3D食品打印方法和材料的概述

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之一是新兴的美食学领域，换句话说就是“ 3D食品印刷”。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。该技术可实现定制和个性化，并且已在包括医疗保健，航空航天，建筑，时尚和美食在内的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。”

ASTM F2792-12a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：

1. 缸聚合
2. 材料挤出
3. 定向能量沉积（DED）
4. 粉末床融合（PBF）
5. 活页夹喷射
6. 材料喷射
7. 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）。”

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，这可能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“增加现有食物的使用量”可以帮助简化供应链并解决食物短缺问题。一个例子是Upprinting Food，这家公司将食物残渣用作食品3D打印机的“墨水”，将水果，面包和蔬菜等成分组合在一起制成3D打印的果泥。然后将印花进行调味，烘烤和脱水，“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，例如烘焙和成型，从而节省了时间，并且该技术还使食品运输变得更加容易。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产生，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，”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。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之类的水凝胶，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。次年，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。

是否需要3D打印的粉虫糕点？ “ 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，通过食用整个昆虫来克服消费者的厌恶。

该团队写道：2014年，Soares和Forkes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，以制造出装饰顶级蛋糕的糖霜。 “进一步的工作是由Severini等人进行的。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墨水和Ca 2+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凝胶化，并且消除了预处理或后处理步骤。 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，这些样品是由“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”的组合材料制成的。

” 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％，以查看打印的对象是否含有100％的巧克力。％填充物的抗断裂性低于铸造技术。 “从所收集的作品中可以明显看出，即使在过去十年中一直进行稳步的研究，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，未来采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了解。”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，尽管消费者的接受程度仍然是一个挑战，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。