4D打印技術在食品加工領域的研究進展

趙鈺博，張 浪，陳 倩，孔保華*，刁新平*

（東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

3D打印是以單一或多材料打印靜態(tài)3D結構的技術，而在需要動態(tài)功能的應用中，3D打印則無法滿足需求，4D打印技術的產(chǎn)生為解決這一問題提供了可能。4D打印是指在3D打印過程中，使打印材料隨時間發(fā)生不同程度的變化，從而實現(xiàn)打印動態(tài)3D結構的技術。由此可見，4D打印技術是3D打印技術的進一步延伸。目前，4D打印技術已經(jīng)被廣泛應用于生物[1]、醫(yī)藥[2]、航空航天[3]、汽車[4]、機器人[5]、建筑[6]、軍事[7]以及食品領域[8]。

在食品領域，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[14]等為原料，按照特定的配方和結構對其進行設計組合，并在一定環(huán)境刺激下（如壓力、溫度、風、濃度差異、水、pH值或光），使打印物的形狀、屬性和功能隨時間發(fā)生變化[15]，以此生產(chǎn)出4D打印食品。目前，4D打印在食品領域已得到一定的應用。在個性化食品定制領域，消費者可根據(jù)個人的需求，通過4D打印食品技術與數(shù)字烹飪技術相結合的方式，定制更具特色的4D打印產(chǎn)品。例如，4D打印可以構建3D打印無法實現(xiàn)的懸浮結構（如盛開的花朵），花朵開花的過程讓食用變得更加有趣，吸引了許多兒童消費者的關注，同時也為互動食品的設計提供了新思路[16]。此外，4D打印可以實現(xiàn)營養(yǎng)物質的轉化。Chen Jieling等[17]在4D打印過程中利用短波紫外線輻射紫薯糊，使麥角甾醇轉化為VD2，實現(xiàn)了食物中營養(yǎng)物質的轉變。以上研究表明，4D打印技術特有的優(yōu)勢促進了4D打印技術在食品領域的發(fā)展。同時4D打印技術也為食品工業(yè)生產(chǎn)提供了更多的參考和選擇。因此，本文綜述4D打印食品技術的原理、影響因素以及打印設備，并進一步介紹其在食品中的應用及其優(yōu)勢以及面臨的挑戰(zhàn)，最后展望4D打印食品技術未來的發(fā)展趨勢，以期為4D打印技術在食品領域應用的研究提供一定指導和參考。

1 4D打印食品概述

1.1 4D打印食品的原理

麻省理工大學的Tibbits等[18]展示了3D打印的靜態(tài)物體是如何隨著時間的推移發(fā)生變化，由此產(chǎn)生了早期的4D打印，即在3D打印過程中引入時間維度，并使3D打印材料隨時間發(fā)生變化。隨著4D打印技術的發(fā)展，4D打印可以通過3D打印設備打印出預先設計的3D形狀模板，并使其能夠在不同環(huán)境或時間發(fā)生變化，從而自行組裝形成不同的形狀。在食品領域，4D打印食品技術指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間發(fā)生變化。目前，4D打印食品的本質依然是依靠3D打印的方式，通過打印材料的累加形成物體，依靠改變時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打印食品的品質受到很多因素影響，其中增材制造技術、外部刺激方式、打印材料這3 個因素對其品質的影響較大[19]。增材制造是通過材料累加堆積的方式制造實體零件的技術，其可以使打印材料按照計算機設定的程序進行制造生產(chǎn)。目前，根據(jù)不同原料采用增材制造技術種類的不同已開發(fā)出多種增材制造技術類型，如立體光刻、選擇性激光燒結、熔融沉積建模、噴射3D打印、直接墨水書寫等。增材制造技術主要是通過改變打印過程中打印材料的堆層方式來影響4D打印食品的品質，這是因為4D打印是一種“自下而上”通過打印材料累加的技術，因此，打印每一層的處理方式會直接影響最終得到的產(chǎn)品品質。外部刺激方式主要可以分為物理刺激、化學刺激、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，化學刺激包括化學物質、pH值、氧化劑和還原劑，生物刺激包括酶和葡萄糖[21]。一般來說，不同刺激方式對打印材料具有不同的影響。例如，魚肉糜分別在干燥與微波兩種刺激下，微波刺激可以使魚肉糜更快地發(fā)生凝膠化，從而使產(chǎn)品形狀和結構優(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、質地、紋理等性狀的不同，選擇最佳的刺激方式進行處理，使打印材料在經(jīng)過刺激處理后能達到提高打印產(chǎn)品品質的目的。打印材料在4D打印過程中遇到外部刺激時，材料的層與層之間必須對刺激作出反應，因此也被稱為智能材料。智能材料的類型決定了刺激方式的類型以及4D打印食品的品質與風味。當刺激作用于智能材料時，材料結構會發(fā)生物理或化學變化，如分子的運動、相變等，從而影響了4D打印食品結構或功能。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^強的智能材料，得到的產(chǎn)品無論從表觀還是內部結構都較好，而可打印性較差的智能材料在擠出過程就會出現(xiàn)斷料、堵塞等現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)品品質。因此，選用合適的智能材料進行打印會直接影響了4D打印食品的品質。

1.3 4D打印食品的設備

1.3.1 打印機

由于4D打印是以3D打印為基礎的技術，因此4D打印食品主要運用食品3D打印機進行打印。目前，用于食品3D打印的打印機類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、數(shù)字光處理和選擇激光熔化[22]。而FDM型打印機由于價格低、通用性高、操作簡單，已成為4D食品打印最常用的打印機類型。如圖2所示，根據(jù)現(xiàn)有的坐標位移平臺的構型，F(xiàn)DM型打印機可以分為笛卡爾坐標、三角坐標、極坐標和平面關節(jié)坐標4 種形式[23]，其中笛卡爾坐標構型應用最為廣泛[24]。

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

在4D打印食品中，打印機的類型和運作方式需要根據(jù)4D打印的主要影響因素進行不斷優(yōu)化和改進。目前，已經(jīng)開發(fā)出可以進行4D打印食品的打印機，主要從打印材料和打印工藝參數(shù)兩個因素方面進行了優(yōu)化。優(yōu)化后的打印機可以運用不同種的油墨，實現(xiàn)多材料的打印，并設計出更復雜和精細的結構。如表1所示，打印機已逐步從單噴嘴打印機轉向打印精度更高的多噴嘴打印機。其中，多材料的多噴嘴打印機實用性更高，它可以將兩種或3 種不同的材料混合在一個打印結構中打印出更直觀的分層結構。此外，為了解決打印材料在3D打印中打印受阻的問題，研究者對3D打印工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。例如，涂層噴嘴類型的打印機可以通過特殊的涂層材料（如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）來控制微波或近紅外進行加熱刺激時的熱膨脹系數(shù)，從而防止溫度過高或過低使打印噴嘴處出現(xiàn)堵塞、結塊或打印過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打印技術的笛卡爾-擴散沉積模型打印機類型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。4D打印建模軟件是完成立體模型的構建展現(xiàn)3D設計制圖的軟件。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軟件是達索公司下屬子公司開發(fā)的一款3D建模軟件，SolidWorks軟件具有功能強大和操作簡便等優(yōu)點，因此深受廣大研究人員的歡迎，并占據(jù)了國內廣大的市場。此外，AutoCAD軟件也是常用的構建4D打印模型的軟件，研究者可以利用AutoCAD軟件方便快捷的設計方法以及幾何工具（即線、點、平面、草圖等)構建精準的立體模型[31-32]。4D打印建模軟件輸出的文件類型相比傳統(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型[33]，這兩種文件類型克服了STL只能處理大文件的缺陷，其可以生成小文件，并呈現(xiàn)詳細的顏色，和復雜的材料表面結構，更加適用于4D打印。

仿真軟件設計主要是根據(jù)逆向設計的原理對打印過程進行模擬，優(yōu)化打印過程中的物理量（黏度、壓力、均勻性等），降低打印失敗的風險[34]。仿真軟件打印優(yōu)點是側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模型的結構組成和用戶設置的不同參數(shù)，進行計算并生成Gcode打印代碼。切片軟件設計模型的過程是預先將3D模型從底部至頂部進行橫向“切割”分層，并且按照序號逐一記錄每一層的平面模型分布信息，這些信息最終會直接影響到打印模型的質量，包括尺寸精度、表面粗糙度及強度等[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量。在創(chuàng)建具有不同材質分布的復雜3D形狀時，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，為了提高切片質量，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物體進行加熱處理。如圖3所示，目前，微波的刺激裝置可以與食品3D打印機組裝進行打印。Zhao Zilong等[38]研究了微波3D打印和轉谷氨酰胺酶對3D打印魚糜從液態(tài)到固態(tài)自發(fā)進行凝膠過程的協(xié)同效應，發(fā)現(xiàn)微波誘導3D打印實現(xiàn)了魚糜在打印過程中的自主凝膠化。與微波誘導食品3D打印魚糜相似，微波刺激裝置處理4D打印凝膠類食品通過使凝膠同時受到熱效應和非熱效應的影響，從而改變其結構，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，通過控制處理時間能夠改變凝膠形狀，提高了果蔬凝膠類食品的打印效率[40]。Shi Yameng等[41]研究了微波誘導紫薯泥和油凝膠在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結構發(fā)生收縮，進而制造出自動改變形狀特征的4D打印產(chǎn)品。Rakesh等[42]研究了微波處理對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需要控制處理時間以及溫度，否則會對打印產(chǎn)品的品質造成負面影響。有研究表明由于微波的快速加熱效應，在處理淀粉類原料時不可避免地會增加淀粉基打印產(chǎn)品的擴展性，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，其加工工藝需要進一步地完善，才可以被廣泛地推廣應用到實際生產(chǎn)中。

圖3 微波3D打印機[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，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程[44]。近紅外刺激裝置主要是在3D打印機打印頭裝上雙螺桿泵擠出機和近紅外點加熱器（圖4）用于加熱穩(wěn)定打印原料的結構。近紅外光刺激的4D打印食品形成過程是在打印下一層之前，使用近紅外點加熱器對材料層進行加熱并穩(wěn)定其結構，減少打印材料的擴散和機械變形。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，進而提高了食品的穩(wěn)定性，同時通過改變氯化鈉的添加量使食品的口感更加細膩，改善了食品風味，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（A）和近紅外點加熱器（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。干燥刺激裝置對動植物原料的刺激形式是不同的。對于動物原料來說，主要是通過干燥刺激裝置使由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設計對牛肉制品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，進而提高牛肉零食的品質。對于植物原料來說，一般都采用熱空氣烘干的方式對其進行處理。Chen Fengying等[12]研究了通過干燥刺激改變南瓜層的厚度和打印路徑來控制3D打印樣本的彎曲行為，實現(xiàn)了基于不同厚度的雙層南瓜結構的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值變化時發(fā)生膨脹、收縮、解離或降解。當pH值發(fā)生變化時，刺激裝置會使打印材料由球狀向線圈狀轉變，這是由于帶電官能團的靜電排斥作用，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發(fā)較少，有幾種天然蛋白質和天然色素在pH值的刺激下表現(xiàn)出相應的變化，包括膠原蛋白、明膠、角蛋白和花青素等。對于肉制品原料來說，膠原蛋白的可開發(fā)性更好，在pH值的刺激下可以通過改善膠原蛋白的性狀進而提高4D打印肉制品的品質。對于植物原料來說，研究人員發(fā)現(xiàn)植物中的花青素作為打印材料時，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味隨時間發(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，風味也得到了改善，實現(xiàn)了由3D打印向4D打印的轉變，這項研究對于4D打印結合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打印食品技術的應用

隨著4D打印技術在食品領域應用的不斷完善，越來越多的可用于打印技術的食品材料被開發(fā)出來。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原料，其已經(jīng)可以與多種烹飪工藝相結合制作美味佳肴，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打印食品技術仍然在研究階段，因此相關產(chǎn)品尚未實現(xiàn)商品化生產(chǎn)，只被應用于部分廚房烹飪生產(chǎn)中。其中，凝膠類原料在4D打印食品中具有更廣泛的應用，此外，肉類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。但肉類打印難度較高。所以，如何精準地打印肉類原料有望成為4D打印在食品領域的研究熱點。

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 凝膠類原料的4D打印應用

目前，可用于4D打印食品的凝膠或具有凝膠性的物質包括淀粉凝膠、水凝膠和大豆分離蛋白。Shi Yameng等[41]開發(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。研究人員還通過調節(jié)pH值對花青素的刺激程度，實現(xiàn)了馬鈴薯在4D打印過程中的自發(fā)變色，增加了消費者的可接受性。此外，4D打印可以使凝膠類食品的營養(yǎng)物質發(fā)生轉化。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4D打印大豆分離蛋白產(chǎn)品風味的影響，發(fā)現(xiàn)4D打印大豆蛋白凝膠在微波刺激后產(chǎn)品的風味得到了提高。可見，淀粉類和水凝膠類的原料在4D打印食品方面具有巨大的應用潛力。

2.2 肉類原料的4D打印應用

4D打印技術可使肉類食品的營養(yǎng)更加均衡，外觀更加豐富，并能夠刺激消費者的購買欲。但是肉類本身不具備打印性，需要借助水膠體或輔助添加劑來滿足打印所需要的流變特性和凝膠強度，并獲得能夠同時支撐沉積過程和沉積后結構的能力[57]。此外，肉類在4D打印之前需要攪碎成均勻的肉糜，而肉糜在加工過程中容易發(fā)生微生物增長和氧化反應等使肉質劣化。為了防止肉糜的品質發(fā)生劣變，可在肉糜中添加護色劑、抗氧化劑、多價螯合劑和抑菌劑等來保障產(chǎn)品的品質，如硝酸鹽、抗壞血酸、亞硝酸鹽、磷酸鹽、山梨酸等[58]。Dick等[46]在牛肉醬中添加質量分數(shù)為0.5%的瓜爾膠以實現(xiàn)瘦肉和脂肪的分層打印，結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3D打印用魚糜凝膠的流變特性、凝膠強度、持水性能、水分分布和微觀結構的影響，結果發(fā)現(xiàn)，加入氯化鈉有利于穩(wěn)定魚肉糜的形狀以及保存期限。研究人員通過干燥刺激處理牛肉使其紋理結構由3D打印向4D打印進行轉化，發(fā)現(xiàn)在干燥刺激后的牛肉制品的紋理更細膩，得到的牛肉干制品的品質和風味也更好[46]。由此可見，肉類原料在4D打印食品加工中的應用潛力依然很強，可將肉類制品的3D打印作為參照即一個突破點，并通過與各種添加劑結合提高肉類原料自身的打印性能，根據(jù)不同的外部刺激方式改變肉類產(chǎn)品的感官性狀和質量，以提高消費者的可接受程度。

3 4D打印食品技術的優(yōu)勢

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和空間排列的差異?？筛鶕?jù)情況通過不同的外部刺激改變產(chǎn)品的形態(tài)，使其品質與風味達到最佳。這種形態(tài)上的優(yōu)化是一種立體結構的改變，是打印材料或打印成品在刺激條件下自發(fā)進行轉變的過程。Martin等[61]發(fā)現(xiàn)水膠體在10 min內可吸收自身體積5 倍的水分，說明通過控制水分的吸收量可以更好地優(yōu)化凝膠類4D打印食品的形狀穩(wěn)定性。此外，還可以通過微波、近紅外和熱風干燥等影響打印材料形變程度的不同，從而實現(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，熱風干燥會導致較大的彎曲角度，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)生不同風味的食品原料比例，再經(jīng)過pH值或微波的刺激，以產(chǎn)生特定的風味。Phuhongsung等[56]研究了使用不同pH值的噴霧溶液來改變重組食品（大豆分離蛋白、南瓜粉、甜菜根粉和蒸餾水）的風味，發(fā)現(xiàn)不同的重組食品在相應的pH值下產(chǎn)生了不同風味。另外一種是可以通過優(yōu)化4D打印的工藝參數(shù)改善打印食品的風味。Yang Genghan等[64]研究了采用響應面法和遺傳算法優(yōu)化3D打印雞肉產(chǎn)品可行性，通過選取合適的算法計算打印參數(shù)，對打印過程進行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)打印出的雞肉產(chǎn)品從結構以及風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味，這些研究也為生產(chǎn)新穎、健康且風味優(yōu)良的4D打印食品提供了指導。

4 4D打印食品技術的研究進展及發(fā)展趨勢

目前，4D打印食品技術仍處于研究階段，全面實現(xiàn)商業(yè)化仍然需要進一步的研究與開發(fā)。在歐美發(fā)達國家，已經(jīng)開發(fā)出幾種可直接用于廚房烹調的4D打印食品，如巧克力制成的甜品以及玉米淀粉類制成的玉米餅和煎餅等。這些4D打印食品可以實現(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4D打印食品技術研究較為落后，現(xiàn)有的技術難以控制打印材料在外界刺激下自發(fā)變形至目標形狀，成品的口感和外觀等方面仍有很大的不足，這也是我國未來4D打印食品技術研究中的關鍵。此外，全球范圍內4D打印食品技術的難點主要在于打印食品結構的穩(wěn)定性。4D打印食品技術是通過3D打印機完成打印，僅能打印處于同一平面的結構，而很難實現(xiàn)通過曲面的集成部件來增強物體的強度，并且在遇到不同程度的外界刺激時，物體的不穩(wěn)定性增加。

因此，未來對4D打印食品技術的研究應關注以下兩點。1）開發(fā)新的打印條件和設備。目前使用的3D打印機在打印材料制造過程中有很大的局限性，不能靈活運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，增強食品的穩(wěn)定性，需要開發(fā)4D打印食品專用打印機。這就需要引入新型的精簡模型和運算法則，并改進計算模型，使其更好地融入4D打印食品的過程，并優(yōu)化打印過程中的各項參數(shù)來提高4D打印食品的穩(wěn)定性以及質量。2）通過研究改善食品原料內部結構和外部刺激之間的關系增強食品的可打印性。4D打印的一個重要意義就是塑造食物的內部結構。因此，建議將食品原料的內部結構與外部刺激之間的協(xié)同作用納入未來研究當中，為實現(xiàn)4D打印目標提供參考。期待在未來，4D打印技術在國內食品領域能得到更廣泛的應用，促進食品生產(chǎn)加工的發(fā)展。

5 結 語

本文主要介紹了4D打印食品技術的原理、應用優(yōu)勢以及研究進展，有助于4D打印技術進一步應用于食品領域。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用，因此，4D打印未來在肉品原料的加工領域會有更好的發(fā)展前景。但是目前4D打印食品技術還面臨著兩方面的挑戰(zhàn)：1）如何開發(fā)更多的打印材料用于食品4D打印?，F(xiàn)有凝膠類原料、肉類原料以及大多數(shù)原料的打印性能較差，不能直接用于打印，因此可以考慮通過預處理、添加食品添加劑等方法優(yōu)化其物理或化學性質，以改善食品原料的打印特性。2）目前消費者對4D打印食品的認可度不高。隨著4D打印食品的發(fā)展，相關生產(chǎn)企業(yè)應加強4D打印食品的宣傳和推廣以提高4D打印食品的接受度。