为了阐明3D打印技术在食品加工领域的发展趋势，肖志刚团队主要针对食品3D打印机理、食品材料的特性以及3D打印技术在食品加工领域的应用进行综述，旨在为3D打印技术在食品行业的研究应用提供技术支持，促进3D打印技术在食品领域的开发和利用奠定基础。
1.13D打印技术的优势
3D打印技术作为一项新兴技术，与传统技术相比具有低损耗、低成本等优点，食品3D打印技术最突出的特点是能够个性化定制食物，既可实现造型的个性化定制、快速制作出花式多样和结构别致的食品，改变传统食品加工中造型较为单一的状况和其他缺点，满足人们追崇时尚和提高生活品味的需求；另外还可实现个性化营养定制，通过配比各种食材的用量和比例来调整食品的营养组成，从而适应不同个体健康的需求，实现营养与科技的融合，将集成计算机数控等技术融入食品加工过程中，为食品加工业带来新的发展思路。该项技术主要应用情况见表1。
1.2食品3D打印技术的种类及原理
常见的食品3D打印技术有选择性激光烧结打印（SelectiveLaserSintering，SLS）、喷墨打印（Inkjetprinting，IJP）和挤压型3D打印技术。
1.2.1选择性激光烧结打印（SelectiveLaserSintering，SLS）
SLS技术采用红外激光器作能源，使材料凝结成型，其工作原理采用“分层制造、逐层累加”的制作方式（见图1），首先使用激光对目标区域内的粉末进行扫描，使其熔化并粘结在下一层粉末上，在该层粉末烧结完成后，开始下一层的烧结，逐层重复此步骤，直到制件最终成型。但其具体的成型原理根据打印材料的不同略有差别。
1.2.2喷墨打印（Inkjetprinting，IJP）
喷墨打印常用作打印其他食品上的装饰或表面填充，其原理是将流动的原料通过挤出喷嘴打印到基片上（常用披萨饼、饼干等作为基片），装饰品原料在打印过程中需维持流动状态（见图2）。不同于SLS技术，喷墨食品3D打印不是逐层打印，而是采用局部打印的形式，最终完成一个整体。由于喷墨打印头结构复杂，喷孔直径较小（一般为20～40μm），如果“墨水”做的不好，会出现断墨、散点、堵头等现象，对打印材料的表面张力、粘度、颗粒度有较高要求。
1.2.3挤压型3D打印技术
目前研究应用于FDM食品材料主要有凝胶、奶酪、巧克力、砂糖等食品。打印过程中由于温度变化引发材料的相变，从而保证从食品原料从喷头顺利挤出，并在挤压沉积中保持良好形状，该方法通过食物基本成分（碳水化合物、蛋白质和脂肪等）之间的协同组合和打印过程中食品材料的内在特性和结合机制实现，打印效果主要是由食品材料的融化和固化特性所决定。
常温挤出成型的3D打印食品原料在常温下应呈现半固体状态，自身具有一定的流动性和粘性，打印层可以相互粘连成型，一般为面糊、蛋糕糊等，打印完成的产品需要经过焙烤、油炸、蒸制等方法进行烹饪后才可以食用。为保证打印成品具有良好的美观性，不能采用支撑性能弱、结构造型差等不能满足3D打印工艺要求的食品材料，否则易导致产品的坍塌变形和成型性差等缺陷。由此可见，3D打印技术作为一项新型食品加工技术可以弥补我国传统的食品加工过程成本高、利润较低、能耗较大、产品结构单一等不足，对传统食品加工产业升级具有极为重要的意义。
除了选择适当的打印方式，3D打印食品原料的打印性、适宜性和后加工性也十分重要，直接影响打印后食品的食品打印精度和成型稳定性。食品3D打印的原料主要有三类，分别为天然具有打印特性的食品材料、不具有3D打印特性的食品原料和替代原料。食品3D打印过程中，食品材料可能会因自身重量发生崩塌、变形，所以打印材料应具有良好支撑性和稳定性，从而保证3D打印产品具有良好的三维空间结构。根据食品打印材料的成分不同，根据成分主要分为三大类（见表2）。在食品的复合体系中，淀粉、蛋白质、脂肪和果蔬类等营养成分的变化也会影响食品材料在3D打印过程中的熔融行为、玻璃态和塑化性等性质。
2.1淀粉类原料
2.2蛋白质类原料
2.3脂肪类原料
高脂类食品原料内部存在大量的脂肪结晶，脂肪结晶网络结构的不同，3D打印脂类内部结构、机械性能、硬度不同，脂肪结晶网络结构呈现具有特定流变学性质的软材料，具有较强的可塑性。目前，巧克力、肉泥等高脂类食品材料作为3D打印食品材料已在在食品3D打印技术中得到应用。宾夕法尼亚大学的研究团队于2012年最先利用3D打印技术，以糖和脂肪为原料进行肉类产品3D打印，打印的生肉纹理、质地和口感与普通生肉无明显差别。Narine等研究表明脂肪结晶网络结构的机械性能将会影响产品的软硬程度、质地等性质。
巧克力3D打印过程中，脂肪结晶有助于提高原料的机械性能，改善产品的空间结构，并对空间结构提供具有支撑作用的骨架结构。脂肪的晶型复杂，在固液态转变过程中，不同的降温条件会形成四种不同比例的γ、α、β’、β晶体，一般来说，相同甘油三酯的不同晶体类型在融化过程中有不同的焓变，其中β晶型的焓变和熔点值最大，在外界能量充足的情况下，不同晶型之间可以从非稳定态向稳定态转化，这些晶体变化影响着巧克力在打印过程中的物理特性，β晶型数量越多的3D打印巧克力制品，成品质量越稳定。巧克力的3D打印形成了β型晶体结构，呈现均匀细小的颗粒组织状态。可可脂的多晶形态对食品的支撑特性和贮藏稳定性等有一定的影响。在3D打印肉类食品生产中，肉的感官品质和保质期受甘油三酯影响，其中脂肪酸碳原子数越多熔点越高，双键数越多熔点越低。因此，脂肪酸碳链长度、双键数量具有调节脂类3D打印原料的熔点和支撑性能的作用。
2.4果蔬类原料
果蔬原料是一种典型的不可打印材料，果蔬原料粘度低，水分含量偏高，破碎成果泥后流动性强，不易成型，果蔬中纤维含量高，大颗粒原料在打印过程中容易产生堵塞显现，并且果蔬原料在加工过程中，容易发生氧化褐变、微生物增长等，失去原有营养和品质。Derossi团队研发出了一种专门为儿童设计的3D打印食品，以香蕉、柠檬汁等水果为主要原料，同时辅以果胶，制备的产品富含多种维生素。杨帆等以芒果为主要原料，通过调马铃薯淀粉比例来改变芒果浆的流变学性能，从而得到适于3D打印的凝胶体系。王浩等通过利用蓝莓果浆、果胶和魔芋胶等按一定比例的复配，3D打印的效果、质构、流变性能等均明显改善。
2.5其他
单一食品原料很难满足3D打印的要求，单一食品原料在色泽、形状、口味等很难满足现代人对营养追求。通过研究原料的种类和添加量来改善3D打印材料的特性的流变特性和质构特性，蛋白质、碳水化合物、脂肪和果蔬等食品原料的不同配比也将影响其溶化温度、流动性、塑化温度等，通过改变食品原料的结构特性使其具有较好的3D打印成型效果。
3.1打印性
打印性能是指食品材料通过3D打印机进行控制，有效保持打印后的形状。打印性能依赖于食品材料的结构，通过3D打印机打印并保持打印后的产品结构的稳定，食品材料应该具有良好的凝胶结构才能打印出造型多样、稳定性好的产品，材料的凝胶特性、流变性能和热冷转化性能（熔点和玻璃化转变温度Tg）等均影响食品打印的效果。糖类在3D打印过程中，糖对打印材料的玻璃化转变温度影响明显，不同的玻璃化转变温度对食品打印材料的支撑性能有重要调控作用。同时，糖粉的流动性和湿润性都将影响打印性能，因此适宜的流动性和湿润性可使打印的产品涂层均匀，并具有良好的机械性能。
3.2适用性
食品3D打印属于智能化的食品加工技术，可实现对产品的形状、色泽、风味、组织结构和营养的个性化定制，满足了人们对个性化营养的需求，3D打印将会给食品行业带来新的颠覆性变化。食品3D打印集合了智能装备和食品加工的技术特点，其材料的适用性决定了食品3D打印技术在食品领域中的应用范围。Severini等将梨、胡萝卜、猕猴桃、西兰花、鳄梨和鱼胶原蛋白等多种食品原料按比例混合，得到金字塔形状且营养丰富的“可打印冰沙”，将食品的营养价值与独特的设计结构结合，构建一种新型的营养、风味和造型兼具的新型食品。
3.3后加工性
食品的3D打印可分为可直接食用的3D打印食品和需要后加工的3D打印食品。后加工性能是指经过打印后的产品可经受焙烤、煎炸、蒸煮等烹饪等加工后才具备可食用的食品。在后续加工过程中，后加工的处理方式会影响到产品打印后的形状，因此为了保持食品材料性的稳定性，选用适宜后加工处理的食品材料，同时具有合适的物理化学性能、流变性能、机械性能和结构性能的食材至关重要的。
上世纪80年代后期美国人CharlesHull研究出3D打印技术，并在1986年研发出世界上第一台商用3D印刷机，3D打印技术在食品中的应用是由康奈尔大学Godoi等人首次提出。如今，随着食品3D打印技术的不断进步，3D打印食品原料的种类不断丰富，3D打印食品呈方兴未艾之势，呈现出良好的发展势头。3D打印食品具有个性化设计、营养丰富、造型多样等特点，最大程度的满足人们心理和生理的需求，成为21世纪食品领域新的研究热点。
4.1食品3D打印技术在肉制品中的应用
近年来，随着人们对肉制品品质的要求不断提高，以及需求量的不断扩大，肉类产品出现了严重的供求不平衡，将食品3D打印技术应用到肉制品生产中，研发出纹理和口感与传统肉类媲美的3D打印肉制品，大大降低了资源消耗。Liu等利用3D打印技术以鸡肉、猪肉和鱼肉为原料，通过加入明胶溶液作为粘合剂，以浆液的形式打印出一款便于老年人咀嚼的人造肉。3D肉制品打印不仅可以以传统肉类为原料，也可以添加昆虫、藻类作为替代原料作为新型的食品营养补充剂，制成适合3D打印的粉糊状或肉糊状，既可以降低传统肉类的能源消耗，也可以用于定制餐的生产。
4.2食品3D打印技术在果蔬制品中的应用
果蔬制品为人类提供了维生素、矿物质和膳食纤维等必不可少的营养物质，果蔬加工产生的副产品仍具有较高的营养价值，利用3D打印技术与蔬果食品原料相结合，在丰富了3D打印食品营养特性的同时能够提高原料利用率，节约成本。DovetaiLED公司研制出一款“水果打印机”，利用果汁、海藻酸、氯化钙等原料通过分子球化工艺进行3D打印，获得的打印食品与水果的口感相似。Vancauwenberghe等利用包封技术，将莴苣叶细胞封装到果胶中，通过3D打印技术打印出与植物组织相似的食品。Park等将海藻酸盐与胡萝卜愈伤组织分散体按比例混合，制备了愈伤组织基生物油墨。
4.3其他
随着3D打印在食品业的发展，各种3D打印食品层出不穷。荷兰TNO公司和Barilla公司以小麦粗粉和水为打印原料，生产出一种极具特色的意大利面。美国航空航天局发明的宇航员专用3D食品打印机，可以打印在太空中食用的披萨、面糊等。在甜品焙烤食品中，巧克力是应用最广泛的食品原料，Hao等通过控制打印机参数，研究发现挤压速率，喷头速率和喷头高度等因素对于巧克力3D打印成型质量的影响显著，并进行了一系列试验来优化最佳的3D打印参数，研发出了一种采用逐层叠加的方式制作个性化的3D巧克力产品，这种方法被称为“巧克力增层制造”，生产出造型丰富的立体巧克力。
目前，食品3D打印技术处于起步阶段，由于受到原材料和设备等限制，食品3D打印技术的发展受到严重制约。食品原料成分和结构的复杂性是影响产品的打印精度和成型稳定性的重要因素，通过现代技术和食品原料的调控来改善原料的流变学特性，将3D打印技术与食品营养相结合，寻求特殊人群的个性化定制食品，从而达到满足不同人群的需求。对3D打印程序和设备领域进行研究，提高食品打印效率，能够实现降低食品加工成本的目的。因此，为了提供口感良好、个性化营养、形状多样的3D打印食品，需要开发新型3D打印食品原料和与之相匹配的技术来满足食品3D打印领域发展的需求。虽然上述原因制约着食品3D打印的应用和发展，但与传统食品加工手段相比，在节约原料、产品造型和个性化营养定制等方面具有不可替代的优势。未来食品领域中的3D打印技术的发展发展将对传统食品加工产业带来深刻变革，为食品行业的发展注入新的科技驱动力。
作者简介
杨庆余，博士，副教授，主要研究粮食油脂及植物蛋白工程，第一作者（均为英文）：超声辐照糯玉米淀粉的精细结构、结晶及理化性质；微波辐射对糯玉米淀粉内部分子结构和物理性质的影响；卵磷脂对挤压膨化玉米淀粉性能的影响；不同乳化剂挤压处理对玉米淀粉热稳定性及结构的影响；大豆卵磷脂对挤压增塑热塑性淀粉性能的影响。
代表性成果
（1）Finestructure,crystallineandphysicochemicalpropertiesofwaxycornstarchtreatedbyultrasoundirradiation[J].UltrasonicsSonochemistry,2019,51:350-358.
（2）Effectofmicrowaveirradiationoninternalmolecularstructureandphysicalpropertiesofwaxymaizestarch[J].FoodHydrocolloids,2017,69:473-482.
（3）Effectsoflecithinadditiononthepropertiesofextrudatemaizestarch[J].JournalofFoodProcessingandPreservation,2016,40(1):20-28.
通讯作者简介
肖志刚，博士生导师，沈阳师范大学粮食学院院长、学科带头人，美国堪萨斯州立大学访问学者、美国密苏里大学高访学者，主要从事粮油精深加工科研及教学工作。担任中国粮油学会食品分会副会长，国家粮食行业协会常务理事，国家粮食行业高等教育指导委员会委员，国家自然科学基金同行评议专家，教育部学位与研究生教育评审专家，InternationalJournalofFoodProperties等20本国内外期刊编委、审稿人，美国谷物化学家协会高级会员等，率领团队完成的“离田稻谷产后减损关键技术创新及应用”项目，荣获“2019年辽宁省科技进步奖二等奖”，第一完成人。
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（2）XuX,LuoZ,YangQ,etal.Effectofquinoaflouronbakingperformance,antioxidantpropertiesanddigestibilityofwheatbread[J].FoodChemistry,2019,294(OCT.1):87-95.
（3）WangN,SalehA,GaoY,etal.Effectofproteinaggregatesonpropertiesandstructureofricebranprotein-basedfilmatdifferentpH[J].JournalofFoodScienceandTechnology,2019,56(11):5116-5127.