挤出型食品3D打印技术研究进展

——江南大学范大明教授课题组

《未来食品科学》年1卷1期刊载

研究背景

3D打印技术是一种集快速自动成形、图像图形处理、数字化控制等过程于一体的增材制造技术，目前已广泛用于航天、生物医学、材料和食品等领域。近５年来，国内外关于食品3D打印制造技术的发表文献量快速增长,共计篇。研究主要集中在食品打印设备及过程、谷物和烘焙食品、巧克力和糖果食品等方面，而关于畜禽肉类、水产食品、乳制品等食品的3D打印研究相对较少。我国专利申请数占比达世界总量的70.60％，申请主体主要来源于广东省、江苏省、浙江省和安徽省等地区（图1）。其中挤出型3D打印技术研究最为成熟，该技术利用喷嘴将食品物料挤出，根据预先设定的路径移动,通过层层堆叠得到个性化3D打印食品.本文综述了挤出型食品3D打印技术，从挤出型3D打印原理、打印原料特性要求、技术应用场景等方面，展望了挤出型3D打印技术的未来发展趋势，期望为未来食品3D打印技术中的应用提供研究思路。

1

挤出型3D打印技术介绍

1.1承料系统

挤出型3D打印机物料筒通常以圆柱形为主，一端承接挤出压力，另一端与挤出头相连，挤出速率相对较低，挤出过程中浆料流体状态较稳定，剪切稀化行为不明显，但具有较大的压力负载。LiuZipeng等采用具有物料筒加热功能的挤压型3D打印机打印马铃薯淀粉质浆料,通过调整浆料浓度、性质以及物料筒加热温度,使挤出浆料具有良好的流变学性能以及均匀致密的凝胶网络结构,最终产品精度高,结构强度大。

1.2挤出喷嘴

挤出喷嘴通常为变径流道,半径较大的一端与物料筒相连,较小的一端则为浆料挤出口,以控制浆料挤出丝直径。与物料筒相较,挤出装置的挤出速率相对较高,浆料在其内部的流动力学变化也更为复杂。食品浆料通常具有较高的黏度，变径流道可使挤出口处具有较大的剪切力，从而降低剪切稀化型浆料的黏度，改善其挤出特性。为了减少挤出过程中的能量损失，流道的直径变化应该尽量平滑过渡。因此，挤出型食品3D打印机挤出喷嘴主要以圆锥形最为常见。

1.3载物装置

载物装置是用于承接打印物料的装置，位于挤出装置下方。由于物料与载物板的接触时间持续整个打印过程，因此为提升物料打印成型效果，相关人员围绕载物板的改造与组装开展了一系列研究。ZhangMin等开发出一种微波协同3D打印装置，在载物板底部设置微波加热装置，采用柔性微波屏蔽箱体以防止微波泄露，从而实现浆料在打印过程中的适速固化。

2

挤出型3D打印技术的材料要求

2.1可打印性

在挤出过程中，浆料黏度需要控制在一定范围内，便于顺利挤出成型，又要防止浆料自由滴落，影响打印精度。而在堆叠过程中，浆料应有较好的黏结性和机械强度，保证产品层层结合的强度和形状保持度。黏度与浆料机械强度往往呈正相关关系，即浆料机械强度高，成型品质好，而黏度较高则难以挤出。所以，在挤出型3D打印中要求材料具有假塑性，即在非剪切过程中呈现较高的黏度，在挤出剪切过程中黏度会大幅度下降，以确保良好的挤出性。

不同原料可打印性的提升需要采用的相应技术手段也不同，常见的主要是淀粉和蛋白类物料（表1）。关于淀粉类食品的研究较多，不同淀粉类食品在淀粉组成、颗粒大小等方面差异较大，导致浆料流变特性差异显著。

（可点击放大查看）

2.2固化成型性

挤出型食品3D打印技术一般通过熔融或者制浆方式将食品原料制成流动态浆料,再通过逐层打印、层层堆叠形成设定造型。此时，打印产品结构强度不足，仍存在流淌、坍塌的可能。在3D打印工业过程中，选择性激光烧结、光固化等目前发展比较成熟的技术，均可实现打印过程中流动态粉末或液体向固态的转变。在食品3D打印领域，巧克力、糖浆等物料通过温敏固化特性来实现打印形状的维持。此外，利用食品组分的热凝胶特性或离子诱导固化特性实现产品的3D打印过程也是近几年的研究热点。

3

挤出型食品3D打印技术的应用

3.1个性化定制

随着“健康中国”国家战略的实施，以营养健康为导向的食品加工业处于发展关键期，其中3D食品打印技术在精准营养食品个性化定制中展现出独特优势，通过个性化营养方案和科学添加营养补充剂，实现对疾病的预防和治疗。年，中国,农业科学院农产品加工研究所研究团队在国内首创了以双螺旋相向挤出料筒与打印头分离轻量化设计技术，构建了具有针对性、精准性、个性化的营养食材及膳食食谱数据库，并与物联网、基因检测等技术相结合，针对不同人群营养需求的特殊膳食食谱设计出一套基于3D打印技术的集成控制软件系统，供肥胖症、糖尿病和高血压等患者个性化定制3D打印的食品种类达20余种。此外，食品3D打印过程中添加一些功能性膳食纤维、益生菌、微量元素等成分也可最大程度满足儿童、老人等特定人群的个性化营养需求。

3.2精细结构制造

与融化凝固特性较好的温敏性物料不同，大部分食品物料在3D打印初期只能实现简单的“类柱状”逐层堆积打印过程，缺乏中空、悬挂、高空弯曲等复杂结构，这主要是由于食品打印材料自身机械强度弱，较难支撑厚度叠加所带来的屈服应力，因此对于一些形状特殊或空间结构复杂的打印过程，打印后会出现垂直变形、塌陷等现象。食品物料特性、食品组分间的相互作用、打印和挤压速率等在3D打印食品形状的塑造和维持中起着至关重要的作用，是实现成功堆积和保持形状的重要参数。近年来人们对打印路径及强化结构支撑等方面也进行了研究。LiuZhenbin等研究了不同填充程度、填充模式及外壳周长数打印条件下土豆泥的3D打印特性，结果发现产品的硬度和胶黏性与填充程度和周长数密切相关，但打印填充路径对其没有影响，因此可通过创建样品的内部结构来改变其质构特性。

3.3特殊领域应用

3D食品打印技术在特殊场景中的应用潜力巨大，例如航天飞船、深海潜艇领域等。主要原因有:１)节约食材贮存空间，为长途太空/深海任务提供食物;２)可根据宇航员/士兵的营养和能量需求实现个性化定制;３)打印物料以原料状态贮存，保质期较长。虽然目前已经实现航天材料及零器件的太空3D打印过程，但食品物料的复杂性及太空微环境较大程度限制了食品的太空打印过程。

4

食品3D打印技术的未来发展趋势

4.13D打印与食品新兴技术的交叉应用

随着生物技术水平的发展,细胞培养肉成为人们日益

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkzp/117.html