3D打印技术就是通过计算机辅助软件设计（computer aided design，CAD）并配合数字化加工设备，生产出具有三维结构的产品，这种3D打印技术应用较为广泛，在食品、医药（动物标本）、自动化、航空航天和流行领域等都有应用^[1-8]。

3D打印技术，和非热加工技术一样，它作为一种新技术应用在食品科学领域，具有创新性、便捷（有效提升加工效率）、营养健康、环境友好（绿色、减少浪费）和可持续发展（减轻世界范围内的贫困和饥饿）等优势^[1]，10多年前，第一台食品3D打印机投向市场，前期经数学模型拟合，成功打印生日蛋糕，通过一个小型机器人手臂实现复合食品物料的打印，而后更多的研究集中于改良食品3D打印原料配方与营养结构，优化打印程序与打印设备，从而提升3D打印食品品质^[2-3,5,8]。随着3D打印技术在食品领域研究的不断深入，除了用来生产定制化食品，食品3D打印还可以生产特医食品、细胞培养肉等^{[5, 9-13]}。

近年来，随着3D打印技术的发展及在食品工业领域应用的不断深入，已有部分文献初步应用并改良3D打印技术来打印各类食品，而对3D打印技术整体布局（如打印分类、打印技术实现路径、打印原料、打印辅助技术）缺乏深度剖析，3D打印技术如何助力未来食品工业和细胞培养肉（生物肉）批量、商业化生产，鲜有深度探讨，因此，该文在整理前人研究内容的基础上，深度剖析3D打印技术，并深入总结3D打印技术在不同种类食品的研发特点及局限，同时详细剖析3D打印细胞培养肉的可行性与实现路径，展望未来食品3D、4D甚至XD打印技术的发展，为3D、4D、XD打印与食品工业深度融合，实现绿色、高效、个性化与品质化食品生产打开更多思路。

1.   食品3D打印技术

1.1   食品3D打印技术分类

3D打印技术按照前期设计和后期发展可以分为3种类型：生物驱动型（bio-driven）、自下而上型（bottom-up）和自上而下型（top-down）。生物驱动型3D打印机（以Modern Meadow^TM为代表）致力于为细胞培养肉提供高效的培养平台；这种平台确保细胞在可控条件下生产出复杂的肌肉（脂肪结构），能够自动生产出和传统养殖同品质的肉，通过这样的3D打印平台，可以有效解决传统畜牧业养殖、后续加工生产出现的高污染、高消耗、不可持续（资源紧缺）等问题。细胞培养肉3D打印平台的搭建，也将部分/全部解决传统养殖业、食品行业中面临的问题^[14]。

芬兰的TNO和美国SMRC团队正在研发的自下而上型3D打印技术，旨在进一步有效利用现有范围内的新食品资源（如藻类、昆虫），解决食物供应短缺的问题，自下而上型3D打印技术是以节约食品资源为出发点，通过打印新食品资源、淀粉蛋白和脂肪等复合食品原料，从而更为逼真地模拟传统食品的感官特性，满足多元化人群（素食者）的膳食需求。自上而下型3D打印技术，是目前最常用的一种3D打印技术，它的打印原料不是传统打印机常用的工业金属材料，而是可食性原料（属于传统食品资源，而非新食品资源）比如面糊、巧克力汁、奶酪、砂糖、凝胶等，自上而下型3D打印技术是将3D打印技术与食品制造有机结合，以大众需求为导向，通过计算机蓝图完成可食性原料的“搭建”工程，通过3D打印机打印成型，从而开发“可以打印”“复制性很强甚至无差别”的食品，例如：3D打印巧克力、面团、菜泥、肉糜、Pizza等^[14-16]，其中，3D打印Pizza，制作过程包括面团、调味汁、奶酪的3D打印，如图1所示。

图  1  3D打印后形成的Pizza^[14]

注：（a）面团、（b）调味汁、（c）奶酪。

Figure  1.  Pizza formed by 3D printing ^[14]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   食品3D打印平台设计

食品3D打印平台，主要分为商业化/通用型（commercial platform）和自主开发型（self-developed platform）3D打印平台。它包括X-Y-Z三个坐标轴（笛卡尔坐标系统）、分配/烧结单元和用户界面。它通过一个计算机控制的送料系统，可以及时调控食品制造全过程^[12]。麻省理工学院在原有食品3D打印平台的基础上，将数字化烹饪体系融合到3D打印平台，根据个人喜好以及烹饪原料的营养价值完成原料混合、模型化设计和精准配比（表1）。这种食品3D打印平台设计理念更为接近实际情况，然而在技术层面还需要逐步实现。

表  1  食品3D打印机的设计理念总结^[12]

Table  1.  Summary of conceptual designs on food 3D printer^[12]

食品3D打印 平台组成	概念	设计平台	技术难点
大师级混合器	混合原料，达到精准配比	顶层（原料贮存）：控制温度、湿度和质量；第二层（加工单元）：混合、挤压和移动原料；底层：热控制挤压成型	层与层之间的分布和精准定量；仪器清洗； 减少原料浪费
数字化制造	按照模型设计加热原料	食物模型设计；笛卡尔坐标系统混合/打印头接入；制造单元化设计	原料如何装满模具；仪器清洗；原料供应是否连续
机器厨师	开发新产品（风味、设计）	2个5°机器人手臂；精准定位实现切割、分布、钻孔；加 热床实现切割、加热和烧结	模型化设计多元化加工食物形状；复杂的操作

下载: 导出CSV 

| 显示表格

商业化（通用型）3D打印平台可以有效简化食品开发过程，同时缩短开发时间。通过改造原有的3D打印平台，从而创造出更多构型（质构）的3D打印食品，但是这类通用型3D打印平台（如Fab@Home、MakerBot打印系统）受打印食品原料所限，在食品行业的应用具有一定的局限性。

自主开发型3D打印平台在商业化（通用型）的基础上进行改造，满足打印食品的特殊化需求，比如：通过计算机模型，创造出更多3D形状的打印糖；利用食品可食原料，打造多元化构型的奶酪、巧克力；开发3D打印可开放源代码软件，在设计阶段将“减少食品物料浪费”“提高食品出品率”考虑在内；开发匹配性打印头，从而提升多元化食品物料的沉积率。总之，无论是商业化和自主开发型3D打印平台，计算机控制体系是决定食品3D打印机械性能的关键因素。

自主开发型3D打印平台的用户接口需要根据消费者需求和知识水平来设计，界面设计一般包括3D模型设计、食材挑选、路径计划、加工参数选择、模板数据库等。延浩立等^[17]对食品3D打印喷头流道有限元进行优化，针对食品流体在FDM（熔融沉积）3D打印机喷头内流动的动态特性，结合流体力学相关理论建立流速的数学模型，改进3D打印喷头结构，为解决食品3D打印挤压成型中的难点问题提供了理论依据。吴捍疆等^[18]为了解决当下商业化/通用食品3D打印原料种类受限的问题，设计了可实现打印巧克力和面点类食品的制冷/加热切换的恒温打印温控平台，总之，3D/4D/XD模型设计需要根据打印食品预开发的形状和营养情况，开发智慧型软件，如ABAQUS、POLYFLOW、COMSOL等^[19]。

1.3   食品3D打印实施方案

刘倩楠等^[20]系统分析挤出型、粉体凝结型和喷墨型食品3D打印技术的工作原理（图2）、应用范围、优缺点及市场应用情况，认为制约食品3D打印技术发展的主要原因是打印原料的局限性、流动性、打印速度、打印后模型的稳定性等。挤出型食品3D打印通过数字化控制挤出过程，逐层打印，最终得到三维食品^[20]。粉体凝结型食品3D打印机，通过将粉末逐层凝结，形成一个完整的3D打印模型^[20]。喷墨3D打印配有类似普通打印机的“喷墨”装置，采用局部打印的形式，利用食品原料自身重力引起沉积实现3D打印^[20]，表2总结了食品3D打印技术实施方案。

图  2  挤出型、粉体凝结型和喷墨型食品3D打印原理^{[12, 20]}

Figure  2.  Extrusion-based, powder binding and inkjet food 3D printing principle^{[12, 20]}

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  2  食品3D打印技术比较^[11,20]

Table  2.  Comparison of food 3D printing technologies^[11,20]

3D打印技术	分类	举例	平台需要	适用范围	优点	缺点
挤出型	挤出原理：注射器式、气 压式和螺杆式挤出；打印 成型原理：常温、加热熔融、凝胶挤出	Choc Creator Fab@Home	载物台、加热 单元、挤压设备	巧克力、Pizza饼、干酪、 豆泥、糖衣等天然可打 印食品原料	最常用；3D打印 维护成本低；食 品组织结构紧凑	其适宜性受原料 特性的限制；还需 考虑后加工特性
粉体凝结型	选择性激光烧结、热空气熔融烧结和液体黏合	Candy Fab Sugar Lab	载物台、烧结系统（激光、热空气），粉体床	适用于打印低熔点的 食品原料，如糖和脂肪	打印速度快、 食物消耗低	仪器维护成本高，打印出的食品表面粗糙；长期食用引发慢病风险
喷墨3D打印	—	Foodjet	载物台、喷墨打印头、热控制单元	适用于蛋糕、饼干和其 他烘焙食品局部成型	打印速度较快	打印原料需维持低粘度，并保持流动状态

下载: 导出CSV 

| 显示表格

3种打印方式比较适合可打印食品原料的3D打印，如果长期食用这类食物，容易诱发慢病风险。而使用单一打印方式打印出的食品种类较为单一，由于食品本身构成较为复杂，需要集成多种打印方式（如设计多打印头），完成复合/复杂食品的打印，满足打印食品多样化的营养需求。

1.4   食品3D打印原料

现有的食品打印原料可以分为3种类型：天然可打印原料、不可打印原料以及选择性打印原料（新食品资源）^[11]。食品原料可打印特性由原料均一性、平滑度、粘性、流变特性和固化特性等综合评价。

天然可打印原料包括亲水胶体、蛋糕糖霜、干酪、豆泥及巧克力、意大利面团等，这些原料能够通过打印喷射口的挤压顺利流出，例如：亲水胶体主要是指含有大量亲水基团的大分子多糖类物质，具有较大的粘性和较好的凝胶特性，具有挤压成型的特点，这类可打印原料在打印食品沉积、成型后较为稳定，整体风味较好。但如果长期摄入富含可打印食品原料的3D打印食品，存在营养价值单一、诱发慢病风险的隐患^[11,21]。

不可打印食品原料绝大多数来自固体或半固体食品，如大米、肉、蔬菜等，这类食品本身不具备可打印原料特性，如果提升这类食品3D打印的挤压和质构特性，需要辅助添加亲水胶体（如黄原胶、明胶）和酶制剂（如转谷氨酰胺酶）等^[22]。当然这类食品在打印结束后还要进行热加工（如烘烤、气蒸和油炸等）制成最终成品，后续热加工到底对3D打印食品有哪些影响，还需要做更多的基础工作来验证。

选择性打印食品原料（新食品资源）包括藻类、真菌类、羽扇豆以及昆虫等，这类新食品资源能够提供丰富的蛋白质和纤维素，为人类未来饮食供应发挥了非常重要的作用^[23]。将这类食品原料磨成粉状，与冰、干酪等食品原料混合能够提升3D打印食品构型，并促进3D打印食品独特的风味的形成。现有的食品加工技术能够适应新食品资源开发，提升食品营养吸收与稳定性，选择性打印原料的添加将有效促进3D打印食品特殊风味、多元化质构的形成，有利于改善3D打印食品营养单一的情况，有助于3D打印食品朝向“低盐低脂低糖”的健康方向发展，但是选择性打印食品原料可能会面临消费者接受程度的挑战，因此，这类食品原料用于3D打印之前需要进行相关严格的安全认证，适量添加到3D打印食品原料中，在提升3D打印食品特性的同时，逐步获得更多消费者的支持。

2.   食品3D打印辅助技术

与3D打印技术一样，食品3D打印辅助技术也属于创新型技术，如静电纺丝（electrospinning）、微胶囊（microencapsulation）等^[10]，如果将这类辅助型技术应用/嵌入到3D打印系统，通过纳米纤维聚合、营养素包埋的形式进行多打印头平台联合控制，可实现食品营养、质构的定制化打印^[11]。

静电纺丝技术能够生产出更细的固体多聚物（10~1000 nm），这类多聚物具有很好的抗菌活性，在控制食品原料尺寸和结构的基础上，生产出高营养价值（低盐低脂）和高感官品质的食品。静电纺丝技术与食品3D打印技术的融合，能够满足多元化人群的营养需求^[11]，这种技术通过提取、包埋食品原料中纤维成分及其他亚组分，控制食品原料悬浮体积，从而缓释释放营养素，稳定食品质构，提升食品风味。例如，通过静电纺丝技术可以将肉中肌纤维、蔬菜、柑橘中的纤维素和低脂蛋黄酱按一定比例悬浮、包埋，有助于提升3D打印蛋黄酱的打印特性与食用品质。

微胶囊技术主要是以天然/合成的高分子材料为壁材，将液体、固体或气体（芯材）经包埋所形成的一种具有半透性或密封囊膜的微型胶囊，广泛应用于食品、药品生产领域^[24]。将矿质元素、维生素、风味化合物、功能性油脂等活性物质进行微胶囊包埋，有利于提升其长期贮藏特性，维持其生理活性功能。XU等^[25]采用电流体动力学雾化技术，通过数字化控制的流体动态模型，实现活性药剂在双层壁材的球型微胶囊包埋的全过程，根据药品传送、包埋效率、体外缓释释放需要，可以弹性优化原始微胶囊配方。SUN等^[11]认为，微胶囊技术通过包埋食品原料中的活性成分，最大限度地减少食品打印原料的营养价值损失，提升其贮藏特性，通过食品3D多头打印，会整体提升3D打印食品品质。因为，理论上微胶囊未经消费者食用，将在食品中永久保存。因此，SUN等^[11]设想，静电纺丝技术/微胶囊技术辅助与食品3D打印设备的融合，可能会提升3D打印食品的感官、风味及营养品质。

3.   3D打印技术在食品工业领域的应用

3.1   3D打印果蔬、甜点、粉质类食品

众所周知，水果蔬菜的摄入有助于补充人体中微量元素，达到控制体重和预防慢性疾病的目的。甜点、粉质类食品的多元化开发满足消费者对于个性化饮食的消费需求。在过去10年中，3D打印技术在食品工业领域应用广泛，像巧克力、面团、奶酪、果蔬切片、水凝胶以及代餐粉类食品原料大多属于可打印或者选择性打印食品原料，其中涉及食品3D打印方面的研究比较多^[1,26-28]。表3总结了3D打印技术在果蔬、甜点及粉质类食品中的研究现状。

表  3  3D打印技术在果蔬、甜点及粉质类食品中的研究现状

Table  3.  Researches of 3D printing technology in vegetables and fruits, desserts and powder food

研究对象	研究结论	参考文献
蔬菜冻干粉	果蔬冻干粉配合卡拉胶、刺槐豆胶等亲水胶体的添加，可以制作出适合吞咽障碍患者的特殊膳食	[9]
山楂酱	以山楂酱为原料，加入0.1%的增稠剂（黄原胶:魔芋胶=7:3），山楂酱具有较好的打印性能	[26]
果蔬凝胶	加入大豆蛋白提取物的山楂粉凝胶具有良好的3D打印特性	[29]
巧克力	巧克力3D打印的沉积冷却环节影响其流变特性，打印室温影响3D打印巧克力的热转移动力学与打印稳定性，添加硬脂酸镁有助于巧克力3D打印的挤压成型	[30-31]
小麦面粉	小麦蛋白质含量在9%~10%时，3D打印效果较好，通过低场核磁共振技术可以进一步了解以小麦为原料的3D打印凝胶贮藏特性	[32-33]

下载: 导出CSV 

| 显示表格

从表3可以看出，果蔬、甜点、粉质类食品的3D打印研究主要集中于原料差异和打印参数对3D打印食品特性（如流变、感官、质构）的影响，而这类3D打印食品往往开发为零食，满足个性化消费需求，大多不需要经过3D打印以后的热加工环节，可以直接食用，如果经常食用3D打印甜点类食品，往往因为糖、油脂含量高引发慢病风险，未来这类3D打印食品的开发可以考虑在打印特性和感官品质多元化的基础上，丰富打印原料来源（如添加果蔬制品），逐步降低糖、油脂用量，满足多元化人群的营养和消费需求。

3.2   3D打印畜产品、水产品和细胞培养肉

肉类和水产类，富含水果蔬菜中普遍缺乏的动物蛋白与活性成分，适量摄入这类食物，能够增强体质^[34-35]，肉和水产类食物在热加工后，在提升食用安全性的同时，更为适口。

目前，关于3D打印畜产品、水产品，仅有少量研究以畜产品、水产品这种纤维化肉质为研究对象，深入研究肉“墨汁”（如不同种类肉/鱼糜复配^[1,36-38]）与其他食品添加剂（不同食盐、淀粉质原料、谷氨酰胺转氨酶）复配的流变学特性、沉降、加工与打印特性（持水性、凝胶强度、流变学特性、微观结构）。表4总结了3D打印技术在畜产品、水产品中的研究现状。然而，这类食品经过3D打印后，还需要后续热加工环节才能安全食用。目前，肉/水产品属于不可打印类食品原料，这类食品的3D打印特性还需进一步优化提升，国内外在3D打印肉/水产品的后续热加工方向开展的研究比较少，这类食品的3D打印能否承受后续热加工的同时，维持3D打印特性还需要做更多基础性的研究工作。

表  4  3D打印技术在畜产品和水产品中的研究现状

Table  4.  Researches of 3D printing technology in meat and aquatic food

研究对象	研究结论	参考文献
火鸡肉汤	胶体的添加有助于提升纤维状肉制品（猪肉、水产、鸡肉）粘合度、打印特性，实现火鸡肉汤真空低温加热-3D打印	[1]
酸奶	加入亲水胶体和乳清蛋白有助于3D打印酸奶风味和质构的形成	[39-40]
蛋清	5%蛋清蛋白的添加，有助于改善3D打印胶状食品的稳定性	[41]
鸡肉凝胶	响应曲面和遗传算法拟合3D打印鸡肉凝胶制品质构	[42]
鱼糜	淀粉添加在12%时，以鱼糜为基础的3D打印仿制蟹肉凝胶打印效果较好	[43]

下载: 导出CSV 

| 显示表格

细胞培养肉是利用组织工程学（tissue engineering）原理，将畜禽中的干细胞经过体外细胞培养方式培养“生物肉”，这种细胞培养肉跨过了传统禽畜饲养过程，其品质与传统常规饲养获得的肉品无明显差别，随着该技术在未来食品领域发展^[43-45]，大众对细胞培养肉的可接受程度也会逐步提升^[46-47]。

细胞培养肉培养前期需要获得大量的肌肉细胞及蛋白质，随后需要人工分离种子干细胞（诱导肌源性产生），再通过生物反应器扩大培养种子细胞^[44]，如图3所示。而3D打印细胞培养肉主要在细胞大规模增殖、分化阶段后期，通过打印“细胞肉墨”，达到批量生产具有组织结构肉的目的^[48]，以往文献对这种3D打印细胞培养肉研究还比较少，有少量文献初步探究3D打印骨骼肌的可行性^[49-51]，然而3D打印细胞培养肉能否实现商业化，主要受种子干细胞能否成功培养，能否高效组培诱导，生物反应器能否达到批量生产规模等因素约束。后续研究在调整3D打印参数的同时，需要从更多维度衡量3D打印细胞培养肉特性（如质构、微观结构、基因组信息等），这种3D打印细胞培养肉应用广泛，将会在大众饮食、军队联勤保障、航空航天食品开发和大健康领域“大显身手”，如图4所示。

图  3  培养肉的生产过程^[10]

Figure  3.  The production of cultured meat^[10]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  4  培养肉3D打印^[10]

Figure  4.  The 3D-printed cultured meat^[10]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.3   3D打印特殊食品

3D打印特殊食品的开发能够满足多元化人群的个性化营养需要，除了能够满足正常人群的营养需要，它还能满足那些患有慢性或特殊疾病（糖尿病、肾脏病、消化系统疾病、吞咽障碍）人群的营养需求^[52]；对于年长或体弱患者，3D打印特殊食品质软，易做成糊状、泥状，易于咀嚼、消化，能够更好满足该类人群的消费需求与食用安全。3D打印能够适应特殊环境（如航空航天、军事），满足食品批量生产需求；对于其他人群，它会根据消费者群体的多元化需求做出灵活调整^[53]。

目前，很多3D打印食品在某种程度上实现了食品构型多元化，但它在营养价值方面打了折扣。因此，3D打印特殊食品的开发，就是要在持续优化食品构型的前提下，逐步平衡其内部营养，通过“美食视觉冲击”，提升消费者购买欲；这类3D打印特殊食品会着重考虑多元化人群（如运动员、儿童、怀孕妇女、患病人群）营养平衡需要，在设计阶段会逐步优化食品原料比例，如降低不必要食品原料比例，而提高健康食材占比^[54-55]。表5总结了食品3D打印特殊食品的研究现状。

表  5  3D打印特殊食品的研究现状

Table  5.  Researches of 3D-printed special foods

研究对象	研究结论	参考文献
低钾饮食	通过开发3D打印低钾饮食，满足肾脏病患者的饮食需要	[53]
功能化微 胶囊食品	通过对益生菌、微量营养素的包埋，开发3D打印功能性微胶囊食品	[53]
吞咽障碍患 者/老年饮食	开发一种基于新鲜蔬菜（胡萝卜、小白菜、豌豆）和亲水胶体的3D打印吞咽障碍患者的新型饮食	[9]
宇航食品	美国国家航空航天局研发专用的3D打印食品，满足航天员的营养需要	[55]
儿童点心	为3~10岁儿童开发了一种以水果为基本食材的营养点心	[56]

下载: 导出CSV 

| 显示表格

4.   未来食品3D打印技术发展

当今，全球环境资源也面临日趋紧张和短缺的情况，同时人类对食物的需求量却呈现持续增加的趋势。越来越多的定制化、“精准”饮食应运而生，随之食品加工产业链升级与供给侧结构改革，食品3D打印技术，一种重要的未来食品加工新技术受到广泛关注。从打印原始食品原料发展到3D打印细胞培养肉，完成具有“复制、粘贴”属性的批量化食品生产，可以看出，食品3D打印技术不断走向成熟，它在食品工业领域的应用面逐渐拓宽。如何在融合3D打印技术与食品工业的基础上，开发更多高品质的食品，在食品生产链中实现高效率和批量生产，食品3D打印技术能否部分或全部取代传统食品生产技术，实现食品生产的可持续发展，能否为食品营养健康产业带来新革命，需要做更多的基础开发工作来验证。

为实现食品3D打印技术更好地发展，今后还需从以下几方面开展深入研究：食品3D打印平台还需要不断创新；例如：针对复杂食品原料，需要开发多打印头，采用联合打印的方式，提升3D食品打印性能；需要进一步开发3D打印食品原料，提升不可打印食品原料的打印性能；需要深入研究食品3D打印辅助新技术（如静电纺丝、微胶囊、非热加工），从而提升3D打印食品品质；需要深入研究可行化的食品3D打印批量、高效生产细胞培养肉技术，改进传统肉生产流程，真正实现生产环节的环境友好及可持续发展；需要进一步开展后续热加工对于3D打印食品与细胞培养肉品质（质构、安全特性、风味等）的影响；需要深入开发3D打印特殊类食品，在优化质构的同时，全面提升营养价值，满足多元化人群的消费需求，总之，3D打印食品未来发展，需要在优化3D打印食品原料打印特性的基础上，开发3D打印细胞培养肉、3D打印辅助新技术和3D打印特殊类食品，在实现3D打印食品构型多元化的基础上，做到满足不同人群的营养需求，为全面提升食品3D/4D/XD打印技术提供更多思路。