《食品科學》：天津商業大學吳子健教授、陳金玉副教授等：3D食品打印材料特性及工藝參數優化研究進展

3D打印又被稱作增材制造，是通過計算機設計構建模型形狀，并進行三維結構打印的新興技術。目前3D打印技術已在食品、醫療、藥物遞送等多個領域中得到廣泛應用。在食品加工領域，3D食品打印得益于計算機數字輔助能夠設計并生產出傳統模具難以創造的復雜模型，為食品創新設計提供了巨大幫助。

3D食品打印的基本原理是通過計算機中AutoCAD、SolidWorks等軟件設計出理想的數字化食品模型，以該模型為基礎、以食品原材料為打印油墨進行逐層打印構建出食品結構。由于不同的產品所需原料以及原料性狀不同，需要選擇適當的打印方式以實現最理想的打印效果。基于對近5 年國內外文獻中3D食品打印領域關鍵詞可視化分析結果（圖1）的研究，發現食品材料的流變特性和參數設置在該領域受到了高度關注。

天津商業大學 農業農村部農產品低碳冷鏈重點實驗室的李錫銘、吳子健*，天津商業大學生物技術與食品科學學院陳金玉*等系統討論食品材料特性以及打印機參數對于擠出式3D打印效果的影響，并對打印參數和后處理工藝對易吞咽3D打印食品的功能特性的影響進行討論。以期為未來擠出式3D打印食品的開發與優化提供參考。

01

食品材料特性對擠出式3D打印的影響

3D打印工藝可劃分為擠出階段、恢復階段和自支撐階段，每個階段均受到材料特性的顯著影響。在擠出階段，材料在高擠壓力的作用下通過狹窄噴嘴擠出，其順利程度主要取決于材料的黏度、屈服應力以及剪切稀化特性。黏度影響材料的流動性，屈服應力決定材料開始流動所需的最小應力，而剪切稀化特性則使材料在剪切力作用下黏度降低，從而更易于擠出。在恢復階段，材料脫離噴嘴的高溫與高剪切力環境后，其黏度和黏彈性逐漸恢復，機械強度得以部分重建以支撐成型過程。這一階段主要受材料的剪切稀化特性和熱特性影響。在自支撐階段，材料需要具備足夠的機械強度以維持結構形狀，其表現主要依賴于材料的黏彈性和屈服應力。如圖2所示，這些特性共同決定了材料在成型過程中的穩定性和最終結構的完整性。因此，對于擠出式3D打印而言，要獲得理想的擠出性能以及擠出后良好的結構穩定性和打印精度，食品漿料具備適宜的流變特性至關重要。

1.1 黏度及剪切稀化特性

黏度是食品流變特性的關鍵指標，其被定義為在一定剪切速率下，剪切應力與剪切速率的比值，即食品流體的表觀黏度。在3D打印中，黏度反映了食品漿料在料筒內流動時所受到的流動阻力與摩擦力，直接影響漿料能否順利通過噴嘴擠出。在擠出階段，打印材料需要通過狹窄的噴嘴，若黏度過高，材料在通過噴嘴時會因阻力過大而難以擠出，甚至完全堵塞；反之，若黏度過低，材料之間的黏附性不足，打印后不具備足夠的自支撐能力。Liu Lili等在優化復合食品打印配方的打印性能時發現，黏度過低或過高的材料均不適合3D打印：黏度過低導致打印后產品結構坍塌，無法保持預設形狀；黏度過高則致使噴嘴堵塞，無法順利擠出。實驗結果表明，當材料黏度為1.374 Pa·s時，能夠順暢通過1.0 mm噴嘴并形成穩定的產品結構。因此，實現理想的打印效果需要材料具備適中的黏度，而不同材料的3D打印所適宜的黏度也并不相同，根據所用材料調節到合適的黏度是優化3D打印效果的關鍵之一：多糖類材料（如黃原膠、海藻酸鈉）憑借強氫鍵網絡形成高黏度（1%黃原膠黏度＞10 000 cP）和顯著剪切稀化（n≈0.2～0.3），適合高分辨率打印，但需控制濃度以避免噴嘴堵塞；蛋白質類材料（如SPI、魚糜）兼具中等黏度（15%大豆蛋白約2 000 cP）和剪切稀化指數（n≈0.5），通過調節pH值或復配淀粉可優化擠出穩定性與層間結合力；脂肪類材料（如可可脂、乳脂）依賴溫度調控黏度（35～40 ℃可可脂約500 cP），需添加卵磷脂等助劑增強剪切稀化以避免打印后塌陷。

具有非牛頓流體特性的材料在3D食品打印中更具優勢，其黏度會隨剪切力的變化而改變，表現出顯著的剪切稀化特性。由于打印噴嘴的尺寸較小，材料在通過噴嘴時會受到較高的剪切力作用。因此，材料的剪切稀化特性對于漿料在噴嘴處的擠出表現尤為關鍵，這不僅直接影響打印過程的順暢性，還決定了最終成品的質量與精度。

冪律模型可以很好地擬合非牛頓流體的剪切稀化特性：

式中：σ為剪切應力/Pa；為剪切速率/s-1；K為稠度系數/（Pa·sn）；n為流動指數。

非牛頓流體的流變行為會隨剪切速率的變化而變化，當冪律模型中的流動指數n＞1時，流體表現出剪切增厚行為，而當n＜1時，則表現出剪切稀化特性。剪切稀化特性使得材料在經過噴嘴時在高剪切力作用下黏度降低，從而易于擠出。這種剪切稀化行為源于聚合物鏈在剪切過程中分子間糾纏被破壞，以及分子排列結構由有序態轉變為無序態。換言之，在受到噴嘴處的剪切應力后，聚合物分子會伸展并沿流動方向排列；一旦離開噴嘴，分子則重新纏結、交聯。這種剪切稀化特性確保了打印材料在擠出過程中能夠降低黏度以順利擠出，并在擠出后能夠迅速恢復黏度以滿足成型階段的需求。因此，良好的剪切稀化特性是實現材料順利擠出的關鍵。Dick等通過添加親水膠體制備吞咽困難患者可食用的3D打印牛肉糜，加入親水膠體后的牛肉糜表現出良好的剪切稀化特性，這有利于從噴嘴處擠出，但添加1%卡拉膠和復配添加1%刺槐豆膠/卡拉膠的肉糜的n值為負，這源自高剪切力下分子降解以及黏性耗散，負n值使得擠出過程中水分流失、肉糜顆粒破碎堵塞噴嘴無法順利擠出。

除冪律模型外，還有Herschel-Bulkley、Cross、Sisko模型等可用于評估材料的剪切稀化特性。Herschel-Bulkley模型在冪律模型基礎上引入屈服應力τ0，能精準描述含顆粒、氣泡或纖維等復雜結構食品體系的流變行為，在需要精確控制擠出和成型的漿料、軟食品打印中更具優勢。Cross模型可全面描述流體全剪切率范圍內的黏度變化，涵蓋零剪切黏度η0、無限剪切黏度η∞和剪切稀化轉變，適用于剪切率變化大的復雜多層結構食品打印，能為打印參數優化提供精準依據，但其復雜度高，需大量高質量實驗數據擬合參數，計算量大。Sisko模型在低剪切率時呈牛頓流體特性，隨剪切率增加漸變為冪律流體，能較好地描述寬剪切率范圍內具有不同流變特性的食品材料的打印特性。

在食品3D打印實踐中，應使用具備足夠黏度和良好剪切稀化特性的材料進行打印，以獲得最佳的打印效果。選擇適宜的模型對材料剪切稀化特性進行評估尤為重要：針對無明顯屈服應力且剪切率變化小的簡單食品材料，冪律模型可快速評估剪切稀化特性對打印效果的影響；對于有明顯屈服應力的復雜食品體系，Herschel-Bulkley模型可更精準地描述流變特性，助力擠出和成型控制；剪切率變化大的復雜打印場景則更適合運用Cross和Sisko模型，以全面考慮材料流變行為，優化打印參數，提升3D打印食品的質量和精度。

1.2 黏彈性

在流變學中，同時表現出類液體行為與類固體行為的材料稱為黏彈性材料，擠出式3D食品打印所用材料多為黏彈性材料。打印材料的黏彈性反映其機械強度，對于打印效果尤其是打印精度以及打印后的結構穩定性有著重要影響。通過在線性黏彈區進行頻率掃描和應變掃描測量材料的儲存模量（G’）和損耗模量（G”）并計算損耗正切角（tan δ＝G”/G’）評估材料的黏彈性行為。G’反映彈性主導的類固體行為，G”則反映由黏性主導的類液體行為，通過tan δ可以對比材料的黏彈性行為。當tan δ＞1時材料的黏性較強，當tan δ＜1時材料的彈性較強。研究表明，大多數擠出式3D食品所用的材料表現出典型的黏彈性行為，其tan δ＜1。具有較高G’的打印材料在打印精度和印后結構穩定性上有著更好的表現。Xu Minghao等探究了處于不同冷凍階段木薯淀粉凝膠的3D打印性能，發現隨著冷凍時間的延長殼聚糖凝膠的黏度下降，G’隨之上升，且G’與3D打印精度呈正相關，主要由于高G’賦予材料類固體行為，有效抑制打印后結構坍塌并提升自支撐穩定性。此外，tan δ值的高低也可以用于預測食品材料的打印效果。Cheng Zhi等使用IDF改善SPI與小麥麩質，作為3D打印人造肉材料，發現盡管IDF添加量為15%～25%的組別的G’與G”均高于IDF添加量為5%或10%的組別，但其tan δ值顯著低于后者，表現出過度的類固體行為，這導致擠出困難以及打印線條不連續出現斷裂和成型困難現象，而IDF添加量為5%或10%的組別則表現出了良好的印刷性。

1.3 屈服應力

在應力掃描過程中G’＝G”的交匯點的應力值即為屈服應力。在擠出式3D食品打印中屈服應力（τf）可用來描述使材料流動所需的力，也可以用來評估材料的擠出難易程度。在低于屈服應力時，食品材料表現出類固體行為，在大于屈服應力的剪切力作用下，樣品開始表現出類流體行為并開始流動。因此屈服應力能夠很貼切地反映食品材料在被擠出噴嘴時所需要的力，在實際打印過程中應當施加大于屈服應力的力以使漿料順利擠出，打印材料的屈服應力若過高則其在擠出過程中需要更大的剪切力，擠出過程相對困難。Xiao Kunpeng等研究發現，SPI的添加可有效改善白蘑菇基3D打印材料的黏彈性及機械性能，其屈服應力隨SPI添加量的增加而顯著提升，在提高打印材料機械強度的同時，7% SPI組因屈服應力過高擠出時噴嘴剪切力不足，出現擠出斷裂現象。

屈服應力也與打印材料的自支撐性能息息相關，雖然較低的屈服應力意味著打印材料更易從噴嘴處擠出，但是由于屈服應力也反映著打印材料的機械強度，因此過低的屈服應力不利于打印后結構的自支撐，容易發生坍塌現象。Ouyang Zhiying等使用明膠、環糊精、殼聚糖和殼寡糖復合制備含有梔子花果實提取物的微凝膠顆粒，并作為乳化劑制備可作為3D打印材料的高內相乳液，微凝膠復合物質量分數為13%～29%的乳液均具有較佳的屈服應力，各組均表現出良好的剪切稀化行為及可擠出性，其中復合物質量分數為21%的乳液屈服應力最高，打印線條清晰，色彩均勻，與原始模型高度差最小，展現出優異的打印精度及自支撐性能。

1.4 熱特性

多數3D食品打印機可以對打印料筒進行加熱，通過熱處理改變材料特性，通過類似于熱熔擠出技術的方式，對常溫下難以擠出的材料的流動特性進行優化以實現材料的擠出。

如前文所述，材料在一定條件下表現出的稀化行為是其順利通過噴嘴擠出的關鍵。除剪切稀化現象外，溫度也會使一些材料的黏度及黏彈性發生顯著變化，對這一特性的利用可以幫助研究人員控制材料的擠出階段。Liu Yu等使用明膠與魚糜重組制備用于3D打印的材料，采用變溫流變掃描模擬材料通過噴嘴擠出的過程，初期在機筒的加熱下打印材料的G’低于G”，表現出類流體行為，這使得材料能順利通過噴嘴擠出。在擠出后的恢復階段，G’與G”逐步升高，在某一溫度下二者相交，材料流變行為的轉變表明其進入恢復階段，交匯點處模量值越大，成型性能越好，這主要得益于材料在降溫過程中獲得的較強機械強度。借助材料在加熱時的流變特性，可為通過加熱改善打印材料的擠出性能提供幫助。Patel等利用鹽誘導卡拉膠凝膠化制備3D打印材料，凝膠的表觀黏度隨溫度升高而顯著下降，表現出顯著的稀化現象，這使得材料能夠借助噴嘴處的升溫順利擠出。此外，他們發現凝膠溶膠轉化溫度是材料擠出時選擇噴嘴溫度的重要依據，且擠出后恢復成型階段實質便是材料的凝膠化。充分利用凝膠溫度及凝膠化時間選擇合適的印刷溫度是獲得最佳打印效果的重要因素，這可以確保油墨的流暢擠出，以及當油墨從噴嘴尖端擠出時，快速凝膠化以產生必要的機械強度和印刷結構的自支撐。凝膠化溫度的測量，可以通過溫度梯度掃描測定，G’與G”交叉時的溫度即為凝膠化溫度Tg。Qiu Liqing等研究發現葫蘆巴膠的引入顯著提升了κ-卡拉膠基油墨的Tg，并且通過調節溶膠-凝膠轉變溫度影響3D打印性能：高溫（35～55 ℃）可增強剪切稀化效應，促進擠出；但油墨冷卻至25 ℃時，高溫打印樣品因凝膠時間延長（分子重組滯后）導致自支撐塌陷。上述實驗表明，加快凝膠化進程（如低溫擠出）可縮短分子聚結時間，提升支撐階段機械強度以抑制塌陷。

對于某些食品原材料，溫度還會促進分子間相互作用，這使得材料的流動特性和質構特性發生變化。淀粉分子與水在一定溫度下會發生糊化，淀粉分子的排列由有序變為了無序，淀粉微晶體也發生熔化，這樣的變化會促進淀粉的溶脹，破壞分子間氫鍵，對黏附性以及流動特性產生顯著影響。Chen Huan等研究了3 種淀粉的流變特性與適印性的關系，發現淀粉受熱糊化會對其G’、屈服應力（τf）以及流動應力（τy）產生影響，且淀粉在70～85 ℃條件下τf、τy以及G’值最適于3D打印。Liu Zipeng等進一步探究了不同溫度和不同淀粉質量分數對漿料流變性及影響，發現較高的溫度可以促進淀粉分子之間的相互作用，改善其流動特性，而過高的淀粉質量分數（25%）會使漿料機械強度過高而難以擠出。此外，打印時的升溫也會促進蛋白質分子之間的相互作用。Chen Jingwang等研究發現較高的溫度能夠促進SPI顆粒之間的相互作用和聯結，從而改善SPI打印漿料的G’、τy和τf，使其具備更佳的適印性。

因此，在3D食品打印中尤其是熔融沉積式或熱熔擠出式3D打印中，需要充分考慮處理溫度對于打印漿料的影響，選擇適宜的料筒加熱溫度以調節漿料的流動特性，使其達到最適宜擠出的狀態。

02

3D食品打印材料特性的優化

對食品材料進行前處理是提高原材料3D打印適應性的主要方法，目前研究中關于前3D食品打印前處理方法的研究主要包括物理方法、多組分復配以及誘導交聯、化學修飾等其他方法（圖3）。

2.1 物理方法

通過物理手段對打印材料進行預處理以改善其打印性能是一種高效、便捷且安全的處理手段。對于擠出式3D食品打印，常見的物理處理方法為加熱處理，對于不同的原材料，不同加熱方式對其特性的影響也會較大。

Maniglia等研究表明，經過干熱處理后的小麥淀粉晶體結構由有序向無序轉變，降低了小麥淀粉的結晶區，流變測試結果表明干熱處理促進了小麥淀粉凝膠的形成，增強了其在恢復階段的形狀恢復能力，從而優化了小麥淀粉的3D打印效果。微波加熱是現今一種熱門的熱處理手段，相較于傳統熱處理手段，具備升溫速度快、升溫易于控制且營養成分流失更少等優勢。Fan Hanzhi等探究了鹽及微波處理功率對SPI-草莓復合材料3D打印性能的影響，在相同的鹽添加水平下，70 W低功率的微波處理降低了材料中結合水和固定水的自由度，提高了材料的黏度和黏彈性，進而優化了材料的3D打印精度和結構穩定性。

此外，目前也有許多研究致力于通過非熱物理加工對材料進行結構改性以提高材料的打印性能。脈沖電場（PEF）是近年新興的一種低耗且高效的淀粉結構改性手段，能夠改變淀粉的形態、晶體結構等特性。Maniglia等研究發現，PEF處理促進了小麥淀粉的解聚和內部結構的變化，提高了淀粉水凝膠的硬度，使其具備更低的表觀黏度，提高了淀粉水凝膠的可打印性。類似地，超聲波技術作為一種高效的非熱物理加工技術，也被廣泛應用于3D打印材料預處理。Chen Huizhi等應用超聲技術輔助冷凍魚糜解凍減少了魚糜的結構損傷，使其獲得更優的打印精度和結構穩定性。Gu Ming等采用超聲處理對果膠-豌豆蛋白復合材料的特性進行了優化，超聲處理促進了果膠與豌豆蛋白之間的交聯，進而增強了復合材料的凝膠強度，且其黏彈性與表觀黏度等流變特性均得到優化，顯著增強了材料的自支撐性能。

2.2 多組分復配

能夠更為靈活地將多種不同原材料混合制備成新的產品是3D食品打印相對于傳統食品加工的一大優勢，不同原材料的原料特性各不相同，同時部分材料在進行復合時會存在一定程度上的相互作用，這兩點共同決定了復合材料所具備的性能。因此，對于復合材料而言，在滿足營養成分配比需求的前提下，優化原材料成分比例是提高復合材料打印性能的關鍵。

在天然的原材料中，水果、蔬菜以及肉類等材料由于其自身特性，單獨進行打印時會在擠出階段或是恢復階段遇到較大困難無法直接打印。對于這類食品，許多研究致力于通過材料復合優化材料的適印性。對于水果材料，通過添加淀粉提高凝膠機械強度是強化果汁印后自支撐性能的有效方法。Yang Fanli等通過檸檬汁復合馬鈴薯淀粉，形成了具有足夠機械強度的檸檬汁凝膠，可順利擠出并具備較佳的成形性與自支撐性能。Bebek Markovinovi?等將草莓樹果實（Arbutus unedo L.）與小麥淀粉或玉米淀粉混合，借助淀粉載體在高溫條件下的糊化反應順利打印出草莓樹果實。此外，通過添加蛋白質，借助于蛋白質分子間的交聯或聚集也可以改善水果基材料的流變性能使之適印。Kim等向香蕉泥中添加豌豆分離蛋白，借助于多糖與蛋白之間形成的結合網絡削弱了材料間的黏附行為，從而減弱其在3D打印過程中的拖尾現象，優化了打印效果。

肉類由于其流動性能不佳，且熱處理加工會使其蛋白發生不可逆交聯，難以通過噴嘴擠出而在3D打印定制化食品中遇到困難。借助組分復合以強化材料的流變性能是實現肉制品3D打印的研究熱點之一。Wang Yuhang等通過向魚糜中加入由明膠穩定的高內相Pickering乳液填充了魚糜凝膠網絡間隙，在優化魚糜脂質組成的同時提高了魚糜凝膠對水分的截留能力，從而增強了魚糜的流動性使其更易于擠出。Dick等通過添加不同比例的瓜爾膠和黃原膠使豬肉的黏彈性得到改善，在印后具備良好的自支撐性能，并由于水膠體具備較好的剪切稀化性能，使豬肉材料在噴嘴高剪切力作用下黏度下降，易于擠出。

2.3 其他方法

化學處理常常也被當作3D打印性能優化的預處理手段。臭氧是一種相較于傳統氧化劑更為安全、綠色的可應用于食品的氧化手段，常被用于淀粉的改性。經過臭氧改性后的淀粉具備更小的顆粒尺寸、更低的表觀黏度和更高的凝膠強度。Maniglia等使用臭氧對木薯淀粉進行處理后，淀粉發生解聚，凝膠強度提高。組分之間的交聯程度也會影響材料的特性，交聯程度較強時，打印后會具備較強的機械強度和自支撐性能。

常見的促進3D食品打印材料交聯的手段有添加離子化合物、酶等。Wang Chaoye等通過向低鹽魚糜中添加CaCl2改善魚糜的打印性能，CaCl2促進了魚糜蛋白之間的交聯，形成了更為致密均勻的網絡結構，增強了材料的凝膠強度和表觀黏度，提高其自支撐能力。類似地，王月月等使用海藻酸鈉協同氯化鈣代替氯化鈉制備蝦糜凝膠，提高了蝦糜凝膠擠出后的支撐力。酶制劑可以促進蛋白質等生物大分子之間交聯進而提高3D打印性能。Dong Xiuping等通過微生物轉谷酰胺酶（TGase）促進魚糜交聯形成凝膠網絡，強化了其對水分的截留能力進而降低蒸煮損失并提高其打印適印性。

前處理是使材料具有適合3D打印的性質的重要過程，根據材料特性及選擇適合材料的預處理方法是提升打印產品打印效果的重要一環。

03

打印參數對打印效果的影響

除了優化材料特性，正確選擇打印參數也是提高3D食品打印效果的關鍵步驟。噴嘴直徑、移動速度以及擠出速率等多項打印機參數的設定，對產品的質地和成型效果有著顯著的影響。打印參數的選擇與材料的特性密切相關，深入掌握打印參數對成品效果的具體影響，有助于依據材料特性挑選出最合適的參數，以獲得最佳的打印效果。表2展示了近年通過優化打印參數改善打印效果的研究。

3.1 噴嘴尺寸

在擠出式3D打印中，材料通過噴嘴以絲狀形式擠出到沉積層成型，擠出絲的粗細直接受噴嘴尺寸的影響。因此噴嘴直徑越小，擠出絲越細，打印精度也就越高，打印食品的分辨率也就越高。Yang Fanli等對檸檬汁凝膠3D打印的打印參數進行了優化，發現噴嘴直徑決定了打印產品的精度和表面粗糙度（圖4）。Fernandes等評估了0.4、0.6、0.8 mm噴嘴對3D打印生物凝膠效果的影響。結果表明，在不同配比的油凝膠油墨或水凝膠油墨中，打印效果受打印參數影響的規律一致。更大的噴嘴尺寸和更高的擠出速度雖顯著縮短打印時間，但視覺和尺寸偏差更大。

然而在選擇噴嘴尺寸時也應考慮到3D打印材料多為黏彈性材料，其在通過噴嘴時受到擠壓會發生膨脹，其中漿料的膨脹會造成線條增粗，使得實際擠出線條粗細偏離預設參數。通常材料的膨脹程度受噴嘴尺寸的影響，噴嘴尺寸越小則材料的膨脹率越大，這主要是由于噴嘴尺寸的減小增加了噴嘴施加的壓力，高壓力使得擠出漿料產生較高彈性勢能而發生膨脹。Zhu Juncheng等對經TGase交聯的魚糜進行了噴嘴尺寸的優化，結果發現尺寸為0.75 mm和2.00 mm的噴嘴打印出的圖案與預設圖案偏差較大，0.75 mm尺寸的噴嘴由于尺寸過小使得噴嘴出擠壓力過大造成了漿料膨脹，而2.00 mm尺寸的噴嘴由于直徑過大導致出料過多并在重力作用下發生壓縮變形，適中的1.00 mm噴嘴尺寸表現出最佳的印刷精度。

因此，選擇噴嘴尺寸時，除了打印精度也應考慮擠壓力對材料造成的膨脹。對于噴嘴處剪切力的測算已有文獻使用修改后的Benbow-Bridgwater方程進行描述，該模型方程如下：

式中：P為擠出力；L為噴嘴長度；D0為打印機噴料筒的直徑；D為噴嘴直徑；σ0表示漿料的屈服應力；V為擠出速度；α和β為擠出速度系數；m和n為擠出速度指數；τ0為漿料與料筒壁間的剪切應力。利用該模型對噴嘴擠出力進行評估有助于選擇更為適宜的噴嘴尺寸。

Yang Fanli等通過對多個打印參數的優化發現擠出速度（每秒擠出材料的體積）由噴嘴直徑、噴嘴高度及打印速度共同決定，對此他們修改了已有模型用來描述3D打印擠出速度：

式中：Vd為擠出速率/（mm3/s）；Vn為打印速度/（mm/s）；Dn為噴嘴直徑/mm；hc為噴嘴高度。由此公式可見，擠出速度與噴嘴直徑呈正相關。該公式較為準確地描述了材料擠出速度與打印速度、噴嘴直徑以及噴嘴高度的關系，這對于選擇互相匹配的打印參數提供了參考。

通常，較大的噴嘴尺寸能夠提供較快的擠出速率，但打印出的線條粗糙印刷精度低，較小的噴嘴能夠提供較高的印刷精度與分辨率，但過小的噴嘴尺寸擠出速度慢且會導致材料膨脹，造成較大模型偏差。因此，在選擇噴嘴尺寸時應綜合考量打印精度與出料速度，選擇適宜所用材料的最優噴嘴尺寸。

3.2 打印速度與擠出速度

打印速度是指噴嘴的移動速度，擠出速度指每秒擠出材料的體積。如前文所述，擠出速度受到打印速度、噴嘴尺寸以及噴嘴高度的共同影響。打印速度經式（3）變形后可由下式表示：

式中各個字母含義與式（3）相同。然而實際上打印速度一方面影響著擠出速度，一方面又與擠出速度一同影響著打印的最終質量。也就是說打印速度必須與擠出速度相匹配，若打印速度慢于擠出速度，則噴嘴在同一位置出料過會多造成漿料沉積而塌陷形變；若打印速度快于擠出速度，則噴嘴在尚未沉積預定漿料量前移動會造成打印線條不均勻甚至線條間斷。Liu Yaowen等在優化面團3D打印時研究了不同打印速度（3、6、9、12 mm/s）對打印效果的影響（圖5），結果表明3 mm/s的打印速度條件下，材料擠出速度大于噴嘴移動速度，造成材料堆積，打印評分較低；6 mm/s的打印速度條件下材料擠出與噴嘴移動的速度匹配，打印效果評分最高；隨著噴嘴移動速度的繼續增加，移動速度高于擠出速度，線條出現了明顯的斷裂，打印評分隨著噴嘴移動速度的增加而降低。

3.3 沉積層高度與噴嘴高度

噴嘴高度指的是噴嘴距沉積層之間的距離，如前文所述，噴嘴高度與打印速度和噴嘴尺寸共同決定著擠出速率，因此，噴嘴高度應與其他參數適配，Yang Fanli等用下式計算出理想的臨界噴嘴高度：

該模型中參數與式（3）所述一致。該臨界高度對于噴嘴高度的選擇可以起到較為高效的指導作用：使用低于hc的噴嘴高度會使得實際擠出線條比預設線條尺寸更粗，影響印刷分辨率；而噴嘴高度過高于hc則會由于從噴嘴下落至打印平臺的距離過遠以及噴嘴的移動造成線條擠出位置不準確，與預設形狀產生明顯偏差。Huang等研究了噴嘴高度及沉積層高對打印效果的影響，發現過低的噴嘴高度（1.5～2.5 mm）會使得巧克力漿料向外側擴散導致實際擠出線條粗于預設線條。

擠出式3D打印的成型模式是依據預設CAD模型通過沉積（逐層或逐行）的方式進行復雜模型的構建，其中每一層沉積材料的厚度即為沉積層高度。沉積層高度也是控制3D打印效果的關鍵參數之一，影響著打印精度以及打印時間：沉積層高度與印刷線條粗細類似，顯著影響著打印模型的精度，越小的沉積層高度能夠展現出預設模型中更微小的細節，但也意味著需要打印更多的層數，打印耗費的時間也就越多。Barrios-Rodríguez等對大米蛋白的打印參數選擇進行了正交試驗分析，以獲得最優打印參數組合。結果發現對于同一模型，沉積層高度越小所需層數越高，通過單因素分析發現沉積層高度對打印成品的直徑與體積有顯著影響，偏小的層高（1 mm）設置使成品的直徑小于預設值，而較大的層高設置（2 mm）使實際直徑高于預設直徑，這主要是由于層高的設置影響了單位時間內沉積材料的量，這與噴口直徑的影響相似，因此二者也表現出協同效應。

總之，層高、打印速度及噴口直徑對打印效果的影響并不由單一參數決定，重點在于所選的幾個參數相互適配，這一點可以借助相關模型進行分析選擇。

3.4 打印結構填充率

填充率指的是打印材料占據打印產品總體積的百分比。填充率會影響產品的內部結構狀態，較高的填充率印刷出的成品具有較好的內部結構密度，填充更多打印材料進行結構支撐，從而起到增加產品強度的效果。Yun等制備鮑魚蛋白漿料打印適用于老年人食用的食品，在20%～80%的填充率條件下分別嵌入淀粉或明膠打印支架結構，發現在20%填充率條件下支架結構缺乏自支撐強度，線條之間出現較大空隙導致打印結構出現下沉坍塌，隨著填充率的增加，線條間間隙變小，結構穩定性得到顯著改善。

填充率主要體現的是打印產品中沉積材料的量，而相同填充量下不同的填充結構所具備的支撐強度也不相同，選擇理想的填充結構能夠更有效地改善3D打印產品的自支撐性能。Liu Zhenbin等研究了不同填充結構對馬鈴薯3D打印零食結構及質地的影響，在30%、50%、70%填充率條件下分別以直線、三角形以及蜂窩3 種填充結構進行了打印，發現低于30%填充率時機械強度過低不足以支撐打印產品，出現了坍塌變形；選擇50%和70%的填充率，通過對比印刷產品的尺寸則發現直線填充結構印刷的長度和寬度與預設尺寸偏差最小，而三角形填充結構印刷的高度與預設尺寸偏差最小。說明在3D打印中直線填充結構能夠提供較強的水平支撐強度，而三角形填充結構能夠提供較強的縱向支撐強度。

3D食品打印已被廣泛應用于為特殊人群如老人、嬰幼兒等吞咽困難人群開發易于咀嚼的食品，或者根據需求定制具備特定質地的定制化食品。除了通過預處理手段改善打印材料的流變性能外，通過對填充率以及填充結構的選擇也能達到類似的目的。Feng Chunyan等在20%～80%的填充率條件下以6 種不同的填充結構進行山藥零食的3D打印并進行質構特性的測定，當填充率由20%提高至80%時，結構內孔隙減少，機械強度提高，破碎力由46 N增加至106 N；填充結構對產品的硬度有著較為顯著的影響，在低填充水平下，產品硬度如下：平行結構（46 N）＞復雜結構（40 N）＞交叉結構（31 N）；在中高填充水平下，產品硬度如下：三角形結構（148 N）＞交叉結構（145 N）＞平行結構（106 N）＞蜂窩結構（99 N）。

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3D打印中易吞咽食品的品質及質地控制

開發易于吞咽的食品是3D是品打印的一個重要應用領域，借助3D打印技術開發易吞咽食品可以賦予此類食品美觀的外型，并且3D打印食品相比于模具制作食品更易吞咽。幫助吞咽困難人群在順利進食的同時，滿足視覺感受，獲得更愉悅的食用體驗。

對于易吞咽3D打印食品，除通過對前文材料特性及打印參數的控制實現打印品質的優化外，還應注意產品質地是否適宜吞咽困難人群食用，除了打印漿料的預處理外，打印參數的選擇和后處理工藝均影響著3D打印產品的質地。

4.1 易吞咽食品質地的評估

對于易吞咽食品，國際吞咽困難飲食標準化倡議（IDDSI）（圖6）為吞咽困難（吞咽困難）人群提供飲食調整的標準化框架，將食品的質地劃分為0～7的7 個級別，3D食品打印制作的易吞咽食品屬于固形物，可以參照IDDSI框架進行評估：叉滴測試，使用叉子舀取食物觀察食品在叉子上的積累及流動行為；勺子傾斜測試，通過勺子舀取食物并傾斜觀察食物在勺子上的流動性為；叉壓測試，通過拇指按壓叉子至拇指發白（約17 kPa），觀察樣品的形變程度。3D食品打印易吞咽食品的IDDSI等級為4～6級，這個分級的3D打印食品在保持良好打印精度下具備易于吞咽的性能（表3）。

質構測試已被廣泛用于評估食品的質地，通過質構測試可以評估食物的硬度、內聚力、黏附性和咀嚼性等主要指標。通過對3D打印食品進行質構測試，可以輔助評估食品是否易于吞咽：硬度較低的食品更容易在口腔中破碎，IDDSI分級會隨著硬度提高而升級；低黏附性的食品更易于吞咽。Huang Jinjin等通過發酵開發易于吞咽的3D打印糙米食品，在質構測試中發現未發酵糙米的硬度和黏附性等質構特性均顯著高于發酵后糙米，表明發酵后更易于破碎且易于吞咽，這與IDDSI測試結果一致，未發酵糙米在勺子傾斜測試中黏附在勺子上，不易吞咽，而發酵后糙米順利從勺子滑落，屬于IDDSI中的4級，易于吞咽。

在3D打印易吞咽食品的開發時，應將產品的質地控制在IDDSI的4～6級，且具備較低的硬度和黏附性以滿足吞咽困難患者的飲食需求。

4.2 打印參數的影響

3D打印過程中，物料經過打印噴嘴時受到剪切力，剪切力對打印效果的影響已在前文詳細論述。此外，不同的噴嘴尺寸施加給物料不同的剪切力，噴嘴尺寸越小，物料所受剪切力越大。剪切力也影響著易吞咽食品的質地，通常情況下較大的剪切力會破壞物料的結構，使其硬度下降，開發3D打印易吞咽食品時在保證打印效果的前提下選擇較小尺寸的噴嘴可以軟化食品，提高其適口性。Qiu Runkang等用0.4～2.0 mm尺寸的噴嘴打印SPI bigel食品，通過IDDSI測試發現0.4 mm和0.8 mm噴嘴打印出的產品IDDSI等級為5級，隨著噴嘴尺寸增加，IDDSI等級也隨之增加，且質構結果也表明小尺寸的噴嘴具備更低的硬度、咀嚼性等質構特性。

填充率決定著打印產品的結構密度，較高的結構密度能夠提高打印產品的支撐性，但過高的機械強度并不利于產品的吞咽。Kong Demei等使用75%和100%兩種填充率打印為吞咽困難人群設計的青團，質構結果表明，75%填充率打印的產品硬度和內聚力均更低，更適宜吞咽困難人群食用。類似地，Carranza等也得到了相同的結果，填充率為12.5%的改性大豆蛋白3D打印食品的IDDSI等級為5級，當填充率為25%和50%時則為6級。因此，在開發易吞咽3D打印食品時填充率的選擇應在保障打印品質的基礎上，選擇較低的填充率以滿足吞咽困難人群對食品質地的需求。

4.3 后處理工藝的選擇

大多數3D打印食品需經過熟制工序才能食用。熱處理會使食物成分之間會發生反應，或導致食品脫水收縮，從而增加硬度。不同的熱處理工藝對食物硬度的影響各不相同，因此選擇一種能將硬度增加程度降至最低的熱處理工藝，對于開發易吞咽的3D打印食品至關重要。

肉制品的熱處理工藝研究表明蒸煮工藝熟制的產品往往硬度更低，易于吞咽。孟粉等研究了水煮、汽蒸、微波、油炸4 種熟制工藝對重組魚排質構的影響，結果表明水煮和汽蒸的魚排硬度較低，油炸的魚排硬度最高。Dick等探究了不同再加熱方式對易吞咽3D打印肉制品質地的影響，在對流烤箱烤制、微波和蒸汽加熱中，蒸汽加熱的3D打印肉制品明顯變軟易于吞咽，對流烤制的食品硬度顯著增加不利于吞咽。在植物基易吞咽3D打印食品中，蒸煮工藝同樣賦予產品更低的硬度。

因此，在開發易吞咽3D打印食品時，在不影響產品造型的情況下，可優先選擇蒸汽加熱作為產品的熟制工藝。

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討論與展望

在擠出式3D打印中，打印材料的流變特性決定著最終的打印效果。具體體現在以下幾個方面：1）黏彈性和屈服應力共同反映著材料的機械強度，良好的機械強度是擠出后具備良好支撐性和結構穩定性的關鍵，因此打印漿料需要具備足夠的黏彈性和屈服應力，但應重點關注屈服應力，屈服應力過高則不易擠出；2）打印材料需具備足夠的表觀黏度以及剪切稀化特性以保證打印后材料的成型效果以及結構穩定性；3）在3D食品打印中尤其是熔融沉積式或熱熔擠出式3D打印中，需要充分考慮處理溫度對于打印漿料的影響，選擇適宜的料筒加熱溫度以調節漿料的流動特性，使其達到最適宜擠出的狀態。

其次，在選擇打印參數時，層高、打印速度及噴嘴直徑對打印效果的影響并非孤立存在，關鍵在于這些參數的相互匹配。建議借助相關模型進行綜合分析和選擇。噴嘴尺寸對打印精度和擠出速度有直接影響，小噴嘴尺寸打印精度高，大噴嘴尺寸則擠出速度更快；打印速度需與擠出速率匹配，在所使用的擠出速率下，若打印速度過慢則會造成漿料堆積塌陷，過快則會導致打印線條斷裂；沉積層高度需根據打印精度需求進行選擇，層高過高會導致打印線條變粗，過低則線條容易偏離預設軌跡；填充率和填充結構的選擇應考慮產品所需質地和結構特點，以獲得最佳的產品質構和自支撐穩定性。

3D打印技術在新型食品的開發與研究中展現出了表現出了廣闊的前景，除開發易吞咽食品外，對推動植物基肉制品、太空食品和個性化營養食品的開發均發揮了積極的作用。在未來3D食品打印技術的研究中，應聚焦于研究食品材料特性的改良方法，以助于開發更多可用于3D打印的食品材料，突破原材料對3D打印技術的限制；加強對3D打印工藝優化的研究，建立更完善的打印參數優化模型。

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結 語

食品物料的材料特性和打印機參數的選擇從多角度共同影響3D食品打印效果。在打印的擠出階段，擠出難易度主要受剪切稀化特性、屈服應力以及熱特性的影響；在擠出后恢復階段主要受材料黏度、黏彈性和熱特性的影響；在成型后自支撐階段，結構的穩定性與自支撐性能主要受到黏彈性的影響。選擇打印機參數時，噴嘴溫度可通過影響材料的流變特性而對打印效果產生影響，在選擇時應依據材料熱特性選擇適宜的噴嘴溫度；噴嘴尺寸主要決定著打印精度和分辨率，并與噴嘴高度、打印速度一同影響著材料的擠出速率；結構設計的填充率和填充結構主要影響著模型的機械強度和質地。在進行3D食品打印時，應當選擇適宜的預處理手段制備與優化打印材料，并選擇與材料相匹配的打印機參數以達到最佳的打印效果。在使用3D打印技術開發易吞咽食品時，應充分考慮打印參數對產品和后處理工藝對產品質地的影響，在保證打印效果的情況下應選擇較大的噴嘴尺寸，可以優先考慮選用蒸煮作為后處理工藝，以獲得最適宜吞咽的產品質地。

通信作者：

吳子健教授，碩士生導師，天津商業大學生物技術與食品科學學院。2017年入選天津市高校“中青年骨干創新人才培養計劃”，2017—2018年美國University of Nebraska Lincoln高級訪問學者，天津科技進步二等獎，任《食品科學》《保鮮與加工》《生物學雜志》《食品研究與開發》等雜志編委，“天津市生物化學與分子生物學會”理事，“天津市食品學會”理事，“天津市農業機械學會”理事，“京津冀食品行業產教聯盟”副理事長，天津市科學技術獎評審專家，青島市科學技術獎評審專家、天津市農村農業委員會科技項目評審專家、天津市食品安全監測專家庫入庫專家、天津市優秀科技特派員（2019年）、天津市食品科技先進工作者稱號（2019年）、美國化學學會雜志群（ACS Publications）、《Food Hydrocolloid》《Carbohydrate Polymer》等SCI雜志以及《食品科學》《食品與發酵工業》《中國糧油學報》《食品與機械》等雜志審稿人。

第一作者：

李錫銘，碩士研究生，就讀于天津商業大學生物技術與食品科學學院，研究方向為食品科學。

本文《3D食品打印材料特性及工藝參數優化研究進展》來源于《食品科學》2025年46卷第19期310-324頁，作者：李錫銘，陳金玉，吉芷芮，郭佳琦，陳金，易先計，吳子健。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250607-043。點擊下方閱讀原文即可查看文章相關信息。

實習編輯：李雄；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網