综述：关于用于3D食品打印的果蔬基材料性能限制的机制研究及水胶体的功能调控

《Food Research International》：Mechanistic insights into performance limitations of fruit- and vegetable-based materials for 3D food printing and functional regulation of hydrocolloids

　　•水果/蔬菜墨水的分类：果泥型、果汁型和粉末型。•三种基于水果和蔬菜的基质在印刷缺陷的产生机制上存在差异。•对于浆料、果汁和粉末体系而言，流变学特性与凝胶网络结构是决定其可打印性的关键因素。•水胶体在不同基质中表现出不同的功能机制。•基于机制的策略将为3D打印材料的未来发展提供指导。

引言
3D食品打印源自增材制造技术，该技术最初是为工业生产与设计而开发的，21世纪初逐渐被引入食品领域，从而实现了从工业制造工具到食品生产技术的跨学科转变（Millán & de la Torre, 2024）。2007年，康奈尔大学的研究人员首次将3D打印技术引入食品领域，利用Fab@Home打印机实现了可食用材料的数字化制造，这标志着食品行业正式进入“定制化制造”的新时代（Guo et al., 2024）。Fab@Home是一种开源的桌面制造平台，可通过注射器式沉积方式实现可食用材料的逐层挤出。由于其价格低廉且设计模块化，它促进了早期的食品打印研究，并推动了基于挤出的食品制造技术的发展（Malone & Lipson, 2007）。

然而，早期关于3D食品打印材料的研究大多遵循工业用打印材料的设计逻辑，主要关注热塑性塑料及其他传统打印系统。与食品相容的打印材料探索仍然有限，仅有少数天然可打印的食品成分得到了初步研究（Severini et al., 2018）。随着食品原料加工、改性及保存技术的不断进步，可用于3D食品打印的原料种类也在逐步增加。从最初较为有限的天然可打印材料，如巧克力和饼干面团，到后来逐渐发展到包括乳制品、复合水凝胶、植物基材料以及肉类产品等，这使得人们能够开发出具有更高营养价值以及更强的场景适配性的定制化复合配方（Voon et al., 2019）。

尽管如此，随着消费者对健康、安全、营养、便捷性和个性化需求日益增加（Reinders et al., 2023），传统打印基材的局限性也愈发明显（Toma?evi? et al., 2021）。以淀粉、糖类物质以及动物源蛋白质为主的传统基材，在营养成分和风味呈现方面存在明显不足，难以满足现代饮食中对更多维生素、膳食纤维及生物活性化合物的需求（Dragomir et al., 2023）。同时，一些传统配方需要能耗较高的加工过程，且依赖于高度精炼的原料（Xu et al., 2026）。例如，以淀粉为基料的配方往往需要添加水胶体才能达到适宜的流动性和形状保持性。这一额外的配方步骤会增加加工复杂性，还可能降低消费者对低添加剂食品的偏好（Cheng et al., 2024）。在这样的背景下，以水果和蔬菜为原料的材料成为了3D食品打印领域的有力候选者。这些材料富含钾、镁、膳食纤维以及多种抗氧化化合物，而且较高的水果和蔬菜摄入量与较低的高血压风险相关（Madsen et al., 2023）。此外，它们固有的颜色和风味特点还有助于提升产品的辨识度以及消费者的接受度。正是这些特性，使得植物源成分成为开发下一代3D打印材料系统的理想选择。用天然的植物基复合系统取代传统的单一组分基材，同时优化其物理化学性质以满足打印要求，已成为该领域的重要发展趋势（Velvika et al., 2025）。将水果和蔬菜纳入3D食品打印不仅能够丰富打印食品的营养成分并拓宽原料来源，还能为健康促进和个性化营养需求创造新的机遇（Escalante-Aburto et al., 2021），比如为特定人群设计专用饮食、精准补充营养，以及对食品加工废弃物进行资源化利用（Newson et al., 2025）。

近期的研究显示，以水果和蔬菜为原料的3D打印食品种类不断增多。人们已经使用水果（Velvika et al., 2025）或蔬菜（Umeda et al., 2024）作为主要基材来制作打印产品。尽管取得了这些进展，但材料的可适应性、营养成分保留率、结构稳定性以及针对特定应用的需求所要求的感官品质等问题仍未得到解决（Sabri et al., 2025）。一些代表性研究展示了如何利用水果和蔬菜基墨水将营养定制理念转化为实际产品。人们通过添加食品级水胶体来构建新鲜蔬菜配方，从而为吞咽困难的人群制作出具有特定几何形状且口感经过改良的食品；而水果浆体系则可以通过添加淀粉来调整，进而得到具有良好凝聚性且形状稳定的结构，有助于控制食品的份量和口感。这些应用表明，3D打印技术不仅可以创造外观复杂的食品，还能同时调控食品的外部几何形状、内部质地、成分组成以及份量大小（Alam et al., 2026b; Pant et al., 2021）。

最近的研究还指出，打印性能取决于原生基质、添加的结构剂以及水之间的相互作用。研究表明，大米淀粉（Alam et al., 2026b）和预胶凝玉米淀粉（Alam et al., 2026a）能够改变枣泥凝胶的粘弹性、保水性、析水现象以及形状保持度；而不溶性膳食纤维的作用效果则取决于其来源、颗粒特性、吸水行为以及与其他食品成分之间的相互作用（Rahmadewi et al., 2026）。这些证据表明，分析水果和蔬菜基墨水时应综合考虑成分、结构与流变学之间的关系，而不能仅依据添加剂的浓度来判断。

虽然之前的综述已经介绍了现有的水果和蔬菜原料、改性方法以及潜在应用，但仍有三个问题尚未得到解决。首先，尽管浆料型、果汁型和粉末型基质在结构起源和失效机制上存在差异，但人们往往将它们放在一起讨论。其次，诸如挤出不连续、材料扩散、结构坍塌以及析水等现象等宏观缺陷，与组织完整性、颗粒排列方式、水分移动性以及网络形成之间的关联并不十分明确。第三，人们通常将水胶体视为可互换的增稠剂，而没有认识到它们实际上是具有基质特异性的结构剂，其性能会受到pH值、离子环境、固体成分以及加工历史等因素的影响（Xu et al., 2026）。

为了解决这些存在的问题，本综述建立了针对水果和蔬菜基挤出打印的基质特异性分析框架。它首先根据物理形态和结构起源对浆料型、果汁型和粉末型体系进行区分，然后从成分、细胞结构、颗粒特性、流变学特性以及网络结构等多个层面分析这些体系的典型缺陷。相应的改进策略则被理解为对水分分布、颗粒间相互作用、凝胶网络的连续性以及沉积后的恢复过程的针对性调控。最后，本文还对具有代表性的水胶体的功能差异及其在不同基质中的适用性进行了比较，旨在为合理选择添加剂以及设计复合配方提供理论依据。

3D食品打印墨水的研发历程
2007年，康奈尔大学的研究人员首次将3D打印技术引入食品领域（Guo et al., 2024），由此诞生了第一代基于巧克力、奶酪和面团等天然可打印原料的食品墨水。这一早期阶段确立了可打印食品材料的基本要求，即可食用性、可挤出性以及可成型性（Sohel et al., 2025），同时也确定了涉及挤出工艺的熔融沉积建模（FDM）基本流程。

水果和蔬菜基材料在打印过程中出现的缺陷及其成因
由于水果和蔬菜的含水量、蛋白质含量、碳水化合物组成、膳食纤维的种类和含量、质地结构、pH值以及生物活性成分存在较大差异（Tyupova & Harasym, 2024; Xu et al., 2026），因此在基于挤出的3D打印过程中，这类材料常常会出现各种缺陷，包括打印性能不佳、尺寸精度低、结构坍塌、感官品质下降，以及合适的打印窗口较窄等问题（Sabri et al., 2025; Umeda et al., 2024）。

提高水果和蔬菜基材料在挤出3D打印中性能的机制基础
浆料型、果汁型和粉末型基质分别存在可挤出性差、形状保持能力弱、结构不稳定，以及易发生酶促褐变等问题（Sabri et al., 2025）。因此，对其进行改性时必须充分考虑每种基质的物理化学特性。目前可采用多种技术方法，包括对组织结构进行物理改性（Liu, Hu, et al., 2024）、协同调控多糖网络结构（Ba?o?lu et al., 2024; Vityazev et al., ）

前景与挑战
鉴于水果和蔬菜基打印材料具备良好的营养价值和感官特性、来源广泛，而且还有可能实现副产品的综合利用，它们在定制化饮食、为老年人设计的软质食品（Jia et al., 2026）、为吞咽困难患者制作的改良口感食品（Liu, Zheng, et al., 2024）、休闲食品及功能性食品，以及实现水果和蔬菜加工废弃物的资源化利用等方面都具有很大的应用潜力。不过，这一领域仍面临一些障碍，即天然材料的固有特性……

结论
从本文所研究的各类案例来看，仅依靠成分本身是无法解释水果和蔬菜基材料的打印性能的；这些材料的内部结构在面对加工和沉积过程时的反应同样重要。尽管浆料型、果汁型和粉末型体系在初始物理形态上存在差异，但它们的打印性能都受到水分分布、颗粒和纤维的排列方式、网络形成情况，以及喷嘴出料时的流动性与沉积后的变形阻力之间平衡关系的影响。如果……性能不佳……

关于 manuscript 准备过程中生成式AI及AI辅助技术的声明
在撰写本文档的过程中，作者们使用了ChatGPT（OpenAI）来对英文内容进行润色，并初步整理示意图的相关内容；同时使用了Nano Banana（Google）来协助制作初步的解释性图片以及布局方案。在使用这些工具之后，作者们会根据需要对内容进行审核和修改，还会参照所引用的文献来核实所有的科学内容及机制关系，并对文档中的所有内容承担全部责任。

CRediT作者贡献声明
Haoming Tan：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，验证，软件应用，方法设计，实验研究，正式分析，数据整理，概念构思。Saisai Guo：写作——初稿撰写，可视化处理，验证，软件应用，方法设计，实验研究，数据整理。Bowen Li：软件应用，方法设计，实验研究，数据整理。Herui Zhang：方法设计，实验研究，数据整理。YuXuan Zhao：可视化处理，资源获取，数据整理。Yaqin Ma：写作——审稿与编辑，

利益冲突声明
作者们声明自己不存在任何已知的、可能会影响本文研究结果的财务利益关系或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划的支持（项目编号：2024YFD2100603）。

Haoming Tan|Saisai Guo|Bowen Li|Herui Zhang|YuXuan Zhao|Yaqin Ma