3D打印又被稱(chēng)作增材制造，是通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)構(gòu)建模型形狀，并進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)打印的新興技術(shù)。目前3D打印技術(shù)已在食品、醫(yī)療、藥物遞送等多個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在食品加工領(lǐng)域，3D食品打印得益于計(jì)算機(jī)數(shù)字輔助能夠設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出傳統(tǒng)模具難以創(chuàng)造的復(fù)雜模型，為食品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了巨大幫助。

3D食品打印的基本原理是通過(guò)計(jì)算機(jī)中AutoCAD、SolidWorks等軟件設(shè)計(jì)出理想的數(shù)字化食品模型，以該模型為基礎(chǔ)、以食品原材料為打印油墨進(jìn)行逐層打印構(gòu)建出食品結(jié)構(gòu)。由于不同的產(chǎn)品所需原料以及原料性狀不同，需要選擇適當(dāng)?shù)拇蛴》绞揭詫?shí)現(xiàn)最理想的打印效果。基于對(duì)近5 年國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中3D食品打印領(lǐng)域關(guān)鍵詞可視化分析結(jié)果（圖1）的研究，發(fā)現(xiàn)食品材料的流變特性和參數(shù)設(shè)置在該領(lǐng)域受到了高度關(guān)注。

天津商業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品低碳冷鏈重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的李錫銘、吳子健*，天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院陳金玉*等系統(tǒng)討論食品材料特性以及打印機(jī)參數(shù)對(duì)于擠出式3D打印效果的影響，并對(duì)打印參數(shù)和后處理工藝對(duì)易吞咽3D打印食品的功能特性的影響進(jìn)行討論。以期為未來(lái)擠出式3D打印食品的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化提供參考。

01

食品材料特性對(duì)擠出式3D打印的影響

3D打印工藝可劃分為擠出階段、恢復(fù)階段和自支撐階段，每個(gè)階段均受到材料特性的顯著影響。在擠出階段，材料在高擠壓力的作用下通過(guò)狹窄噴嘴擠出，其順利程度主要取決于材料的黏度、屈服應(yīng)力以及剪切稀化特性。黏度影響材料的流動(dòng)性，屈服應(yīng)力決定材料開(kāi)始流動(dòng)所需的最小應(yīng)力，而剪切稀化特性則使材料在剪切力作用下黏度降低，從而更易于擠出。在恢復(fù)階段，材料脫離噴嘴的高溫與高剪切力環(huán)境后，其黏度和黏彈性逐漸恢復(fù)，機(jī)械強(qiáng)度得以部分重建以支撐成型過(guò)程。這一階段主要受材料的剪切稀化特性和熱特性影響。在自支撐階段，材料需要具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度以維持結(jié)構(gòu)形狀，其表現(xiàn)主要依賴(lài)于材料的黏彈性和屈服應(yīng)力。如圖2所示，這些特性共同決定了材料在成型過(guò)程中的穩(wěn)定性和最終結(jié)構(gòu)的完整性。因此，對(duì)于擠出式3D打印而言，要獲得理想的擠出性能以及擠出后良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和打印精度，食品漿料具備適宜的流變特性至關(guān)重要。

1.1 黏度及剪切稀化特性

黏度是食品流變特性的關(guān)鍵指標(biāo)，其被定義為在一定剪切速率下，剪切應(yīng)力與剪切速率的比值，即食品流體的表觀黏度。在3D打印中，黏度反映了食品漿料在料筒內(nèi)流動(dòng)時(shí)所受到的流動(dòng)阻力與摩擦力，直接影響漿料能否順利通過(guò)噴嘴擠出。在擠出階段，打印材料需要通過(guò)狹窄的噴嘴，若黏度過(guò)高，材料在通過(guò)噴嘴時(shí)會(huì)因阻力過(guò)大而難以擠出，甚至完全堵塞；反之，若黏度過(guò)低，材料之間的黏附性不足，打印后不具備足夠的自支撐能力。Liu Lili等在優(yōu)化復(fù)合食品打印配方的打印性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，黏度過(guò)低或過(guò)高的材料均不適合3D打?。吼ざ冗^(guò)低導(dǎo)致打印后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)坍塌，無(wú)法保持預(yù)設(shè)形狀；黏度過(guò)高則致使噴嘴堵塞，無(wú)法順利擠出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)材料黏度為1.374 Pa·s時(shí)，能夠順暢通過(guò)1.0 mm噴嘴并形成穩(wěn)定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。因此，實(shí)現(xiàn)理想的打印效果需要材料具備適中的黏度，而不同材料的3D打印所適宜的黏度也并不相同，根據(jù)所用材料調(diào)節(jié)到合適的黏度是優(yōu)化3D打印效果的關(guān)鍵之一：多糖類(lèi)材料（如黃原膠、海藻酸鈉）憑借強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成高黏度（1%黃原膠黏度＞10 000 cP）和顯著剪切稀化（n≈0.2～0.3），適合高分辨率打印，但需控制濃度以避免噴嘴堵塞；蛋白質(zhì)類(lèi)材料（如SPI、魚(yú)糜）兼具中等黏度（15%大豆蛋白約2 000 cP）和剪切稀化指數(shù)（n≈0.5），通過(guò)調(diào)節(jié)pH值或復(fù)配淀粉可優(yōu)化擠出穩(wěn)定性與層間結(jié)合力；脂肪類(lèi)材料（如可可脂、乳脂）依賴(lài)溫度調(diào)控黏度（35～40 ℃可可脂約500 cP），需添加卵磷脂等助劑增強(qiáng)剪切稀化以避免打印后塌陷。

具有非牛頓流體特性的材料在3D食品打印中更具優(yōu)勢(shì)，其黏度會(huì)隨剪切力的變化而改變，表現(xiàn)出顯著的剪切稀化特性。由于打印噴嘴的尺寸較小，材料在通過(guò)噴嘴時(shí)會(huì)受到較高的剪切力作用。因此，材料的剪切稀化特性對(duì)于漿料在噴嘴處的擠出表現(xiàn)尤為關(guān)鍵，這不僅直接影響打印過(guò)程的順暢性，還決定了最終成品的質(zhì)量與精度。

冪律模型可以很好地?cái)M合非牛頓流體的剪切稀化特性：

式中：σ為剪切應(yīng)力/Pa；為剪切速率/s-1；K為稠度系數(shù)/（Pa·sn）；n為流動(dòng)指數(shù)。

非牛頓流體的流變行為會(huì)隨剪切速率的變化而變化，當(dāng)冪律模型中的流動(dòng)指數(shù)n＞1時(shí)，流體表現(xiàn)出剪切增厚行為，而當(dāng)n＜1時(shí)，則表現(xiàn)出剪切稀化特性。剪切稀化特性使得材料在經(jīng)過(guò)噴嘴時(shí)在高剪切力作用下黏度降低，從而易于擠出。這種剪切稀化行為源于聚合物鏈在剪切過(guò)程中分子間糾纏被破壞，以及分子排列結(jié)構(gòu)由有序態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序態(tài)。換言之，在受到噴嘴處的剪切應(yīng)力后，聚合物分子會(huì)伸展并沿流動(dòng)方向排列；一旦離開(kāi)噴嘴，分子則重新纏結(jié)、交聯(lián)。這種剪切稀化特性確保了打印材料在擠出過(guò)程中能夠降低黏度以順利擠出，并在擠出后能夠迅速恢復(fù)黏度以滿(mǎn)足成型階段的需求。因此，良好的剪切稀化特性是實(shí)現(xiàn)材料順利擠出的關(guān)鍵。Dick等通過(guò)添加親水膠體制備吞咽困難患者可食用的3D打印牛肉糜，加入親水膠體后的牛肉糜表現(xiàn)出良好的剪切稀化特性，這有利于從噴嘴處擠出，但添加1%卡拉膠和復(fù)配添加1%刺槐豆膠/卡拉膠的肉糜的n值為負(fù)，這源自高剪切力下分子降解以及黏性耗散，負(fù)n值使得擠出過(guò)程中水分流失、肉糜顆粒破碎堵塞噴嘴無(wú)法順利擠出。

除冪律模型外，還有Herschel-Bulkley、Cross、Sisko模型等可用于評(píng)估材料的剪切稀化特性。Herschel-Bulkley模型在冪律模型基礎(chǔ)上引入屈服應(yīng)力τ0，能精準(zhǔn)描述含顆粒、氣泡或纖維等復(fù)雜結(jié)構(gòu)食品體系的流變行為，在需要精確控制擠出和成型的漿料、軟食品打印中更具優(yōu)勢(shì)。Cross模型可全面描述流體全剪切率范圍內(nèi)的黏度變化，涵蓋零剪切黏度η0、無(wú)限剪切黏度η∞和剪切稀化轉(zhuǎn)變，適用于剪切率變化大的復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)食品打印，能為打印參數(shù)優(yōu)化提供精準(zhǔn)依據(jù)，但其復(fù)雜度高，需大量高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合參數(shù)，計(jì)算量大。Sisko模型在低剪切率時(shí)呈牛頓流體特性，隨剪切率增加漸變?yōu)閮缏闪黧w，能較好地描述寬剪切率范圍內(nèi)具有不同流變特性的食品材料的打印特性。

在食品3D打印實(shí)踐中，應(yīng)使用具備足夠黏度和良好剪切稀化特性的材料進(jìn)行打印，以獲得最佳的打印效果。選擇適宜的模型對(duì)材料剪切稀化特性進(jìn)行評(píng)估尤為重要：針對(duì)無(wú)明顯屈服應(yīng)力且剪切率變化小的簡(jiǎn)單食品材料，冪律模型可快速評(píng)估剪切稀化特性對(duì)打印效果的影響；對(duì)于有明顯屈服應(yīng)力的復(fù)雜食品體系，Herschel-Bulkley模型可更精準(zhǔn)地描述流變特性，助力擠出和成型控制；剪切率變化大的復(fù)雜打印場(chǎng)景則更適合運(yùn)用Cross和Sisko模型，以全面考慮材料流變行為，優(yōu)化打印參數(shù)，提升3D打印食品的質(zhì)量和精度。

1.2 黏彈性

在流變學(xué)中，同時(shí)表現(xiàn)出類(lèi)液體行為與類(lèi)固體行為的材料稱(chēng)為黏彈性材料，擠出式3D食品打印所用材料多為黏彈性材料。打印材料的黏彈性反映其機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)于打印效果尤其是打印精度以及打印后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著重要影響。通過(guò)在線(xiàn)性黏彈區(qū)進(jìn)行頻率掃描和應(yīng)變掃描測(cè)量材料的儲(chǔ)存模量（G’）和損耗模量（G”）并計(jì)算損耗正切角（tan δ＝G”/G’）評(píng)估材料的黏彈性行為。G’反映彈性主導(dǎo)的類(lèi)固體行為，G”則反映由黏性主導(dǎo)的類(lèi)液體行為，通過(guò)tan δ可以對(duì)比材料的黏彈性行為。當(dāng)tan δ＞1時(shí)材料的黏性較強(qiáng)，當(dāng)tan δ＜1時(shí)材料的彈性較強(qiáng)。研究表明，大多數(shù)擠出式3D食品所用的材料表現(xiàn)出典型的黏彈性行為，其tan δ＜1。具有較高G’的打印材料在打印精度和印后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性上有著更好的表現(xiàn)。Xu Minghao等探究了處于不同冷凍階段木薯淀粉凝膠的3D打印性能，發(fā)現(xiàn)隨著冷凍時(shí)間的延長(zhǎng)殼聚糖凝膠的黏度下降，G’隨之上升，且G’與3D打印精度呈正相關(guān)，主要由于高G’賦予材料類(lèi)固體行為，有效抑制打印后結(jié)構(gòu)坍塌并提升自支撐穩(wěn)定性。此外，tan δ值的高低也可以用于預(yù)測(cè)食品材料的打印效果。Cheng Zhi等使用IDF改善SPI與小麥麩質(zhì)，作為3D打印人造肉材料，發(fā)現(xiàn)盡管IDF添加量為15%～25%的組別的G’與G”均高于IDF添加量為5%或10%的組別，但其tan δ值顯著低于后者，表現(xiàn)出過(guò)度的類(lèi)固體行為，這導(dǎo)致擠出困難以及打印線(xiàn)條不連續(xù)出現(xiàn)斷裂和成型困難現(xiàn)象，而IDF添加量為5%或10%的組別則表現(xiàn)出了良好的印刷性。

1.3 屈服應(yīng)力

在應(yīng)力掃描過(guò)程中G’＝G”的交匯點(diǎn)的應(yīng)力值即為屈服應(yīng)力。在擠出式3D食品打印中屈服應(yīng)力（τf）可用來(lái)描述使材料流動(dòng)所需的力，也可以用來(lái)評(píng)估材料的擠出難易程度。在低于屈服應(yīng)力時(shí)，食品材料表現(xiàn)出類(lèi)固體行為，在大于屈服應(yīng)力的剪切力作用下，樣品開(kāi)始表現(xiàn)出類(lèi)流體行為并開(kāi)始流動(dòng)。因此屈服應(yīng)力能夠很貼切地反映食品材料在被擠出噴嘴時(shí)所需要的力，在實(shí)際打印過(guò)程中應(yīng)當(dāng)施加大于屈服應(yīng)力的力以使?jié){料順利擠出，打印材料的屈服應(yīng)力若過(guò)高則其在擠出過(guò)程中需要更大的剪切力，擠出過(guò)程相對(duì)困難。Xiao Kunpeng等研究發(fā)現(xiàn)，SPI的添加可有效改善白蘑菇基3D打印材料的黏彈性及機(jī)械性能，其屈服應(yīng)力隨SPI添加量的增加而顯著提升，在提高打印材料機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，7% SPI組因屈服應(yīng)力過(guò)高擠出時(shí)噴嘴剪切力不足，出現(xiàn)擠出斷裂現(xiàn)象。

屈服應(yīng)力也與打印材料的自支撐性能息息相關(guān)，雖然較低的屈服應(yīng)力意味著打印材料更易從噴嘴處擠出，但是由于屈服應(yīng)力也反映著打印材料的機(jī)械強(qiáng)度，因此過(guò)低的屈服應(yīng)力不利于打印后結(jié)構(gòu)的自支撐，容易發(fā)生坍塌現(xiàn)象。Ouyang Zhiying等使用明膠、環(huán)糊精、殼聚糖和殼寡糖復(fù)合制備含有梔子花果實(shí)提取物的微凝膠顆粒，并作為乳化劑制備可作為3D打印材料的高內(nèi)相乳液，微凝膠復(fù)合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%～29%的乳液均具有較佳的屈服應(yīng)力，各組均表現(xiàn)出良好的剪切稀化行為及可擠出性，其中復(fù)合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%的乳液屈服應(yīng)力最高，打印線(xiàn)條清晰，色彩均勻，與原始模型高度差最小，展現(xiàn)出優(yōu)異的打印精度及自支撐性能。

1.4 熱特性

多數(shù)3D食品打印機(jī)可以對(duì)打印料筒進(jìn)行加熱，通過(guò)熱處理改變材料特性，通過(guò)類(lèi)似于熱熔擠出技術(shù)的方式，對(duì)常溫下難以擠出的材料的流動(dòng)特性進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)材料的擠出。

如前文所述，材料在一定條件下表現(xiàn)出的稀化行為是其順利通過(guò)噴嘴擠出的關(guān)鍵。除剪切稀化現(xiàn)象外，溫度也會(huì)使一些材料的黏度及黏彈性發(fā)生顯著變化，對(duì)這一特性的利用可以幫助研究人員控制材料的擠出階段。Liu Yu等使用明膠與魚(yú)糜重組制備用于3D打印的材料，采用變溫流變掃描模擬材料通過(guò)噴嘴擠出的過(guò)程，初期在機(jī)筒的加熱下打印材料的G’低于G”，表現(xiàn)出類(lèi)流體行為，這使得材料能順利通過(guò)噴嘴擠出。在擠出后的恢復(fù)階段，G’與G”逐步升高，在某一溫度下二者相交，材料流變行為的轉(zhuǎn)變表明其進(jìn)入恢復(fù)階段，交匯點(diǎn)處模量值越大，成型性能越好，這主要得益于材料在降溫過(guò)程中獲得的較強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。借助材料在加熱時(shí)的流變特性，可為通過(guò)加熱改善打印材料的擠出性能提供幫助。Patel等利用鹽誘導(dǎo)卡拉膠凝膠化制備3D打印材料，凝膠的表觀黏度隨溫度升高而顯著下降，表現(xiàn)出顯著的稀化現(xiàn)象，這使得材料能夠借助噴嘴處的升溫順利擠出。此外，他們發(fā)現(xiàn)凝膠溶膠轉(zhuǎn)化溫度是材料擠出時(shí)選擇噴嘴溫度的重要依據(jù)，且擠出后恢復(fù)成型階段實(shí)質(zhì)便是材料的凝膠化。充分利用凝膠溫度及凝膠化時(shí)間選擇合適的印刷溫度是獲得最佳打印效果的重要因素，這可以確保油墨的流暢擠出，以及當(dāng)油墨從噴嘴尖端擠出時(shí)，快速凝膠化以產(chǎn)生必要的機(jī)械強(qiáng)度和印刷結(jié)構(gòu)的自支撐。凝膠化溫度的測(cè)量，可以通過(guò)溫度梯度掃描測(cè)定，G’與G”交叉時(shí)的溫度即為凝膠化溫度Tg。Qiu Liqing等研究發(fā)現(xiàn)葫蘆巴膠的引入顯著提升了κ-卡拉膠基油墨的Tg，并且通過(guò)調(diào)節(jié)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變溫度影響3D打印性能：高溫（35～55 ℃）可增強(qiáng)剪切稀化效應(yīng)，促進(jìn)擠出；但油墨冷卻至25 ℃時(shí)，高溫打印樣品因凝膠時(shí)間延長(zhǎng)（分子重組滯后）導(dǎo)致自支撐塌陷。上述實(shí)驗(yàn)表明，加快凝膠化進(jìn)程（如低溫?cái)D出）可縮短分子聚結(jié)時(shí)間，提升支撐階段機(jī)械強(qiáng)度以抑制塌陷。

對(duì)于某些食品原材料，溫度還會(huì)促進(jìn)分子間相互作用，這使得材料的流動(dòng)特性和質(zhì)構(gòu)特性發(fā)生變化。淀粉分子與水在一定溫度下會(huì)發(fā)生糊化，淀粉分子的排列由有序變?yōu)榱藷o(wú)序，淀粉微晶體也發(fā)生熔化，這樣的變化會(huì)促進(jìn)淀粉的溶脹，破壞分子間氫鍵，對(duì)黏附性以及流動(dòng)特性產(chǎn)生顯著影響。Chen Huan等研究了3 種淀粉的流變特性與適印性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)淀粉受熱糊化會(huì)對(duì)其G’、屈服應(yīng)力（τf）以及流動(dòng)應(yīng)力（τy）產(chǎn)生影響，且淀粉在70～85 ℃條件下τf、τy以及G’值最適于3D打印。Liu Zipeng等進(jìn)一步探究了不同溫度和不同淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)漿料流變性及影響，發(fā)現(xiàn)較高的溫度可以促進(jìn)淀粉分子之間的相互作用，改善其流動(dòng)特性，而過(guò)高的淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（25%）會(huì)使?jié){料機(jī)械強(qiáng)度過(guò)高而難以擠出。此外，打印時(shí)的升溫也會(huì)促進(jìn)蛋白質(zhì)分子之間的相互作用。Chen Jingwang等研究發(fā)現(xiàn)較高的溫度能夠促進(jìn)SPI顆粒之間的相互作用和聯(lián)結(jié)，從而改善SPI打印漿料的G’、τy和τf，使其具備更佳的適印性。

因此，在3D食品打印中尤其是熔融沉積式或熱熔擠出式3D打印中，需要充分考慮處理溫度對(duì)于打印漿料的影響，選擇適宜的料筒加熱溫度以調(diào)節(jié)漿料的流動(dòng)特性，使其達(dá)到最適宜擠出的狀態(tài)。

02

3D食品打印材料特性的優(yōu)化

對(duì)食品材料進(jìn)行前處理是提高原材料3D打印適應(yīng)性的主要方法，目前研究中關(guān)于前3D食品打印前處理方法的研究主要包括物理方法、多組分復(fù)配以及誘導(dǎo)交聯(lián)、化學(xué)修飾等其他方法（圖3）。

2.1 物理方法

通過(guò)物理手段對(duì)打印材料進(jìn)行預(yù)處理以改善其打印性能是一種高效、便捷且安全的處理手段。對(duì)于擠出式3D食品打印，常見(jiàn)的物理處理方法為加熱處理，對(duì)于不同的原材料，不同加熱方式對(duì)其特性的影響也會(huì)較大。

Maniglia等研究表明，經(jīng)過(guò)干熱處理后的小麥淀粉晶體結(jié)構(gòu)由有序向無(wú)序轉(zhuǎn)變，降低了小麥淀粉的結(jié)晶區(qū)，流變測(cè)試結(jié)果表明干熱處理促進(jìn)了小麥淀粉凝膠的形成，增強(qiáng)了其在恢復(fù)階段的形狀恢復(fù)能力，從而優(yōu)化了小麥淀粉的3D打印效果。微波加熱是現(xiàn)今一種熱門(mén)的熱處理手段，相較于傳統(tǒng)熱處理手段，具備升溫速度快、升溫易于控制且營(yíng)養(yǎng)成分流失更少等優(yōu)勢(shì)。Fan Hanzhi等探究了鹽及微波處理功率對(duì)SPI-草莓復(fù)合材料3D打印性能的影響，在相同的鹽添加水平下，70 W低功率的微波處理降低了材料中結(jié)合水和固定水的自由度，提高了材料的黏度和黏彈性，進(jìn)而優(yōu)化了材料的3D打印精度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

此外，目前也有許多研究致力于通過(guò)非熱物理加工對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性以提高材料的打印性能。脈沖電場(chǎng)（PEF）是近年新興的一種低耗且高效的淀粉結(jié)構(gòu)改性手段，能夠改變淀粉的形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)等特性。Maniglia等研究發(fā)現(xiàn)，PEF處理促進(jìn)了小麥淀粉的解聚和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，提高了淀粉水凝膠的硬度，使其具備更低的表觀黏度，提高了淀粉水凝膠的可打印性。類(lèi)似地，超聲波技術(shù)作為一種高效的非熱物理加工技術(shù)，也被廣泛應(yīng)用于3D打印材料預(yù)處理。Chen Huizhi等應(yīng)用超聲技術(shù)輔助冷凍魚(yú)糜解凍減少了魚(yú)糜的結(jié)構(gòu)損傷，使其獲得更優(yōu)的打印精度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Gu Ming等采用超聲處理對(duì)果膠-豌豆蛋白復(fù)合材料的特性進(jìn)行了優(yōu)化，超聲處理促進(jìn)了果膠與豌豆蛋白之間的交聯(lián)，進(jìn)而增強(qiáng)了復(fù)合材料的凝膠強(qiáng)度，且其黏彈性與表觀黏度等流變特性均得到優(yōu)化，顯著增強(qiáng)了材料的自支撐性能。

2.2 多組分復(fù)配

能夠更為靈活地將多種不同原材料混合制備成新的產(chǎn)品是3D食品打印相對(duì)于傳統(tǒng)食品加工的一大優(yōu)勢(shì)，不同原材料的原料特性各不相同，同時(shí)部分材料在進(jìn)行復(fù)合時(shí)會(huì)存在一定程度上的相互作用，這兩點(diǎn)共同決定了復(fù)合材料所具備的性能。因此，對(duì)于復(fù)合材料而言，在滿(mǎn)足營(yíng)養(yǎng)成分配比需求的前提下，優(yōu)化原材料成分比例是提高復(fù)合材料打印性能的關(guān)鍵。

在天然的原材料中，水果、蔬菜以及肉類(lèi)等材料由于其自身特性，單獨(dú)進(jìn)行打印時(shí)會(huì)在擠出階段或是恢復(fù)階段遇到較大困難無(wú)法直接打印。對(duì)于這類(lèi)食品，許多研究致力于通過(guò)材料復(fù)合優(yōu)化材料的適印性。對(duì)于水果材料，通過(guò)添加淀粉提高凝膠機(jī)械強(qiáng)度是強(qiáng)化果汁印后自支撐性能的有效方法。Yang Fanli等通過(guò)檸檬汁復(fù)合馬鈴薯淀粉，形成了具有足夠機(jī)械強(qiáng)度的檸檬汁凝膠，可順利擠出并具備較佳的成形性與自支撐性能。Bebek Markovinovi?等將草莓樹(shù)果實(shí)（Arbutus unedo L.）與小麥淀粉或玉米淀粉混合，借助淀粉載體在高溫條件下的糊化反應(yīng)順利打印出草莓樹(shù)果實(shí)。此外，通過(guò)添加蛋白質(zhì)，借助于蛋白質(zhì)分子間的交聯(lián)或聚集也可以改善水果基材料的流變性能使之適印。Kim等向香蕉泥中添加豌豆分離蛋白，借助于多糖與蛋白之間形成的結(jié)合網(wǎng)絡(luò)削弱了材料間的黏附行為，從而減弱其在3D打印過(guò)程中的拖尾現(xiàn)象，優(yōu)化了打印效果。

肉類(lèi)由于其流動(dòng)性能不佳，且熱處理加工會(huì)使其蛋白發(fā)生不可逆交聯(lián)，難以通過(guò)噴嘴擠出而在3D打印定制化食品中遇到困難。借助組分復(fù)合以強(qiáng)化材料的流變性能是實(shí)現(xiàn)肉制品3D打印的研究熱點(diǎn)之一。Wang Yuhang等通過(guò)向魚(yú)糜中加入由明膠穩(wěn)定的高內(nèi)相Pickering乳液填充了魚(yú)糜凝膠網(wǎng)絡(luò)間隙，在優(yōu)化魚(yú)糜脂質(zhì)組成的同時(shí)提高了魚(yú)糜凝膠對(duì)水分的截留能力，從而增強(qiáng)了魚(yú)糜的流動(dòng)性使其更易于擠出。Dick等通過(guò)添加不同比例的瓜爾膠和黃原膠使豬肉的黏彈性得到改善，在印后具備良好的自支撐性能，并由于水膠體具備較好的剪切稀化性能，使豬肉材料在噴嘴高剪切力作用下黏度下降，易于擠出。

2.3 其他方法

化學(xué)處理常常也被當(dāng)作3D打印性能優(yōu)化的預(yù)處理手段。臭氧是一種相較于傳統(tǒng)氧化劑更為安全、綠色的可應(yīng)用于食品的氧化手段，常被用于淀粉的改性。經(jīng)過(guò)臭氧改性后的淀粉具備更小的顆粒尺寸、更低的表觀黏度和更高的凝膠強(qiáng)度。Maniglia等使用臭氧對(duì)木薯淀粉進(jìn)行處理后，淀粉發(fā)生解聚，凝膠強(qiáng)度提高。組分之間的交聯(lián)程度也會(huì)影響材料的特性，交聯(lián)程度較強(qiáng)時(shí)，打印后會(huì)具備較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和自支撐性能。

常見(jiàn)的促進(jìn)3D食品打印材料交聯(lián)的手段有添加離子化合物、酶等。Wang Chaoye等通過(guò)向低鹽魚(yú)糜中添加CaCl2改善魚(yú)糜的打印性能，CaCl2促進(jìn)了魚(yú)糜蛋白之間的交聯(lián)，形成了更為致密均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了材料的凝膠強(qiáng)度和表觀黏度，提高其自支撐能力。類(lèi)似地，王月月等使用海藻酸鈉協(xié)同氯化鈣代替氯化鈉制備蝦糜凝膠，提高了蝦糜凝膠擠出后的支撐力。酶制劑可以促進(jìn)蛋白質(zhì)等生物大分子之間交聯(lián)進(jìn)而提高3D打印性能。Dong Xiuping等通過(guò)微生物轉(zhuǎn)谷酰胺酶（TGase）促進(jìn)魚(yú)糜交聯(lián)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，強(qiáng)化了其對(duì)水分的截留能力進(jìn)而降低蒸煮損失并提高其打印適印性。

前處理是使材料具有適合3D打印的性質(zhì)的重要過(guò)程，根據(jù)材料特性及選擇適合材料的預(yù)處理方法是提升打印產(chǎn)品打印效果的重要一環(huán)。

03

打印參數(shù)對(duì)打印效果的影響

除了優(yōu)化材料特性，正確選擇打印參數(shù)也是提高3D食品打印效果的關(guān)鍵步驟。噴嘴直徑、移動(dòng)速度以及擠出速率等多項(xiàng)打印機(jī)參數(shù)的設(shè)定，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)地和成型效果有著顯著的影響。打印參數(shù)的選擇與材料的特性密切相關(guān)，深入掌握打印參數(shù)對(duì)成品效果的具體影響，有助于依據(jù)材料特性挑選出最合適的參數(shù)，以獲得最佳的打印效果。表2展示了近年通過(guò)優(yōu)化打印參數(shù)改善打印效果的研究。

3.1 噴嘴尺寸

在擠出式3D打印中，材料通過(guò)噴嘴以絲狀形式擠出到沉積層成型，擠出絲的粗細(xì)直接受?chē)娮斐叽绲挠绊?。因此噴嘴直徑越小，擠出絲越細(xì)，打印精度也就越高，打印食品的分辨率也就越高。Yang Fanli等對(duì)檸檬汁凝膠3D打印的打印參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)噴嘴直徑?jīng)Q定了打印產(chǎn)品的精度和表面粗糙度（圖4）。Fernandes等評(píng)估了0.4、0.6、0.8 mm噴嘴對(duì)3D打印生物凝膠效果的影響。結(jié)果表明，在不同配比的油凝膠油墨或水凝膠油墨中，打印效果受打印參數(shù)影響的規(guī)律一致。更大的噴嘴尺寸和更高的擠出速度雖顯著縮短打印時(shí)間，但視覺(jué)和尺寸偏差更大。

然而在選擇噴嘴尺寸時(shí)也應(yīng)考慮到3D打印材料多為黏彈性材料，其在通過(guò)噴嘴時(shí)受到擠壓會(huì)發(fā)生膨脹，其中漿料的膨脹會(huì)造成線(xiàn)條增粗，使得實(shí)際擠出線(xiàn)條粗細(xì)偏離預(yù)設(shè)參數(shù)。通常材料的膨脹程度受?chē)娮斐叽绲挠绊?，噴嘴尺寸越小則材料的膨脹率越大，這主要是由于噴嘴尺寸的減小增加了噴嘴施加的壓力，高壓力使得擠出漿料產(chǎn)生較高彈性勢(shì)能而發(fā)生膨脹。Zhu Juncheng等對(duì)經(jīng)TGase交聯(lián)的魚(yú)糜進(jìn)行了噴嘴尺寸的優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)尺寸為0.75 mm和2.00 mm的噴嘴打印出的圖案與預(yù)設(shè)圖案偏差較大，0.75 mm尺寸的噴嘴由于尺寸過(guò)小使得噴嘴出擠壓力過(guò)大造成了漿料膨脹，而2.00 mm尺寸的噴嘴由于直徑過(guò)大導(dǎo)致出料過(guò)多并在重力作用下發(fā)生壓縮變形，適中的1.00 mm噴嘴尺寸表現(xiàn)出最佳的印刷精度。

因此，選擇噴嘴尺寸時(shí)，除了打印精度也應(yīng)考慮擠壓力對(duì)材料造成的膨脹。對(duì)于噴嘴處剪切力的測(cè)算已有文獻(xiàn)使用修改后的Benbow-Bridgwater方程進(jìn)行描述，該模型方程如下：

式中：P為擠出力；L為噴嘴長(zhǎng)度；D0為打印機(jī)噴料筒的直徑；D為噴嘴直徑；σ0表示漿料的屈服應(yīng)力；V為擠出速度；α和β為擠出速度系數(shù)；m和n為擠出速度指數(shù)；τ0為漿料與料筒壁間的剪切應(yīng)力。利用該模型對(duì)噴嘴擠出力進(jìn)行評(píng)估有助于選擇更為適宜的噴嘴尺寸。

Yang Fanli等通過(guò)對(duì)多個(gè)打印參數(shù)的優(yōu)化發(fā)現(xiàn)擠出速度（每秒擠出材料的體積）由噴嘴直徑、噴嘴高度及打印速度共同決定，對(duì)此他們修改了已有模型用來(lái)描述3D打印擠出速度：

式中：Vd為擠出速率/（mm3/s）；Vn為打印速度/（mm/s）；Dn為噴嘴直徑/mm；hc為噴嘴高度。由此公式可見(jiàn)，擠出速度與噴嘴直徑呈正相關(guān)。該公式較為準(zhǔn)確地描述了材料擠出速度與打印速度、噴嘴直徑以及噴嘴高度的關(guān)系，這對(duì)于選擇互相匹配的打印參數(shù)提供了參考。

通常，較大的噴嘴尺寸能夠提供較快的擠出速率，但打印出的線(xiàn)條粗糙印刷精度低，較小的噴嘴能夠提供較高的印刷精度與分辨率，但過(guò)小的噴嘴尺寸擠出速度慢且會(huì)導(dǎo)致材料膨脹，造成較大模型偏差。因此，在選擇噴嘴尺寸時(shí)應(yīng)綜合考量打印精度與出料速度，選擇適宜所用材料的最優(yōu)噴嘴尺寸。

3.2 打印速度與擠出速度

打印速度是指噴嘴的移動(dòng)速度，擠出速度指每秒擠出材料的體積。如前文所述，擠出速度受到打印速度、噴嘴尺寸以及噴嘴高度的共同影響。打印速度經(jīng)式（3）變形后可由下式表示：

式中各個(gè)字母含義與式（3）相同。然而實(shí)際上打印速度一方面影響著擠出速度，一方面又與擠出速度一同影響著打印的最終質(zhì)量。也就是說(shuō)打印速度必須與擠出速度相匹配，若打印速度慢于擠出速度，則噴嘴在同一位置出料過(guò)會(huì)多造成漿料沉積而塌陷形變；若打印速度快于擠出速度，則噴嘴在尚未沉積預(yù)定漿料量前移動(dòng)會(huì)造成打印線(xiàn)條不均勻甚至線(xiàn)條間斷。Liu Yaowen等在優(yōu)化面團(tuán)3D打印時(shí)研究了不同打印速度（3、6、9、12 mm/s）對(duì)打印效果的影響（圖5），結(jié)果表明3 mm/s的打印速度條件下，材料擠出速度大于噴嘴移動(dòng)速度，造成材料堆積，打印評(píng)分較低；6 mm/s的打印速度條件下材料擠出與噴嘴移動(dòng)的速度匹配，打印效果評(píng)分最高；隨著噴嘴移動(dòng)速度的繼續(xù)增加，移動(dòng)速度高于擠出速度，線(xiàn)條出現(xiàn)了明顯的斷裂，打印評(píng)分隨著噴嘴移動(dòng)速度的增加而降低。

3.3 沉積層高度與噴嘴高度

噴嘴高度指的是噴嘴距沉積層之間的距離，如前文所述，噴嘴高度與打印速度和噴嘴尺寸共同決定著擠出速率，因此，噴嘴高度應(yīng)與其他參數(shù)適配，Yang Fanli等用下式計(jì)算出理想的臨界噴嘴高度：

該模型中參數(shù)與式（3）所述一致。該臨界高度對(duì)于噴嘴高度的選擇可以起到較為高效的指導(dǎo)作用：使用低于hc的噴嘴高度會(huì)使得實(shí)際擠出線(xiàn)條比預(yù)設(shè)線(xiàn)條尺寸更粗，影響印刷分辨率；而噴嘴高度過(guò)高于hc則會(huì)由于從噴嘴下落至打印平臺(tái)的距離過(guò)遠(yuǎn)以及噴嘴的移動(dòng)造成線(xiàn)條擠出位置不準(zhǔn)確，與預(yù)設(shè)形狀產(chǎn)生明顯偏差。Huang等研究了噴嘴高度及沉積層高對(duì)打印效果的影響，發(fā)現(xiàn)過(guò)低的噴嘴高度（1.5～2.5 mm）會(huì)使得巧克力漿料向外側(cè)擴(kuò)散導(dǎo)致實(shí)際擠出線(xiàn)條粗于預(yù)設(shè)線(xiàn)條。

擠出式3D打印的成型模式是依據(jù)預(yù)設(shè)CAD模型通過(guò)沉積（逐層或逐行）的方式進(jìn)行復(fù)雜模型的構(gòu)建，其中每一層沉積材料的厚度即為沉積層高度。沉積層高度也是控制3D打印效果的關(guān)鍵參數(shù)之一，影響著打印精度以及打印時(shí)間：沉積層高度與印刷線(xiàn)條粗細(xì)類(lèi)似，顯著影響著打印模型的精度，越小的沉積層高度能夠展現(xiàn)出預(yù)設(shè)模型中更微小的細(xì)節(jié)，但也意味著需要打印更多的層數(shù)，打印耗費(fèi)的時(shí)間也就越多。Barrios-Rodríguez等對(duì)大米蛋白的打印參數(shù)選擇進(jìn)行了正交試驗(yàn)分析，以獲得最優(yōu)打印參數(shù)組合。結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一模型，沉積層高度越小所需層數(shù)越高，通過(guò)單因素分析發(fā)現(xiàn)沉積層高度對(duì)打印成品的直徑與體積有顯著影響，偏小的層高（1 mm）設(shè)置使成品的直徑小于預(yù)設(shè)值，而較大的層高設(shè)置（2 mm）使實(shí)際直徑高于預(yù)設(shè)直徑，這主要是由于層高的設(shè)置影響了單位時(shí)間內(nèi)沉積材料的量，這與噴口直徑的影響相似，因此二者也表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)。

總之，層高、打印速度及噴口直徑對(duì)打印效果的影響并不由單一參數(shù)決定，重點(diǎn)在于所選的幾個(gè)參數(shù)相互適配，這一點(diǎn)可以借助相關(guān)模型進(jìn)行分析選擇。

3.4 打印結(jié)構(gòu)填充率

填充率指的是打印材料占據(jù)打印產(chǎn)品總體積的百分比。填充率會(huì)影響產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)，較高的填充率印刷出的成品具有較好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度，填充更多打印材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)支撐，從而起到增加產(chǎn)品強(qiáng)度的效果。Yun等制備鮑魚(yú)蛋白漿料打印適用于老年人食用的食品，在20%～80%的填充率條件下分別嵌入淀粉或明膠打印支架結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在20%填充率條件下支架結(jié)構(gòu)缺乏自支撐強(qiáng)度，線(xiàn)條之間出現(xiàn)較大空隙導(dǎo)致打印結(jié)構(gòu)出現(xiàn)下沉坍塌，隨著填充率的增加，線(xiàn)條間間隙變小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到顯著改善。

填充率主要體現(xiàn)的是打印產(chǎn)品中沉積材料的量，而相同填充量下不同的填充結(jié)構(gòu)所具備的支撐強(qiáng)度也不相同，選擇理想的填充結(jié)構(gòu)能夠更有效地改善3D打印產(chǎn)品的自支撐性能。Liu Zhenbin等研究了不同填充結(jié)構(gòu)對(duì)馬鈴薯3D打印零食結(jié)構(gòu)及質(zhì)地的影響，在30%、50%、70%填充率條件下分別以直線(xiàn)、三角形以及蜂窩3 種填充結(jié)構(gòu)進(jìn)行了打印，發(fā)現(xiàn)低于30%填充率時(shí)機(jī)械強(qiáng)度過(guò)低不足以支撐打印產(chǎn)品，出現(xiàn)了坍塌變形；選擇50%和70%的填充率，通過(guò)對(duì)比印刷產(chǎn)品的尺寸則發(fā)現(xiàn)直線(xiàn)填充結(jié)構(gòu)印刷的長(zhǎng)度和寬度與預(yù)設(shè)尺寸偏差最小，而三角形填充結(jié)構(gòu)印刷的高度與預(yù)設(shè)尺寸偏差最小。說(shuō)明在3D打印中直線(xiàn)填充結(jié)構(gòu)能夠提供較強(qiáng)的水平支撐強(qiáng)度，而三角形填充結(jié)構(gòu)能夠提供較強(qiáng)的縱向支撐強(qiáng)度。

3D食品打印已被廣泛應(yīng)用于為特殊人群如老人、嬰幼兒等吞咽困難人群開(kāi)發(fā)易于咀嚼的食品，或者根據(jù)需求定制具備特定質(zhì)地的定制化食品。除了通過(guò)預(yù)處理手段改善打印材料的流變性能外，通過(guò)對(duì)填充率以及填充結(jié)構(gòu)的選擇也能達(dá)到類(lèi)似的目的。Feng Chunyan等在20%～80%的填充率條件下以6 種不同的填充結(jié)構(gòu)進(jìn)行山藥零食的3D打印并進(jìn)行質(zhì)構(gòu)特性的測(cè)定，當(dāng)填充率由20%提高至80%時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)孔隙減少，機(jī)械強(qiáng)度提高，破碎力由46 N增加至106 N；填充結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品的硬度有著較為顯著的影響，在低填充水平下，產(chǎn)品硬度如下：平行結(jié)構(gòu)（46 N）＞復(fù)雜結(jié)構(gòu)（40 N）＞交叉結(jié)構(gòu)（31 N）；在中高填充水平下，產(chǎn)品硬度如下：三角形結(jié)構(gòu)（148 N）＞交叉結(jié)構(gòu)（145 N）＞平行結(jié)構(gòu)（106 N）＞蜂窩結(jié)構(gòu)（99 N）。

04

3D打印中易吞咽食品的品質(zhì)及質(zhì)地控制

開(kāi)發(fā)易于吞咽的食品是3D是品打印的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，借助3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)易吞咽食品可以賦予此類(lèi)食品美觀的外型，并且3D打印食品相比于模具制作食品更易吞咽。幫助吞咽困難人群在順利進(jìn)食的同時(shí)，滿(mǎn)足視覺(jué)感受，獲得更愉悅的食用體驗(yàn)。

對(duì)于易吞咽3D打印食品，除通過(guò)對(duì)前文材料特性及打印參數(shù)的控制實(shí)現(xiàn)打印品質(zhì)的優(yōu)化外，還應(yīng)注意產(chǎn)品質(zhì)地是否適宜吞咽困難人群食用，除了打印漿料的預(yù)處理外，打印參數(shù)的選擇和后處理工藝均影響著3D打印產(chǎn)品的質(zhì)地。

4.1 易吞咽食品質(zhì)地的評(píng)估

對(duì)于易吞咽食品，國(guó)際吞咽困難飲食標(biāo)準(zhǔn)化倡議（IDDSI）（圖6）為吞咽困難（吞咽困難）人群提供飲食調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)化框架，將食品的質(zhì)地劃分為0～7的7 個(gè)級(jí)別，3D食品打印制作的易吞咽食品屬于固形物，可以參照IDDSI框架進(jìn)行評(píng)估：叉滴測(cè)試，使用叉子舀取食物觀察食品在叉子上的積累及流動(dòng)行為；勺子傾斜測(cè)試，通過(guò)勺子舀取食物并傾斜觀察食物在勺子上的流動(dòng)性為；叉壓測(cè)試，通過(guò)拇指按壓叉子至拇指發(fā)白（約17 kPa），觀察樣品的形變程度。3D食品打印易吞咽食品的IDDSI等級(jí)為4～6級(jí)，這個(gè)分級(jí)的3D打印食品在保持良好打印精度下具備易于吞咽的性能（表3）。

質(zhì)構(gòu)測(cè)試已被廣泛用于評(píng)估食品的質(zhì)地，通過(guò)質(zhì)構(gòu)測(cè)試可以評(píng)估食物的硬度、內(nèi)聚力、黏附性和咀嚼性等主要指標(biāo)。通過(guò)對(duì)3D打印食品進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測(cè)試，可以輔助評(píng)估食品是否易于吞咽：硬度較低的食品更容易在口腔中破碎，IDDSI分級(jí)會(huì)隨著硬度提高而升級(jí)；低黏附性的食品更易于吞咽。Huang Jinjin等通過(guò)發(fā)酵開(kāi)發(fā)易于吞咽的3D打印糙米食品，在質(zhì)構(gòu)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)未發(fā)酵糙米的硬度和黏附性等質(zhì)構(gòu)特性均顯著高于發(fā)酵后糙米，表明發(fā)酵后更易于破碎且易于吞咽，這與IDDSI測(cè)試結(jié)果一致，未發(fā)酵糙米在勺子傾斜測(cè)試中黏附在勺子上，不易吞咽，而發(fā)酵后糙米順利從勺子滑落，屬于IDDSI中的4級(jí)，易于吞咽。

在3D打印易吞咽食品的開(kāi)發(fā)時(shí)，應(yīng)將產(chǎn)品的質(zhì)地控制在IDDSI的4～6級(jí)，且具備較低的硬度和黏附性以滿(mǎn)足吞咽困難患者的飲食需求。

4.2 打印參數(shù)的影響

3D打印過(guò)程中，物料經(jīng)過(guò)打印噴嘴時(shí)受到剪切力，剪切力對(duì)打印效果的影響已在前文詳細(xì)論述。此外，不同的噴嘴尺寸施加給物料不同的剪切力，噴嘴尺寸越小，物料所受剪切力越大。剪切力也影響著易吞咽食品的質(zhì)地，通常情況下較大的剪切力會(huì)破壞物料的結(jié)構(gòu)，使其硬度下降，開(kāi)發(fā)3D打印易吞咽食品時(shí)在保證打印效果的前提下選擇較小尺寸的噴嘴可以軟化食品，提高其適口性。Qiu Runkang等用0.4～2.0 mm尺寸的噴嘴打印SPI bigel食品，通過(guò)IDDSI測(cè)試發(fā)現(xiàn)0.4 mm和0.8 mm噴嘴打印出的產(chǎn)品IDDSI等級(jí)為5級(jí)，隨著噴嘴尺寸增加，IDDSI等級(jí)也隨之增加，且質(zhì)構(gòu)結(jié)果也表明小尺寸的噴嘴具備更低的硬度、咀嚼性等質(zhì)構(gòu)特性。

填充率決定著打印產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)密度，較高的結(jié)構(gòu)密度能夠提高打印產(chǎn)品的支撐性，但過(guò)高的機(jī)械強(qiáng)度并不利于產(chǎn)品的吞咽。Kong Demei等使用75%和100%兩種填充率打印為吞咽困難人群設(shè)計(jì)的青團(tuán)，質(zhì)構(gòu)結(jié)果表明，75%填充率打印的產(chǎn)品硬度和內(nèi)聚力均更低，更適宜吞咽困難人群食用。類(lèi)似地，Carranza等也得到了相同的結(jié)果，填充率為12.5%的改性大豆蛋白3D打印食品的IDDSI等級(jí)為5級(jí)，當(dāng)填充率為25%和50%時(shí)則為6級(jí)。因此，在開(kāi)發(fā)易吞咽3D打印食品時(shí)填充率的選擇應(yīng)在保障打印品質(zhì)的基礎(chǔ)上，選擇較低的填充率以滿(mǎn)足吞咽困難人群對(duì)食品質(zhì)地的需求。

4.3 后處理工藝的選擇

大多數(shù)3D打印食品需經(jīng)過(guò)熟制工序才能食用。熱處理會(huì)使食物成分之間會(huì)發(fā)生反應(yīng)，或?qū)е率称访撍湛s，從而增加硬度。不同的熱處理工藝對(duì)食物硬度的影響各不相同，因此選擇一種能將硬度增加程度降至最低的熱處理工藝，對(duì)于開(kāi)發(fā)易吞咽的3D打印食品至關(guān)重要。

肉制品的熱處理工藝研究表明蒸煮工藝熟制的產(chǎn)品往往硬度更低，易于吞咽。孟粉等研究了水煮、汽蒸、微波、油炸4 種熟制工藝對(duì)重組魚(yú)排質(zhì)構(gòu)的影響，結(jié)果表明水煮和汽蒸的魚(yú)排硬度較低，油炸的魚(yú)排硬度最高。Dick等探究了不同再加熱方式對(duì)易吞咽3D打印肉制品質(zhì)地的影響，在對(duì)流烤箱烤制、微波和蒸汽加熱中，蒸汽加熱的3D打印肉制品明顯變軟易于吞咽，對(duì)流烤制的食品硬度顯著增加不利于吞咽。在植物基易吞咽3D打印食品中，蒸煮工藝同樣賦予產(chǎn)品更低的硬度。

因此，在開(kāi)發(fā)易吞咽3D打印食品時(shí)，在不影響產(chǎn)品造型的情況下，可優(yōu)先選擇蒸汽加熱作為產(chǎn)品的熟制工藝。

05

討論與展望

在擠出式3D打印中，打印材料的流變特性決定著最終的打印效果。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）黏彈性和屈服應(yīng)力共同反映著材料的機(jī)械強(qiáng)度，良好的機(jī)械強(qiáng)度是擠出后具備良好支撐性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵，因此打印漿料需要具備足夠的黏彈性和屈服應(yīng)力，但應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注屈服應(yīng)力，屈服應(yīng)力過(guò)高則不易擠出；2）打印材料需具備足夠的表觀黏度以及剪切稀化特性以保證打印后材料的成型效果以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；3）在3D食品打印中尤其是熔融沉積式或熱熔擠出式3D打印中，需要充分考慮處理溫度對(duì)于打印漿料的影響，選擇適宜的料筒加熱溫度以調(diào)節(jié)漿料的流動(dòng)特性，使其達(dá)到最適宜擠出的狀態(tài)。

其次，在選擇打印參數(shù)時(shí)，層高、打印速度及噴嘴直徑對(duì)打印效果的影響并非孤立存在，關(guān)鍵在于這些參數(shù)的相互匹配。建議借助相關(guān)模型進(jìn)行綜合分析和選擇。噴嘴尺寸對(duì)打印精度和擠出速度有直接影響，小噴嘴尺寸打印精度高，大噴嘴尺寸則擠出速度更快；打印速度需與擠出速率匹配，在所使用的擠出速率下，若打印速度過(guò)慢則會(huì)造成漿料堆積塌陷，過(guò)快則會(huì)導(dǎo)致打印線(xiàn)條斷裂；沉積層高度需根據(jù)打印精度需求進(jìn)行選擇，層高過(guò)高會(huì)導(dǎo)致打印線(xiàn)條變粗，過(guò)低則線(xiàn)條容易偏離預(yù)設(shè)軌跡；填充率和填充結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)考慮產(chǎn)品所需質(zhì)地和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以獲得最佳的產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)和自支撐穩(wěn)定性。

3D打印技術(shù)在新型食品的開(kāi)發(fā)與研究中展現(xiàn)出了表現(xiàn)出了廣闊的前景，除開(kāi)發(fā)易吞咽食品外，對(duì)推動(dòng)植物基肉制品、太空食品和個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)食品的開(kāi)發(fā)均發(fā)揮了積極的作用。在未來(lái)3D食品打印技術(shù)的研究中，應(yīng)聚焦于研究食品材料特性的改良方法，以助于開(kāi)發(fā)更多可用于3D打印的食品材料，突破原材料對(duì)3D打印技術(shù)的限制；加強(qiáng)對(duì)3D打印工藝優(yōu)化的研究，建立更完善的打印參數(shù)優(yōu)化模型。

06

結(jié) 語(yǔ)

食品物料的材料特性和打印機(jī)參數(shù)的選擇從多角度共同影響3D食品打印效果。在打印的擠出階段，擠出難易度主要受剪切稀化特性、屈服應(yīng)力以及熱特性的影響；在擠出后恢復(fù)階段主要受材料黏度、黏彈性和熱特性的影響；在成型后自支撐階段，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與自支撐性能主要受到黏彈性的影響。選擇打印機(jī)參數(shù)時(shí)，噴嘴溫度可通過(guò)影響材料的流變特性而對(duì)打印效果產(chǎn)生影響，在選擇時(shí)應(yīng)依據(jù)材料熱特性選擇適宜的噴嘴溫度；噴嘴尺寸主要決定著打印精度和分辨率，并與噴嘴高度、打印速度一同影響著材料的擠出速率；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的填充率和填充結(jié)構(gòu)主要影響著模型的機(jī)械強(qiáng)度和質(zhì)地。在進(jìn)行3D食品打印時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇適宜的預(yù)處理手段制備與優(yōu)化打印材料，并選擇與材料相匹配的打印機(jī)參數(shù)以達(dá)到最佳的打印效果。在使用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)易吞咽食品時(shí)，應(yīng)充分考慮打印參數(shù)對(duì)產(chǎn)品和后處理工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)地的影響，在保證打印效果的情況下應(yīng)選擇較大的噴嘴尺寸，可以?xún)?yōu)先考慮選用蒸煮作為后處理工藝，以獲得最適宜吞咽的產(chǎn)品質(zhì)地。

通信作者：

吳子健教授，碩士生導(dǎo)師，天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院。2017年入選天津市高?！爸星嗄旯歉蓜?chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃”，2017—2018年美國(guó)University of Nebraska Lincoln高級(jí)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者，天津科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，任《食品科學(xué)》《保鮮與加工》《生物學(xué)雜志》《食品研究與開(kāi)發(fā)》等雜志編委，“天津市生物化學(xué)與分子生物學(xué)會(huì)”理事，“天津市食品學(xué)會(huì)”理事，“天津市農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)”理事，“京津冀食品行業(yè)產(chǎn)教聯(lián)盟”副理事長(zhǎng)，天津市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)評(píng)審專(zhuān)家，青島市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)評(píng)審專(zhuān)家、天津市農(nóng)村農(nóng)業(yè)委員會(huì)科技項(xiàng)目評(píng)審專(zhuān)家、天津市食品安全監(jiān)測(cè)專(zhuān)家?guī)烊霂?kù)專(zhuān)家、天津市優(yōu)秀科技特派員（2019年）、天津市食品科技先進(jìn)工作者稱(chēng)號(hào)（2019年）、美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志群（ACS Publications）、《Food Hydrocolloid》《Carbohydrate Polymer》等SCI雜志以及《食品科學(xué)》《食品與發(fā)酵工業(yè)》《中國(guó)糧油學(xué)報(bào)》《食品與機(jī)械》等雜志審稿人。

第一作者：

李錫銘，碩士研究生，就讀于天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。

本文《3D食品打印材料特性及工藝參數(shù)優(yōu)化研究進(jìn)展》來(lái)源于《食品科學(xué)》2025年46卷第19期310-324頁(yè)，作者：李錫銘，陳金玉，吉芷芮，郭佳琦，陳金，易先計(jì)，吳子健。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250607-043。點(diǎn)擊下方閱讀原文即可查看文章相關(guān)信息。

實(shí)習(xí)編輯：李雄；責(zé)任編輯：張睿梅。點(diǎn)擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來(lái)源于文章原文及攝圖網(wǎng)