3D食品打印方法和材料的概述

伯明翰大学的研究人员发表了一篇论文，对与食品3D打印范围有关的各种方法和材料进行了评论，他们写道：“这是一个提供广阔享受或娱乐体验，个性化食品或特定营养需求的广阔领域。

“增材制造的一个更具挑战性和复杂性的领域是新兴的美食学领域，换句话说就是“3D食品印刷”[4]。他们能够选择性地将材料沉积在3D体积内，从而满足成分的要求，从而有可能控制复杂结构的生产，从而改变食品的质地，口味和形态。”“通过调节材料的混合和选择性沉积来操纵微观结构，可以在产品使用过程中调节断裂，破裂或溶解机制，这提供了一系列功能性和新颖食品的可能性。”

AM具有许多优势，包括提高效率，设计自由度，减少浪费和更快的周转时间。该技术可实现自定义和个性化，并且已在医疗，航天，建筑，时尚和美食等多个应用领域中获得了有希望的应用。

近年来，对3D食品打印的各个方面进行了一些评论，包括3D可打印食品配方，设计食品材料的方法，对环境的影响以及可能的法律挑战以及各种食品3D打印机的优缺点。但是这一领域正在发展，并且“有必要对已发布的报告进行整理和分类，并巩固这些发展。”

研究人员指出：“这样，我们可以更好地了解迄今为止的成就以及未来研究的潜在领域。”

ASTMF2792-12a分类了七个特定的AM标题，尽管通常使用不同的首字母缩写来描述相同的过程：

缸聚合

材料挤出

定向能量沉积（DED）

粉末床融合（PBF）

活页夹喷射

材料喷射

薄板层压

到目前为止，其中五种（桶聚合，挤出，PBF，粘合剂喷射和喷墨印刷）已用于印刷食品。

他们写道：“对于AM而言，相同的处理原理通常也适用于3D食品打印。”“但是，对于3D食品打印来说，可能需要不同程度的预处理，例如食品配方的微调，以及后处理（例如烹饪和烤箱干燥）[4]。”

3D食品打印涉及一些独特的挑战。例如，某些3D打印食品样品在空气中存储时显示出较高的微生物浓度，这意味着卫生设备设计需要进一步考虑。同样，许多消费者经常对“看起来经过大量加工”的食品持负面看法。但是潜力似乎远远超过任何问题。

首先，减少食物浪费和“增加现有食物材料的使用”可以帮助简化供应链并解决食物短缺。一个例子是UpprintingFood，这家公司将食物残渣用作食品3D打印机的“墨水”，将水果，面包和蔬菜等成分混合在一起制成3D打印的果泥。然后将印花进行调味，烘焙和脱水，“以使所得到的产品松脆，持久耐用。”

通过使用3D打印消除了许多食品制造过程，例如烘焙和定型，从而节省了时间，该技术还使食品运输更加容易。3D打印食品还可用于定制食品，以治疗营养不良或帮助有特殊饮食需求的人，例如患有乳糜泻或吞咽困难的人。它可以促进昆虫等低碳食品的生产，并且3D打印无肉肉可减少对环境的影响。

您可以按时间顺序查看已报道的3D打印方法和食品材料，例如表1中使用的牛奶巧克力，小麦面团，Vegemite，西兰花粉和胡萝卜粉以及热诱导的蛋黄酱。

为了使3D食品打印变得可行，应根据材料的机械性能对打印参数进行精确的校准。此外，研究流变特性及其与印刷参数之间的关系是提高3D打印食品整体质量的关键[2]，”研究人员指出。

“通常，3D可打印材料必须表现出可控的粘弹性响应，必须形成能够承受毛细作用力产生的压应力的稳定结构，并且在干燥时不得收缩太多，以避免变形和/或形成裂缝[58]。这些材料一旦沉积就必须能够保持其形状。它们需要可打印成定义的形状，而不会塌落，散布或桥接。”

重要的是，将材料分类为“天然可印刷”的示例（例如水凝胶和乳制品）和“非天然可印刷”的示例（例如肉和植物）。但这将是困难的，因为多种因素影响可印刷性，如何预测或评估形状逼真度尚无共识，仅一种材料可用一种AM方法进行3D打印并不意味着另一种情况就是如此。

最合适的3D食品打印材料是碳水化合物，脂肪，纤维，功能成分和蛋白质，以及海藻酸盐和明胶等水凝胶，而挤出是3D食品打印中使用最广泛的AM技术。为此，材料需要表现出剪切稀化行为，这意味着它可以从喷嘴中挤出。

关于表1中的信息，研究人员列出了他们认为最重要的里程碑，从2009年开始研究开发用于食品3D打印的原料。第二年，在“量身定制的食物质地令人鼓舞的结果”之后，研究人员研究了添加剂对烹饪和油炸前后3D打印结构形状保真度的影响。

“3D食品印刷已被用来设计合适的昆虫产品作为一种新的蛋白质来源，从而通过食用整个昆虫来克服消费者的厌恶情绪。该团队写道：2014年，Soares和Forkes[82]代表了应用于食用昆虫的3D打印技术的一个例子，他们将由食用干昆虫制成的面粉与方旦糖组合起来进行印刷，从而为顶蛋糕的装饰锦上添花。

“进一步的工作是由Severini等人进行的。[83]从富含昆虫的小麦粉面团中获取零食作为一种新的蛋白质来源。”

研究人员在2015年将喷墨打印技术用于微囊化工艺–他们开发了具有500个喷嘴的打印头，该打印头可以制造单分散液滴，一旦干燥，便会变成高度单分散的粉末。这使他们可以通过氯化钙溶液打印藻酸盐滴，以制成藻酸钙凝胶颗粒。

“在2018年，Vancauwenberghe等人[86]设计了一种同轴挤出打印头，分别在内部和外部流中沉积果胶基油墨和Ca2+交联溶液。这种设计有助于精确控制打印对象的纹理特性和胶凝，并消除了预处理或后处理步骤。”研究人员写道。

同年，另一个团队比较了未经处理的3D打印的融化奶酪样品的机械性能和质地，并确定在打印过程中脂肪球破裂，但随着打印固化部分凝结。同样在2018年，研究人员比较了冷冻干燥和烤箱干燥对3D打印样品形状保真度的影响，这些样品由“冷溶胀淀粉，奶粉，黑麦麸，燕麦和蚕豆蛋白浓缩物和纤维素纳米纤维”的组合材料集制成。”

他们在参考有关土豆泥的研究时解释说：“通过改变填充结构的3D对象的结构特性主要是在聚合物和生物印刷中进行了研究。”

“通过不同填充图案（直线，蜂窝和希尔伯特曲线）和壳周长的变化来改变填充百分比（10％，40％，70％和100％），研究了土豆泥的质地和结构质量[96]（3、5和7个炮弹）。”

为免让我们忘记甜点，研究人员在2019年向“半训练的小组成员”展示了三份以蜂窝状3D打印的巧克力样本，填充率分别为25％，50％和100％，以查看打印对象是否含有100％的巧克力。％填充物的抗断裂性低于铸造技术。

“从收集的作品中可以明显看出，即使在过去十年中进行了稳步的研究，也很少有关于复杂性和对所选配方的理解的连续联系发展。因此，未来应用和发展的一个重要因素将是着重于进一步开发这些材料，以获得更多定制产品和更详细的理解，”研究人员指出。

该团队总结了食品行业中3D打印的未来，并指出，尽管消费者的接受度仍然是一个挑战，但全球食品公司正在使用该技术，创建食品3D打印机并投资于研究。