3D 打印技术（three-dimensional printing technology），也被称为添加剂制造技术，快速成型技术或固体成型技术，是一种基于数字模型预先设计3D 对象，通过分层黏合材料打印出预期产品的技术[1]。近年来，有关研究愈发深入，由于其具有多方面优势而备受瞩目，如个性化定制、缩短制造周期、降低生产成本、提高资源利用率等。目前，在许多领域如食品加工[2]、生物医学[3]、航空航天[4]、服装设计[5]、制药工业[6]、机械工程[7]中3D 打印技术都得到了广泛应用。
食品3D 打印技术是一种将三维建模、机电控制、食品科学等多学科融为一体形成的新型食品加工技术[8]。食品3D 打印不仅可以个性化打印食品，且营养配置均衡全面，能有效满足特定人群的多样化需求。还能通过改变食品的硬度及咀嚼性来为特定人群（如咀嚼能力欠佳的老年人和有进食障碍的病人）提供膳食[9]。同时也可有效改善食品品质，提高食品的趣味性[10]。目前，食品3D 打印的主要原料有巧克力[11]、凝胶[12]、马铃薯[13]、奶酪[14]等。淀粉是一种由大量葡萄糖分子聚合而成的天然多糖，由糖苷键连接，是一种重要的可再生资源，也是碳水化合物丰富的来源。淀粉因其具备来源广、可再生、总量大及无毒害等优点而被广泛研究和应用[15]。
食品凝胶是亲水胶体的一种，是一种能将液体（一般为水和油）或气体通过三维网络截留的软物质材料。因其具有高含水量、低热量和适宜的口感等特性，受到消费者的欢迎。淀粉基凝胶作为食用凝胶的重要组成部分，其在食品领域的研究应用也受到广泛关注。本文综述近年来以淀粉基凝胶为打印原料的食品3D 打印技术的应用现状，总结3D 打印技术的原理、淀粉基凝胶打印特性，以期为3D 打印淀粉基食品的应用和发展提供参考。
1 食品3D 打印技术原理
1.1 淀粉基3D 打印技术
目前，关于3D 食品打印技术的研究大多为油墨挤出。将食品油墨推入打印喷嘴，按照预设图形喷涂在目标板上，这种技术适合打印液体和黏度较低的食品材料。剪切稀化水凝胶和糊状浆料形式的食品油墨是理想的印刷油墨，原因是它们可在合适的剪切速率下从喷嘴平稳地喷射出来，并且还具有特定的屈服应力和弹性模量以在喷射后保持印刷形状[16]。常见的3D 食品打印技术主要有4 种，具体信息见表1。
表1 3D 打印主要技术工艺
Table 1 Main technical process of 3D printing
技术工艺熔融沉积建模选择性激光烧结黏结剂喷射喷墨打印英文名称及缩写fused deposition modelling，FDM selective laser sintering，SLS binder jetting，BJ ink-jet printing，IJP
这4 种打印技术中，淀粉凝胶打印最常用的技术工艺是熔融沉积建模。熔融沉积建模（FDM）也被称为热熔挤出技术，适用于食品尤其是谷物材料的3D 打印[17]。FDM 具有成本低、打印产品形变程度小、原料资源丰富等优势。可以打印出满足各种人群的个性化定制外形和营养的食品[18]。其工艺原理为先通过计算机建立三维打印模型，设置好打印参数，然后将待打印材料加入到料筒，待材料加热到熔融状态时，料筒中的流体打印材料经过设定好的打印路径通过喷嘴挤压出来，在打印平台上快速凝固成型，当前截面打印结束后，打印机自动开始下一层的喷涂打印，逐层累积直到产品打印完成[19]。
1.2 食品3D 打印设备构成
食品3D 打印设备的类型主要有三角洲型（Delta）、笛卡尔型（Cartesian）、极坐标型（Polar）以及斯卡拉型（Scara）。这4 种不同类型的打印设备所进行的打印路径也各不相同，具体体现在打印喷头在X、Y 和Z 轴的移动路径各有差异，因此适用于不同的打印阶段。其中，笛卡尔型是食品3D 打印最常用的设备类型。
熔融沉积建模工艺的打印机制见图1。
图1 3 种挤压式食品3D 打印机示意图
Fig.1 Schematic diagrams of three extruding 3D food printers
a.注射器式挤压型；b.气体式挤压型；c.螺杆式挤压型。
由图1 可知，常见的挤出方式分为注射器式挤压、螺杆式挤压和气体式挤压出料3 种[20]。注射器式挤压出料的过程是在步进电机控制下驱动储存打印材料的注射器喷嘴挤出材料，进而在打印平台上堆积成型。由于注射器内部产生的物料摩擦力小以及打印喷嘴口径小，因此有利于提高打印精度。但由于注射筒的容积较小，储存的材料有限，所以无法进行持续打印过程。螺旋式挤压出料的过程是通过电机驱动螺杆不断转动施加压力，将材料往下压到喷嘴处挤出。由于螺杆与打印材料直接接触，螺杆和原料运送装置应使用食品级不锈钢材料。气体式挤压出料的过程是通过向储存有打印材料的食品级密封腔盒内吹气加压，从而实现打印材料的挤出。同时可通过对气压大小的调节控制挤压力的大小，进而达到控制材料打印速率的目的[21]。基于气体挤压设备的工作原理，打印材料不与设备构件直接接触，这种运行机制能有效降低食品污染的风险[8]。但是由于气泵与密封腔盒相连，在加入打印材料前需将腔内空气排出，防止发生空喷。
1.3 食品3D 打印流程
食品3D 打印设备的工作流程主要有构建三维模型、构建打印路径、打印3 个步骤。
1.3.1 构建三维模型
构建三维模型是整个打印流程的第一步，依据研究人员所需的目的产品最终特性，利用CAD 计算机专业绘图软件进行模型设计，然后通过软件建立三维模型。
1.3.2 构建打印路径
通过计算机获取三维模型信息后可自动分析三维立体图像，并将其分解成二维平面图像。一般来说，分解的二维平面越多，打印出的成品也越为精细，但花费的打印时间也更长。同时，在开始打印前还需要根据食品原料的特性来决定最终打印的层数。最后通过计算机根据构建好的二维图像构建最终的打印路径。打印路径的构建对产品的最终打印效果有较为显著的影响。
1.3.3 打印
根据构建的三维模型及打印路径信息，3D 打印机逐层打印堆叠成型。此外，在打印过程中，需要控制好相关因素以保证产品质量，例如打印速度、温度、挤出方式等。
2 淀粉基材料3D 打印特性
食品3D 打印的关键在于打印原料的主要成分及性质[12]。食品级的打印原料主要分为3 类：可打印原料、不可打印原料以及选择性打印原料[13]。原料可打印特性的评价指标主要有原料均一性、平滑度、黏性、流变特性及自支撑性。3D 打印的食品原料应满足3 个特点，即可打印性、适用性以及后加工性。
2.1 可打印性
可打印性，即应用于3D 打印的原料须可打印，如食用凝胶、可食用粉、肉糜等。同时，这些原料经过3D打印后还需能保持其原有形态结构。蛋白质、脂肪、碳水化合物、纤维、凝胶以及其他功能成分是食品3D 打印常用油墨[22]。而对于本文所探讨的淀粉凝胶，决定其打印特性的因素主要有流变、糊化、熔点、质地等特性。淀粉糊化时发生分子间相互作用，形成的黏弹性流体属于剪切稀化和触变性非牛顿假塑性流体。这也有利于淀粉凝胶的热挤出，且在挤出后物料会在打印平台上迅速硬化成型。
2.2 适用性
适用性是指打印材料不仅具备可打印成型的能力，还需具备满足特定目标形状和营养特性的能力。3D 打印技术的适用性主要取决于打印材料的物理、化学性质。同时，打印材料应具有适当的流动性，且可以在打印过程中和打印后有较好的支撑性[23]。天然淀粉基材料的流动性较差，无法直接进行印刷。因此，对打印材料进行适当的物理改性有助于材料适用性的改善，从而扩大3D 打印在食品加工领域的应用范围。
2.3 后加工性
3D 打印后还通常需要进行后处理。通过对打印后的产品进行处理来提升产品的打印效果，从而扩大3D 打印技术的应用范围[24]。后处理可以有效地保持良好的打印稳定性。质感是评价印刷产品的指标之一。后加工中的物理调节可以有效改善产品的质感。Severini 等[25]在打印并烘烤好的面团中发现适宜的温度可以避免面团低膨胀和表面结皮，导致面团的硬度下降。Dick 等[26]研究发现肉的质地受再加热方法的影响。对于需满足易于吞咽的3D 打印肉制品，微波加热能够有效防止对流加热造成的结皮，从而使打印制品质地柔软。微波加热材料具有显著的膨化效果，可应用于3D 打印的后处理。这有助于将3D 打印的淀粉类产品膨化为类似于油炸食品的低脂产品[27]。
3 影响淀粉凝胶3D 打印效果的因素
3.1 淀粉来源
目前，马铃薯、木薯、山药、甘薯和小麦等来源的淀粉均已被用于挤压式3D 打印。表2 从淀粉来源、配方、打印类型、打印参数和打印效果等方面总结不同淀粉来源的淀粉凝胶3D 打印性能。
表2 不同淀粉凝胶的3D 打印特性
Table 2 3D printing properties of different starch-based gels
淀粉来源木薯淀粉配方淀粉与水质量比1∶4打印类型室温挤出参考文献[28]马铃薯淀粉室温挤出打印效果样品精度高，样品尺寸接近目标模型样品结构稳定、打印精度高[29]山药淀粉1%卡拉胶、0.5%黄原胶和2%马铃薯淀粉16%山药淀粉凝胶体系室温挤出[30]甘薯淀粉淀粉与水质量比1∶4室温挤出[28]小麦淀粉淀粉与水质量比1∶4热挤压[31]玉米淀粉16%玉米淀粉，4%或6%结冷胶热挤压打印参数喷嘴直径0.84 mm，打印速度为30 mm/s喷嘴直径0.8 mm，打印速度为22 mm/s喷嘴直径0.6 mm，打印速度为15 mm/s喷嘴直径0.84 mm，打印速度为30 mm/s喷嘴直径1.2 mm，挤出温度45 ℃，打印速度为30 mm/s喷嘴直径0.8 mm，挤出温度60 ℃，打印速度为22 mm/s样品成型性好，内聚性高，结构稳定样品表明光滑，流变性好，结构较稳定样品形态结构完整，表明光滑，打印精度高样品结构稳定，呈乳白色，表面光滑[32]
3.2 添加剂
不同淀粉来源及凝胶配比间的差异会对淀粉凝胶的3D 打印效果产生显著影响。为得到理想的淀粉基3D 打印油墨，增强打印效果，对淀粉进行改性处理是目前研究人员常用的技术手段。目前，物理法、化学法、酶法及添加剂处理等方法是常用的改性方法[33]。相较于物理法、化学法和酶法，添加食品添加剂是改善淀粉凝胶特性的一种更简单、有效的方法[34]。目前，3D 打印食品所用的添加剂主要有4 类，如表3 所示。
表3 添加剂对淀粉凝胶3D 打印性能的影响
Table 3 Effects of additives on the 3D printing performance of starch-based gels
类型亲水胶体添加剂海藻酸钠或黄原胶瓜尔豆胶参考文献[35][36]甜味剂食用糖浆[37]羊草多糖[38]食用酸柠檬酸[12]无机盐氯化钠[39]氯化钙原料马铃薯淀粉凝胶山药淀粉凝胶大米淀粉凝胶木薯淀粉凝胶马铃薯淀粉凝胶小麦淀粉凝胶荞麦淀粉凝胶结论提高打印几何精度，提高打印样品结构稳定性增强样品凝胶稳定性和成型性，打印线条流畅淀粉凝胶体系黏附性增强，样品打印性能显著改善淀粉凝胶体系黏度增强，易于堆积成型凝胶打印分辨率高，表面光滑无缺陷产品成型性好，有效延长货架期提高荞麦淀粉凝胶打印精度[40]
3.3 打印工艺参数
在FDM 的挤压过程中，打印速度、挤出温度、喷嘴直径、喷嘴高度、层片厚度等印刷参数对最终成品的印刷效果有显著性影响[41]。
3.3.1 物料黏度
在凝胶打印过程中，物料的黏度也对最终打印效果起到重要的作用。若物料黏度过低，则会无法支撑打印腔室内部结构的稳定，将会使得打印难以进行，无法打印成型。若物料黏度过高，则会导致材料流动性变差，打印挤出不连续，易造成表面塌陷，影响产品的最终成型。
3.3.2 物料流量
Derossi 等[42]发现物料的流量即材料的流动速度对打印精度和产品组织性能影响较大。在低流量打印条件下，打印产品内部孔隙较大，结构不规则，且挤出间断不连续。在高流量打印条件下，挤出物料体积相对增大，导致每层挤出厚度增加，产品内部的孔隙减少，几何尺寸明显增大，体积增加。
3.3.3 打印速度
在挤压过程中，当喷头移动速度过快时，喷头会因步进电机失步、传动带与齿轮之间存在间隙等原因导致打印产品出现较大误差，且表面质量变差[43]。Khalil等[44]研究发现喷嘴移动速度、喷嘴直径和物料流量间的关系，并由此确定出临界喷嘴移动速度，即临界打印速度，如式（1）所示。
式中：VN 为最佳喷嘴速度，mm/s；Q 为物料流量，cm3/s；D 为喷嘴直径，mm。
结果表明，当喷嘴速度大于VN 时，打印油墨墨珠直径小于喷嘴直径，导致油墨线条间断且不连续，不利于堆积成型；而当喷嘴速度小于VN 时，墨珠材料直径大于喷嘴直径，导致线条卷曲成束，打印精度下降。
3.3.4 喷嘴高度
喷嘴高度对3D 打印产品的最终效果也是具有显著影响的。Hao 等[45]对巧克力3D 打印的研究证明了喷嘴高度与打印效果之间的关系，并通过多次试验建立和验证了相应的方程，从而确定喷嘴临界高度。如式（2）所示。
式中：hc 代表喷嘴的临界高度，mm；Vd 代表物料流量，cm3/s；Vn 代表喷嘴移动速度，mm/s；Dn 代表喷嘴直径，mm。
3.3.5 层片厚度
层片厚度指的是在FDM 挤压过程中，每一层面打印时打印油墨所占的厚度。FDM 打印工艺是一种由下至上逐层堆积成型的沉积技术。郭文霞等[46]对FDM 工艺精度影响因素的研究中发现在印刷过程中，在其他打印条件相同的情况下，层片厚度越大，打印模型表面就会越粗糙。张永等[47]的研究发现，当打印模型需要进行斜面打印时，由于重力及打印误差的存在，侧表面会出现打印不连续的现象，从而导致产品表面粗糙。
4 淀粉基凝胶3D 打印的应用及发展趋势
4.1 淀粉基凝胶在水产品3D 打印中的应用
近年来，以鱼糜为基质的3D 打印技术在水产品加工领域的应用范围不断扩大。鱼糜是一种以鱼肉为原料的调制品，是将鱼肉斩拌成糜后加入食盐、糖、添加剂等调味料进行搅拌，搅拌均匀后形成糊状，再经过加热形成具有弹性的鱼糜凝胶。鱼糜凝胶因其具有良好的质地和营养特性而被用于3D 打印的原料。Kim等[48]研究发现，在对鱼糜凝胶进行3D 打印前将适量马铃薯淀粉溶液涂抹在凝胶表面可以保持打印形状的稳定。其原因可能是马铃薯淀粉颗粒在加热过程中吸水膨胀，颗粒之间相互交联形成致密的空间网络结构，提高了鱼糜表面的凝胶强度和打印制品的结构强度。
4.2 淀粉基凝胶在果蔬3D 打印中的应用
淀粉可作为水胶体应用于果蔬原料的3D 打印中，使果蔬原料具备良好的打印性能。目前，已有学者研究利用淀粉作为水胶体，添加到马铃薯泥[49]、柠檬汁[12]、浓缩草莓汁[13]、蓝莓花青素粉末[50]等果蔬原料中以改善原料打印性能，提高产品印刷质量。杨帆[51]通过研究发现在芒果果浆中加入适量的马铃薯淀粉可以增加芒果果浆的黏稠度，改善其流变特性。同时还得出结论，当果浆与淀粉质量比为86.96∶13.04 时，芒果果浆凝胶体系的3D 打印特性最佳，成型效果最好。Azam 等[52]将小麦淀粉作为浓缩橙汁3D 打印的添加剂，打印出的凝胶体系体现出良好的流变性能，并与目标模型尺寸相似度达99.72%。同时还提升了淀粉强化浓缩果汁的3D 打印性能，应用前景广阔。
4.3 淀粉凝胶3D 打印的发展趋势
4.3.1 淀粉基凝胶彩色3D 打印
消费者尤其是青少年对食品的第一印象大多取决于食品的外观颜色。造型独特、色彩丰富的食品具有调节食欲的作用，往往更易获得消费者的青睐。淀粉作为一种可再生且储量丰富的绿色食品资源，可作为食品3D 打印材料的重要来源。淀粉呈白色，单一的淀粉基凝胶3D 打印出的产品在颜色上不具备吸引力，而果蔬原料的色彩丰富多样，是彩色食品打印的重要着色剂。同时，果蔬原料中的呈色物质一般都具有较高的营养价值，含有大量对人体有益的元素。因此，将丰富的淀粉资源与果蔬资源相结合，基于3D 打印技术开发出具有色彩鲜艳的淀粉基凝胶3D 打印食品，是未来食品包括淀粉基食品3D 打印的重要发展方向。一方面能满足消费者吸收各类营养元素的需要，另一方面也满足了消费者对于个性化定制食品造型的需要。目前，Fan 等[53]利用花青素在不同pH 值下呈现不同颜色的特点，开发出色泽诱人的绿色3D 打印食品。
4.3.2 微胶囊技术
微胶囊是一种将微量物质包括固体、液体以及气体，包裹在聚合物薄膜中的食品新型包装技术。被包埋的物质称为芯材，包括香料、甜味剂、色素、维生素、脂类、矿物质、微生物、酶以及其它各种添加剂。将微胶囊技术应用到食品领域，可以在降低挥发性、提高抗氧化性、均匀混合不相容成分、隔离活性成分等方面发挥显著作用。淀粉是一种广泛用于微胶囊化的壁材，未改性和改性淀粉越来越多地被考虑用于维生素、精油、香料、药物和微生物的微胶囊化。Esquivel-González等[54]使用以甘薯淀粉为壁材，以甜菜红素为芯材包埋，利用喷雾干燥技术对微胶囊乳液颗粒进行凝固干燥处理。将该技术应用到食品工业，可以使纯天然的风味配料、生理活性物质融入食品体系，并保持其生理活性，同时简化许多传统加工工艺流程，提高工艺效率并降低营养物质的损失，从而提高食品品质。因此，将微胶囊技术与食品3D 打印技术相结合是未来3D 食品打印的发展方向之一。
4.3.3 4D 打印技术
4D 打印的概念最早由Tibbits[55]于2013 年提出，并将4D 打印定义为“3D 打印+时间”的智能设计。4D打印是指在3D 打印过程中，通过外界的刺激使得打印产品随时间发生自响应变化，从而实现一种“动态”的打印技术。由此可见，所谓4D 打印技术就是3D 打印技术在时间维度上的进一步延伸。目前有关4D 打印的研究已经在生物、医药、航空、材料及食品等领域取得一定的推广和应用[56]。
现阶段，可用于4D 食品打印的凝胶主要包括淀粉凝胶和水凝胶。Shi 等[57]开发了一种以马铃薯淀粉为原料，通过微波处理触发原料自响应特性的4D 蜂蜡紫色马铃薯淀粉油墨产品。该产品具有绿色低脂的特点，可作为1 种代表性淀粉凝胶4D 打印食品。此外，研究人员还通过调节pH 值刺激马铃薯粉中的花青素，使得花青素在不同pH 值下呈现不同颜色，实现打印过程中马铃薯的自变色，提高了消费者感官评价。
4.4 淀粉基食品3D 打印的发展前景
目前，3D 食品打印的优点和众多可能的用途已被广泛讨论，但关于消费者对3D 食品打印的态度、看法和接受度的研究较少[58]。关于食品3D 打印的伦理和社会问题一直备受关注。通过相关的调查研究发现消费者对这种新兴技术制作的食品大多还持观望的态度。部分消费者甚至对3D 打印食品的安全性表示担忧。还有一部分人表示虽然这项技术是一种具有发展前景的新兴食品加工技术，但并不认为这项技术能改变人们传统的饮食习惯和烹饪方式。Lupton 等[59]研究发现，消费者可能单纯对品尝打印食品感兴趣，或对该种新技术感兴趣，但不会完全接受该技术应用到日常生活中。3D 打印食品将会面临消费者认可接受其作为日常加工食品方式的挑战。因此，3D 打印食品原料用于3D 打印之前需要进行严格的安全评估，不仅要优化食品的打印特性，还要获得更多消费者的支持。同时，为扩大3D 打印技术在食品加工中的应用，许多科研人员从各个方面研究和改善该项增材制造技术。虽然该技术相较于传统加工方式优势显著，但目前在食品加工领域却少有应用，这可能不仅与社会伦理有关，还与其较高的打印成本以及在储藏保鲜、感官风味等方面存在的劣势有关。在未来3D 食品打印的市场发展中，研究人员不仅需要继续进行打印技术和方法的优化，还要改变消费者的负面态度，以确保3D 打印技术在食品中得到更广泛的应用。
5 总结与展望
本文主要介绍3D 打印技术的原理和淀粉基凝胶的3D 打印特性，并探讨了影响淀粉基凝胶3D 打印效果的因素以及所面临的挑战，最后综述淀粉基凝胶在食品3D 打印中的应用现状和发展前景，为淀粉凝胶在食品3D 打印中的应用发展提供参考。同时，为进一步发展淀粉基食品3D 打印，今后还可从以下几个方面开展研究：一是对淀粉甚至是物料原粉进行改性，有利于提升其打印特性；尤其是物理调控技术已被证明是可以根据基材性质提高印刷性能的有效且环境友好的方法；二是深入研究食品3D 打印辅助技术，例如微胶囊、静电纺丝、非热加工等技术，从而提高打印制品品质；三是结合微波等热处理方法，开发出适宜谷物基包括淀粉材料的多喷嘴多轴打印平台，从而提高谷物材料的3D 或4D 打印效果。四是当前3D 打印设备用户交互界面不完善，尤其是打印模型的设计门槛较高，因此急需开发出一种智能化、便捷化的模型设计软件，建立一个开放的数据库，将设计转化为处理参数的数字3D 模型。
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