一种用于评估基于挤出技术的3D食品打印中大豆粕-黄原胶油墨可印刷性的新型定量计算机视觉框架

《Food Bioscience》：A novel quantitative, computer-vision framework for printability of soybean meal–xanthan inks in extrusion-based 3D food printing

　　

摘要

基于挤压技术的三维食品打印需要一种能够持续从喷嘴中流出，同时在沉积后迅速恢复结构以保持几何形状的油墨。然而，打印性能通常被描述为挤压行为与形状保持能力的结合体。我们开发了一种定量框架，通过计算机视觉方法将打印性能中的挤压能力与通过3D扫描立方体几何形状得到的表面指数所反映的打印精度分开，再将二者整合为一个整体打印性能指数。通过分析流变特性（储能模量G′、损耗模量G′′、粘度、tan δ（G′′/G′）以及触变恢复特性），揭示了它们与打印性能指数之间的关系。以黄原胶增强的豆粕浆作为模型油墨体系，在5%至45%（重量比）的固体含量范围内筛选出了九种可能的挤压能力指数公式；最终选定的公式具有出色的拟合度和重复性（R2=0.999，变异系数为3.47%），且与G′、G′′和粘度呈负相关，与tan δ呈正相关。通过结合挤压能力指数和打印精度，全因子分析表明，当固体含量为25%，黄原胶添加量为0.5%时，打印性能最佳。过高的样品浓度和黄原胶含量会导致G′、G′′和粘度升高，而tan δ降低，进而使得挤压能力、打印精度及整体打印性能下降。

引言

三维食品打印因其能够在实现定制化食品设计、个性化营养供给、简化供应链以及开发新型食品产品方面的潜力而越来越受到关注（Ma & Zhang, 2022）。在现有的技术中，基于挤压技术的3D打印是最为广泛采用的方法，该方法通过电机驱动的注射器将食品材料挤出，并根据预定义的数字模型逐层沉积（Ma & Zhang, 2022）。与传统食品加工技术相比，基于挤压技术的3D食品打印在产品外观、功能多样性以及成本效益方面都具有优势（Taneja et al., 2022）。因此，预计该市场的规模将会快速增长，到2025年有望达到约4250万美元，到2027年甚至可能超过10亿美元（Neamah & Tandio, 2024）。

尽管在配方研发方面取得了快速进展，但基于挤压技术的3D食品打印仍然面临一个重大挑战，那就是缺乏用于评估打印性能的明确、定量的模型。打印性能通常被宽泛地定义为材料在打印过程中能够被挤出成预定形状的同时还能保持尺寸稳定的能力（Kadival et al., 2023）。然而，这一定义实际上将至少两种不同的材料特性混为一谈：一种是决定材料能否通过打印喷嘴流动的挤压能力，另一种则是反映沉积层能否保持几何形状精确度的打印精度。将打印性能视为一种单一的、没有区别的特性，会掩盖这样一个事实：那些流动性能良好的材料也可能因为打印后的稳定性不佳而失败，而那些稳定性极高的材料则可能难以或无法被挤出。

为了解决打印性能评估的问题，以往的研究主要依赖于几何或输出相关的指标。打印精度通常是通过将实际测量得到的几何参数与基于图像分析得出的理论几何参数进行比较来评估的，这些理论参数包括打印面积、高度、宽度或层厚等（?ukelj Musta? et al., 2023; Guo et al., 2021）。Ma等人（2021）使用宏观镜头在挤出10秒后从40厘米的距离对线条进行拍照，并通过高斯模糊算法对图像进行去噪处理。他们利用线条的宽度模式、高度以及宽度一致性来反映材料的挤压能力。Fahmy等人（2020）则利用机载摄像头和光源获取图像，再通过MATLAB软件进行进一步分析。他们采用了挤出长度比例（58.3 ～ 91.0毫米）、渗出指数（100 ～ 200%）以及稳定宽度（0.5 ～ 4.0毫米）/高度（0.75 ～ 1.75毫米）来评估打印性能。Derossi等人（2018）则研究了打印动力学参数，即基于打印结束时的产品高度得出的k值（0.000215 ～ 0.000296厘米/秒），以及基于t时间内打印物体重量得出的打印速率参数（0.0192 ～ 0.323克/秒）。Derossi等人（2020）还使用了挤出速率这一参数，它是以打印速度为基准，表示单位时间内被挤出/沉积的物料体积。还有些研究提出了形状不一致因子、变形因子以及打印保真度等参数，用来量化材料与目标几何形状的偏差程度（Kadival et al., 2023）。不过，这些参数更多地反映的是打印精度，而非真正的挤压能力。还有一些研究则根据单位时间内的挤出重量或体积来评估材料的输出速率（Kadival et al., 2023），而这些数值会受到材料密度以及配方相关特性的显著影响。因此，这些方法并不适合用于比较成分不同的油墨，也无法区分材料的流动行为与打印后的结构稳定性。

在本研究中，我们选择豆粕作为代表性材料，用以演示并验证这种评估方法。豆粕是大豆油提取过程中的主要副产品，含有大量的蛋白质（52%）和纤维（28%）（Chen et al., 2026），因此是一种结构复杂、难以通过挤压技术进行打印的材料。在美国，每年大约有5000万至6000万吨的豆粕被生产出来，这些豆粕大多被用作动物饲料，或者被当作废物丢弃（USDA WASDE, 2025; Luo et al., 2020）。因此，将豆粕用于食品级3D打印，有望为农业副产品带来更高的价值。不过，经过最少处理的豆粕其挤压性能较差，形状保持能力也较弱，而且目前还没有从流变-力学角度对其打印性能进行系统性的研究。目前关于豆粕的3D打印研究主要集中在分离出的豆粕蛋白（Dey et al., 2022）或基于豆粕的乳液体系（Liao et al., 2024）上，对于经过最少处理的豆粕配方的打印性能，以及与其挤压能力和结构稳定性相关的流变特性，目前仍缺乏足够的了解。

我们认为，在基于挤压技术的3D食品系统中，打印性能并非一种单一的经验属性，而是可以将其量化为两个在机制上相互独立、可分别测量的维度——挤压能力和沉积后的结构保真度（即打印精度）——这两个维度分别受特定的流变参数控制。我们认为，挤压行为主要取决于屈服应力以及剪切变稀特性（Ma et al., 2021），而打印精度则由弹性模量以及与多糖介导的网络形成相关的结构恢复能力所决定（Jeon et al., 2024）。我们进一步假设，通过调整豆粕的含量以及添加黄原胶，可以不同程度上影响这些流变决定因素，从而找到一种最佳的流变特性，使挤压能力和结构稳定性能够同时得到平衡。

为了验证上述假设，我们以豆粕作为模型体系，建立了用于评估挤压性能和打印精度的定量方法；研究了豆粕含量以及黄原胶添加量对材料流变特性和打印性能的影响；揭示了打印性能与流变特性之间的关系；并找到了能够实现挤压能力和结构稳定性平衡的最佳配方条件。

章节摘录

材料与化学品

豆粕由北方作物研究所（北达科他州法戈市）提供。该豆粕是通过脱壳、脱脂、压片以及使用UDY磨粉机（美国科罗拉多州福特柯林斯市的UDY公司，配备0.8毫米筛网）研磨成细粉而制成的。黄原胶（实用级，由Xanthomonas campestris发酵葡萄糖制成）则购自Sigma-Aldrich Co., Ltd.公司（密苏里州圣路易斯市）。

黄原胶（产品编号G1253）的分子量约为2.902 × 10⁶道尔顿，这一数值是通过检测得出的

挤压能力指数公式的选择

使用方程式1、方程式2、方程式3、方程式4、方程式5、方程式6、方程式7、方程式8和方程式9计算得到的挤压能力指数值范围差异很大（见表1），从小于1到超过10⁴不等。一个可靠的评估公式应当能够得出与实验观察结果一致的结果（Oberkampf and Barone, 2006; Steyerberg et al., 2010）。因此，图1A中的图像打印结果被用作初步筛选的标准。由于SP

结论

本研究建立了一个定量模型，用于评估使用豆粕油墨进行基于挤压技术的食品3D打印时的打印性能。我们系统地定义并验证了挤压能力指数、结构保真度指数以及打印性能指数，以此来反映材料的流动行为、打印后的结构保真度以及整体的打印性能。在所有经过评估的挤压能力指数公式中，方程式8最能准确反映材料的挤压行为，其与实验观察结果以及流变特性之间的吻合度很高。挤压能力指数为

CRediT作者贡献说明

徐敏伟：撰写——审稿与编辑，资金获取。 陈琼：撰写——初稿撰写，方法学研究，数据整理。 梁志凯：软件应用，实验研究。 金兆：项目监督，资源协调

未引用参考文献

García-Ochoa等人，2000年；美国农业部首席经济学家办公室，无日期；张等人，2024年。

利益冲突声明

作者声明，他们与本论文所述研究内容不存在任何利益冲突。

数据可用性

数据将在收到请求后提供。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了明尼苏达州大豆研究与发展委员会（编号FAR0038336）以及北达科他州农业试验站（Hatch项目，编号ND2248）的支持。

陈琼|梁志凯|金兆|徐敏伟

美国北达科他州立大学植物科学系，北达科他州法戈市，邮编58108