三维食品打印中的多孔结构设计：配方创新、过程调控与可持续架构的协同突破

本综述系统探讨了3D食品打印中多孔结构的设计与控制策略，重点分析了配方组分（多糖、蛋白质）和打印参数（温度、流速、喷嘴直径）对宏观/微观孔隙形成的影响机制。文章强调了冻干（freeze-drying）和乳液模板（emulsion templating）等关键技术在多孔网络构建中的作用，并指出多级孔隙设计在降低原料消耗、改善质构与营养功能方面的巨大潜力，为可持续食品制造提供了新思路。

　　

1 引言

三维食品打印（3D Food Printing）作为一种新兴的数字化制造技术，能够实现对食品形状、质地和营养成分的精确控制。该技术通过逐层沉积可食性材料（常称为“墨水”），如巧克力、面团、果泥或蛋白质基配方，生产高度定制化的食品结构。尽管外部几何形状的控制已取得显著进展，内部多孔结构——这一显著影响机械性能、感官特性和功能性的关键特征——仍未被充分探索。

多孔结构不仅决定食品的质构和口感，还与可持续食品生产目标密切相关。通过精心设计的多孔架构，可在减少原料用量的同时保持产品的感官吸引力，符合资源高效利用和食品可持续性的发展需求。

2 多孔结构的形成机制

食品基材料中的孔隙可分为两种主要类型： strand间孔隙（inter-strand pores）和strand内孔隙（intra-strand pores）。 strand间孔隙形成于相邻打印丝之间的界面，通常表现为尺寸为数百微米至数毫米的宏观孔隙，直接影响打印物体的粘附质量和结构完整性。 strand内孔隙则存在于单个打印丝内部，多为微米或纳米级孔隙，受墨水组成、打印温度、冷却速率和挤出工艺的影响。

多孔结构的形成可通过多种技术实现，其中冻干和乳液模板法最为常见。冻干过程中，水分子形成冰晶，随后通过升华移除，留下多孔网络。冻结速率对冰晶尺寸和分布有重要影响：快速冻结产生小而均匀的细胞内晶体，而慢速冻结则形成大的细胞外晶体，可能导致组织损伤。乳液模板法利用高内相乳液（HIPEs）或Pickering乳液作为模板，通过挥发分散相留下多孔结构。

此外，超临界CO₂干燥、化学膨松和微波/超声波处理等方法也可用于孔隙生成。这些技术各具特点，可根据材料特性和应用需求选择使用。

3 配方组分对多孔结构的影响

3.1 多糖类

多糖在3D食品打印墨水中扮演着关键角色，特别是通过冻融过程促进孔隙形成。马铃薯淀粉、玉米淀粉等常见多糖的浓度增加通常会导致孔径减小、孔壁增厚，形成更致密的内部网络。高直链淀粉含量（如72%直链玉米淀粉）有利于形成更精细的纳米多孔网络，提高比表面积，增强作为生物活性物质输送载体的效果。

亲水胶体（如瓜尔胶、黄原胶、卡拉胶等）显著影响多孔结构和打印性能。瓜尔胶和壳聚糖能促进均匀孔隙形成并增强凝胶弹性，而卡拉胶则可能产生大而脆弱的孔隙，降低打印适性。多糖的添加不仅改变孔隙特性，还影响墨水的流变行为，如增加储能模量（G′）和损耗模量（G″），提高粘度，从而抑制冰晶生长，减小最终孔径。

3.2 蛋白质类

蛋白质在3D打印中主要用于制造肉类似物和稳定复杂多相体系（如泡沫和乳液）。高蛋白质浓度（如大豆分离蛋白、豌豆蛋白）促进更紧密的分子堆积，减少孔隙度，提高机械强度和形状保真度。水分含量显著影响蛋白质富集糊剂的多孔结构，高水分水平可能破坏凝胶网络，增加孔隙度。

蛋白质还可通过与糖类的美拉德反应形成稳定复合物，促进交联，产生更致密的蛋白质网络，改善肉类似物的机械性能和质地。在泡沫系统中，蛋白质如牛血清 albumin（BSA）作为表面活性剂，迁移到气泡的气液界面，降低表面张力，防止气泡合并，稳定泡沫结构。

在Pickering乳液中，蛋白质作为颗粒稳定剂，吸附在油水界面形成固态屏障，防止液滴聚并。蛋白质-多糖复合使用可进一步增强稳定性和流变性能，如菊粉与蛋白质的弱氢键结合提供中等稳定效果，而黄原胶与带负电的蛋白质纳米颗粒产生强静电排斥，增强凝胶强度。

3.3 脂质类

脂质通常作为乳液中的分散油相，在塑造3D打印材料的多孔结构中起着重要但常被低估的作用。在乳液模板墨水中，油滴作为牺牲模板：当连续相固化并移除脂质相后，留下微孔网络。脂质滴的大小和分布决定最终孔隙结构，更细的分散产生更高孔隙率和更小、更均匀的孔隙。

乳液稳定性取决于界面设计：多糖基表面活性剂（如OSA淀粉、十二烯基琥珀酸菊粉）通过降低界面张力 and 增强分离压力稳定水包油系统，防止挤出过程中液滴合并。脂质相的化学组成也很重要：低熔点油可能在固化前流失，产生开孔网络，而高熔点脂肪早期结晶，增强基质，有利于闭孔结构形成。

4 打印工艺参数对多孔结构的影响

4.1 打印温度

打印温度显著影响3D打印食品的流动特性、质地和结构完整性。不同材料（如巧克力、面团、奶酪、蔬菜泥）需要特定的温度范围以获得最佳效果。对热降解敏感的成分尤其需要精确的温度控制。

在淀粉基系统中，较低温度下不完全糊化导致松散、结构不良的凝胶网络，而适度加热增强糊化和变性，产生更致密均匀的孔隙。过高温度（如80°C以上）可能破坏凝胶结构，降低机械强度，使孔隙分布不均匀。

蛋白质基系统也显示类似的温度依赖性行为。较高打印温度（约85°C）下，大豆蛋白或小麦面筋组成的3D打印样品呈现更光滑、更致密的结构，这主要归因于蛋白质变性，增加储能模量（G′）和损耗模量（G″），提高粘度，从而限制水分子迁移，抑制冰晶形成。

4.2 打印速度

打印速度直接影响层厚、产品一致性和整体生产效率。较低打印速度（如30 mm/s）产生更薄更均匀的丝状沉积，但导致更大孔隙和更宽的孔径分布。较高速度（如50和70 mm/s）产生更粗的丝状结构和更小、更均匀分布的孔隙，降低总孔隙率。

速度还影响结构均匀性：较低速度下材料沉积更一致，产生更光滑规则的丝状图案；较高速度下，沉积速率增加可能因材料松弛时间不足而引入轻微结构不规则性。

4.3 挤出流速

挤出流速直接影响层厚、质地和最终打印样品的多孔结构。流速常以百分比表示，100%对应打印机制造商推荐的默认挤出速率。高于或低于100%的值分别表示材料流动的增加或减少。

较低流速水平下，打印结构显示不规则性，如丝状线中断和孔隙扩大（因 under-extrusion）。随着流速增加，丝状沉积变得更一致，产生更致密、更均匀的结构，孔隙减少。较高流速产生更粗、更互连的丝状结构和更紧密、少孔的 internal structure，而较低流速保持更开放和松散连接的网络。

4.4 喷嘴直径

喷嘴直径在塑造3D打印样品质量中起关键作用，直接影响打印精度、表面 finish、结构稳定性和内部孔隙度。较大喷嘴直径倾向于产生更致密的结构，具有更少但更大的孔隙；较小喷嘴直径导致更多孔的 internal architecture。

然而，使用较小喷嘴也增加所需挤出压力，可能影响结构完整性。例如，在淀粉-芒果混合物中，较小喷嘴导致整个喷嘴的压力降更大，引起模口膨胀（die swell）——材料出口时膨胀的现象。这种膨胀可能降低打印精度和 compromise 打印层的稳定性。

5 多孔结构对机械和功能特性的影响

5.1 机械性能

3D打印样品的机械性能受其内部多孔结构显著影响。这些特性通常通过压缩测试评估，从而确定关键参数如杨氏模量、断裂应力和能量吸收。

先前研究表明，增加平均孔径（即使伴随总孔数减少）通常导致机械强度降低。例如，鱼糜凝胶样品中较大孔隙显示较低凝胶强度。同样，小麦粉基3D打印样品中，较大孔隙倾向于减少硬度 compared to 较小孔隙。

具有较高密度较小孔隙的结构通常展示增强的机械性能，主要因在这些条件下形成更厚的细胞壁。这些更厚的壁提供增加刚度和抗变形能力。此外，增加孔数通常降低样品的整体密度。虽然较低密度可能负面影响绝对强度，但可能增强 specific mechanical properties（强度-重量比），允许用更少材料实现类似性能。

5.2 功能特性

除机械强度外，多孔结构 critically影响3D打印食品的功能特性。孔隙架构影响口感、质地、咀嚼性和水/油保留，所有这些 contribute to 消费者感知和产品质量。

开放、互连的孔隙增加渗透性， enable 液体快速吸收或释放，这在设计用于快速风味释放、水合或充气的产品中有益。相反，闭孔或部分连接孔隙提供更好 moisture屏障特性，帮助保持脆度或硬度 over time。

孔隙度也在控制热行为中起关键作用。较小孔隙具低 connectivity减少热传递，改善热绝缘——对必须保持温暖的产品有用。较大、更开放孔隙促进更快冷却，可改善后处理期间的干燥效率。

此外，食品的感官特性——如脆性、奶油感或充气感——与多孔网络的微观和宏观结构紧密相关。例如，精细控制的微孔性可产生光滑、入口即化的质地，而较大宏孔 contribute to 轻盈、 crispy structures。

5.3 多级设计策略

平衡机械和功能需求的最有前景的方法涉及多级多孔结构，其中大规模 strand间宏孔与精细 strand内微孔结合。这种多尺度架构，受天然泡沫和工程支架启发，可实现高刚度-重量比、增强压缩弹性和有效能量吸收，同时整体使用更少材料。

在这些系统中，宏孔减轻重量并 enable 流体或气体交换，而丝状壁内的微孔帮助分布应力并提供额外功能，如水分控制或活性成分控释。通过仔细调整这些孔隙的尺度、分布和 connectivity，设计者可同时针对多个性能目标。这种结构效率、功能多功能性和减少资源使用的结合使多级设计成为推进3D打印食品制造中产品质量和可持续性的宝贵策略。

6 打印机类型的影响

典型3D食品打印机基于 additive manufacturing原理运行，其中食品材料逐层沉积以创建三维结构。该过程始于“食品墨水”制备，将其装入 cartridge或注射器。为通过喷嘴挤出墨水，打印机使用机械系统（如活塞或螺杆机制）或依赖气压的气动系统。

在活塞驱动系统中，流速直接由活塞运动速度控制。相反，气动系统基于施加的压力降运行，流速主要受喷嘴几何形状和墨水粘度影响。压力驱动系统的一个潜在缺点是对墨水在 cartridge中期间流变特性随时间变化的敏感性。此类变化可能导致打印期间流速波动，降低精度并可能影响最终产品质量。

有趣的是，文献未揭示打印机类型与3D打印样品 resulting多孔结构（如孔径、细胞结构类型或孔数）间的清晰联系。此外，缺乏将打印机类型作为变量同时保持墨水组成和打印参数不变的系统研究。进行此类研究可产生有价值见解，并在推进3D食品打印系统设计和优化中起关键作用。

7 建模与仿真

建模通过 enable打印过程、材料行为和打印产品最终特性的仿真和优化，推进3D食品打印。最广泛使用的技术之一是计算流体动力学（CFD），用于分析挤出期间食品材料的流动特性。CFD帮助优化关键工艺参数，如层高、沉积厚度和喷嘴几何形状。

文献中大多数研究利用CFD工具如ANSYS POLYFLOW和COMSOL Multiphysics研究3D食品打印期间喷嘴内的流场。典型仿真结果包括注射器和喷嘴内的剪切速率场。一旦选择流体本构方程，可计算相应粘度场，这也 facilitate流体应力分布可视化。

较少见地，一些研究人员使用分析模型估算挤出力或预测打印结构的机械性能。这些方法提供对软食品材料在变形下行为的更细致理解，增强预测能力。

CFD建模在3D食品打印中的关键限制是其无法捕获打印材料的微观结构特征，因其将食品视为连续流体。这种简化忽略了食品结构的复杂内部架构。此外，3D打印中使用的广泛食品材料——如果汁、牛奶、凝胶和肉浆——展示多样流变、热物理特性。由于这些特性的适当测量并非总是可能，CFD仿真可能缺乏准确性。许多这些材料还显示粘弹性和屈服应力行为，常在CFD模型中忽略，可能导致不准确或不完整预测。

除CFD外，建模工作还探索了3D打印样品的机械性能。例如，研究人员应用分析建模和有限元方法（FEM）仿真研究具有CAD设计宏孔架构的果胶基食品结构的行为。这些模型基于线性弹性变形和小应变轴向压缩的假设，与实验数据显示极好一致性。

其他分析方法通过纳入有限弹性理论和伪弹性理论进一步，以更好捕获机械载荷下软农业组织的非线性和非弹性响应。这些方法提供对软食品材料在变形下行为的更细致理解，增强预测能力。

总之，数值建模——无论通过CFD、FEM还是分析方法——仍然是理解和优化3D食品打印的重要工具。然而，重大挑战仍然存在，特别是在表示材料多样性、粘弹性行为和微观结构复杂性方面。解决这些差距对于提高预测准确性和扩展建模技术在先进食品打印系统设计中的效用至关重要。

8 结论与展望

本综述详细探讨了配方策略、打印参数和后处理处理在塑造3D打印食品产品多孔微观结构中的复杂相互作用。尽管在理解多孔结构形成和控制方面已取得显著进展，当前对3D食品打印中孔隙度的控制仍很大程度上依赖于后处理方法，特别是冻干。这限制了可扩展性和能源效率。由于这些系统固有的异质性和过程中涉及的众多参数，控制多孔结构特性仍然是一个复杂挑战。

未来研究应聚焦几个方向：开发通过打印参数（如温度、流速和速度）直接调整多孔结构的方法，消除后处理需求；使用简化模型配方隔离和研究单个打印变量的影响；探索通过结合打印路径和间距定义的 strand间宏孔与材料配方和工艺条件产生的 strand内微孔，整合多尺度孔隙度；建立流变特性（如粘弹性、剪切稀化行为）与孔隙形成间的直接联系；改进现有计算和分析模型以仿真挤出期间孔隙形成。

解决这些挑战将实现更精确、能源高效和定制化的3D打印食品设计，推动该领域向数字美食和个性化营养的实际应用迈进。