《Gels》：A Comparative Study of Commercial 3D Printers for Food Fabrication Based on Printing Ink Gels
编辑推荐：
摘要翻译：居民对饮食健康意识的不断提高，推动食品产业向个性化、营养均衡及针对特殊人群（包括儿童、老年人、肥胖者和素食者）的特定食品领域发展。近年来，3D食品打印技术因其在制备个性化和营养均衡食品方面的巨大潜力而受到越来越多的关注。本研究详细阐述了四种3D食品打
摘要翻译：居民对饮食健康意识的不断提高，推动食品产业向个性化、营养均衡及针对特殊人群（包括儿童、老年人、肥胖者和素食者）的特定食品领域发展。近年来，3D食品打印技术因其在制备个性化和营养均衡食品方面的巨大潜力而受到越来越多的关注。本研究详细阐述了四种3D食品打印技术，包括挤出式打印技术、喷墨打印技术、粘结剂喷射打印技术和选择性激光烧结打印技术，以比较其机理、流程、优点和应用。在这些3D打印技术中，挤出式打印技术相对于其他类型的3D食品打印技术占主导地位。此外，详细介绍了基于不同打印墨水凝胶的各种商用3D打印设备，并展示了其在巧克力、饼干、糖果和咖啡等不同食品制备中的应用，表明了3D食品打印技术的现状和未来。总之，3D食品打印是未来食品发展趋势的一个有前途的方向，可实现个性化和营养均衡食品的制造、食品生产的多样化以及食品制备的共同参与。
基于打印墨水凝胶的商用3D食品打印机比较研究主体内容总结：
1. 引言
近年来，COVID-19疫情、全球气候变化和人口老龄化深刻重塑了食品产业格局。疫情导致的供应链瓶颈、劳动力短缺、消费者购买行为变化及食品损失增加，促使食品行业寻求创新技术解决方案以提高资源效率、适应消费者需求变化并增强生产系统的韧性。在此背景下，3D食品打印作为一项新兴技术受到广泛关注，它可利用多种凝胶组合材料制造食品，在制备易咀嚼食品、个性化营养和定制化多营养素配方方面具有显著潜力。此外，该技术还具备促进食品生产多样化、参与式食品制备和制造过程社会化的内在特性，可能支持经济增长和就业。然而，该技术仍处于早期阶段，打印速度、材料多样性和最终食品质量方面的局限制约了其大规模部署。作为一种去中心化和灵活的制造方式，3D食品打印符合后疫情时代对供应链适应性和本地化生产的要求，值得持续研发。相关研究已涉及活性食品包装、智能食品包装组件等，而蛋白质、脂肪、糖类等食品成分作为打印墨水凝胶对最终产品质量至关重要。食品墨水可分为糖果、乳制品、水凝胶、植物和肉类五类，其中蛋白质成分占主导，被认为是理想的3D打印墨水。已有研究利用植物蛋白制造肉类替代品，利用动物蛋白为吞咽困难等特殊人群制备商业化食品。此外，多糖、脂质和微量元素也被纳入食品墨水凝胶以满足个性化需求，其中淀粉多糖基混合墨水研究最为广泛。与以往仅关注墨水配方或单一打印原理的综述不同，本综述系统比较了四大技术类别的商用3D食品打印机，重点探讨打印机硬件与食品凝胶流变学之间的相互作用，为研究人员和行业从业者根据产品需求选择合适设备提供实用指南，并批判性评估了当前商用能力与个性化营养理想愿景之间的差距。
2. 3D食品打印技术的类型
2.1 挤出式打印技术
挤出式打印技术目前广泛应用于3D食品打印机中。该技术使用可延展、浆状或糊状材料，如液体或糊状物，装入注射器后通过固定在打印床上的移动喷嘴挤出，挤出的材料在冷却过程中沉积堆叠。常用于挤出打印的软性原料包括奶酪、肉糊、面团、土豆泥和巧克力。挤出机制分为三种：螺杆式、注射器式和气压式。注射器式挤出中，注射器筒容纳可打印材料，步进电机驱动的柱塞在筒内做直线运动，将材料推向喷嘴尖端挤出。半固体材料如巧克力、冰淇淋和面团适用于此类打印机。螺杆式挤出中，打印组分预先混合后送入由电机驱动的过滤元件，材料通过螺杆螺纹输送并经喷嘴挤出，常用于巧克力打印，但不适用于高粘度墨水凝胶，因层间附着力弱可能导致压缩变形和分辨率降低。气压式挤出中，分配器产生气压，将料筒中的材料经喷嘴压至打印床，该技术最初用于生物3D打印，现已应用于食品领域。其他挤出系统如蠕动泵式和齿轮式可解决挤出流动问题，但可冷凝墨水凝胶如巧克力更适合热挤出，其系统类似于熔融沉积成型，但成本较高且不适用于多喷嘴设置。挤出式打印原理简单、成本低、墨水兼容性广，但部分系统挤出能力不足。改善策略包括将喷嘴直径减小至微米级、结合机器视觉与前馈运动控制等。预处理打印材料的物理场可有效提高可打印性和精度。
2.2 喷墨打印技术
喷墨打印通过热敏或压电打印头将液滴喷射到食品表面特定区域，用于表面填充或图像装饰。热敏打印头加热喷嘴内的凝胶使其膨胀，通过电热元件挤出；压电打印头则利用压电陶瓷变形产生电能。根据液滴生成过程，喷墨打印分为连续喷墨打印和按需滴落打印。连续喷墨中，墨水凝胶以连续液流从喷嘴喷出，随后因界面张力破裂成液滴，通过调节压电换能器频率优化液流分散。按需滴落打印则通常具有多个喷嘴，仅从选定喷嘴按需喷射，可实现食品彩色打印装饰。一项研究表明，3D喷墨打印可产生具有咬合对比度的食品，有助于设计更健康的食品。压电喷墨受墨水粘度限制，已通过气动喷射等方法克服。喷墨技术还被用于制造柔性传感器，用于食品质量安全快速检测，且与食品包装集成可扩展应用范围。
2.3 粘结剂喷射打印技术
粘结剂喷射是一种基于粉末床的增材制造技术，通过将液体粘结剂选择性沉积到粉末层上，逐层将颗粒粘合为固体结构。其原理类似于选择性激光烧结，但使用喷墨打印头沉积液体粘结剂而非激光。打印循环中，打印头沿预定路径喷射粘结剂，辊筒铺设下一层粉末，构建平台下降一层厚度，重复直至完成。该技术适用于制备可食用成分，如具有不同尺度的聚集现象的产品。天然粘合剂如胶体常添加到食品墨水中。研究发现，黄原胶和半结晶纤维素粉末可用作粘结剂喷射打印的墨水，添加魔芋葡甘聚糖可协同增强结构。另一项研究成功使用酪蛋白酸钙、淀粉和中链甘油三酯粉末混合物打印富含蛋白质的食品，扩展了粘结剂喷射的食品墨水范围。制药领域的压电参数优化研究可为食品粘结剂喷射提供参考。
2.4 选择性激光烧结打印技术
选择性激光烧结通常使用红外激光作为能源，原料多为金属或非金属粉末。加工时粉末先预热至接近熔点，辊筒铺平，激光按计算机程序控制的路径选择性烧结每层粉末，逐层完成，最后去除多余粉末。食品粉末熔点较低，无需预热，可使用选择性激光烧结和选择性热风烧结熔融等多种烧结源。选择性烧结的优点是方便快速，无需后续固化，且有助于生产营养可变食品。该技术尚未充分利用，仅用于糖或富糖产品。制药领域已整合连续制粒技术与粉末床熔融选择性激光烧结以改善难溶性药物的溶出速率和物理特性。食品领域的研究建立了描述材料各向异性弹-粘塑性损伤行为的本构模型，并研究了工艺参数对淀粉基食品微观结构和各向异性力学性能的影响，采用单胞法减少翘曲。另一项研究利用选择性激光烧结制造磁性糖基复合材料，可作为毫米级机器人。食品墨水的流变特性对每种打印技术至关重要：挤出打印要求剪切变稀行为和快速结构恢复，高屈服应力防止坍塌，损耗因子小于0.4；喷墨打印要求低粘度（通常2-20 mPa·s）和低表面张力，且需抗堵塞；粘结剂喷射要求粉末具有良好的流动性，粘结剂快速渗透，粘结剂粘度至关重要；选择性激光烧结要求粉末具有窄熔化范围和良好热稳定性，熔融相流变学影响聚结和最终孔隙率。
3. 各类食品产品的打印机
本综述所选商用打印机标准：明确面向食品打印、技术规格公开、已被同行评议文献引用或行业报告报道，并验证了截至2026年1月的商用可用性。
3.1 巧克力
巧克力3D打印可使用挤出式和熔融沉积成型式打印机。所有巧克力3D打印机支持G代码文件格式，多为易于操作的悬臂结构，部分采用箱式结构以保护巧克力免受环境影响。外观上，变截面3D堆叠产品更具吸引力。3Desserts Graphiques的巧克力打印机配备机械臂和双挤出机，可提高效率；Felix Food 3D打印机的双挤出机自由度较少。有研究自制了双注射器、加热器、混合器的挤出装置成功打印彩色巧克力。打印质量取决于运动速度、挤出速率和冷却速率，环境温度是关键参数。静电喷墨也被用于改善巧克力打印质量和二维图像精度。
3.2 饼干和蛋糕
饼干和蛋糕常用挤出式和喷墨式打印机。温度是影响面团成型和膨胀的关键因素，生产过程通常包括机内打印和机外后处理两步，但Natural Machine的设备可一步完成。挤出式打印是最佳选择。大部分打印机为半开放式，XYZPrinting提供触摸屏设备可打印单材料和三材料配方，其他多基于聚乳酸线材打印。Micromake采用Delta技术的平行臂应用。打印和后处理能力与材料储能模量和损耗模量相关，高流动系数和低频敏感性有利于饼干面团加工。烘烤温度和时间是影响饼干质量的主要因素，喷嘴直径影响质地，填充率控制蛋糕形状，水胶体可维持烘烤尺寸稳定性，黄原胶可防止温度变化引起的强度降低。研究还涉及香气微胶囊封装和易吞咽食品开发。
3.3 咖啡
需区分真正的3D食品打印和仅在饮料表面沉积可食用墨水的2D表面装饰。咖啡行业大多数商用“3D打印机”实为2D喷墨设备，本综述因市场普遍性而收录，但强调其基于2D原理。咖啡打印技术相对成熟，用可食用材料在咖啡表面打印2D图像，影响视觉感知，不考虑材料成型。分辨率是关键。MYJ的打印机可全自动打印彩色照片，提供三种分辨率；德国Colorato有两款双份打印设备；中国ColorSun采用独特外形设计并可即时拍摄打印；Rainbow提高了打印速度（10秒/杯）并可同时四杯彩色打印。咖啡打印机已广泛应用于办公楼、餐厅和机场。实验室研究更关注废咖啡渣的回收利用，如提取活性物质、掺入聚乳酸基体、改性用于太阳能蒸发器、热解制备生物炭等。
3.4 糖果和糖
糖果主要采用挤出式打印，巧克力也属于糖果，因此多数巧克力打印机可打印糖果。FoodBot D2基于S2改进双挤出头，提高效率；ChefJet Pro可打印彩色糖果但已停产；CandyFab 6000是唯一使用选择性热风烧结熔融原理的糖果打印机；Magic Candy Factory是世界首款3D软糖打印机。打印参数如喷嘴直径、喷嘴-基板距离、挤出速度和打印速度对产品质量起决定性作用，结构设计也影响质地。多元醇对食品墨水凝胶打印性能的研究为未来墨水制备铺路。制药领域已成功用明胶和羟丙甲纤维素水凝胶打印软糖药物制剂，还有基于立体光刻的辣椒素糖果用于治疗口腔溃疡。
3.5 肉类
肉类及其副产物本质纤维状且不可打印，需添加流动增强剂调整粘弹性和机械性能，以获得可挤出的糊状材料。有研究开发了蠕动泵打印机，可挤压纤维状肉和明胶浆料，减轻固液分离。必须保证卫生质量，打印机需在整个进料系统、料斗、喷嘴和平台连续监测温度，并保持无化学污染环境。有研究开发了具有流量和温度控制的打印头及温控打印板。同轴3D打印机可打印质地和弹性强度优于牛肉的肉类类似物。目前3D打印肉制品涉及颗粒度减小和风味稀释，降低产品质量。研究日益关注3D打印培养肉，其优势包括节能环保、生产灵活性高。培养肉在不牺牲动物、避免过度使用抗生素的条件下可持续生产，但生成有纹理的未加工肉仍是挑战。MeaTech和Redefine Meat已开发肉类打印机，前者更侧重培养肉。商业食品打印机的卫生设计成为关键选择标准，包括易拆卸清洗、食品级材料、内置温控以防细菌滋生、紫外线或臭氧消毒选项，未来打印机规格可能突出卫生等级。
4. 结论、挑战与展望
本综述回顾了食品领域的四种3D打印技术，其中挤出式打印占主导。个性化食品制备技术日趋成熟，商用打印机已应用于巧克力、饼干、糖果和咖啡制备。个性化咖啡和糖果打印机已在许多行业采用，而肉类打印机仍处于测试阶段。基于商用打印机及其墨水特性要求，提出选择原则：粘度超过1000 Pa·s且具有良好剪切变稀行为的材料，仅挤出式系统可行；低于100 mPa·s的低粘度液体需要高分辨率表面装饰时，优先选择喷墨打印；可被液体粘结剂团聚的干粉材料，适用粘结剂喷射；热熔性粉末如糖和淀粉且要求高产量时，更适用选择性激光烧结；温度敏感材料如蛋白质和活细胞，建议使用温控打印头的冷挤出；多材料或全彩打印需要多挤出机或混合平台。这些原则并非绝对，还需考虑设备成本、产量、后处理和卫生限制。尽管仍有挑战，如营养-墨水相互作用、环境对产品质量的影响、后处理/包装效应，未来研究应集中于七个优先领域：流变墨水设计、混合打印系统、实时质量监控、可扩展性和产量、可持续性、法规与安全标准、消费者接受度。解决这些问题将发挥3D食品打印的独特优势：个性化营养、多样化生产、参与式制备以及新商业和就业机会。
