趙鈺博，張 浪，陳 倩，孔保華*，刁新平*

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

3D打印是以單一或多材料打印靜態(tài)3D結(jié)構(gòu)的技術(shù)，而在需要?jiǎng)討B(tài)功能的應(yīng)用中，3D打印則無(wú)法滿足需求，4D打印技術(shù)的產(chǎn)生為解決這一問(wèn)題提供了可能。4D打印是指在3D打印過(guò)程中，使打印材料隨時(shí)間發(fā)生不同程度的變化，從而實(shí)現(xiàn)打印動(dòng)態(tài)3D結(jié)構(gòu)的技術(shù)。由此可見(jiàn)，4D打印技術(shù)是3D打印技術(shù)的進(jìn)一步延伸。目前，4D打印技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物[1]、醫(yī)藥[2]、航空航天[3]、汽車(chē)[4]、機(jī)器人[5]、建筑[6]、軍事[7]以及食品領(lǐng)域[8]。

在食品領(lǐng)域，研究人員通常以大豆蛋白[9]、馬鈴薯[10]、凝膠[11]、南瓜[12]、淀粉[13]、天然纖維物質(zhì)[14]等為原料，按照特定的配方和結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)組合，并在一定環(huán)境刺激下（如壓力、溫度、風(fēng)、濃度差異、水、pH值或光），使打印物的形狀、屬性和功能隨時(shí)間發(fā)生變化[15]，以此生產(chǎn)出4D打印食品。目前，4D打印在食品領(lǐng)域已得到一定的應(yīng)用。在個(gè)性化食品定制領(lǐng)域，消費(fèi)者可根據(jù)個(gè)人的需求，通過(guò)4D打印食品技術(shù)與數(shù)字烹飪技術(shù)相結(jié)合的方式，定制更具特色的4D打印產(chǎn)品。例如，4D打印可以構(gòu)建3D打印無(wú)法實(shí)現(xiàn)的懸浮結(jié)構(gòu)（如盛開(kāi)的花朵），花朵開(kāi)花的過(guò)程讓食用變得更加有趣，吸引了許多兒童消費(fèi)者的關(guān)注，同時(shí)也為互動(dòng)食品的設(shè)計(jì)提供了新思路[16]。此外，4D打印可以實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。Chen Jieling等[17]在4D打印過(guò)程中利用短波紫外線輻射紫薯糊，使麥角甾醇轉(zhuǎn)化為VD2，實(shí)現(xiàn)了食物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)變。以上研究表明，4D打印技術(shù)特有的優(yōu)勢(shì)促進(jìn)了4D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域的發(fā)展。同時(shí)4D打印技術(shù)也為食品工業(yè)生產(chǎn)提供了更多的參考和選擇。因此，本文綜述4D打印食品技術(shù)的原理、影響因素以及打印設(shè)備，并進(jìn)一步介紹其在食品中的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)以及面臨的挑戰(zhàn)，最后展望4D打印食品技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，以期為4D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域應(yīng)用的研究提供一定指導(dǎo)和參考。

1 4D打印食品概述

1.1 4D打印食品的原理

麻省理工大學(xué)的Tibbits等[18]展示了3D打印的靜態(tài)物體是如何隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化，由此產(chǎn)生了早期的4D打印，即在3D打印過(guò)程中引入時(shí)間維度，并使3D打印材料隨時(shí)間發(fā)生變化。隨著4D打印技術(shù)的發(fā)展，4D打印可以通過(guò)3D打印設(shè)備打印出預(yù)先設(shè)計(jì)的3D形狀模板，并使其能夠在不同環(huán)境或時(shí)間發(fā)生變化，從而自行組裝形成不同的形狀。在食品領(lǐng)域，4D打印食品技術(shù)指3D打印食品的形狀、屬性以及功能在不同的外部刺激下隨時(shí)間發(fā)生變化。目前，4D打印食品的本質(zhì)依然是依靠3D打印的方式，通過(guò)打印材料的累加形成物體，依靠改變時(shí)間以及外界刺激方式確定食品的最終形態(tài)。4D打印食品的典型工藝流程如圖1所示。

圖1 4D打印食品的工藝流程Fig.1 Flow chart of 4D food printing process

1.2 4D打印食品的影響因素

4D打印食品的品質(zhì)受到很多因素影響，其中增材制造技術(shù)、外部刺激方式、打印材料這3 個(gè)因素對(duì)其品質(zhì)的影響較大[19]。增材制造是通過(guò)材料累加堆積的方式制造實(shí)體零件的技術(shù)，其可以使打印材料按照計(jì)算機(jī)設(shè)定的程序進(jìn)行制造生產(chǎn)。目前，根據(jù)不同原料采用增材制造技術(shù)種類(lèi)的不同已開(kāi)發(fā)出多種增材制造技術(shù)類(lèi)型，如立體光刻、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積建模、噴射3D打印、直接墨水書(shū)寫(xiě)等。增材制造技術(shù)主要是通過(guò)改變打印過(guò)程中打印材料的堆層方式來(lái)影響4D打印食品的品質(zhì)，這是因?yàn)?D打印是一種“自下而上”通過(guò)打印材料累加的技術(shù)，因此，打印每一層的處理方式會(huì)直接影響最終得到的產(chǎn)品品質(zhì)。外部刺激方式主要可以分為物理刺激、化學(xué)刺激、生物刺激和不同刺激的組合[20]。其中物理刺激包括水分、電磁能、溫度、紫外線等，化學(xué)刺激包括化學(xué)物質(zhì)、pH值、氧化劑和還原劑，生物刺激包括酶和葡萄糖[21]。一般來(lái)說(shuō)，不同刺激方式對(duì)打印材料具有不同的影響。例如，魚(yú)肉糜分別在干燥與微波兩種刺激下，微波刺激可以使魚(yú)肉糜更快地發(fā)生凝膠化，從而使產(chǎn)品形狀和結(jié)構(gòu)優(yōu)于干燥刺激打印出的產(chǎn)品。因此，可以根據(jù)打印材料的含水量、質(zhì)地、紋理等性狀的不同，選擇最佳的刺激方式進(jìn)行處理，使打印材料在經(jīng)過(guò)刺激處理后能達(dá)到提高打印產(chǎn)品品質(zhì)的目的。打印材料在4D打印過(guò)程中遇到外部刺激時(shí)，材料的層與層之間必須對(duì)刺激作出反應(yīng)，因此也被稱(chēng)為智能材料。智能材料的類(lèi)型決定了刺激方式的類(lèi)型以及4D打印食品的品質(zhì)與風(fēng)味。當(dāng)刺激作用于智能材料時(shí)，材料結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生物理或化學(xué)變化，如分子的運(yùn)動(dòng)、相變等，從而影響了4D打印食品結(jié)構(gòu)或功能。智能材料的可打印性是影響4D打印食品的直接因素，可打印性主要表現(xiàn)在噴嘴擠出的難易程度?？纱蛴⌒暂^強(qiáng)的智能材料，得到的產(chǎn)品無(wú)論從表觀還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)都較好，而可打印性較差的智能材料在擠出過(guò)程就會(huì)出現(xiàn)斷料、堵塞等現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)品品質(zhì)。因此，選用合適的智能材料進(jìn)行打印會(huì)直接影響了4D打印食品的品質(zhì)。

1.3 4D打印食品的設(shè)備

1.3.1 打印機(jī)

由于4D打印是以3D打印為基礎(chǔ)的技術(shù)，因此4D打印食品主要運(yùn)用食品3D打印機(jī)進(jìn)行打印。目前，用于食品3D打印的打印機(jī)類(lèi)型主要有熔融沉積成型模型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、噴墨、立體光刻、直接墨寫(xiě)、數(shù)字光處理和選擇激光熔化[22]。而FDM型打印機(jī)由于價(jià)格低、通用性高、操作簡(jiǎn)單，已成為4D食品打印最常用的打印機(jī)類(lèi)型。如圖2所示，根據(jù)現(xiàn)有的坐標(biāo)位移平臺(tái)的構(gòu)型，F(xiàn)DM型打印機(jī)可以分為笛卡爾坐標(biāo)、三角坐標(biāo)、極坐標(biāo)和平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)4 種形式[23]，其中笛卡爾坐標(biāo)構(gòu)型應(yīng)用最為廣泛[24]。

圖2 食品3D打印坐標(biāo)形式[23]Fig.2 Coordinate forms of 3D food printing[23]

在4D打印食品中，打印機(jī)的類(lèi)型和運(yùn)作方式需要根據(jù)4D打印的主要影響因素進(jìn)行不斷優(yōu)化和改進(jìn)。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可以進(jìn)行4D打印食品的打印機(jī)，主要從打印材料和打印工藝參數(shù)兩個(gè)因素方面進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的打印機(jī)可以運(yùn)用不同種的油墨，實(shí)現(xiàn)多材料的打印，并設(shè)計(jì)出更復(fù)雜和精細(xì)的結(jié)構(gòu)。如表1所示，打印機(jī)已逐步從單噴嘴打印機(jī)轉(zhuǎn)向打印精度更高的多噴嘴打印機(jī)。其中，多材料的多噴嘴打印機(jī)實(shí)用性更高，它可以將兩種或3 種不同的材料混合在一個(gè)打印結(jié)構(gòu)中打印出更直觀的分層結(jié)構(gòu)。此外，為了解決打印材料在3D打印中打印受阻的問(wèn)題，研究者對(duì)3D打印工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。例如，涂層噴嘴類(lèi)型的打印機(jī)可以通過(guò)特殊的涂層材料（如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）來(lái)控制微波或近紅外進(jìn)行加熱刺激時(shí)的熱膨脹系數(shù)，從而防止溫度過(guò)高或過(guò)低使打印噴嘴處出現(xiàn)堵塞、結(jié)塊或打印過(guò)程中各層及孔隙之間黏合不良的情況發(fā)生[15]。

表1 基于4D打印技術(shù)的笛卡爾-擴(kuò)散沉積模型打印機(jī)類(lèi)型Table 1 Types of Cartesian-FDM printer based on 4D printing technology

1.3.2 打印軟件

在4D打印食品過(guò)程中，建模軟件、仿真軟件以及切片軟件決定了4D打印食品的品質(zhì)。4D打印建模軟件是完成立體模型的構(gòu)建展現(xiàn)3D設(shè)計(jì)制圖的軟件。目前，常用的4D打印建模軟件有Solidworks、AutoCAD、CATIA軟件和Rhinoceros軟件。其中，SolidWorks軟件是達(dá)索公司下屬子公司開(kāi)發(fā)的一款3D建模軟件，SolidWorks軟件具有功能強(qiáng)大和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，因此深受廣大研究人員的歡迎，并占據(jù)了國(guó)內(nèi)廣大的市場(chǎng)。此外，AutoCAD軟件也是常用的構(gòu)建4D打印模型的軟件，研究者可以利用AutoCAD軟件方便快捷的設(shè)計(jì)方法以及幾何工具（即線、點(diǎn)、平面、草圖等)構(gòu)建精準(zhǔn)的立體模型[31-32]。4D打印建模軟件輸出的文件類(lèi)型相比傳統(tǒng)3D打印的STL文件更加多樣，主要包含3D制造格式和增材制造文件兩種類(lèi)型[33]，這兩種文件類(lèi)型克服了STL只能處理大文件的缺陷，其可以生成小文件，并呈現(xiàn)詳細(xì)的顏色，和復(fù)雜的材料表面結(jié)構(gòu)，更加適用于4D打印。

仿真軟件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)逆向設(shè)計(jì)的原理對(duì)打印過(guò)程進(jìn)行模擬，優(yōu)化打印過(guò)程中的物理量（黏度、壓力、均勻性等），降低打印失敗的風(fēng)險(xiǎn)[34]。仿真軟件打印優(yōu)點(diǎn)是側(cè)重于某一特定材料在流變性能和打印參數(shù)的優(yōu)化[35]，其缺點(diǎn)是缺乏普遍適用性。

切片軟件是將3D模型切割成2D模型，并生成所需的數(shù)據(jù)信息。目前，常用的切片軟件包括Crafware、Cura、KISSSlicer、Simplify 3D和Slic3r[36]。切片軟件的核心是切片引擎，它能夠根據(jù)3D模型的結(jié)構(gòu)組成和用戶設(shè)置的不同參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算并生成Gcode打印代碼。切片軟件設(shè)計(jì)模型的過(guò)程是預(yù)先將3D模型從底部至頂部進(jìn)行橫向“切割”分層，并且按照序號(hào)逐一記錄每一層的平面模型分布信息，這些信息最終會(huì)直接影響到打印模型的質(zhì)量，包括尺寸精度、表面粗糙度及強(qiáng)度等[37]。其中，Slic3r軟件和KISSSlicer軟件具有更快的切片速率。KISSSlicer軟件和Simplify 3D軟件具有更好的切片質(zhì)量。在創(chuàng)建具有不同材質(zhì)分布的復(fù)雜3D形狀時(shí)，選擇合適的切片軟件尤為重要。因此，在4D打印食品切片加工時(shí)，為了提高切片質(zhì)量，建議使用KISSSlicer軟件或Simplify 3D軟件。

1.3.2.1 微波刺激裝置

微波刺激裝置是利用微波對(duì)物體進(jìn)行加熱處理。如圖3所示，目前，微波的刺激裝置可以與食品3D打印機(jī)組裝進(jìn)行打印。Zhao Zilong等[38]研究了微波3D打印和轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶對(duì)3D打印魚(yú)糜從液態(tài)到固態(tài)自發(fā)進(jìn)行凝膠過(guò)程的協(xié)同效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)微波誘導(dǎo)3D打印實(shí)現(xiàn)了魚(yú)糜在打印過(guò)程中的自主凝膠化。與微波誘導(dǎo)食品3D打印魚(yú)糜相似，微波刺激裝置處理4D打印凝膠類(lèi)食品通過(guò)使凝膠同時(shí)受到熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的影響，從而改變其結(jié)構(gòu)，提高其活性[39]。在重組果蔬及其混合凝膠體系的微波高效3D/4D打印研究中，發(fā)現(xiàn)微波裝置作為刺激源，通過(guò)控制處理時(shí)間能夠改變凝膠形狀，提高了果蔬凝膠類(lèi)食品的打印效率[40]。Shi Yameng等[41]研究了微波誘導(dǎo)紫薯泥和油凝膠在4D打印中的自發(fā)變形。其利用微波刺激裝置使紫薯泥在受到微波加熱時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮，進(jìn)而制造出自動(dòng)改變形狀特征的4D打印產(chǎn)品。Rakesh等[42]研究了微波處理對(duì)新鮮土豆膨化的影響，發(fā)現(xiàn)微波刺激裝置的處理可以改變土豆膨化后的形狀以及硬度，為微波誘導(dǎo)處理不同打印材料提供了參考。此外，在使用微波刺激裝置時(shí)需要控制處理時(shí)間以及溫度，否則會(huì)對(duì)打印產(chǎn)品的品質(zhì)造成負(fù)面影響。有研究表明由于微波的快速加熱效應(yīng)，在處理淀粉類(lèi)原料時(shí)不可避免地會(huì)增加淀粉基打印產(chǎn)品的擴(kuò)展性，從而造成明顯的變形[43]。微波刺激裝置是4D打印食品外部刺激裝置中較為便利的一種，其加工工藝需要進(jìn)一步地完善，才可以被廣泛地推廣應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

圖3 微波3D打印機(jī)[42]Fig.3 Microwave 3D printer[42]

1.3.2.2 近紅外刺激裝置

近紅外刺激裝置是利用近紅外光的熱效應(yīng)，將紅外線輻射器發(fā)射出的近紅外光照射到被加熱物體上，從而使物體受熱的過(guò)程[44]。近紅外刺激裝置主要是在3D打印機(jī)打印頭裝上雙螺桿泵擠出機(jī)和近紅外點(diǎn)加熱器（圖4）用于加熱穩(wěn)定打印原料的結(jié)構(gòu)。近紅外光刺激的4D打印食品形成過(guò)程是在打印下一層之前，使用近紅外點(diǎn)加熱器對(duì)材料層進(jìn)行加熱并穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)，減少打印材料的擴(kuò)散和機(jī)械變形。Fahmy等[45]發(fā)現(xiàn)近紅外刺激處理使食鹽在淀粉凝膠食品中分布得更加均勻，進(jìn)而提高了食品的穩(wěn)定性，同時(shí)通過(guò)改變氯化鈉的添加量使食品的口感更加細(xì)膩，改善了食品風(fēng)味，為近紅外刺激處理食品口感與滋味的相互作用研究提供參考。

圖4 雙螺桿泵擠出機(jī)（A）和近紅外點(diǎn)加熱器（B）[45]Fig.4 Twin screw extruder (A) and near infrared heater (B)[45]

1.3.2.3 干燥刺激裝置

干燥刺激裝置是通過(guò)熱處理或加快空氣流速使物體脫去自身含有的水分，主要包括熱空氣烘干、冷凍干燥和組合箱式干燥等。干燥刺激裝置對(duì)動(dòng)植物原料的刺激形式是不同的。對(duì)于動(dòng)物原料來(lái)說(shuō)，主要是通過(guò)干燥刺激裝置使由3D打印處理生成的肉制品發(fā)生4D變形以及紋理和孔隙率變化。Dick等[46]研究了干燥方法和3D設(shè)計(jì)對(duì)牛肉制品4D變化的影響，發(fā)現(xiàn)干燥刺激可以優(yōu)化4D打印牛肉零食的紋理和孔隙率，進(jìn)而提高牛肉零食的品質(zhì)。對(duì)于植物原料來(lái)說(shuō)，一般都采用熱空氣烘干的方式對(duì)其進(jìn)行處理。Chen Fengying等[12]研究了通過(guò)干燥刺激改變南瓜層的厚度和打印路徑來(lái)控制3D打印樣本的彎曲行為，實(shí)現(xiàn)了基于不同厚度的雙層南瓜結(jié)構(gòu)的4D打印自發(fā)變形，其利用干燥作為外部刺激的方式，為研究4D打印食品自發(fā)變形的過(guò)程提供了新的思路。

1.3.2.4 pH值刺激裝置

pH值刺激裝置可以使材料在環(huán)境pH值變化時(shí)發(fā)生膨脹、收縮、解離或降解。當(dāng)pH值發(fā)生變化時(shí)，刺激裝置會(huì)使打印材料由球狀向線圈狀轉(zhuǎn)變，這是由于帶電官能團(tuán)的靜電排斥作用，使聚合物鏈拉伸成線圈的形式[47-48]。目前，可用于pH值刺激的打印材料開(kāi)發(fā)較少，有幾種天然蛋白質(zhì)和天然色素在pH值的刺激下表現(xiàn)出相應(yīng)的變化，包括膠原蛋白、明膠、角蛋白和花青素等。對(duì)于肉制品原料來(lái)說(shuō)，膠原蛋白的可開(kāi)發(fā)性更好，在pH值的刺激下可以通過(guò)改善膠原蛋白的性狀進(jìn)而提高4D打印肉制品的品質(zhì)。對(duì)于植物原料來(lái)說(shuō)，研究人員發(fā)現(xiàn)植物中的花青素作為打印材料時(shí)，它們可以根據(jù)pH值刺激改變顏色[49]。Ahmed等[50]研究了在pH值刺激下3D打印健康食品材料顏色和風(fēng)味隨時(shí)間發(fā)生的4D自主變化，發(fā)現(xiàn)3D打印食品在受到pH值的刺激后顏色逐漸變化，風(fēng)味也得到了改善，實(shí)現(xiàn)了由3D打印向4D打印的轉(zhuǎn)變，這項(xiàng)研究對(duì)于4D打印結(jié)合pH值刺激裝置制造新的健康4D打印食品具有重要意義。

2 4D打印食品技術(shù)的應(yīng)用

隨著4D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域應(yīng)用的不斷完善，越來(lái)越多的可用于打印技術(shù)的食品材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)。目前，可用于4D打印食品的材料主要有巧克力[51]、面粉[52]、水果蔬菜混合物[53]、大豆分離蛋白和凝膠類(lèi)原料，其已經(jīng)可以與多種烹飪工藝相結(jié)合制作美味佳肴，如利用巧克力凝膠制作的可綻放的花朵以及可自包裹的炸玉米餅和煎餅（圖5）[54]。由于4D打印食品技術(shù)仍然在研究階段，因此相關(guān)產(chǎn)品尚未實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)，只被應(yīng)用于部分廚房烹飪生產(chǎn)中。其中，凝膠類(lèi)原料在4D打印食品中具有更廣泛的應(yīng)用，此外，肉類(lèi)作為日常飲食中重要的組成部分，也可以作為4D打印食品的主要材料之一。但肉類(lèi)打印難度較高。所以，如何精準(zhǔn)地打印肉類(lèi)原料有望成為4D打印在食品領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖5 4D打印巧克力花朵（A）以及自包裹炸玉米餅（B）和煎餅（C）[54]Fig.5 4D printed chocolate flowers (A) as well as self-wrapped tacos (B)and pancakes (C)[54]

2.1 凝膠類(lèi)原料的4D打印應(yīng)用

目前，可用于4D打印食品的凝膠或具有凝膠性的物質(zhì)包括淀粉凝膠、水凝膠和大豆分離蛋白。Shi Yameng等[41]開(kāi)發(fā)了微波觸發(fā)4D蜂蠟紫色馬鈴薯粉油墨產(chǎn)品，這是一種低脂又極具特色的4D打印食品。研究人員還通過(guò)調(diào)節(jié)pH值對(duì)花青素的刺激程度，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯在4D打印過(guò)程中的自發(fā)變色，增加了消費(fèi)者的可接受性。此外，4D打印可以使凝膠類(lèi)食品的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)化。Chen Jieling等[17]在4D打印中利用短板紫外線UV-C輻射紫甘薯糊，使麥角固醇轉(zhuǎn)化為VD2，以增加紫甘薯產(chǎn)品中的VD2含量。此外，大豆分離蛋白具有加熱后形成凝膠的潛力，Chien等[55]發(fā)現(xiàn)大豆蛋白形成凝膠后能夠被打印。Phuhongsung等[56]研究了微波加熱處理對(duì)4D打印大豆分離蛋白產(chǎn)品風(fēng)味的影響，發(fā)現(xiàn)4D打印大豆蛋白凝膠在微波刺激后產(chǎn)品的風(fēng)味得到了提高。可見(jiàn)，淀粉類(lèi)和水凝膠類(lèi)的原料在4D打印食品方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

2.2 肉類(lèi)原料的4D打印應(yīng)用

4D打印技術(shù)可使肉類(lèi)食品的營(yíng)養(yǎng)更加均衡，外觀更加豐富，并能夠刺激消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)欲。但是肉類(lèi)本身不具備打印性，需要借助水膠體或輔助添加劑來(lái)滿足打印所需要的流變特性和凝膠強(qiáng)度，并獲得能夠同時(shí)支撐沉積過(guò)程和沉積后結(jié)構(gòu)的能力[57]。此外，肉類(lèi)在4D打印之前需要攪碎成均勻的肉糜，而肉糜在加工過(guò)程中容易發(fā)生微生物增長(zhǎng)和氧化反應(yīng)等使肉質(zhì)劣化。為了防止肉糜的品質(zhì)發(fā)生劣變，可在肉糜中添加護(hù)色劑、抗氧化劑、多價(jià)螯合劑和抑菌劑等來(lái)保障產(chǎn)品的品質(zhì)，如硝酸鹽、抗壞血酸、亞硝酸鹽、磷酸鹽、山梨酸等[58]。Dick等[46]在牛肉醬中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的瓜爾膠以實(shí)現(xiàn)瘦肉和脂肪的分層打印，結(jié)果表明肉醬中添加不同的食品親水膠體可以改善肉糜的流變和機(jī)械性能，從而提高肉糜的可打印性。Wang Lin等[59]研究了添加氯化鈉對(duì)3D打印用魚(yú)糜凝膠的流變特性、凝膠強(qiáng)度、持水性能、水分分布和微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入氯化鈉有利于穩(wěn)定魚(yú)肉糜的形狀以及保存期限。研究人員通過(guò)干燥刺激處理牛肉使其紋理結(jié)構(gòu)由3D打印向4D打印進(jìn)行轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)在干燥刺激后的牛肉制品的紋理更細(xì)膩，得到的牛肉干制品的品質(zhì)和風(fēng)味也更好[46]。由此可見(jiàn)，肉類(lèi)原料在4D打印食品加工中的應(yīng)用潛力依然很強(qiáng)，可將肉類(lèi)制品的3D打印作為參照即一個(gè)突破點(diǎn)，并通過(guò)與各種添加劑結(jié)合提高肉類(lèi)原料自身的打印性能，根據(jù)不同的外部刺激方式改變?nèi)忸?lèi)產(chǎn)品的感官性狀和質(zhì)量，以提高消費(fèi)者的可接受程度。

3 4D打印食品技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3.1 形狀優(yōu)化

4D打印食品的形狀在不同刺激的方式（如干燥、微波等）或條件下（如干濕度和受力情況）會(huì)發(fā)生不同的變化，包括彎曲、變形（圖6）、線性或非線性膨脹、收縮和表面卷曲等。目前，食品的變形主要取決于打印材料的吸水和脫水[60]。形狀變化的程度和方向取決于兩種或兩種以上打印材料的性質(zhì)和空間排列的差異?？筛鶕?jù)情況通過(guò)不同的外部刺激改變產(chǎn)品的形態(tài)，使其品質(zhì)與風(fēng)味達(dá)到最佳。這種形態(tài)上的優(yōu)化是一種立體結(jié)構(gòu)的改變，是打印材料或打印成品在刺激條件下自發(fā)進(jìn)行轉(zhuǎn)變的過(guò)程。Martin等[61]發(fā)現(xiàn)水膠體在10 min內(nèi)可吸收自身體積5 倍的水分，說(shuō)明通過(guò)控制水分的吸收量可以更好地優(yōu)化凝膠類(lèi)4D打印食品的形狀穩(wěn)定性。此外，還可以通過(guò)微波、近紅外和熱風(fēng)干燥等影響打印材料形變程度的不同，從而實(shí)現(xiàn)形狀的優(yōu)化[62]。其中，相比微波和近紅外這兩種刺激方式，熱風(fēng)干燥會(huì)導(dǎo)致較大的彎曲角度，且使打印食品的水分分布出現(xiàn)明顯差異，更易使打印食品發(fā)生形變，達(dá)到優(yōu)化形狀的目的。

圖6 食品4D打印中形狀變化方式[63]Fig.6 Shape change in 4D food printing[63]

3.2 風(fēng)味優(yōu)化

目前，主要有兩種優(yōu)化4D打印食品的方式。一種是合理分配可以產(chǎn)生不同風(fēng)味的食品原料比例，再經(jīng)過(guò)pH值或微波的刺激，以產(chǎn)生特定的風(fēng)味。Phuhongsung等[56]研究了使用不同pH值的噴霧溶液來(lái)改變重組食品（大豆分離蛋白、南瓜粉、甜菜根粉和蒸餾水）的風(fēng)味，發(fā)現(xiàn)不同的重組食品在相應(yīng)的pH值下產(chǎn)生了不同風(fēng)味。另外一種是可以通過(guò)優(yōu)化4D打印的工藝參數(shù)改善打印食品的風(fēng)味。Yang Genghan等[64]研究了采用響應(yīng)面法和遺傳算法優(yōu)化3D打印雞肉產(chǎn)品可行性，通過(guò)選取合適的算法計(jì)算打印參數(shù)，對(duì)打印過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)打印出的雞肉產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)以及風(fēng)味上都得到了一定的優(yōu)化。綜上所述，打印材料的配比與4D打印的工藝參數(shù)可以改善打印食品的風(fēng)味，這些研究也為生產(chǎn)新穎、健康且風(fēng)味優(yōu)良的4D打印食品提供了指導(dǎo)。

4 4D打印食品技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

目前，4D打印食品技術(shù)仍處于研究階段，全面實(shí)現(xiàn)商業(yè)化仍然需要進(jìn)一步的研究與開(kāi)發(fā)。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出幾種可直接用于廚房烹調(diào)的4D打印食品，如巧克力制成的甜品以及玉米淀粉類(lèi)制成的玉米餅和煎餅等。這些4D打印食品可以實(shí)現(xiàn)在一定外界刺激下自發(fā)變形，并且產(chǎn)品外觀更加精致。相比之下，我國(guó)4D打印食品技術(shù)研究較為落后，現(xiàn)有的技術(shù)難以控制打印材料在外界刺激下自發(fā)變形至目標(biāo)形狀，成品的口感和外觀等方面仍有很大的不足，這也是我國(guó)未來(lái)4D打印食品技術(shù)研究中的關(guān)鍵。此外，全球范圍內(nèi)4D打印食品技術(shù)的難點(diǎn)主要在于打印食品結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。4D打印食品技術(shù)是通過(guò)3D打印機(jī)完成打印，僅能打印處于同一平面的結(jié)構(gòu)，而很難實(shí)現(xiàn)通過(guò)曲面的集成部件來(lái)增強(qiáng)物體的強(qiáng)度，并且在遇到不同程度的外界刺激時(shí)，物體的不穩(wěn)定性增加。

因此，未來(lái)對(duì)4D打印食品技術(shù)的研究應(yīng)關(guān)注以下兩點(diǎn)。1）開(kāi)發(fā)新的打印條件和設(shè)備。目前使用的3D打印機(jī)在打印材料制造過(guò)程中有很大的局限性，不能靈活運(yùn)用曲面堆積打印物體。為了能更好地改善食品原料的形狀、性狀以及功能性，增強(qiáng)食品的穩(wěn)定性，需要開(kāi)發(fā)4D打印食品專(zhuān)用打印機(jī)。這就需要引入新型的精簡(jiǎn)模型和運(yùn)算法則，并改進(jìn)計(jì)算模型，使其更好地融入4D打印食品的過(guò)程，并優(yōu)化打印過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)來(lái)提高4D打印食品的穩(wěn)定性以及質(zhì)量。2）通過(guò)研究改善食品原料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部刺激之間的關(guān)系增強(qiáng)食品的可打印性。4D打印的一個(gè)重要意義就是塑造食物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，建議將食品原料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部刺激之間的協(xié)同作用納入未來(lái)研究當(dāng)中，為實(shí)現(xiàn)4D打印目標(biāo)提供參考。期待在未來(lái)，4D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)食品領(lǐng)域能得到更廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)食品生產(chǎn)加工的發(fā)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要介紹了4D打印食品技術(shù)的原理、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)以及研究進(jìn)展，有助于4D打印技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于食品領(lǐng)域。目前，用于食品4D打印的材料僅限于大豆分離蛋白、淀粉凝膠和水凝膠體系。由于3D打印已經(jīng)逐漸在肉品原料中廣泛應(yīng)用，因此，4D打印未來(lái)在肉品原料的加工領(lǐng)域會(huì)有更好的發(fā)展前景。但是目前4D打印食品技術(shù)還面臨著兩方面的挑戰(zhàn)：1）如何開(kāi)發(fā)更多的打印材料用于食品4D打印?，F(xiàn)有凝膠類(lèi)原料、肉類(lèi)原料以及大多數(shù)原料的打印性能較差，不能直接用于打印，因此可以考慮通過(guò)預(yù)處理、添加食品添加劑等方法優(yōu)化其物理或化學(xué)性質(zhì)，以改善食品原料的打印特性。2）目前消費(fèi)者對(duì)4D打印食品的認(rèn)可度不高。隨著4D打印食品的發(fā)展，相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)4D打印食品的宣傳和推廣以提高4D打印食品的接受度。