基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的國內(nèi)外食品3D打印技術(shù)研究進(jìn)展

李春麗 唐甜甜 張 慜

(1. 江南大學(xué)《食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)》編輯部，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

三維(3D)打印，也稱增材制造、實(shí)體自由成型制造，自出現(xiàn)以來，即被視為一場(chǎng)潛在的工業(yè)革命。該技術(shù)是一種在三維空間中逐層構(gòu)建的方法，最初應(yīng)用于打印塑料和金屬等合成物質(zhì)，以創(chuàng)造具有新特性的定制材料，之后逐漸被應(yīng)用于建筑、汽車制造、醫(yī)療保健和航空航天。增材制造技術(shù)因其眾多優(yōu)勢(shì)而受到行業(yè)、公眾和學(xué)術(shù)界的強(qiáng)烈關(guān)注，研究[1]顯示，在全球市場(chǎng)規(guī)模上，3D打印產(chǎn)品和服務(wù)的年增長(zhǎng)率約為26%，預(yù)計(jì)到2024年將達(dá)到400億美元。在食品領(lǐng)域，2007年，康奈爾大學(xué)的研究人員首次報(bào)道了3D打印技術(shù)在食品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)應(yīng)用[2]。2011年，英國?？巳卮髮W(xué)研發(fā)出世界首臺(tái)3D巧克力打印機(jī)，并于次年推向市場(chǎng)[3]。2014年，3D Systems公司推出了3D打印糖果。2015年，意大利面食公司Barilla與荷蘭技術(shù)公司TNO合作研發(fā)了以小麥粗粉和水為原料的3D打印意大利面。西班牙創(chuàng)業(yè)公司Natural Machines研制出的可以打印披薩、手指巧克力、意大利面等的Foodini食品3D打印機(jī)。2016年，世界上第一家3D美食店Food ink進(jìn)行了為期3 d的試營(yíng)業(yè)。2019年，已經(jīng)研發(fā)出了可以用于定制3D打印食品的APP[4]。截至目前，包括巧克力、糖果、意大利面、披薩、蛋糕、餅干、面包、冰淇凌在內(nèi)的多種食品均可以通過3D打印機(jī)制作(圖1)。

來源：Microsoft Bing

3D打印技術(shù)用于食品工業(yè)具有若干潛在優(yōu)勢(shì)：

(1) 緩解糧食危機(jī)。通過使用非傳統(tǒng)食品材料(例如昆蟲、藻類、高纖維植物基材料及動(dòng)植物副產(chǎn)品廢料)來拓寬可用食品材料的來源，可以減少糧食浪費(fèi)，為不斷增長(zhǎng)的全球人口提供可持續(xù)的營(yíng)養(yǎng)和有吸引力的食物。

(2) 滿足個(gè)性化或特殊膳食營(yíng)養(yǎng)需求。3D打印技術(shù)通過開發(fā)營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化、低鹽低糖或保健食品，可以為有特定營(yíng)養(yǎng)需求的人提供科學(xué)合理的健康飲食，實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)精準(zhǔn)調(diào)控，例如兒童、航天員、運(yùn)動(dòng)員、孕婦、老年人或吞咽困難的患者。

(3) 突破傳統(tǒng)工藝限制，實(shí)現(xiàn)食物造型藝術(shù)性設(shè)計(jì)。3D打印可以實(shí)現(xiàn)人工或工業(yè)模具難以完成的花紋圖案樣式，自由地為食品設(shè)計(jì)新造型，增加趣味性。

一定時(shí)期內(nèi)某一研究領(lǐng)域出版的學(xué)術(shù)研究成果，其傳播與擴(kuò)散能力大小，表明該學(xué)術(shù)成果對(duì)科研活動(dòng)的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)程度，也能反映出社會(huì)對(duì)其學(xué)術(shù)價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值的認(rèn)知水平與認(rèn)同程度，彰顯該研究成果在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景。近10年，食品3D打印相關(guān)研究勢(shì)頭強(qiáng)勁，受到學(xué)術(shù)界的重視，其科學(xué)出版物也顯著增加。利用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法統(tǒng)計(jì)不僅可以分析食品3D打印技術(shù)發(fā)展歷程，厘清該技術(shù)研究過程的學(xué)術(shù)脈絡(luò)，還可以從中發(fā)現(xiàn)并明晰3D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域的未來研究方向與應(yīng)用前景。

課題組首先搜索了與食品3D打印領(lǐng)域相關(guān)的文獻(xiàn)(英文文獻(xiàn)搜索時(shí)間截止到2022年8月1日，中文文獻(xiàn)搜索時(shí)間截止到2022年11月2日)。中文文獻(xiàn)來源于中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，以“3D AND 食品 AND 打印”為檢索詞進(jìn)行主題檢索，手動(dòng)剔除無關(guān)文獻(xiàn)，共獲得197篇文章；外文文獻(xiàn)來源于Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫，根據(jù)Fasogbon等[5]的研究以“3D AND food AND printing”為檢索詞進(jìn)行主題檢索，共獲得860篇文獻(xiàn)，然后將獲得的文檔限制為論文、綜述論文、在線發(fā)表、會(huì)議摘要、書籍章節(jié)，最終獲得854篇文章。將檢索到的數(shù)據(jù)及信息(關(guān)鍵詞、引文、摘要、作者和書目信息)以制表符分隔文件和Excel格式下載。使用VOS viewer軟件(版本1.6.17)對(duì)收集到的文獻(xiàn)計(jì)量信息進(jìn)行分析和圖形可視化，Microsoft Excel用于其他一般指標(biāo)的可視化。

1 國際食品3D打印研究進(jìn)展

1.1 國外相關(guān)出版物發(fā)表趨勢(shì)

每年發(fā)表的出版物數(shù)量可以很好地反映特定學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)出版物發(fā)表量的分析可以提供有關(guān)近期的研究趨勢(shì)的信息。圖2顯示了國際食品3D打印相關(guān)出版物的發(fā)文量和累計(jì)被引頻次的趨勢(shì)圖。食品3D打印相關(guān)技術(shù)研究始于2007年，Brog?rdh[6]首次提出食品行業(yè)將是未來機(jī)器人/3D視覺產(chǎn)品發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力之一。直至2014年，食品3D打印研究開始逐漸引起關(guān)注，當(dāng)年有6篇論文出版。此后論文發(fā)表數(shù)量呈逐年升高趨勢(shì)，特別是在2018年之后數(shù)量有明顯上升。2021年發(fā)表數(shù)量為260篇，月均22篇；截止發(fā)稿前，2022年的出版物發(fā)表量已達(dá)176篇，月均25篇。預(yù)計(jì)到2022年結(jié)束時(shí)發(fā)表量將超過2021年。

圖2 國際食品3D打印相關(guān)出版物逐年發(fā)文量和

從出版物逐年發(fā)文量可以看出，越來越多的研究人員開始關(guān)注食品3D打印加工技術(shù)。截止發(fā)稿前，食品3D打印出版物總被引頻次16 701次，篇均19.56次。每年出版物的被引頻次與發(fā)文量變化趨勢(shì)相同，2021年出版物的被引頻次最高，為6 320次。截至目前，2022年出版物的總被引頻次為3 894次。

1.2 國際發(fā)文學(xué)者和發(fā)文機(jī)構(gòu)的文獻(xiàn)計(jì)量評(píng)價(jià)

論文的被引頻次能在一定程度上反映出同領(lǐng)域?qū)W者對(duì)該研究?jī)?nèi)容的認(rèn)可，是文章重要性的體現(xiàn)，更是反映了一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的活躍度和生命力。影響引文數(shù)量的因素有很多，包括研究熱度、發(fā)表時(shí)間、篇幅長(zhǎng)度、發(fā)表的期刊等。表1統(tǒng)計(jì)了3 178名發(fā)文學(xué)者的總被引頻次、發(fā)文量、H指數(shù)等重要指標(biāo)，顯示在該領(lǐng)域發(fā)表過8篇及以上科學(xué)文獻(xiàn)的作者為18名。其中，中國江南大學(xué)張慜研究團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域發(fā)文量和被引頻次最多，發(fā)表文章65篇，被引用2 097次，對(duì)食品3D打印領(lǐng)域出版物的貢獻(xiàn)率(發(fā)文量占總出版物數(shù)量的百分比)最高，為7.611%。其次是澳大利亞昆士蘭大學(xué)Bhandari B課題組，發(fā)表35篇，被引用1 756次，貢獻(xiàn)率為4.098%。Prakash S和Liu Z B被引頻次分別為881和627次，均發(fā)表16篇出版物。這4位學(xué)者在國際食品3D打印研究中存在合作關(guān)系，主要涉及馬鈴薯/紫薯淀粉、蓮藕粉凝膠、山藥、檸檬汁凝膠、芒果汁凝膠、草莓汁凝膠、魚糜凝膠、糙米、面團(tuán)、谷物、復(fù)合乳制品、巧克力、肉制品等食物材料的3D打印和打印參數(shù)優(yōu)化，以及打印品的前處理和后處理研究。此外，中國華南理工大學(xué)陳玲、鄭波，西北農(nóng)林科技大學(xué)江昊也在國際期刊發(fā)表食品3D打印相關(guān)文章8篇以上。

食品3D打印領(lǐng)域的854篇出版物共涉及1 080個(gè)機(jī)構(gòu)，在該方向發(fā)文量超過10篇的機(jī)構(gòu)為16個(gè)(表2)，中國的江南大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、華南理工大學(xué)和大連工業(yè)大學(xué)均位于其中?？偙灰l次排名前三的機(jī)構(gòu)分別為江南大學(xué)、昆士蘭大學(xué)和瓦格寧根大學(xué)，發(fā)文量分別為84，46，19篇。昆士蘭大學(xué)、福賈大學(xué)、瓦格寧根大學(xué)、加州大學(xué)的篇均被引頻次相對(duì)較高，中國江南大學(xué)的發(fā)文量最多，但篇均被引頻次相對(duì)較低，說明論文質(zhì)量有待進(jìn)一步提高。

表1 食品3D打印方向發(fā)文量超過8篇的國際學(xué)者(排名依據(jù)總被引頻次)

表2 食品3D打印方向發(fā)文量超過10篇的國際機(jī)構(gòu)(排名依據(jù)總被引頻次)

1.3 國際高被引、高發(fā)文量國家和期刊的文獻(xiàn)計(jì)量評(píng)價(jià)

有73個(gè)國家在食品3D打印領(lǐng)域發(fā)表過文章，發(fā)文量至少10篇的國家有24個(gè)(表3)。中國、澳大利亞和美國是被引頻次最高的國家，同時(shí)也是發(fā)文量最高的國家，被引頻次分別為5 457，3 408，3 050次，發(fā)文量分別為250，84，139篇，對(duì)3D打印領(lǐng)域文章的貢獻(xiàn)率分別為29.274%，9.836%，16.276%。與其他國家相比，新西蘭的研究被引用次數(shù)最少，13篇文章僅獲得93次引用。瑞士的篇均被引頻率最高，12篇文章獲得了1 648次的引用量，平均137.33次/篇，其次為德國(58.5次/篇)、新加坡(44.95次/篇)和澳大利亞(40.57次/篇)。中國的篇均被引頻次處于中間位置(21.83次/篇)，h-指數(shù)最高。從發(fā)文量和被引頻次來看，食品3D打印出版物大部分來自中國，提示中國在食品3D打印的研究處于領(lǐng)先位置。

表3 在食品3D打印方向發(fā)文量超過10篇的高被引國家(排名依據(jù)總被引頻次)

表4列出了在食品3D打印領(lǐng)域發(fā)表7篇以上的出版物期刊。共23種期刊，最受歡迎的期刊是Journal of food engineering，發(fā)表了66項(xiàng)研究，被引用2 341次。其次是Food hydrocolloids，發(fā)表46篇文獻(xiàn)，被引用700次。LWT-food science and technology以669的被引頻率排在第三，發(fā)文量24篇。Foods的發(fā)文量為31篇，但僅被引129次，排名第12。Trends in food science & technology以僅7篇的發(fā)文量獲得了633的被引頻次，篇均被引頻次超過90，可能是該刊的高影響因子(16.002)吸引了學(xué)者。Journal of food engineering(35.47次/篇)和Food and bioprocess technology(35次/篇)的篇均被引頻次也相對(duì)較高。這23種期刊的影響因子介于2.889(Journal of food process engineering，Q3)和16.002(Trends in food science & technology，Q1)，平均影響因子7.58，包含19篇一區(qū)、3篇二區(qū)和1篇三區(qū)期刊。因此可以發(fā)現(xiàn)，食品3D打印因其高的新穎性和創(chuàng)新性的研究?jī)?nèi)容，大部分發(fā)表在一區(qū)食品類期刊上。

表4 在食品3D打印方向發(fā)文量超過7篇的高被引期刊 (排名依據(jù)總被引頻次)

1.4 ESI全球排名前1%的相關(guān)高被引文章

根據(jù)ESI(Essential science indicators)數(shù)據(jù)庫的界定，高被引論文是指近10年內(nèi)發(fā)表且被引次數(shù)排在相應(yīng)學(xué)科領(lǐng)域全球前1%以內(nèi)的論文。854篇食品3D打印相關(guān)出版物中的ESI高被引論文共有39篇，包括26篇研究性論文和13篇綜述。單篇最高和低被引頻次分別為1 403和24次。被引頻次最高的文章是Ligon等[7]的工作，回顧了用于3D打印和定制增材制造的聚合物加工，及其在建筑、食品加工、光學(xué)、能源技術(shù)、牙科、藥物輸送和個(gè)性化醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用。其次是Godoi等[8]的綜述文章，被引350次，介紹了3D打印技術(shù)應(yīng)用于食品設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與前景，特別強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)/局限性，及對(duì)打印食品結(jié)構(gòu)的影響。高被引文章共涉及147位作者，Zhang M是發(fā)文量最多的作者(10篇)，對(duì)高被引文章的貢獻(xiàn)率為25.641%。Zhang M與包括Bhandari B、Guo C F在內(nèi)的16名研究人員有直接關(guān)系，表明這些作者參與了合作研究。

國際合作交流有助于提升食品打印的影響力，創(chuàng)造更多有價(jià)值的研究成果。有22個(gè)國家參與發(fā)表了高被引文章，中國、澳大利亞、新加坡和美國是發(fā)表高被引文章最多的國家，分別有18，9，5，5篇，對(duì)高被引文章的貢獻(xiàn)率分別為46.154%，23.077%，12.821%，12.821%。高被引論文通常涉及廣泛的國際合作，國際合作通常會(huì)提高論文的知名度，并在引用方面被證明是有用的。Pislyakov等[9]發(fā)現(xiàn)大約92%的俄羅斯高被引論文涉及國際合作，部分學(xué)科國際合著論文比例達(dá)到100%。Aksnes[10]指出63%的挪威高被引論文有來自其他國家的合著者。Fu等[11]稱47%的中國高被引論文是有國際合作的。對(duì)于食品3D打印領(lǐng)域，有53.8%的高被引論文(21篇)涉及國際合作，說明了國際合作在產(chǎn)出高被引論文方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

使用VOS viewer對(duì)39篇高被引論文進(jìn)行可視化分析，關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析涉及311個(gè)關(guān)鍵詞(圖3)。圖中，節(jié)點(diǎn)表示關(guān)鍵詞，節(jié)點(diǎn)越大代表關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次多，顏色越黑說明關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時(shí)間越晚。分析結(jié)果表明，“3d打印(16次)”“優(yōu)化(11次)”和“增材制造(10次)”是出現(xiàn)頻次最高的關(guān)鍵詞?！傲髯兲匦?6次)”“流變(6次)”“質(zhì)地(5次)”“可印刷性(5次)”“凝膠(4次)”等關(guān)鍵詞的重復(fù)使用，說明流變特性是評(píng)估打印食品可印刷性和機(jī)械性能的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)目前所發(fā)表的文章，食品3D打印技術(shù)研究主要集中在模型設(shè)計(jì)、配方優(yōu)化、后處理方法和吞咽困難患者飲食開發(fā)方面。此外，通過外部刺激和交互機(jī)制來驅(qū)動(dòng)打印食品動(dòng)態(tài)變化的4D打印已經(jīng)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，且在3D和4D打印基礎(chǔ)上，原則上可以打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)，具有更高的強(qiáng)度和更少的材料的5D和6D打印已經(jīng)被提出[12]。這項(xiàng)工作有望將傳統(tǒng)的單一材料3D打印食品擴(kuò)展到多材料食品，并為開發(fā)豐富多彩的食品提供新的方向。

圖3 食品3D打印領(lǐng)域高被引文章(ESI全球前1%)關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

2 中國食品3D打印研究進(jìn)展

2.1 中國相關(guān)出版物發(fā)表趨勢(shì)

圖4顯示了基于中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫檢索出的中國學(xué)者食品3D打印論文發(fā)表情況，呈逐年遞增趨勢(shì)，且增長(zhǎng)幅度較大。共檢索到197篇文章，涉及151篇期刊、40篇碩博士論文。首篇關(guān)于食品3D打印的報(bào)道發(fā)表于2011年，題目為《食品“打”出來》，刊登于《中學(xué)生天地(B版)》，報(bào)道了美國康奈爾大學(xué)成功研制出了“3D食物打印機(jī)”，裝著奶酪、巧克力、蛋糕糊等特殊“墨水”的機(jī)器會(huì)根據(jù)電子設(shè)計(jì)圖，逐行逐層“打印”出食物來[13]。緊接著，在2012年，《食品與機(jī)械》介紹了荷蘭國家應(yīng)用科學(xué)研究院研發(fā)出一臺(tái)食品3D“打印機(jī)”[14]，這是首篇由食品類專業(yè)期刊做出的報(bào)道。直到2014年，食品類期刊《中國食品學(xué)報(bào)》和《食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)》報(bào)道了西班牙創(chuàng)業(yè)公司Natural Machines研制出世界上第一臺(tái)名為“Foodini”的食品3D打印機(jī)，可用于打印比薩、手指巧克力、意大利小方餃在內(nèi)的一系列食品[15-16]。此后，食品3D打印逐漸引起關(guān)注，論文發(fā)表數(shù)量呈逐年升高趨勢(shì)，2015年發(fā)表了19篇相關(guān)文章。2020和2021年，食品3D打印相關(guān)文章年發(fā)表數(shù)量為30和29篇，截止到該調(diào)查撰寫時(shí)，2022年的出版物發(fā)表量已達(dá)27篇，有望超過2021年。

圖4 國內(nèi)食品3D打印相關(guān)出版物逐年發(fā)文量和被引頻次

迄今為止，國內(nèi)食品3D打印出版物被引頻次總被引869次，篇均被引頻次4.41次。2017年論文的被引頻次最高，為224次。近幾年，總被引頻次較低，可能與文章發(fā)表時(shí)間較短有關(guān)。總之，從近年來的發(fā)文量看，越來越多的國內(nèi)學(xué)者開始了食品3D打印研究。

2.2 中國發(fā)文期刊、機(jī)構(gòu)和學(xué)者的文獻(xiàn)計(jì)量評(píng)價(jià)

圖5顯示了食品3D打印相關(guān)中文文章的類型分布、主要發(fā)表的期刊和發(fā)文機(jī)構(gòu)。食品3D打印相關(guān)涉及151篇期刊、40篇碩博士論文、3項(xiàng)會(huì)議論文、2項(xiàng)科研成果、1項(xiàng)報(bào)紙。期刊類文章主要來源于《食品與機(jī)械》《食品發(fā)酵工業(yè)》《食品工業(yè)科技》《食品科學(xué)》《食品工業(yè)》《現(xiàn)代食品科技》《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》以及《食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)》，分別發(fā)表了12，9，7，6，5，5，4，3篇?！妒称放c機(jī)械》是首個(gè)報(bào)道食品3D打印研究的食品類專業(yè)期刊，也是目前最受歡迎、發(fā)文量最多的期刊。其所刊登的12篇食品3D打印報(bào)道，總下載量9 419次，均篇下載量784次，總被引91次，均篇被引7.58次。該刊物所發(fā)表的3D打印文章主要為食品3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)[17-19]和食品3D打印技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展類綜述文章[20-22]。其中江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院李光玲[23]所發(fā)表綜述文章《食品3D打印的發(fā)展及挑戰(zhàn)》下載量和被引頻次最多，分別為3 291次和41次。與其他食品類期刊相比，《食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)》發(fā)文量較少，3篇文章的總下載次數(shù)為869，總被引3次，包括麻薯配方與打印特性類研究[24]和4D食品打印熱點(diǎn)報(bào)道[25]。

圖5 中文食品3D打印相關(guān)文章的類型分布、主要發(fā)表的期刊和發(fā)文機(jī)構(gòu)

發(fā)表食品3D打印相關(guān)文章的機(jī)構(gòu)主要為江南大學(xué)、大連工業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、廣東海洋大學(xué)、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、上海海洋大學(xué)和沈陽師范大學(xué)等，發(fā)文量分別為16，10，7，7，7，6，4，4，4篇。江南大學(xué)的發(fā)文包括9篇期刊類和7篇碩博士論文，總被引86次，總下載量11 457次。江南大學(xué)學(xué)者張慜、范大明，大連工業(yè)大學(xué)學(xué)者董秀萍，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)者徐幸蓮，華南理工大學(xué)學(xué)者陳玲、王小英，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)者李春強(qiáng)、孟憲軍，西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)者陳琳，廣東海洋大學(xué)學(xué)者劉書成、孫欽秀等研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)文量和培養(yǎng)的碩博士較多。

2.3 中國食品3D打印高被引文章和發(fā)展方向

目前，國內(nèi)食品3D打印領(lǐng)域被引頻次最高的出版物多數(shù)為綜述性論文，其中題目為《熔融沉積成型3D打印技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展及展望》[26]、《3D打印技術(shù)在我國食品加工中的發(fā)展前景和建議》[27]、《食品3D打印的發(fā)展及挑戰(zhàn)》[23]三篇綜述的總被引頻次最高，分別為71，41，41次，發(fā)表在《工程塑料應(yīng)用》《中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)》和《食品與機(jī)械》上。表5總結(jié)了被引頻次排名前十的研究性論文，主要涉及馬鈴薯、藍(lán)莓、魚糜、鰱魚糜等材料的打印特性分析，以及奶油、冰激凌等食品3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)。所發(fā)表刊物有3篇來源于《現(xiàn)代食品科技》，研究方向主要為油墨的優(yōu)化和打印效果研究，有2篇來源于《食品與機(jī)械》，主要研究食品打印機(jī)的設(shè)計(jì)。

表5 被引頻次排名前十的食品3D打印研究性論文

根據(jù)目前發(fā)表的論文，國內(nèi)關(guān)于食品3D打印技術(shù)研究集中在：

(1) 3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與研發(fā)、打印軟件的優(yōu)化。如多材質(zhì)、對(duì)稱嚙合雙螺桿式3D打印機(jī)的研發(fā)，以及糖果、巧克力、冰激凌、奶油等打印機(jī)的設(shè)計(jì)。

(2) 3D打印食品工藝研究。如打印原料配方改良、凝膠混合體系打印特性研究、打印參數(shù)對(duì)成型效果的影響等。

相較于其他國家，在食品3D打印相關(guān)領(lǐng)域，中國論文發(fā)表情況現(xiàn)已位居世界第一。但中國國內(nèi)各地區(qū)、各機(jī)構(gòu)間的研究團(tuán)隊(duì)相對(duì)孤立，具有前瞻性、高質(zhì)量、高創(chuàng)新性的研究仍較少。

中國的食品3D打印技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究十分活躍，具有較強(qiáng)的后勁，為了進(jìn)一步提高國際影響力，建議從以下方面進(jìn)行調(diào)整：

(1) 應(yīng)著重培養(yǎng)具備信息技術(shù)、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)控制、食品加工和3D打印知識(shí)的科技復(fù)合型人才，弱化學(xué)科界限，強(qiáng)化學(xué)科交叉，設(shè)立新型學(xué)科，重點(diǎn)推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)、打印設(shè)備、打印材料等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。

(2) 鼓勵(lì)科技創(chuàng)新，開發(fā)高效率、低成本、高可靠性的食品打印機(jī)。

(3) 加強(qiáng)與國內(nèi)外3D打印企業(yè)或高校之間的交流與合作，學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)的3D打印技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)和特色，取長(zhǎng)補(bǔ)短，增強(qiáng)實(shí)力和競(jìng)爭(zhēng)力。

(4) 立足中國食品產(chǎn)業(yè)，前瞻思考，科學(xué)布局，真正地提出科學(xué)問題、解決科學(xué)問題，提高論文發(fā)表和專利申請(qǐng)質(zhì)量，提高專利或科技成果轉(zhuǎn)讓和轉(zhuǎn)化率。

(5) 國家和政府應(yīng)投入專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持，凝聚更多的研發(fā)力量，利用多方合作平臺(tái)加強(qiáng)研討和交流，為3D打印食品制定有效的法律框架/立法，確保3D打印工藝符合嚴(yán)格的衛(wèi)生和質(zhì)量法規(guī)，促進(jìn)食品3D打印行業(yè)規(guī)范、健康發(fā)展。

在智能化時(shí)代，制造全過程智能化有望成為中國食品工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵。在無需機(jī)械加工或模具條件下，以高度靈活和智能化的重復(fù)“打印”方式完成傳統(tǒng)加工過程中的多個(gè)繁瑣工序，可以替代傳統(tǒng)加工生產(chǎn)線。3D打印技術(shù)在食用工業(yè)中顯示了越來越重要的作用，把握3D打印食品的發(fā)展機(jī)遇，開展扎實(shí)的有科學(xué)依據(jù)的原創(chuàng)探索，提高SCI論文的質(zhì)量和數(shù)量，有利于提升中國在食品增材制造領(lǐng)域的國際權(quán)威性，優(yōu)先取得科研成果的領(lǐng)先權(quán)和話語權(quán)。

3 總結(jié)與展望

從國際和國內(nèi)食品3D打印領(lǐng)域發(fā)表論文的趨勢(shì)看，其研究熱度呈快速上升的趨勢(shì)。增材制造是最有潛力的未來食品制造技術(shù)之一，一方面，許多非傳統(tǒng)食材，如藻類、真菌、海藻、昆蟲、農(nóng)業(yè)或食品加工的副產(chǎn)物等，可以作為可持續(xù)和環(huán)保的印刷材料來源，從而緩解全球糧食短缺問題；另一方面，以薯類、谷物類、果蔬類、植物膠類和富含蛋白質(zhì)的動(dòng)物性原料為主的食品3D打印油墨，可以迎合各種不同的飲食習(xí)慣，如素食主義、無蛋白、低糖和低鹽人群。值得關(guān)注的是，食品3D打印可以將醫(yī)學(xué)和人類營(yíng)養(yǎng)結(jié)合，幫助患者更愉快地進(jìn)食；針對(duì)不同人群營(yíng)養(yǎng)需求，開發(fā)適合肥胖癥、糖尿病人、高血壓患者和老人食用的特殊膳食食譜，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)食品個(gè)性化定制。

多樣化設(shè)計(jì)、個(gè)性化定制、復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印和節(jié)省材料是食品3D打印的優(yōu)勢(shì)。但目前該領(lǐng)域面臨的技術(shù)瓶頸也需加以考慮。

(1) 生產(chǎn)效率是商業(yè)食品3D打印面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。雖然可以通過提高打印速度或擴(kuò)大噴嘴直徑獲得，但往往會(huì)導(dǎo)致打印精度和分辨率的下降。另一種潛在的方法涉及使用多噴嘴打印機(jī)同時(shí)制造多個(gè)物體，但迄今為止，沒有工業(yè)規(guī)模的打印機(jī)可提供此功能。目前大多數(shù)3D打印機(jī)都是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的，只有有限的用途用于商業(yè)環(huán)境。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)受到成本、時(shí)間和大規(guī)模生產(chǎn)的限制，這一工程障礙很可能決定了3D打印機(jī)的商業(yè)化基礎(chǔ)。

(2) 確保3D打印食品的安全性和保質(zhì)期也是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。許多設(shè)備，例如食品注射器、噴嘴、材料桶和平臺(tái)，如果管理不當(dāng)，可能會(huì)受到微生物污染。并且在打印食品的后處理操作中，如微波加熱、設(shè)備清洗、產(chǎn)品安全檢測(cè)等，還沒有明確的證據(jù)來驗(yàn)證3D打印食品的可食用安全性。一些研究[36]顯示，某些基于果蔬的3D打印產(chǎn)品在貯藏期間接觸空氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生高濃度的微生物，具有潛在的食品安全問題。大多數(shù)3D打印食品的保質(zhì)期有限，3D打印的果泥或面團(tuán)的流變學(xué)特性在生產(chǎn)2 h后發(fā)生變化。

(3) 開發(fā)具有強(qiáng)可印刷性的營(yíng)養(yǎng)豐富的材料至關(guān)重要[27]。某些本身不具備可印刷性能的食品原料，可能不可避免地需要使用一些食品添加劑或食用膠，食品添加劑的種類和用量需要考慮。并且打印和后處理操作過程(包括干燥、油炸、烘烤、冷卻等)對(duì)食品中營(yíng)養(yǎng)成分、味道和香氣質(zhì)地的影響研究尚不清晰，打印后的產(chǎn)品需要能承受烹飪而不變形，這要求嚴(yán)格控制后處理操作條件，如烘烤或加熱溫度、烹飪時(shí)間。目前打印食品仍處于發(fā)展初期，需要多次優(yōu)化試驗(yàn)才能推向市場(chǎng)。

食品3D打印是一個(gè)年輕的研究領(lǐng)域，科學(xué)出版物僅數(shù)百篇，雖然中國在高水平論文發(fā)表上處于領(lǐng)先地位，但食品3D打印在國內(nèi)的科研成果轉(zhuǎn)化和商業(yè)化應(yīng)用極少。目前在工業(yè)規(guī)模上采用3D打印可能具有挑戰(zhàn)性，在下一步的研究方向上，不僅需要開發(fā)工業(yè)規(guī)模的食品3D打印機(jī)，還需要進(jìn)一步研究食品質(zhì)量，包括適合這種大規(guī)模打印的食品材料特性。前處理和后處理的新技術(shù)為提高材料的印刷性能提供了很大的空間。此外，需要更多的研究來分析3D打印加工前后的殺菌操作，以提高3D打印食品的安全性，從而增加消費(fèi)者的接受度。最后，需要進(jìn)一步加強(qiáng)3D打印與后處理相結(jié)合的研究，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)性和流程化的食品加工制造。

近年來，世界各國都在積極嘗試將3D打印應(yīng)用于食品行業(yè)，中國許多科研工作者也已經(jīng)做出了巨大努力。對(duì)于3D打印食品，未來的挑戰(zhàn)無疑是多方面的、多層次的，但同時(shí)也給人們帶來很多的遐想和機(jī)遇。中國食品加工業(yè)正處于高速發(fā)展時(shí)期，在科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略的驅(qū)動(dòng)下傳統(tǒng)食品加工技術(shù)必然迎來革命性的變革。增材制造技術(shù)為食品生產(chǎn)加工開辟了一條新的道路。與傳統(tǒng)食品加工和機(jī)器人食品制造技術(shù)不同，食品3D打印集成了3D打印和數(shù)字美食技術(shù)，不僅可以為定制食品設(shè)計(jì)和個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)控制提供解決方案，還具有重構(gòu)定制食品供應(yīng)鏈的潛力。進(jìn)入新時(shí)代，開啟新征程，科技工作者迎來新使命，更應(yīng)以祖國需要為出發(fā)點(diǎn)，把論文寫在祖國的大地上，把科技成果應(yīng)用在建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國的偉大事業(yè)中。最后，鑒于國際期刊報(bào)道狀況的分析，國內(nèi)食品類期刊要及時(shí)調(diào)整報(bào)道方向，關(guān)注食品3D打印的研究進(jìn)展。