Application Progress of Food 4D Printing Technology in Food Industry
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摘要: 4D打印技术作为在3D打印的基础上增加了“时间”这个维度的新兴打印技术，不仅可以在三维空间内构建复杂结构，还能通过材料的预设形变来实现打印物体的自我组装和形态变化。4D打印技术作为新一代的增材制造技术，因演变过程完全可预测、可设计和可控制的特点，其潜力和影响力正在不断扩大。近年来，4D打印技术在现代食品加工领域也得到了广泛的研究和应用，通过4D打印实现食品结构、营养成分、口感等特性的精准控制。本文综述了食品4D打印技术原理、要素及优势，分析了食品4D打印在现代食品加工领域中的应用进展，包括4D打印材料特性、外界刺激等方面，并重点探讨了4D打印智能食品的微观结构控制与口感之间的关系，最后展望了食品4D打印技术发展趋势和挑战，旨在为现代食品加工领域提供参考借鉴。Abstract: 4D printing technology, as an emerging printing technique that adds the dimension of "time" to 3D printing, not only enables the construction of complex structures in three-dimensional space but also allows for self-assembly and shape transformation of printed objects through pre-programmed material deformation. As a next-generation additive manufacturing technology, 4D printing is gaining increasing potential and influence due to its completely predictable, designable, and controllable evolutionary process. In recent years, 4D printing technology has also been widely researched and applied in modern food processing, enabling precise control of food structure, nutritional composition, texture, and other characteristics through 4D printing. This paper reviews the principles, elements, and advantages of food 4D printing technology, analyzes the progress of food 4D printing applications in modern food processing, including 4D printing material properties and external stimuli conditions. It particularly discusses the relationship between microstructure control of 4D printed smart foods and texture. Finally, it outlines the development trends and challenges of food 4D printing technology, aiming to provide a reference for modern food processing.
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3D打印，又称增材制造（Additive Manufacturing，AM），是通过数字化方式精确层层堆积材料来构建和制造物体的方法[1]。自20世纪80年代诞生以来，经过30多年的发展，已成为当今数字化制造的重要手段之一[2]。但3D打印技术更多局限于静态产品的构建，难以打破材料本身的强固定形态，而4D打印技术的出现很好地弥补了这一缺陷，它在3D打印的基础上增加了“时间”这一维度，使打印具备根据外界环境变化（包括微波、近红外、pH、通电、光照等）而实现主动变化或自动组装重构的能力[3−5]。
随着科技的不断进步和社会的发展，4D打印技术以其在第四维时间上实现结构的动态变化而备受关注。相较3D打印的静态产品，4D打印的最大创新就在于赋予材料“动态”形变的能力[6]。其关键在于在打印材料中预先编程，嵌入对环境变化敏感因素并能产生响应的功能性成分。4D打印技术的引入为现代工业带来了前所未有的可能性，其在医疗[7]、智能材料[8]、航空航天[9]、智能食品[10]等领域的应用不断拓展，引领着新一轮技术革命的潮流。在这个背景下，让现代食品在加工、形状、营养和口感上更加符合个性化需求成为食品工业的一项迫切课题。其中，现代食品加工制造领域的应用也得到积极拓展，被视为实现食品个性化生产的最佳途径之一。与传统食品3D打印技术相比，食品4D打印具有更高的灵活性和智能性，这也就赋予了4D打印技术在构建复杂的内部空腔或仿生结构、精确控制不同食材的分布、可通过预编程实现烹饪后的主动形变和实现多种材料的整合制作等独特优势[11]。尽管4D打印技术在现代食品加工领域中展现出巨大应用前景，但在实际应用中仍然面临一系列的重大挑战，如食品内部结构与外界刺激条件之间的联系、食品微结构控制等，因此亟需通过技术创新来解决这些挑战，从而拓展其应用范围与实现推广[12]。为此，本文综述了4D打印技术的原理、构成要素及优势，并进一步介绍其在食品加工领域中的应用，着重突出4D打印智能食品的微观结构控制优势，最后探讨了食品4D打印技术目前遇到的挑战以及未来发展方向，旨在为未来食品加工领域提供新思路。
1. 食品4D打印技术概述
1.1 食品4D打印技术原理
4D打印是一项源于3D打印技术发展起来的新型智能化打印技术，最早是2013年由麻省理工学院的Tibbits团队在TED会议上提出，该团队将一段软物质状的绳形打印物放入水中，打印物能够自动折叠成立体的“MIT”字形，这个实验成果充分展现了4D打印技术的独特魅力，旨在通过引入时间维度实现结构的动态变化[13]。与3D打印不同的是，4D打印技术的独特创新之处在于它将产品的动态变形逻辑预先植入到打印材料之中，使其获得动态“智能”，这种嵌入式的编程方式赋予材料根据外界变化进行自主变形的能力[14−16]。当置于预设的环境中时（如温度、湿度、酸碱度等），无需人工触发或外加能量输入，就可实现从无序到有序的组装和形态演变，打破对传统材料与产品的固定思维局限，为可塑性材料设计提供了崭新视角[17]。食品4D打印原理如图1所示。
1.2 食品4D打印技术构成要素
食品4D打印技术凭借其独特的优势，正逐渐成为当代食品科技领域备受关注的创新技术之一，其“智能”核心构成要素主要有材料的环境响应性、精准的路径规划与编程设计等，从而创造出更加个性化、创新性的食品[18−19]。这一数字化食品加工技术为食品结构设计提供了新的可能，具有实现食品个性化生产和功能化的巨大应用前景。目前，实现环境响应性的途径主要有两种，一是在打印材料中增加对温度、pH等环境变化敏感的功能成分，如热敏物质、酸碱响应凝胶剂等；二是利用材料本身的物理或化学特性获得环境响应结构，根据环境刺激的不同，打印材料可经过热收缩、酸碱溶解、水凝胶膨胀等不同的响应机理实现形态变化[20−24]。在精准的路径规划与编程方面，需要对打印物体呈现的动态变形过程进行模型建立和仿真，确定材料配方以及其空间分布方案，并精确设计打印路径，将环境响应程序预先编入，最终形成数字化的打印控制代码[25]。在打印过程中，系统按照事先设置好的路径进行材料的精确喷射，并在打印完成后进行后处理，如烘烤、定型等。此外，多材料的整合打印也是实现食品个性化的关键，可通过设计采用含不同食材的多个打印头进行协同操作，在一个打印过程中整合各类食材，实现食品成分的精准分布[26]。
经过上述数字化程序设计、打印加工、后处理的全流程，4D打印就可按照预先设置的方式产生动态变形效果，从而实现对食品形状的高度个性化定制。它不仅满足了消费者对于个性化和创新性食品的需求，还为食品产业的技术升级和创新注入了新的动力，推动整个行业向着更加智能化、可持续化的方向迈进。
1.3 食品4D打印技术的优势
食品4D打印技术是在食品3D打印基础上，通过在打印材料中预先设置变形程序，实现食品对环境变化的主动响应和形态动态演变的数字化食品加工技术。相较传统食品3D打印，食品4D打印技术展现出以下显著优势。详情如表1所示。
表 1 4D打印食品技术优势Table 1. Advantages of 4D printing food technology2. 4D打印技术在食品加工领域的应用
2.1 食品4D打印的智能材料
食品4D打印的智能材料赋予食品制品动态响应环境的独特能力，是实现精准控制食品结构、营养和感官特性的关键所在。这种智能材料具有时变性和刺激响应性两大核心特征。时变性是指材料在一定条件下随时间发生的变化，这使得打印出的结构能够在特定时间或者外部刺激下实现形状的改变，这一特性是4D打印技术与传统3D打印技术的显著区别[32]。其次，刺激响应性则涵盖了智能材料对外界刺激的敏感性，包括温度、湿度、酸碱度等，通过精心设计材料的响应特性，可以实现对材料在不同环境条件下的自主变化，从而为产品的智能化提供了基础[33]。
目前用于4D打印的动态响应材料主要分为掺入环境敏感成分的材料和直接利用自身特性的材料两大类型。而在食品领域，4D打印材料主要有淀粉[34]、大豆分离蛋白[35]、马铃薯[36]、南瓜[37]、水凝胶[38]等，通过使打印材料对环境刺激敏感，可以在特定的时间点触发材料结构的变化，实现从平面到立体、从柔软到刚性等多样的形状变化，从而实现对外部条件的感知和响应。如Wang等[39]团队研究基于明胶和纤维素两种材料不同的吸水膨胀性，设计制作了一种双层可食用膜材料，实现了从平面干燥状态到吸水后自动弯曲成立体管道结构的转变；Chen等[40]将预制的姜黄素乳液添加到用于3D打印的莲藕粉凝胶中，通过微波刺激诱导，发现其颜色从黄色到红色变化，这一过程实现了莲藕粉凝胶4D打印物在微波刺激下可控的颜色变迁。此外，Ghazal等[41]和He等[42]研究利用花青素这一食品天然色素在不同pH下呈现不同颜色的特性，通过打印含有花青素和不同水平酸或碱的双层或多层结构，成功实现了动态响应的4D颜色变化，这一研究赋予打印材料系统对环境变化的感应和响应能力，也是实现食品4D打印的重要途径之一。
综上表明，实现食品4D打印的动态环境响应取决于材料的时变性和对环境的响应性，也是这一领域不断向前发展的关键因素。通过不断扩展材料的时变性和对环境的响应性，赋予其更多动态变化能力，将有助于对食品结构、营养成分、形状外观等多方面调控，助力食品4D打印技术的发展与应用。
2.2 食品4D打印外界刺激条件
食品4D打印的外界刺激条件是指在特定环境或外部因素的影响下，食品结构发生变化的能力。这些外界刺激条件主要包括微波、近红外、pH等因素，通过对这些刺激条件的灵敏感知和响应，食品4D打印可以实现形状、质地等方面的动态变化。如表2所示。
表 2 常见的4D打印刺激因素Table 2. Common 4D printing stimulation factors2.2.1 微波刺激条件
微波刺激作为一种常见的外部刺激手段，能够有效驱动4D打印食品展现动态响应行为。如Guo等[53]团队以水果和蔬菜为基础，制备出黄肉桃荞麦糊、山药糊和紫薯糊等糊状物，以色素油和风味油作为刺激的响应材料，通过将打印的3D物体暴露在适当的微波辐射中，在微波辐射下可产生水分子的极性顺势和组织内离子的运动，使色素油和风味油释放出来且糊状物快速收缩成预设的形状，从而实现了定向的4D变形、变色和变香，见图2。此外，Zhao等[54]的研究探索了将微波辐射作为一种外界刺激条件，整合于3D打印喷头系统中，结合添加生物酶谷氨酰胺转氨酶，从而编程调控鱼糜材料在3D打印过程中由流体向固凝胶状态发生时变转化的自凝胶行为。这一研究中将外部条件刺激与材料内在时变行为高度融合的尝试，为4D打印中赋予智能材料环境感知及自主响应的功能提供了参考。上述研究表明，微波辐射可通过诱导食品材料中的极性分子或电荷的运动，驱动材料快速形变，进一步证实了4D打印在食品领域的独特优势，相对于传统的食品加工技术，能够在特定条件下实现更加精细和有趣的形态变化，也突显了4D打印技术在实现食品个性化、智能化方面的独特潜力。
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2.2.2 近红外刺激条件
近红外线刺激作为实现食品4D打印动态响应的条件之一，近年来，在4D打印技术这一领域的研究取得了显著进展。近红外线主要是指780~2500 nm波段的电磁波，位于可见光和红外光之间，可非破坏地深层穿透食材组织，并可被食品组分选择性吸收以产生热效应，这一效应已被用于驱动4D打印食品变形[55]。如Chen等[56]以不同配方的紫薯酱作为实验材料，探究了921~1361 nm波长范围内的近红外光谱与材料流变特性之间的关联。他们发现通过分析近红外光谱数据，可以反映出材料在光照这一外界刺激条件下的时变响应行为。基于此，利用近红外光谱参数来间接评估材料的流变状态及变化趋势，为无损检测4D打印智能材料的时变性提供了一种光谱分析手段，通过分析不同配方下的光谱和流变之间关联，可优化材料配方设计，实现对食品结构功能的调控。
此外，改变近红外光的波长和强度也可控制材料的响应方式。如Fahmy等[57]发现通过调节近红外发射器的波长和强度，能够促进淀粉凝胶中食盐的加热稳定性，减少打印材料的扩散和变形，从而提高食品的结构稳定性，为4D打印技术精确控制食品动态感官特性提供了新思路和实践依据。综上，近红外线刺激可通过诱导食品打印材料内部产生局域性的选择性吸收和热效应，推动材料快速变形或重构，也验证了近红外刺激的4D打印食品效应。
2.2.3 pH刺激条件
pH刺激作为一种灵活可控的触发条件，具有在不同酸碱环境中引发物质形态变化的特性。研究表明，pH条件的改变会影响食品打印材料中特定成分的溶解度、微观结构稳定性等，继而引起宏观的形变应答。如Zhan等[58]通过同轴3D打印机将凝胶包裹在鱼糜上，研究发现5%卡拉胶、5%黄原胶、1%羟丙基甲基纤维素和1%花青素制成的凝胶在包裹鱼糜后会随着鱼糜pH的变化而变色，这一研究将花青素作为新鲜度指示剂，在不同的pH下用来检测鱼糜新鲜度，为4D打印在水产品保鲜加工中的应用提供了可行的方案，详情如图3所示。与此同时，Phuhongsung等[59]的研究以大豆蛋白、南瓜和甜菜根混合物为原料，制作出pH响应性食品打印材料，来驱动3D打印食品的结构变化，同时还进行了感官评估和傅里叶变换红外（FTIR）光谱用来证实结论，实验结果表明，在pH为6时进行刺激可提供最佳的颜色、质地和风味。上述研究证明pH的变化可以作为4D打印食品环境敏感的外部刺激源，通过诱导食品材料中特定成分发生化学变化或削弱结构稳定性，来实现食品的动态变形。
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图 3 4D打印材料花青素用于监测鱼糜新鲜度注：（a）变色材料的印刷效果；（b）花青素颜色随pH的不同而变化[58]。Figure 3. Surimi freshness monitoring of 4D printing material with anthocyanin3. 4D打印智能食品微结构控制
3.1 食品4D打印制备多孔或层状食品结构
多孔和层状结构在食品中是至关重要的组织形态类型，直接影响口感、质感和风味等质构属性。传统的食品加工方式很难准确构建这种复杂结构，而4D打印技术的出现为此提供了可能，通过路径规划与材料选择，可以打印出复杂的空间多孔或层状食品构型[20]。
在多孔食品结构方面，如Jiang等[60]团队成功构建了一种具有可调性能的可食用刚性多孔材料，并在4D打印巧克力中应用；Dick等[61]利用干燥作为4D打印牛肉产品的刺激条件，研究了模型设计填充密度（25%、50%、75%）、填充图案（网格、蜂窝、星形）和厚度（2、3、4 mm）对弯曲度、孔隙率、质构属性和微观结构的影响，结果表明用厚度4 mm、75%填充密度和蜂窝图案设计时对4D打印影响最大，详情如图4所示。除此之外，4D打印还可构建层级结构的食品，如Chen等[37]实现了基于南瓜的双层结构4D变形，通过精准控制干燥时间、打印路径和厚度来实现双层结构变形可控，这在一定程度上扩宽了食品的层次化生产。由此可见4D打印技术通过数字化路径的精准设计规划，可高效、高精度地构建复杂的多孔或层状食品微观结构，实现对食品形态及质构属性的可控性，这一技术不仅提供了一种创新的食品加工方法，还为现代食品行业带来了更大的灵活性和个性化定制以及在口感和质地上也得到了显著地提升。
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3.2 食品4D打印内部结构与口感关系
食品的内部微观结构是决定其口感和质构的关键因素之一。传统食品3D打印可以实现食品内部结构的设计和个性化构建，但在精细调控上存在一定的限制，而4D打印技术在此基础上引入了时间维度，使得打印食品能够根据外部刺激（如微波、近红外、pH等）发生可控的形态变化。目前，越来越多研究开始利用4D打印技术构建特定的食品内部结构，并探讨其对口感的影响[62]。如Vancauwenberghe等[63]采用解析模型和有限元模型来预测打印蜂窝结构的纹理特性，使用三种不同果胶浓度组成的食品3D打印原料，并通过显微CT和压缩分析进行表征。研究表明，采用不同果胶浓度制成的食品原料可以成功地进行3D打印，形成具有不同大小孔隙的食物物体，由此产生一系列不同的孔隙率，这些孔隙率会直接影响食物的口感，这一发现强调了食品结构设计的重要性，为开发具有可控口感的个性化4D打印食品提供了理论基础，详情如图5所示；Oral等[64]研究了食品4D打印及其可编程纹理，通过精确管理层数、填充图案和打印厚度，从而获得形状、质地和颜色变化的多样性，这一研究为老年人咀嚼和吞咽问题的解决提供了基础。除此之外，路径规划的优化、温度控制的精准性以及多材料组合都是影响食物口感的重要因素[65]。通过对这些方面的深入研究和实验验证，有望更全面地理解4D打印食品内部结构与口感之间的复杂关系，为未来的食品创新和定制提供更为可行的解决方案，促进对4D打印技术在食品口感优化方面的深入研究。
4. 总结与展望
4D打印技术的涌现标志着现代食品领域即将进入一个全新的时代，经过近年的研发与初步应用，已展现出在实现食品个性化生产和功能提升等方面的独特优势与广阔前景，不仅可实现食品的高度化定制，还可在新结构、新材料、新口感等多方面进行创新应用。在此基础上发展的5D打印甚至更高维度打印技术可进一步加强个性化元素，根据用户特定的偏好需求进行定制生产，添加虚拟实境和人工智能等前沿理念，开创数字化食品消费新模式。
然而，目前4D打印技术还面临着诸多的挑战。一方面，面临材料体系狭窄、形态保真度不足以及产业化运作模式尚处于初步阶段等诸多挑战，未来需要从扩大打印材料种类入手，构建丰富的食品级响应材料数据库，并通过精准的参数设计与优化，提高打印的分辨率与形态保真度。另一方面，提升4D打印设备的自动化程度，并运用先进的质量控制与检测手段，使整个打印流程可以标准化、规模化运转。最后，还需构建线上线下深度融合的商业模式，实践高维食品打印技术应用的社会化、产业化落地。
随着4D打印技术的进一步演进和成熟，4D及更高维度的智能打印技术必将为现代食品加工带来更大的创新和突破。未来，可编程4D打印食品凭借其智能响应机制，能根据人体的代谢规律和生理需求，自主调节营养物质的释放模式和速率，从而保证食物在人体内的高效吸收和消化。同时，借助人工智能等先进技术，4D打印智能食品制造有望实现高度自动化和智能化，精细调控整个食品加工过程。因此，4D打印技术在食品领域的应用，不仅满足了消费者对个性化、动态感官食品的需求，也为构建更加可持续的未来食品生产体系提供了新的技术支撑。通过持续创新，我们将看到更为复杂、个性化的食品结构得以实现，为消费者带来更多元化、健康和可口的食物选择。
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图 3 4D打印材料花青素用于监测鱼糜新鲜度
注：（a）变色材料的印刷效果；（b）花青素颜色随pH的不同而变化[58]。
Figure 3. Surimi freshness monitoring of 4D printing material with anthocyanin
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