小麦粉混合的3D打印零食，黄粉虫粉的添加减小了打印过程中因为面团较软易产生沉积的不利影响，图4显示了烘焙后产品的形态。最终成品的总必需氨基酸含量为41.3 g/100g蛋白质，营养价值得到提高。SOARES等[24]致力于将3D食品打印技术和昆虫食品联系起来，使得昆虫蛋白质得到充分的利用。他们将黄粉虫的幼虫磨成粉与香料、软糖混合，制成一系列可打印的昆虫面粉原料，再经过CAD软件设计食品形状，打印出具有昆虫本身特色的产品，可用于制作装饰在蛋糕上表面的糖霜[25]。
图4 3D打印昆虫粉-小麦粉样品烘焙后效果图[23]
Fig.4 Images of 3D printed insect powder-wheat flour sample after baking[23]
2.1.1.3 其他蛋白质
卵清蛋白通过简单的加热较易形成可食用的凝胶，现在被普遍用于开发3D打印食品[26]。LIU等[27]探索出一种适合于复杂形状食品打印的配方，包括明胶(14.27 g)、玉米淀粉(19.72 g)、蔗糖(8.02 g)和卵清蛋白(12.98 g)，获得了较好的流变性和挤出性。XU[28]等提出了一种基于热诱导蛋黄的新型3D打印食品(图5)，在76 ℃下加热8 min后具有最佳的打印效果，打印出的形状及结构完整、立体。
图5 不同热处理条件对3D打印蛋黄的影响[28]
Fig.5 Influence of different heat treatment conditions on 3D printed egg yolk[28]
乳清蛋白是奶酪生产的副产品，由于其营养价值和功能特性，乳蛋白浓缩物(milk protein concentrate，MPC)和乳清蛋白分离物(whey protein isolate，WPI)被广泛用于高附加值食品，LIU等[29]人利用这两种物质通过3D打印技术生产高蛋白食品模拟物，受众群体为运动员、健身爱好者或幼儿等需要摄入一定量蛋白质的人群。实验证明，m(MPC)∶m(WPI)=5∶2时，该蛋白混合物具有合适的粘度，打印效果与预设模型最为匹配。
明胶是对胶原纤维结构进行不可逆处理而得到的一种衍生蛋白质[30]。蛋白质分子溶于水后，与水相互作用构成了螺旋结构，形成的凝胶降温后可迅速固化，打印出的产品不易变形、富有弹性。在凝胶中加入营养强化物质，可有效提高产品的营养品质，并改变其打印特性。岑培倩[31]利用明胶为原料研究得到了适于3D打印的载有中药提取复合多糖的凝胶软糖基质，马铃薯氧化淀粉和低酰结冷胶复配作为空白凝胶软糖的凝胶剂 3D 打印后成型性良好。此外，明胶凝胶具有独特的口感，可用于调节3D打印原料特性[15]。
综上，表1总结了基于蛋白质原料不同添加物对打印效果的影响。
表1 不同蛋白质类原料的打印效果
Table 1 Printing effects of different protein materials
蛋白质来源原料添加物结果参考文献肉制品 鱼糜原木薯淀粉、木薯变性淀粉致密的凝胶网络结构[18]鱼糜NaCl凝胶强度、持水力和网络结构改善[16]火鸡肉、扇贝TG酶改善蛋白质的加工适宜性[14]猪肉糜黄原胶和瓜尔豆胶硬度、咀嚼性和内聚性低,保水性好[17]牛肉猪油硬度和内聚性降低[32]昆虫蛋白 黄粉虫粉小麦粉必需氨基酸含量高[23]黄粉虫粉软糖装饰蛋糕顶部[24]其他蛋白质卵清蛋白明胶、玉米淀粉、蔗糖较好的流变性和挤出性[27]蛋黄热处理(76 ℃,8 min)打印出的形状完整、立体[28]乳清蛋白乳蛋白浓缩物高蛋白,易于挤出[29]奶粉黑麦粉增强烘焙稳定性和硬度,保形性好[32]明胶马铃薯氧化淀粉和低酰结冷胶硬度大,弹性、咀嚼性表现较优,成型性较好[31]
2.1.2 打印参数及添加物对打印效果的影响
3D食品打印能否成功不仅与食品本身的原料特性有关，也与打印参数的设置密切相关，这都将关乎终产品的质量。WANG等[16]研究了3D打印鱼糜凝胶的打印参数对其影响，研究表明，喷嘴移动速度为32 mm/s时会发生拖丝现象，进而导致断线；而较低的喷嘴移动速度会导致出丝不稳定，打印分辨率降低，结果表明最优的喷嘴移动速度为28 mm/s。此外，WANG等[33]总结出挤出速率和丝径之间存在的线性关系，如公式(1)所示：
(1)
式中：hc为临界层高值，mm；Vd为挤出速率，mm3/s；Vn为打印速度，mm/s；Dn为喷嘴直径，mm。结果表明，挤出速率越高，挤出的鱼糜浆料体积越大，从而直径越大，通过测量丝径可以由公式(1)推断出最佳挤出速率。同样，金立明等[34]研究了不同打印条件对鱼糜打印效果的影响，研究发现，当填充密度大于60%，分层高度、打印速度和喷嘴孔径分别为 0.8 mm、35 mm/s和1.2 mm时，鱼糜浆料体系能够打印出品质较好、精度较高的成型样品。打印速度越快，越省时，样品的白度越好，但过快易导致样品塌陷，且喷嘴直径过小会造成断线，影响打印效果。向晨曦等[35]研究了不同打印参数对未漂洗鲟鱼糜凝胶3D打印成型效果的影响。研究发现，层高过低，喷嘴移动时与样品表面产生摩擦，导致外观不平整；层高过高，每层重量增加，样品出现塌陷下沉现象。综合考虑，层高为1.2 mm时打印精度最高。此外，研究发现挤出程度为100%时，打印样品成型性最好，线条光滑且连续；当挤出程度低于100%时，断条现象较明显，线条混乱，如图6所示；而高于100%时，物料挤出过度导致喷嘴与样品表面产生摩擦，成型性较差。
a-60%；b-80%；c-100%；d-120%；e-140%
图6 挤出程度对未漂洗鲟鱼糜凝胶成型效果的影响[35]
Fig.6 Effect of extrusion degree on the forming effect of unrinsed sturgeon surimi gel[35]
此外，DICK等[32]探究了填充密度和脂肪含量对3D打印牛肉—猪油复合层的后处理可行性的影响，结果证明所有试验配方均可以成功地进行后处理，并保持内部和外部完整性，填充密度的增加使得硬度和内聚性增加，反之，脂肪含量的增加使之降低。ZHU等[36]研究了内含巧克力的蛋白棒在不同打印模式下(层状、直线状、同心圆状)的质构特性和感官特性，研究表明，相同巧克力含量下，同心圆状填充的蛋白棒比层状填充的蛋白棒更坚硬，而层状填充的蛋白棒相比于直线填充的蛋白棒具有更强的内聚性，3种填充方式下咀嚼性和感官方面没有显著差异，因此通过改变3D打印模式，改变了巧克力在蛋白棒中的空间分布，最终在不影响消费者偏好的情况下改变了食品的质构特性和感官特性。ZHU等[36]还提出，半固体状态或糊状食品可以通过填充类似巧克力这样的固体食品来改变其质构特性。
2.2 碳水化合物类原料
2.2.1 原料特性对打印效果的影响
淀粉作为食品中常见碳水化合物的主要成分，在3D食品打印中具有良好的剪切稀化特性，有助于挤出成型。随着淀粉含量的增加，淀粉分子之间的相互作用导致机械强度增加，成型稳定性得到明显改善[37]，有助于保持打印结构的形状[25]。不同类型的淀粉材料加工性能随组分不同而有所不同[38]。
小麦面粉含有淀粉和面筋蛋白，在加水搅拌情况下形成的面团具有一定黏弹性和可塑性[39]。因此，小麦面粉具备成为3D食品打印原料的潜力。周浩宇等[40]探究了8种不同蛋白质含量的小麦淀粉理化特性、混合特性、流变特性及其与3D打印特性的关系，结果表明，小麦面粉蛋白质含量在9%～10%时打印效果较好，与模型契合度较高，研究证明小麦面粉作为3D打印材料的可行性。与小麦面团类似，大米面团也是具有高剪切稀化行为的非牛顿流体[41-43]。LIU等[44]推测大米面团可以作为潜在的3D食品打印材料，分别把糯米、粳米和籼米磨成粉，改变加水量对配方进行优化，探究3D打印大米面团的可打印性，并从结构稳定性和淀粉体外消化率3个方面对蒸煮后的3D打印米制品的质量进行了评价。结果显示，蒸煮前，糯米粉和水的料液比(g∶mL)为100∶90的产品打印效果最好、精度高，蒸煮后糯米因支链淀粉含量高结构稳定性较差，而粳米和籼米制成的面团具有良好的结构稳定性。此外，冯蕾等[45]以山药淀粉为原料，探究了不同浓度山药淀粉凝胶体系的3D打印特性，研究表明，随着山药淀粉浓度的增加，凝胶体系的储能模量及损耗模量先增大后降低，硬度逐渐增大。如图7所示，当山药淀粉浓度增加至40%时，凝胶体系的3D打印成型效果最好，继续增加淀粉浓度时，凝胶强度虽然增强，但成型性较差。
图7 山药粉含量对凝胶体系3D打印成型效果的影响[45]
Fig.7 Effect of yam powder content on 3D printing of gel system[45]
淀粉的凝胶特性可以改变糊状原料的黏度，从而改善3D食品打印材料加工适宜性。较高的黏度和较慢的回生速率导致打印精度降低，也会导致食品原料黏附在3D打印机的内壁，造成挤出和成型困难[46]。余阳玲等[46]对不同种类淀粉进行了横向比较，研究了马铃薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉的打印特性，结果表明，小麦淀粉凝胶具有较低的黏度、较好的挤出性和贮藏性能，且打印出的样品最接近设计模型。结果显示，打印操作不会对淀粉结构造成改变，且小麦淀粉制作的3D打印样品的微观结构比马铃薯淀粉和玉米淀粉更加规则，更适合于3D食品打印。
2.2.2 添加物对打印效果的影响
淀粉可以作为添加剂添加到其他食品材料中，用以改善其流变特性。随着马铃薯主食化战略的推行，结合马铃薯淀粉的可延展性、保水性以及作为优异的胶体稳定剂的能力[47]，土豆泥常被用作3D打印原料。HE等[48]研究了pH和马铃薯淀粉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。LIU等[49]在土豆泥中添加2%的马铃薯淀粉，所得材料具有良好的可打印性和挤出性，由图8可知，打印出的结构表面较光滑，并且稳定性较好。同时，该团队还发现，在此基础上再添加1%的紫薯粉，所得产品表面光滑，打印精度高，可制作出色彩丰富、结构多样的3D产品。天然的淀粉通常不具备食品的理想性能，所以经常需要一定比例的添加剂，DANKAR等[47]分析了4种食品添加剂琼脂、藻酸盐、卵磷脂、甘油在两种浓度下对土豆泥流变特性的影响，结论表明，琼脂和藻酸盐对其流变性影响较小，更适合作为3D打印马铃薯泥的添加剂。
图8 马铃薯淀粉含量对土豆泥打印效果的影响 (苹果形、心形)[49]
Fig.8 Effect of potato starch content on printing of mashed potato (apple-shaped and heart-shaped)[49]
3D食品打印常用的材料还有小麦面团[12]。YANG等[50]研究了不同黄油浓度对小麦面团可打印性的影响，结果表明，添加6%的黄油可以得到最完整的形状。同时，蔗糖的添加量在3.3～6 g/100g内增加时，也可获得完整的形状。
3D打印产品的机械强度在很大程度上取决于食品的成分，蛋白质、淀粉等成分功能特性对温度敏感，在后处理过程中，过热可能导致产品发生显著变形[51]。例如，制作饼干的面团在后续烘焙时会发生变形，影响产品质量[14]。所以，KIM等[52]通过试验证明，向饼干面团中添加黄原胶可以解决3D打印饼干>在烘烤后处理过程中变形的问题，含有0.5 g/100g黄原胶的饼干面团的质地与传统饼干制品相似，在后处理过程中具有良好的热稳定性，保持其原有的形状。豌豆分离蛋白是植物蛋白的优良来源，含有氨基酸，有助于提高免疫力，消化率高达98%。HUSSAIN等[53]创新性地用豌豆分离蛋白部分替代精制面粉，达到提高面团营养价值的目的，试验证明，当豌豆分离蛋白含量达到10%，复合面粉的蛋白质百分比增加到21.04%。该项发现可被用于制作具有高附加值的饼干。
近年来，适于3D食品打印的淀粉类材料趋于多元化。糙米含有约75%～80%的淀粉，具有良好的糊化能力，且具有丰富的营养价值，被认为是一种潜在的食品3D打印材料。HUANG等[54]使用亲水胶体对糙米凝胶进行改性，研究发现，添加黄原胶-瓜尔胶混合物的糙米具有最佳的打印适性，在直径和高度上的打印偏差均偏小，硬度适中，从微观结构可以看出外壳光滑，无明显断裂。麻薯是以糯米粉等其他淀粉类物质及水为主要原料，经过蒸煮及定型制成的团状糕点类食品。杨帆[55]等研究了不同麻薯配方中糯米粉含量、打印温度及喷头直径对打印产品成型效果的影响，结果表明当配方为 m(糯米粉)∶m(水)∶m(异麦芽糖浆)∶m(高麦芽糖浆)∶m(芝麻油)=29.37∶33.99∶16.20∶19.44∶1.00，喷头挤出温度为30 ℃及喷头直径为0.8 mm 时，打印产品的成型效果最好。AHMED等[56]、ISRAR等[57]、MART
NEZ等[58]发现，在小麦粉中添加多糖，如亚麻籽胶、罗勒籽胶、黄原胶或瓜尔豆胶可以提高原料的表观粘度，这使得挤出的产品更硬，最终增强3D打印产品的结构强度。
综上，表2总结了不同碳水化合物类食品原料以及添加物对打印效果的影响。
表2 不同淀粉类原料的打印效果
Table 2 Printing effects of different starch materials
原料添加物结果参考文献土豆泥马铃薯淀粉良好的可打印性和挤出性,表面光滑,稳定性较好[49]马铃薯淀粉、紫薯粉打印精度高琼脂、藻酸盐、卵磷脂、甘油琼脂和藻酸盐对于流变性影响较小[47]山药淀粉水淀粉浓度为16%时打印效果最好[45]蛋白质9%～10%的蛋白质打印效果较好[40]黄油黄油含量6%时形状最完整蔗糖3.3～6 g/100g范围内增加时,获得完整形状[50]小麦面团豌豆分离蛋白10%豌豆分离蛋白显著增强产品蛋白质含量[53]多糖(亚麻籽胶、罗勒籽胶、黄原胶或瓜尔豆胶)提高原料的表观粘度,增强结构强度[56-58]米粉(糯米、粳米、籼米粉)水蒸煮前糯米粉打印效果好,蒸煮后粳米和籼米结构稳定性好[44]糯米粉糖浆,水,芝麻油m(糯米粉)∶m(水)∶m(异麦芽糖浆)∶m(高麦芽糖浆)∶m(芝麻油)=29.37∶33.99∶16.20∶19.44∶1.00成型性最好[55]糙米黄原胶、瓜尔胶适于打印,硬度适中[54]饼干黄原胶后处理过程中热稳定性良好[52]
3 前景与展望
近年来，3D食品打印技术发展迅速，由此推动3D食品打印机快速发展，可以实现定制化食品、精确性的营养调控。3D打印食品原料从最初的以天然可打印性材料为主到现今趋向多元化，从单一食品原料到复合物，从传统意义上的食品到更加美观、营养的功能型食品，发生了巨大变化。然而，食品原料特性的研究仍是3D食品打印中的重要基础[59]，食品的组分、打印前的预处理、后加工过程中产生的形变也是食品打印过程中的重要考虑因素[30]，所有这些因素都将对食品打印的精确性，最终产品的质地、口感产生重大影响。未来3D食品打印技术将会逐步扩大市场，首先对消费者进行该技术的科普，然后逐步与餐饮业接轨，使用3D食品打印机从小规模食品企业试点生产到工业化生产，最后实现技术的广泛使用。FOODINI是西班牙公司Natural Machines推出的世界第一台3D食品打印机，可用于打印比萨、巧克力、汉堡、意大利面等一系列食品，实现一些复杂的设计，定制化食物外观[60]。
3D食品打印技术可以为婴幼儿、老年人、吞咽困难者、及其他有特殊膳食需求的人群服务，实现营养的精准调控，并实现自我监测[7]。比如通过食品3D打印技术生产出硬度较低的肉制品，有利于老年人和咀嚼吞咽困难者食用[9]，获取必要的营养维持身体状态；也可通过3D打印生产出造型独特，美味可口的食物，吸引爱挑食儿童的注意力，同时摄入必需营养素。未来3D打印实现大规模应用后，个人可实现自己设计食谱，控制蛋白质、脂肪等营养素的摄入量，便捷地制定自己的健身餐。因此，3D食品打印技术的目标群体可对标各个年龄阶段，有助于人类生活质量的提高和社会的发展，同时，基于3D食品打印技术衍生出的4D、5D及6D食品打印技术将会进一步加快食品领域的创新步伐，生产出更多复杂多样、高质量的食品。
4 4D食品打印技术概述
4D食品打印是一项新兴技术，在2013年首次被提出。与3D食品打印类似，4D食品打印在其基础上增加了时间这一维度，即随着周围条件的变化，打印出的食物在感官特性、形状和功能方面按照人们期望的方式改变[61]。目前，4D食品打印的材料主要是大豆分离蛋白、淀粉或水凝胶[62]。HE等[63]对3D打印的淀粉凝胶进行了更深入的研究，将土豆泥分别与海藻酸钠、柠檬酸和碳酸氢钠混合，形成不同酸碱度的土豆凝胶系统。打印模型每一层内部是紫薯凝胶，周围是不同pH值的马铃薯凝胶。随着时间的推移，内部紫薯所含的花青素渗入外部马铃薯凝胶中，发生变色反应，如图9所示，成品具有良好的支撑性，且色彩丰富。而PHUHONGSUNG等[64]以大豆分离蛋白、κ-卡拉胶和香草精组成的配方作为打印材料，在微波热诱导条件下制造出具有自动变化风味特性的4D打印食品。
图9 不同pH的紫薯泥-土豆泥复合原料打印图[63]
Fig.9 Images of purple mashed potato and mashed potato composite materials with different pH values[63]
4D食品打印技术体现的是食品材料内部的结构、性质与外部刺激之间的协同作用[62]，未来可着重于打印材料内部的结构设计，研究新的刺激因素，实现颜色、形状、风味等多种特性的同时改变，同时，探索食品内部和外部的特性随时间变化的规律，有助于更好地评估打印模式。尽管4D打印有其优点，但也有局限性，比如打印自由度受限，处理时间较长等，这些局限性促使诸如5D和6D食品打印技术为代表的新型制造技术快速发展。5D食品打印技术即在5个不同的轴上打印，可实现高强度复杂食品结构的打印，且用料少；6D食品打印技术结合了4D和5D食品打印的优势，能够高效率地打印出坚固且复杂的产品，加工精度较高[65]。
5 结语
尽管3D打印技术已经在食品加工行业中得到了一定程度的推广应用，但仍然存在诸多限制性因素。食品原料的复配及其流变特性的研究、打印速度和消费者购买需求之间协调、打印及熟化处理后的产品成型性等问题都为3D打印技术在食品加工行业推进造成了一定阻碍，设备完善程度及工艺参数调节也有待进一步系统性探索。作为人类营养中的重要组成部分，以蛋白质和碳水化合物为基础的食品原料在3D打印中应当得到广泛重视。在未来发展的过程中，逐步缩减成本、开发新型物美价廉、多样化、营养价值高的复合食品材料将会是一个重要的趋势。此外，3D打印人造肉技术作为一种新技术，为传统肉类生产提供了一种替代方法，可以为特定的消费者群体制造出具有独特质地和形状、高营养价值的产品，但生产成本昂贵的问题亟需解决。3D打印技术的应用对新型食品加工行业起到了推动作用，加快了新兴技术如4D、5D及6D打印技术的发展，弥补传统食品加工技术的不足，促进食品领域协同发展。
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