作者：转载至食品科学杂志 审核：阮丽红 编发：张耀磊
3D打印是以单一或多材料打印静态3D结构的技术，而在需要动态功能的应用中，3D打印则无法满足需求，4D打印技术的产生为解决这一问题提供了可能。4D打印是指在3D打印过程中，使打印材料随时间发生不同程度的变化，从而实现打印动态3D结构的技术。由此可见，4D打印技术是3D打印技术的进一步延伸。
东北农业大学食品学院的赵钰博、孔保华*、刁新平*等综述4D打印食品技术的原理、影响因素以及打印设备，并进一步介绍其在食品中的应用及其优势以及面临的挑战，最后展望4D打印食品技术未来的发展趋势，以期为4D打印技术在食品领域应用的研究提供一定指导和参考。
4D打印食品概述
在食品领域，4D打印食品技术指3D打印食品的形状、属性以及功能在不同的外部刺激下随时间发生变化。目前，4D打印食品的本质依然是依靠3D打印的方式，通过打印材料的累加形成物体，依靠改变时间以及外界刺激方式确定食品的最终形态。4D打印食品的典型工艺流程如图1所示。
4D打印食品的影响因素
4D打印食品的品质受到很多因素影响，其中增材制造技术、外部刺激方式、打印材料这3 个因素对其品质的影响较大。增材制造是通过材料累加堆积的方式制造实体零件的技术，其可以使打印材料按照计算机设定的程序进行制造生产。目前，根据不同原料采用增材制造技术种类的不同已开发出多种增材制造技术类型，如立体光刻、选择性激光烧结、熔融沉积建模、喷射3D打印、直接墨水书写等。增材制造技术主要是通过改变打印过程中打印材料的堆层方式来影响4D打印食品的品质，这是因为4D打印是一种“自下而上”通过打印材料累加的技术，因此，打印每一层的处理方式会直接影响最终得到的产品品质。外部刺激方式主要可以分为物理刺激、化学刺激、生物刺激和不同刺激的组合。
4D打印食品的设备
打印机：目前，用于食品3D打印的打印机类型主要有熔融沉积成型模型（FDM）、喷墨、立体光刻、直接墨写、数字光处理和选择激光熔化。而FDM型打印机由于价格低、通用性高、操作简单，已成为4D食品打印最常用的打印机类型。如图2所示，根据现有的坐标位移平台的构型，FDM型打印机可以分为笛卡尔坐标、三角坐标、极坐标和平面关节坐标4 种形式，其中笛卡尔坐标构型应用最为广泛。
如表1所示，打印机已逐步从单喷嘴打印机转向打印精度更高的多喷嘴打印机。其中，多材料的多喷嘴打印机实用性更高，它可以将两种或3 种不同的材料混合在一个打印结构中打印出更直观的分层结构。此外，为了解决打印材料在3D打印中打印受阻的问题，研究者对3D打印工艺参数进行了优化。例如，涂层喷嘴类型的打印机可以通过特殊的涂层材料（如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）来控制微波或近红外进行加热刺激时的热膨胀系数，从而防止温度过高或过低使打印喷嘴处出现堵塞、结块或打印过程中各层及孔隙之间黏合不良的情况发生。打印软件：在4D打印食品过程中，建模软件、仿真软件以及切片软件决定了4D打印食品的品质。4D打印建模软件是完成立体模型的构建展现3D设计制图的软件。目前，常用的4D打印建模软件有Solidworks、AutoCAD、CATIA软件和Rhinoceros软件。其中，SolidWorks软件是达索公司下属子公司开发的一款3D建模软件，SolidWorks软件具有功能强大和操作简便等优点，因此深受广大研究人员的欢迎，并占据了国内广大的市场。此外，AutoCAD软件也是常用的构建4D打印模型的软件，研究者可以利用AutoCAD软件方便快捷的设计方法以及几何工具（即线、点、平面、草图等)构建精准的立体模型。4D打印建模软件输出的文件类型相比传统3D打印的STL文件更加多样，主要包含3D制造格式和增材制造文件两种类型，这两种文件类型克服了STL只能处理大文件的缺陷，其可以生成小文件，并呈现详细的颜色，和复杂的材料表面结构，更加适用于4D打印。
4D打印食品技术的应用
目前，可用于4D打印食品的材料主要有巧克力、面粉、水果蔬菜混合物、大豆分离蛋白和凝胶类原料，其已经可以与多种烹饪工艺相结合制作美味佳肴，如利用巧克力凝胶制作的可绽放的花朵以及可自包裹的炸玉米饼和煎饼（图5）。由于4D打印食品技术仍然在研究阶段，因此相关产品尚未实现商品化生产，只被应用于部分厨房烹饪生产中。其中，凝胶类原料在4D打印食品中具有更广泛的应用，此外，肉类作为日常饮食中重要的组成部分，也可以作为4D打印食品的主要材料之一。但肉类打印难度较高。所以，如何精准地打印肉类原料有望成为4D打印在食品领域的研究热点。
4D打印食品技术的优势
形状优化
4D打印食品的形状在不同刺激的方式（如干燥、微波等）或条件下（如干湿度和受力情况）会发生不同的变化，包括弯曲、变形（图6）、线性或非线性膨胀、收缩和表面卷曲等。目前，食品的变形主要取决于打印材料的吸水和脱水。形状变化的程度和方向取决于两种或两种以上打印材料的性质和空间排列的差异。可根据情况通过不同的外部刺激改变产品的形态，使其品质与风味达到最佳。这种形态上的优化是一种立体结构的改变，是打印材料或打印成品在刺激条件下自发进行转变的过程。
风味优化
目前，主要有两种优化4D打印食品的方式。一种是合理分配可以产生不同风味的食品原料比例，再经过pH值或微波的刺激，以产生特定的风味。Phuhongsung等研究了使用不同pH值的喷雾溶液来改变重组食品（大豆分离蛋白、南瓜粉、甜菜根粉和蒸馏水）的风味，发现不同的重组食品在相应的pH值下产生了不同风味。另外一种是可以通过优化4D打印的工艺参数改善打印食品的风味。
4D打印食品技术的研究进展及发展趋势
目前，4D打印食品技术仍处于研究阶段，全面实现商业化仍然需要进一步的研究与开发。在欧美发达国家，已经开发出几种可直接用于厨房烹调的4D打印食品，如巧克力制成的甜品以及玉米淀粉类制成的玉米饼和煎饼等。这些4D打印食品可以实现在一定外界刺激下自发变形，并且产品外观更加精致。相比之下，我国4D打印食品技术研究较为落后，现有的技术难以控制打印材料在外界刺激下自发变形至目标形状，成品的口感和外观等方面仍有很大的不足，这也是我国未来4D打印食品技术研究中的关键。此外，全球范围内4D打印食品技术的难点主要在于打印食品结构的稳定性。4D打印食品技术是通过3D打印机完成打印，仅能打印处于同一平面的结构，而很难实现通过曲面的集成部件来增强物体的强度，并且在遇到不同程度的外界刺激时，物体的不稳定性增加。
结 语
本文主要介绍了4D打印食品技术的原理、应用优势以及研究进展，有助于4D打印技术进一步应用于食品领域。目前，用于食品4D打印的材料仅限于大豆分离蛋白、淀粉凝胶和水凝胶体系。由于3D打印已经逐渐在肉品原料中广泛应用，因此，4D打印未来在肉品原料的加工领域会有更好的发展前景。但是目前4D打印食品技术还面临着两方面的挑战：1）如何开发更多的打印材料用于食品4D打印。现有凝胶类原料、肉类原料以及大多数原料的打印性能较差，不能直接用于打印，因此可以考虑通过预处理、添加食品添加剂等方法优化其物理或化学性质，以改善食品原料的打印特性。2）目前消费者对4D打印食品的认可度不高。随着4D打印食品的发展，相关生产企业应加强4D打印食品的宣传和推广以提高4D打印食品的接受度。
注:本文《4D打印技术在食品加工领域的研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷5期338-345页，作者：赵钰博，张浪，陈倩，孔保华，刁新平。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220320-237