谷物基原料3D打印的研究進展

耿 涵

王 莉

陳正行

左中鈺

(糧食發酵與食品生物制造國家工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

食品3D打印也被稱為食品分層制造技術，是一個數字化控制的過程，以三維實體模型為基礎，利用食品材料，通過控制溫度和壓力，經逐層堆積打印形成結構復雜和外型各異的食品產品。食品3D打印技術可以個性化定制食物，不僅能豐富食品樣式，改良食品品質，還可以調整食品的營養成分以適應不同個體的健康需求以及口味偏好。谷物食品作為中國人的傳統主食，在中國居民膳食組成中占有重要的地位。3D打印技術因其獨特的優勢，為日常飲食和營養保健的有機結合提供了一個新的思路，也為實現健康谷物食品的個性化定制提供了新的途徑。

谷物食品屬于多組分食品體系，包含了蛋白質、碳水化合物和脂質等天然材料，擁有剪切稀化和觸變性的假塑性非牛頓流體性質，該特殊的流變性質賦予了谷物基材料的3D可打印性。3D打印自引入食品加工業以來，受到廣泛關注，目前的研究方向主要分為印刷工藝和材料兩部分。文章擬從適合谷物食品的3D打印工藝及其原理、打印原料、打印效果3個方面進行綜述，介紹谷物基3D打印的相關進展和存在的挑戰，為個性化制造營養、健康的谷物食品提供指導和依據。

1 食品3D打印技術原理

1.1 谷物基3D打印技術

3D印刷(3D printing，3DP)是一種新興的制造技術，能夠通過不同材料的逐層沉積過程，將虛擬的3D模型轉換為實際的有形結構。3DP屬于增材制造工藝(Additive Manufacturing，AM)的一種。AM中類似于3DP的工藝系統已有20多種，其中較為成熟并且被廣泛使用的工藝系統有6種，具體信息見表1。目前，技術最成熟應用最廣泛的是SLA[2]，但其在食品領域還未見報道，適合食品材料3D打印的是FDM和3DP[3]，在此部分主要介紹與谷物最相關的基于擠壓工藝的食品3D打印技術即FDM的技術原理。

表1 增材制造主要應用工藝[1]Table 1 Main application process of additive manufacturing

熔融沉積法(FDM) 適用于熱塑性塑料和高黏度的有機材料，具有成本低、成形原件變形程度小、材料來源廣的優勢。其工作原理為：首先用三維軟件建立工件模型導入FDM打印機中。然后將熱熔性材料倒入料筒，使用料筒內螺桿傳輸材料的同時對料筒進行加熱，當材料抵達螺桿底部時達到熔融極限溫度。材料受力落入噴頭熔池，在噴頭中繼續加熱至完全熔化，最后從噴嘴中擠出，在工藝平臺上打印成形凝固。工作臺外置散熱風扇進行工件的降溫和冷卻凝固成形。噴頭按照三維軟件設定的路線完成當前截面的擠出過程，工件下移開始下一層的噴涂打印，逐層累加直至工件打印完畢[4]。由于FDM設計的靈活性，支持打印種類多樣的食品材料，例如面團、凝膠等，因此最適合谷物基原料應用。

1.2 食品3D打印設備構成

如圖1所示，3D食品打印機主要采用笛卡爾型(Cartesian)、三角洲型(Delta)、 極坐標型(Polar)或斯卡拉型(Scara)結構配置，不同的結構配置中打印頭在X、Y和Z軸的腔室中的移動各不相同，適用于不同的打印階段。其中，笛卡爾型(Cartesian)和三角洲型(Delta)是食品3D打印最常用的結構配置。

圖1 主要3D食品打印機的結構配置[5]Figure 1 The configuration of the main 3D food printer

FDM打印機的擠出機制類型見圖2，分為注射器擠壓出料，螺桿擠壓出料和氣體輔助擠壓出料3種[5,7]。注射器擠壓出料方式的擠出速率對不可壓縮的流體介質而言僅僅與注射器推進的速率和儲料罐的截面積相關，可以獲得很大的擠出力。對于高黏性流體材料，注射器擠出可以無視其內摩擦力導致的黏度變化實現精確擠出，但是持續供料能力不強。氣體輔助擠壓出料原理是通過向儲存3D打印材料的密封腔內加入氣體，加大壓力，進而將材料從噴嘴擠出。形成的氣壓越大，擠出的材料越多，越有利于材料快速更換。但由于氣體的不穩定性，材料擠出可能發生滯后，具有很難做出快速響應的缺陷。

圖2 3D食品擠出機制的類型[6]Figure 2 Types of 3D food extrusion mechanism

螺桿擠壓出料擠壓力較大，可以實現打印材料的持續擠出，可以用于高黏度材料的打印，但是由于螺桿的不斷轉動施力，裝置內部溫度會升高，容易造成材料時變性非牛頓流體的黏度變化，不利于穩定供料，同時螺桿擠出裝置的清洗也比較困難。

FDM打印機由4個主要部分組成：打印頭(主要包含進料斗、進料桶/注射器/墨盒、擠出頭)、數字控制接口、打印臺和可移動外殼。機架是FDM打印機的主體機械結構，是包含X、Y、Z軸運動部件及各個傳動部件的承載體，機架的穩定對噴頭打印過程中的精度有很大的影響。傳統的機架主要分為i3型(龍門架結構)、并聯臂型、XYZ型3種類型，如圖3所示。不同的機架結構平臺與噴頭的運動方式各不相同，i3結構機架Y軸帶動成型平臺移動，X和Z軸控制噴頭運動；并聯臂型結構相對穩定，可以在X、Y、Z軸上進行機械運動；而XYZ箱型結構機架則是打印機座固定在Z軸，X和Y軸控制噴頭。

圖3 FDM機器機架3種結構[8]Figure 3 Three structures of FDM machine frame

常用的FDM打印噴嘴按制造材質可分為塑料噴嘴和金屬噴嘴，按照噴嘴內部管道形狀可以分為標準型噴嘴和錐型噴嘴，如圖4所示[9]。金屬噴嘴比塑料噴嘴有更好的散熱性能。標準噴嘴的流道長徑比更大，黏彈性打印材料需要經過更長時間才能從噴嘴中被擠出，能夠促進材料在壓縮變形中積存的彈性勢能的釋放，防止擠出脹大現象的發生。而正是由于長徑比比錐型大，標準型噴嘴更容易發生堵塞。

圖4 FDM工藝的兩種金屬噴嘴Figure 4 Two metal nozzles of FDM process

1.3 打印后續處理

3D打印除了主要的制作程序之外，還可以使用適宜的后續處理工序，增加工件的強度、硬度，防止粉末材料掉落，延長打印工件的使用壽命。使用主要的后處理過程包括：靜置、強制固化、去粉、包覆等。靜置是指在打印結束之后將打印好的工件靜置一段時間，使粉末材料和粘結劑或粉末材料之間交聯固化完全[10]。強制固化是指，當模具已經有了一定的強度之后，通過加熱、真空干燥、紫外光輻射等外力方式進一步強化粉末相互作用力[11]。強制固化完成后，模具已經具備較強的硬度，但還需要將表面未交聯的多余粉末除去。大部分的粉末可以通過刷子除去，剩余的粉末可以通過特殊溶劑浸制、機械振動、微波振動和風力的方式除去[12-13]。最后還要考慮模具的長久保存，常見的方法有在模具外或關鍵連接部位使用防水固化膠，或者將模具放入具有保護作用的聚合物中，比如環氧樹脂、熔融石蠟等，達到防水、堅固、不易變形的效果[12]。

2 谷物基3D打印材料

當前使用的大多數3D食品打印方法都是基于材料擠壓技術，即將食品原料通過氣壓推入噴嘴并按照特定的模式沉積在目標板上[14-15]。這樣的技術可以實現連續印刷，并且特別適合于使用液體或低黏度材料的食品制備。谷物食品是中國傳統膳食的主體，主要包括大米、小麥、小米、大豆等及其他雜糧。谷物食品材料屬于多組分食品體系，包含了碳水化合物和蛋白質、脂質等成分，各組分的含量變化均會影響食品材料的質地和流變特性，進而影響熱擠壓3D打印效果。對于碳水化合物基材料和蛋白基材料，可以通過凝膠化來實現流動和自支撐性，而對于脂肪基材料則是通過加熱熔融和降溫凝固使其具備一定的結構強度利于沉積成型[9]?，F已成功將3D打印技術應用于打印巧克力[16]、肉糜[17]、奶酪[18]等物質中，但是將谷物基材料應用于3D打印的研究并不多。谷物食品來源豐富，品種繁多，成本合理，可擴大3D打印技術在食品領域的應用范圍，增加適用于3D打印的材料，挖掘出谷物原料的更高價值。

2.1 谷物基材料3D打印特性

2.1.1 流變特性 適用于3D食品打印的最常見材料是碳水化合物、脂肪、蛋白質、纖維和其他功能成分[19]。理論上所有的軟性食品材料都可以作為3D打印的原料，但熱擠壓3D打印成型性主要受到食品材料流變特性的影響。擠出噴嘴后在重力的作用下材料經歷低剪切力作用，因此要求材料具有剪切稀化特性以及對交變剪切應力快速和可逆的模量松弛響應。淀粉作為谷物食品材料的主要結構成分，其黏彈性流體屬于典型的剪切稀化和觸變性非牛頓假塑性流體。特殊的流變性質賦予了淀粉材料的熱擠壓3D打印可行性。因此，谷物原料作為3D打印的材料具有廣闊的空間。然而，由于谷物原料品種繁多，用于3D打印的各種淀粉原料的流變性不盡相同；且食品體系復雜，各成分混合后的結構和流變特性都處于未知狀態，因此對不同品種的淀粉材料的打印特性需要區分了解。

余陽玲等[20]發現馬鈴薯、小麥和玉米淀粉凝膠均可獲得完整的3D打印模型，其中小麥淀粉凝膠具有較低的黏度、較好的擠出性和貯藏性能，用小麥淀粉制作的3D打印樣品的尺寸最接近CAD設計模型，且微觀結構更為規則，是較為理想的谷物基3D打印材料。陳洹[9]發現大米淀粉、玉米淀粉較佳打印區質量分數分別為15%～25%和15%～20%，均呈現出剪切稀化和對交替剪切應變刺激下模量的快速響應特性，原因是較高的淀粉濃度導致凝膠的屈服應力、流動應力和儲能模量增加。其中質量分數為15%～25%的淀粉懸浮液通過在70～85 ℃的溫度下加熱，獲得的打印成品具有出色的擠出加工性能和機械完整性。Guo等[21]運用CFD 模擬和打印試驗評估了黑米、綠豆、糙米和蕎麥作為3D打印材料的流體動力學，結果表明綠豆凝膠的黏度最低，但蕎麥凝膠具有較高的穩定性，該研究倡導未來的探索應通過使用結構力學模擬來評估各種印刷材料的機械性能和結構穩定性?？傊矸鄣牧髯兲匦詫Ω黝惞任锊牧系牧髯冃阅苡嘘P鍵的影響作用，也決定了熱擠壓3D打印技術能否應用于谷物食材的加工制造。

2.1.2 質地特性 對于谷物基3D打印材料，雖然谷物原料種類多，流變性能有差異，但可以通過改變3D打印參數、原材料組成[22]等方式改變內部結構[14]以構建個性化的質地特性的3D打印食品。Derossi等[23]通過研究小麥/米粉混合物3D打印工藝對谷物零食的微觀結構和質地的影響發現，微觀結構的多樣性極大地影響了產品的機械性能，3D打印樣品有著更高的硬度、咀嚼性和內聚性。這證明了改變3D結構中孔隙的形態和分布，能夠影響谷類零食的質地。還有研究者[24]發現在打印過程中使用相同的填充水平，但印刷不同的圖案，產品硬度有顯著差異；相反，當使用較軟的食物——糙米作為原料時，填充模式對產品質地無影響。Feng等[25]研究了空氣炸制品的質地特性，發現對于20%低填充的樣品，硬度遵循平行結構>交叉結構>復雜結構的順序。因此，需要廣泛試驗打印變量對谷物基原料3D打印效果的影響，以應對不同要求下所需的產品的質地。

2.2 谷物基材料3D打印應用

對于日常主食材料，打印得較成功的食材為面糊、面團[14,26]，而對于大米、小米、燕麥等其他谷物基的食材研究并不夠深入。這主要是由于這些食品材料多數打印支撐性能弱和結構造型差不能滿足擠壓3D打印工藝的要求，且在擠壓沉積過程中力學強度也不夠，導致產品坍塌變形，成型效果不佳[27]?？蓪@些食品材料進行一定的前處理，改變其流變學特性、質地特性來調控其擠壓打印和沉積性。目前，由面糊制成的食物——營養主糧餅干[28]、添加益生菌的小麥零食[29]、燕麥米粉[30]等食物一一通過改變食品配方、調整工藝參數等形式實現3D打印。

在中國，章云等[31]使用富硒米粉、玉米粉、蕎麥粉以及其他材料制成了一款玉米米粉3D打印材料。周泉城等[32]將玉米淀粉與馬鈴薯淀粉或木薯淀粉中的一種或兩種的混合，再與蛋白混合，加水糊化，最后制成3D打印機成型材料，可打印任何造型的食材或模型等，打印物成型好，層疊界限不明顯，適合于蒸煮、烘焙、煎炸等后續加工。鄭波等[33]將玉米粉、燕麥粉、小米粉、蕎麥粉、木薯全粉按一定比例與其他材料混合，進行熔融沉積3D打印，堆疊出所需的三維實體食物，再放入烤箱烤制成雜糧餅干。制成的餅干可以保持精致和復雜的圖案形狀，實現了產品營養與美觀的結合。國外，Sun等[5]使用可互換的擠出機制造多材料蝴蝶餅干，其中使用含有不同食用色素的相同面團材料來呈現多種顏色，見圖5。Severini等[34]以小麥粉為原料，設計出不同的填充量、層高、固形物含量的3D打印谷物零食，見圖6。Derossi等[35]利用小麥面團多層打印成功再現了蘋果組織的微觀結構特征，表明食品3D打印能夠模仿生物組織的形態學特性。

圖5 3D印刷曲奇Figure 5 3D printed cookies

圖6 不同3D打印設計獲得的印刷和烹飪小吃Figure 6 Printing and cooking snacks obtained bydifferent 3D printing designs

除了制作成食品，谷物原料也被制作成不同的3D打印材料，應用于不同的領域。如俞克波[36]對玉米秸稈進行表面改性處理，增強了材料的致密性和穩定性，將粒料干燥后粉碎成細小粒料再進行3D打印，確保材料表面的光滑性，制備的材料具有良好的耐腐蝕性、尺寸穩定性。褚忠等[37]將小麥粉、糯米粉等材料混合，制成了一種3D打印面塑材料。該面塑材料制備速度快，有良好的可擠出性及可堆積性，硬化后呈乳白色，可以3D打印出各種復雜模型。葉靜等[38]發明了一款由玉米、大米等原料制作的打印餐具的3D打印機，可自動實現餐具打印成型，以減輕洗碗的負擔。這些應用豐富了谷物基3D打印的研究意義，擴寬了谷物材料的應用場景，提升了谷物的附加值。

3 影響谷物基3D打印效果的因素

3D食品打印成功與否，受到打印材料的混合流變性，結構準確性和形狀穩定性，與傳統食品加工技術(例如烘焙和干燥)的兼容性以及打印速度的多重挑戰。使用3D打印制造具有復雜結構的食品在很大程度上取決于材料的物理特性，比如物料的質地分布、黏度、比率等因素；其次，材料的可印刷性，例如凝膠化，熔融和玻璃化轉變溫度。再而，加工參數也會影響3D打印過程中食物的形成和質量，包括噴嘴的高度和直徑及材料的流速[39]。除此以外，后期處理也不得忽視。因此，為了使谷物基原料具有較理想的擠壓3D打印成型性，需要在制作谷物基3D打印食品的過程中進行多方面的充分考慮。

3.1 適用性

3D打印技術的適用性主要取決于材料的物理、化學性能。這些材料應該是均質的，并具有適當的擠出流動性，并可以在印刷過程中和印刷后支撐其結構[40-42]，或者可以與結構材料有效混合。軟質材料的黏度應既能滿足易于通過細噴嘴擠出的要求，又能保持隨后沉積的層的形狀[40]。大多數天然谷物基食物不具備印刷所必需的流動特性[43]，為了擴大3D打印技術的使用范圍，可通過添加劑或加工過程對食品材料進行物理改性來實現適當的流動性能。

在使用添加劑方面，研究較多的是將水膠體添加到打印材料中以調節糊化性能、黏度和流動性，將不同品種的淀粉混合或添加蔗糖等方式也可以改變3D打印原料的物理性能。Azam等[44]將阿拉伯膠、瓜爾豆膠、k-卡拉膠和黃原膠加入到橙濃縮物—小麥淀粉中，膠的添加導致橙濃縮物—小麥淀粉混合物的表觀黏度、儲能模量(G′)和損耗模量(G″)增加。其中，使用含有k-卡拉膠的共混物打印的樣品具有最大保真度和良好的承重能力，可防止由于適當的G′值而隨時間崩塌。Vancauwenberghe等[45]研究得到果膠濃度是打印物體牢固度和強度的主要決定因素，糖和果膠的濃度增加了黏度并影響了打印質量。Yang等[46]發現烘烤面團的凝膠形成特性和物理性質會隨水、蔗糖、黃油、面粉和雞蛋含量的不同組成而變化?？傊瑸楂@得更好的成型樣品形狀應滿足假塑性凝膠的要求，如相對較高的可擠出性、凝膠強度、彈性和相對較低的延展性等。

在物理改性方面，Maniglia等[47]使用簡單的物理技術干式熱處理對木薯淀粉進行改性，得到了更好的打印材料。因為干式熱處理時間的增加產生了具有較高羰基含量和較大顆粒尺寸的淀粉，降低了吸水率，增加了水溶性指數，影響了顆粒的結晶度并減小了分子大小。Xu等[48]使用超聲波—微波聯合預處理方式對小麥淀粉—木瓜3D打印原材料進行改性，發現在相同超聲處理條件下，當微波功率為80 W時樣品G′、G″和結合水比增加，成品的支撐穩定性、線條均勻性和高度保持性相對處于最佳水平。

3.2 可印刷性

可印刷性取決于如何對材料的屬性進行處理，通過3D打印機打印并保持打印后的結構。對于3D打印在食品領域的實際應用，特別是谷物類產品，應根據谷物原料的機械性能對打印參數進行精確設置，提高谷物基原料的可印刷性。

若選擇普通小麥面粉作為基質，小麥面團的可印刷性取決于其在水含量、面粉類型和添加劑含量方面的組成。首先，如果加水量太少，面團將無法均勻混合，并容易阻塞針頭，影響印刷質量和食用味道。而如果加水太多會使面團變得太軟，樣品在印刷后很容易塌陷，從而難以獲得合適的形狀。其次，面團的組成影響其動態流變性能和微觀結構[49]。具有較高的黏彈性模量、損耗因子、復數黏度和屈服應力的面團配方顯示出良好的印刷效果和印刷后的足夠穩定性[50]。因此，為了實現小麥面團的印刷，需要優化其配方。Liu等[51]比較了小麥粉、芒果粉、橄欖油、水等材料對于3D打印食品質量的影響。在不添加冷凍干燥的芒果粉和橄欖油的情況下，面粉與水的比例為5∶3 (g/mL)時，可獲得最佳的食品印刷質量。另外，當壓縮壓力、針速度、針直徑和內部填充率分別為600 kPa，6 mm/s，0.58 mm和50%時，打印樣品質量最高。Severini等[34]分析了填充密度和層高水平對小麥面團印花性能的影響，證明樣品的直徑與層高直接相關，而樣品的高度則隨層高的增加而減小，這歸因于當層高增加時面團的不規則沉積。另一方面，填充水平對生和熟零食的固體成分的變化更為重要，樣品的斷裂強度與填充量密切相關。Severini等[52]在小麥粉面團中添加不同量的黃粉蟲幼蟲，應用3D打印技術制作出一款可豐富蛋白質來源的谷物基小吃，效果見圖7。結果顯示一定數量的昆蟲會導致面團變軟并導致面團沉積溢出，增加食物樣品的直徑，高度和重量，改變谷物零食的形態和微觀結構。

圖7 不同黃粉蟲含量的3D打印小麥基零食Figure 7 3D printed wheat-based snacks with differentinsert content

1. 1.5%纖維素納米纖維+5%淀粉 2. 15%淀粉 3. 30%黑麥麩 4. 35%燕麥濃縮蛋白5. 45%蠶豆濃縮蛋白 6. 0.8%纖維素納米纖維+50%半脫脂奶粉 7. 60%半脫脂奶粉圖8 烤箱和冷凍干燥對3D打印樣品外觀的影響Figure 8 The influence of oven and freeze-drying on the appearance of 3D printed samples

大米面團是非牛頓流體，具有高剪切稀化行為，并且表現出類似于弱凝膠的流變行為[53-54]。Anukiruthika等[55]對米粉混合物(大米粉、蛋黃、蛋清)的各種擠出印刷參數進行了優化，包括印刷成分、噴嘴高度、噴嘴直徑、印刷速度、擠出馬達速度和擠出速率。結果表明，添加填料(m蛋黃粉/蛋白粉∶m大米粉為1∶1，1∶2)對提高印刷的蛋黃和蛋清的穩定性和強度具有顯著影響。在Huang等[24]的研究中，通過更改打印變量(即噴嘴尺寸、周長和填充密度)來研究糙米的3D打印精度，打印效率和質感特性，評估糙米的可印刷性。結果顯示，較小尺寸的噴嘴可以提高3D打印樣品的大小，噴嘴尺寸不僅會改變孔隙率，還會改變沉積的層數，可減少印刷時間；質地特性如硬度和膠黏性與填充密度密切相關；而Liu等[56]研究了糯米、粳米、秈米3種流行大米面團的3D可印刷性，發現米粉的流變學性質受其配方的影響明顯，并且與其適印性能之間無定量關系。進一步研究了3D打印與傳統食品加工技術的兼容性，發現由于糯米支鏈淀粉含量較高，在蒸煮過程中發生溶脹，顯示出最差的形狀穩定性和最高的體外淀粉消化率。而秈米和蒸制的粳米中則出現了相反的現象，表明秈米和粳米可能是有前途的3D打印材料。

3.3 后處理

理想情況下，3D食品結構應能夠抵抗后處理，在食品印刷領域，后處理包括烹飪過程，例如烘烤、油炸和蒸煮，以改善食品原料的風味或使其轉化為可食用狀態[26]。各種軟質材料(如曲奇、奶酪和蛋糕糖霜)的沉積已通過基于擠出的3D打印技術完成[29]。然而，這些物體不適用于常規食品加工技術，并且在后加工處理后會大大變形。為了實現3D打印工藝在食品上的廣泛應用，該技術必須易于與傳統食品加工步驟兼容[57]。加工后用于保持物體形狀穩定性的兩種主要方法是改良配方、使用添加劑或者是選擇合適的加工方法[29]。Pulatsu等[58]發現減少的曲奇面團的含糖量可在烘烤后產生結構穩定的曲奇，同時增加牛奶含量可增強打印介質的流動性。Lille等[14]驗證了印刷后的形狀穩定性與糊的屈服應力有關。通過烤箱干燥進行的后處理在印刷樣品的初始固體含量高(<50%)時最為成功。圖8展示了烤箱和冷凍干燥分別對不同3D打印樣品外觀的影響，可以看出對于初始干物質含量為35%以下的樣品，冷凍干燥比烘箱干燥能更好地保存印刷結構。除此以外，在一項研究[50]中也發現，小麥面團的結構表面積/體積比的增加會加速其烘烤過程，可降低后處理對于3D打印樣品的結構破壞。

但是某些產品，如3D打印的餅干，雖然在面團中改良黃油、蛋黃和糖的配方可以提高產品形狀的穩定性[57]，但是較大的組成變化會影響最終產品的質地特性。因此，重要的是既要允許產品在后期的加工過程中產生最低程度的變形，同時又保持最終產品所期望的性質。水解膠體是親水性材料，被添加到食品中以改善性質，例如膠凝或增稠[59]，并有可能在后加工過程中提高食品材料的機械穩定性。Kim等[60]用水膠體部分取代小麥粉，研究了溫度變化過程中水膠體的摻入對餅干面團尺寸穩定性的影響。結果表明，具有0.5 g/100 g 黃原膠的曲奇面團可以平滑地打印，并且在后處理過程中成功地保留了其3D設計形狀。這項研究引入了一種在后處理中改善3D打印對象的形狀保持性的技術，并更好地理解了應用于食品材料3D打印的處理步驟所需的材料特性。如何在不同的食物系統中獲得廣泛的配方和印刷參數，是一個巨大的挑戰，也是成功進行3D食物打印的關鍵。因此需加強對谷物基材料性能的研究，對實現可打印性，可后續加工性起著重要的作用。

4 谷物基3D打印面臨的挑戰

為了擴大3D打印在食品領域的應用，許多研究者和企業都在研究以改進這項增材制造技術。雖然該技術可以制造出復雜而個性化的食品，包括適宜的質地，良好的外觀和定制的營養成分，且在加工靈活性、精度、廢料產生量和設計自由度等方面具有優勢，但目前在食品工業的批量生產中卻很少使用，主要是因為當前的3D打印技術受到成本、時間和大規模生產的限制。因此該技術不能被認為是傳統食品生產的替代品，而是一種生產定制食品的方法。除此以外，谷物基3D打印技術在發展道路上還面臨著其他挑戰[5]。

4.1 原材料的材質問題

選擇具有適當物理、化學、流變和力學性能的打印材料對3D打印至關重要。谷物基食品材料在印刷過程中的交聯反應、熱穩定性、粒徑分布、容重、潤濕性和流動性都會對印刷結果產生影響，比如顆粒尺寸會影響食品打印材料的均勻程度[61]。其次，3D印刷的谷物基材料的保質期非常有限，制作出食品的流變學特性可能會隨著時間而改變，導致保質期縮短。這些問題都要繼續進行深入研究。

4.2 營養風味問題

谷物基3D打印材料的質地風味，營養價值可能受到打印過程的影響。打印和烹飪兩個過程對于食物的基本營養成分的影響暫不清楚，需要進一步探究來提高打印食品的質地風味和營養價值。其次，打印工藝和烹飪手法還沒有精確匹配。不同的打印工藝對食材的影響不同，與不同烹飪方式的契合度也不同，比如烘焙的高溫會影響到3D打印面團的延展性和結構強度[62]。需要研究者探明這其中的關系進而控制打印食品中味道、香氣和顏色的形成?，F階段的許多3D打印材料都是用來建立復雜的三維結構，營養價值不佳，還需要進一步開發建模性能好且具有一定營養價值的谷物基打印材料[40]。

4.3 用戶交互界面不夠完善

當前用于3D打印的用戶界面功能比較少，并且需要計算機輸入并依賴于CAD模型來構建3D食品結構。但是大部分用戶不會使用CAD軟件進行設計，門檻比較高。當前用戶需要開放數據庫系統，將設計換轉為具有打印路徑和相關處理參數的數字3D模型，當有人在網站上發布3D打印食譜時，其他人可以很容易地重現打印成果。用戶界面應當盡可能地向大眾化和低門檻的方向設計，有助于吸引更多用戶。

5 展望

3D食品打印是一項革命性的技術，可以用于在質地、風味、外觀和營養成分方面具有非常特定的幾何形狀或功能的食品。谷物基作為3D打印的原料，目前受到越來越多的關注。一方面，谷物原料因“健康與營養”受到消費者的青睞，另一方面，對3D食品打印的研究目前還處于初級階段，研究者們正在探究更多的打印材料以優化可印刷性。雖然中國食品3D打印還有諸多缺陷沒有解決，但是谷物基3D打印仍具有不可替代的優勢[3]。

(1) 降低生產成本：首先，隨著3D打印機器更加智能、便捷，未來的谷物基3D打印機器將具有占地面積小、生產效率高、適用范圍廣、操作簡便等特點，可以利用有限的條件生產出更多的糧食和商品。其次對于原料的研究和把控將更加精細。粉末狀原料具有低生產成本和長保質期的特點，進一步降低糧食生產成本。最后個性化定制能夠根據消費者需要對食品進行定制，最大限度利用資源滿足社會需求，減少浪費現象。

(2) 個性化定制：谷物基3D打印未來將根據個人營養要求甚至個人對于顏色、形狀、口味要求對食品進行定制，進一步滿足消費者個性化需求。對于特殊人群，比如兒童、老人、肥胖人群、糖尿病患者等，可以通過3D打印技術對每天營養攝入進行量化和控制，更科學地減輕或延緩肥胖、糖尿病等疾病。

3D打印提供了一個以低成本和高質量創新開發食品的機會[63]。現代人不平衡的膳食結構、逐漸個性化的飲食習慣和多元化的產業模式預示著未來谷物基3D打印技術的蓬勃發展。推動谷物基3D打印技術的發展，必將推動傳統食品加工的變革。