基于文獻計量學的國內外食品3D打印技術研究進展

李春麗 唐甜甜 張 慜

(1. 江南大學《食品與生物技術學報》編輯部，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122)

三維(3D)打印，也稱增材制造、實體自由成型制造，自出現以來，即被視為一場潛在的工業革命。該技術是一種在三維空間中逐層構建的方法，最初應用于打印塑料和金屬等合成物質，以創造具有新特性的定制材料，之后逐漸被應用于建筑、汽車制造、醫療保健和航空航天。增材制造技術因其眾多優勢而受到行業、公眾和學術界的強烈關注，研究[1]顯示，在全球市場規模上，3D打印產品和服務的年增長率約為26%，預計到2024年將達到400億美元。在食品領域，2007年，康奈爾大學的研究人員首次報道了3D打印技術在食品結構設計中的相關應用[2]。2011年，英國埃克塞特大學研發出世界首臺3D巧克力打印機，并于次年推向市場[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與荷蘭技術公司TNO合作研發了以小麥粗粉和水為原料的3D打印意大利面。西班牙創業公司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。2016年，世界上第一家3D美食店Food ink進行了為期3 d的試營業。2019年，已經研發出了可以用于定制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、冰淇凌在內的多種食品均可以通過3D打印機制作(圖1)。

來源：Microsoft Bing

3D打印技術用于食品工業具有若干潛在優勢：

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

(2) 滿足個性化或特殊膳食營養需求。3D打印技術通過開發營養強化、低鹽低糖或保健食品，可以為有特定營養需求的人提供科學合理的健康飲食，實現營養精準調控，例如兒童、航天員、運動員、孕婦、老年人或吞咽困難的患者。

(3) 突破傳統工藝限制，實現食物造型藝術性設計。3D打印可以實現人工或工業模具難以完成的花紋圖案樣式，自由地為食品設計新造型，增加趣味性。

一定時期內某一研究領域出版的學術研究成果，其傳播與擴散能力大小，表明該學術成果對科研活動的學術貢獻程度，也能反映出社會對其學術價值與應用價值的認知水平與認同程度，彰顯該研究成果在相關應用領域的發展前景。近10年，食品3D打印相關研究勢頭強勁，受到學術界的重視，其科學出版物也顯著增加。利用文獻計量學方法統計不僅可以分析食品3D打印技術發展歷程，厘清該技術研究過程的學術脈絡，還可以從中發現并明晰3D打印技術在食品領域的未來研究方向與應用前景。

課題組首先搜索了與食品3D打印領域相關的文獻(英文文獻搜索時間截止到2022年8月1日，中文文獻搜索時間截止到2022年11月2日)。中文文獻來源于中國知網數據庫，以“3D AND 食品 AND 打印”為檢索詞進行主題檢索，手動剔除無關文獻，共獲得197篇文章；外文文獻來源于Web of Science核心合集數據庫，根據Fasogbon等[5]的研究以“3D AND food AND printing”為檢索詞進行主題檢索，共獲得860篇文獻，然后將獲得的文檔限制為論文、綜述論文、在線發表、會議摘要、書籍章節，最終獲得854篇文章。將檢索到的數據及信息(關鍵詞、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)對收集到的文獻計量信息進行分析和圖形可視化，Microsoft Excel用于其他一般指標的可視化。

1 國際食品3D打印研究進展

1.1 國外相關出版物發表趨勢

每年發表的出版物數量可以很好地反映特定學科領域的發展趨勢，對出版物發表量的分析可以提供有關近期的研究趨勢的信息。圖2顯示了國際食品3D打印相關出版物的發文量和累計被引頻次的趨勢圖。食品3D打印相關技術研究始于2007年，Brog?rdh[6]首次提出食品行業將是未來機器人/3D視覺產品發展的驅動力之一。直至2014年，食品3D打印研究開始逐漸引起關注，當年有6篇論文出版。此后論文發表數量呈逐年升高趨勢，特別是在2018年之后數量有明顯上升。2021年發表數量為260篇，月均22篇；截止發稿前，2022年的出版物發表量已達176篇，月均25篇。預計到2022年結束時發表量將超過2021年。

圖2 國際食品3D打印相關出版物逐年發文量和

從出版物逐年發文量可以看出，越來越多的研究人員開始關注食品3D打印加工技術。截止發稿前，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文量變化趨勢相同，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 國際發文學者和發文機構的文獻計量評價

論文的被引頻次能在一定程度上反映出同領域學者對該研究內容的認可，是文章重要性的體現，更是反映了一個研究團隊的活躍度和生命力。影響引文數量的因素有很多，包括研究熱度、發表時間、篇幅長度、發表的期刊等。表1統計了3 178名發文學者的總被引頻次、發文量、H指數等重要指標，顯示在該領域發表過8篇及以上科學文獻的作者為18名。其中，中國江南大學張慜研究團隊在該領域發文量和被引頻次最多，發表文章65篇，被引用2 097次，對食品3D打印領域出版物的貢獻率(發文量占總出版物數量的百分比)最高，為7.611%。其次是澳大利亞昆士蘭大學Bhandari B課題組，發表35篇，被引用1 756次，貢獻率為4.098%。Prakash S和Liu Z B被引頻次分別為881和627次，均發表16篇出版物。這4位學者在國際食品3D打印研究中存在合作關系，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、谷物、復合乳制品、巧克力、肉制品等食物材料的3D打印和打印參數優化，以及打印品的前處理和后處理研究。此外，中國華南理工大學陳玲、鄭波，西北農林科技大學江昊也在國際期刊發表食品3D打印相關文章8篇以上。

食品3D打印領域的854篇出版物共涉及1 080個機構，在該方向發文量超過10篇的機構為16個(表2)，中國的江南大學、中國農業大學、浙江大學、華南理工大學和大連工業大學均位于其中。總被引頻次排名前三的機構分別為江南大學、昆士蘭大學和瓦格寧根大學，發文量分別為84，46，19篇。昆士蘭大學、福賈大學、瓦格寧根大學、加州大學的篇均被引頻次相對較高，中國江南大學的發文量最多，但篇均被引頻次相對較低，說明論文質量有待進一步提高。

表1 食品3D打印方向發文量超過8篇的國際學者(排名依據總被引頻次)

表2 食品3D打印方向發文量超過10篇的國際機構(排名依據總被引頻次)

1.3 國際高被引、高發文量國家和期刊的文獻計量評價

有73個國家在食品3D打印領域發表過文章，發文量至少10篇的國家有24個(表3)。中國、澳大利亞和美國是被引頻次最高的國家，同時也是發文量最高的國家，被引頻次分別為5 457，3 408，3 050次，發文量分別為250，84，139篇，對3D打印領域文章的貢獻率分別為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-指數最高。從發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打印的研究處于領先位置。

表3 在食品3D打印方向發文量超過10篇的高被引國家(排名依據總被引頻次)

表4列出了在食品3D打印領域發表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，發表了66項研究，被引用2 341次。其次是Food hydrocolloids，發表46篇文獻，被引用700次。LWT-food science and technology以669的被引頻率排在第三，發文量24篇。Foods的發文量為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、3篇二區和1篇三區期刊。因此可以發現，食品3D打印因其高的新穎性和創新性的研究內容，大部分發表在一區食品類期刊上。

表4 在食品3D打印方向發文量超過7篇的高被引期刊 (排名依據總被引頻次)

1.4 ESI全球排名前1%的相關高被引文章

根據ESI(Essential science indicators)數據庫的界定，高被引論文是指近10年內發表且被引次數排在相應學科領域全球前1%以內的論文。854篇食品3D打印相關出版物中的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、能源技術、牙科、藥物輸送和個性化醫療領域中的應用。其次是Godoi等[8]的綜述文章，被引350次，介紹了3D打印技術應用于食品設計的現狀與前景，特別強調了3D打印技術的優勢/局限性，及對打印食品結構的影響。高被引文章共涉及147位作者，Zhang M是發文量最多的作者(10篇)，對高被引文章的貢獻率為25.641%。Zhang M與包括Bhandari B、Guo C F在內的16名研究人員有直接關系，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，創造更多有價值的研究成果。有22個國家參與發表了高被引文章，中國、澳大利亞、新加坡和美國是發表高被引文章最多的國家，分別有18，9，5，5篇，對高被引文章的貢獻率分別為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]發現大約92%的俄羅斯高被引論文涉及國際合作，部分學科國際合著論文比例達到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。對于食品3D打印領域，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出高被引論文方面發揮關鍵作用。

使用VOS viewer對39篇高被引論文進行可視化分析，關鍵詞共現分析涉及311個關鍵詞(圖3)。圖中，節點表示關鍵詞，節點越大代表關鍵詞出現的頻次多，顏色越黑說明關鍵詞出現的時間越晚。分析結果表明，“3d打印(16次)”“優化(11次)”和“增材制造(10次)”是出現頻次最高的關鍵詞。“流變特性(6次)”“流變(6次)”“質地(5次)”“可印刷性(5次)”“凝膠(4次)”等關鍵詞的重復使用，說明流變特性是評估打印食品可印刷性和機械性能的一個重要參數。根據目前所發表的文章，食品3D打印技術研究主要集中在模型設計、配方優化、后處理方法和吞咽困難患者飲食開發方面。此外，通過外部刺激和交互機制來驅動打印食品動態變化的4D打印已經受到學術界和工業界的廣泛關注，且在3D和4D打印基礎上，原則上可以打印復雜結構，具有更高的強度和更少的材料的5D和6D打印已經被提出[12]。這項工作有望將傳統的單一材料3D打印食品擴展到多材料食品，并為開發豐富多彩的食品提供新的方向。

圖3 食品3D打印領域高被引文章(ESI全球前1%)關鍵詞共現分析

2 中國食品3D打印研究進展

2.1 中國相關出版物發表趨勢

圖4顯示了基于中國知網數據庫檢索出的中國學者食品3D打印論文發表情況，呈逐年遞增趨勢，且增長幅度較大。共檢索到197篇文章，涉及151篇期刊、40篇碩博士論文。首篇關于食品3D打印的報道發表于2011年，題目為《食品“打”出來》，刊登于《中學生天地(B版)》，報道了美國康奈爾大學成功研制出了“3D食物打印機”，裝著奶酪、巧克力、蛋糕糊等特殊“墨水”的機器會根據電子設計圖，逐行逐層“打印”出食物來[13]。緊接著，在2012年，《食品與機械》介紹了荷蘭國家應用科學研究院研發出一臺食品3D“打印機”[14]，這是首篇由食品類專業期刊做出的報道。直到2014年，食品類期刊《中國食品學報》和《食品與生物技術學報》報道了西班牙創業公司Natural Machines研制出世界上第一臺名為“Foodini”的食品3D打印機，可用于打印比薩、手指巧克力、意大利小方餃在內的一系列食品[15-16]。此后，食品3D打印逐漸引起關注，論文發表數量呈逐年升高趨勢，2015年發表了19篇相關文章。2020和2021年，食品3D打印相關文章年發表數量為30和29篇，截止到該調查撰寫時，2022年的出版物發表量已達27篇，有望超過2021年。

圖4 國內食品3D打印相關出版物逐年發文量和被引頻次

迄今為止，國內食品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，可能與文章發表時間較短有關。總之，從近年來的發文量看，越來越多的國內學者開始了食品3D打印研究。

2.2 中國發文期刊、機構和學者的文獻計量評價

圖5顯示了食品3D打印相關中文文章的類型分布、主要發表的期刊和發文機構。食品3D打印相關涉及151篇期刊、40篇碩博士論文、3項會議論文、2項科研成果、1項報紙。期刊類文章主要來源于《食品與機械》《食品發酵工業》《食品工業科技》《食品科學》《食品工業》《現代食品科技》《農業工程學報》以及《食品與生物技術學報》，分別發表了12，9，7，6，5，5，4，3篇。《食品與機械》是首個報道食品3D打印研究的食品類專業期刊，也是目前最受歡迎、發文量最多的期刊。其所刊登的12篇食品3D打印報道，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。該刊物所發表的3D打印文章主要為食品3D打印機的設計[17-19]和食品3D打印技術應用進展類綜述文章[20-22]。其中江陰職業技術學院李光玲[23]所發表綜述文章《食品3D打印的發展及挑戰》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，《食品與生物技術學報》發文量較少，3篇文章的總下載次數為869，總被引3次，包括麻薯配方與打印特性類研究[24]和4D食品打印熱點報道[25]。

圖5 中文食品3D打印相關文章的類型分布、主要發表的期刊和發文機構

發表食品3D打印相關文章的機構主要為江南大學、大連工業大學、南京農業大學、華南理工大學、廣東海洋大學、沈陽農業大學、西北農林科技大學、上海海洋大學和沈陽師范大學等，發文量分別為16，10，7，7，7，6，4，4，4篇。江南大學的發文包括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。江南大學學者張慜、范大明，大連工業大學學者董秀萍，南京農業大學學者徐幸蓮，華南理工大學學者陳玲、王小英，沈陽農業大學學者李春強、孟憲軍，西北農林科技大學學者陳琳，廣東海洋大學學者劉書成、孫欽秀等研究團隊的發文量和培養的碩博士較多。

2.3 中國食品3D打印高被引文章和發展方向

目前，國內食品3D打印領域被引頻次最高的出版物多數為綜述性論文，其中題目為《熔融沉積成型3D打印技術應用進展及展望》[26]、《3D打印技術在我國食品加工中的發展前景和建議》[27]、《食品3D打印的發展及挑戰》[23]三篇綜述的總被引頻次最高，分別為71，41，41次，發表在《工程塑料應用》《中國農業科技導報》和《食品與機械》上。表5總結了被引頻次排名前十的研究性論文，主要涉及馬鈴薯、藍莓、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打印機的設計。所發表刊物有3篇來源于《現代食品科技》，研究方向主要為油墨的優化和打印效果研究，有2篇來源于《食品與機械》，主要研究食品打印機的設計。

表5 被引頻次排名前十的食品3D打印研究性論文

根據目前發表的論文，國內關于食品3D打印技術研究集中在：

(1) 3D打印機的設計與研發、打印軟件的優化。如多材質、對稱嚙合雙螺桿式3D打印機的研發，以及糖果、巧克力、冰激凌、奶油等打印機的設計。

(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、打印參數對成型效果的影響等。

相較于其他國家，在食品3D打印相關領域，中國論文發表情況現已位居世界第一。但中國國內各地區、各機構間的研究團隊相對孤立，具有前瞻性、高質量、高創新性的研究仍較少。

中國的食品3D打印技術領域的學術研究十分活躍，具有較強的后勁，為了進一步提高國際影響力，建議從以下方面進行調整：

(1) 應著重培養具備信息技術、機械工程、計算機控制、食品加工和3D打印知識的科技復合型人才，弱化學科界限，強化學科交叉，設立新型學科，重點推進數字化技術、打印設備、打印材料等關鍵技術的研發。

(2) 鼓勵科技創新，開發高效率、低成本、高可靠性的食品打印機。

(3) 加強與國內外3D打印企業或高校之間的交流與合作，學習國內外先進的3D打印技術與經驗，充分發揮各自的優勢和特色，取長補短，增強實力和競爭力。

(4) 立足中國食品產業，前瞻思考，科學布局，真正地提出科學問題、解決科學問題，提高論文發表和專利申請質量，提高專利或科技成果轉讓和轉化率。

(5) 國家和政府應投入專項經費支持，凝聚更多的研發力量，利用多方合作平臺加強研討和交流，為3D打印食品制定有效的法律框架/立法，確保3D打印工藝符合嚴格的衛生和質量法規，促進食品3D打印行業規范、健康發展。

在智能化時代，制造全過程智能化有望成為中國食品工業轉型升級的關鍵。在無需機械加工或模具條件下，以高度靈活和智能化的重復“打印”方式完成傳統加工過程中的多個繁瑣工序，可以替代傳統加工生產線。3D打印技術在食用工業中顯示了越來越重要的作用，把握3D打印食品的發展機遇，開展扎實的有科學依據的原創探索，提高SCI論文的質量和數量，有利于提升中國在食品增材制造領域的國際權威性，優先取得科研成果的領先權和話語權。

3 總結與展望

從國際和國內食品3D打印領域發表論文的趨勢看，其研究熱度呈快速上升的趨勢。增材制造是最有潛力的未來食品制造技術之一，一方面，許多非傳統食材，如藻類、真菌、海藻、昆蟲、農業或食品加工的副產物等，可以作為可持續和環保的印刷材料來源，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的動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慣，如素食主義、無蛋白、低糖和低鹽人群。值得關注的是，食品3D打印可以將醫學和人類營養結合，幫助患者更愉快地進食；針對不同人群營養需求，開發適合肥胖癥、糖尿病人、高血壓患者和老人食用的特殊膳食食譜，實現精準營養食品個性化定制。

多樣化設計、個性化定制、復雜結構打印和節省材料是食品3D打印的優勢。但目前該領域面臨的技術瓶頸也需加以考慮。

(1) 生產效率是商業食品3D打印面臨的一個巨大挑戰。雖然可以通過提高打印速度或擴大噴嘴直徑獲得，但往往會導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同時制造多個物體，但迄今為止，沒有工業規模的打印機可提供此功能。目前大多數3D打印機都是實驗室規模的，只有有限的用途用于商業環境。與傳統制造技術相比，增材制造技術受到成本、時間和大規模生產的限制，這一工程障礙很可能決定了3D打印機的商業化基礎。

(2) 確保3D打印食品的安全性和保質期也是一項重大挑戰。許多設備，例如食品注射器、噴嘴、材料桶和平臺，如果管理不當，可能會受到微生物污染。并且在打印食品的后處理操作中，如微波加熱、設備清洗、產品安全檢測等，還沒有明確的證據來驗證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打印產品在貯藏期間接觸空氣時會產生高濃度的微生物，具有潛在的食品安全問題。大多數3D打印食品的保質期有限，3D打印的果泥或面團的流變學特性在生產2 h后發生變化。

(3) 開發具有強可印刷性的營養豐富的材料至關重要[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)對食品中營養成分、味道和香氣質地的影響研究尚不清晰，打印后的產品需要能承受烹飪而不變形，這要求嚴格控制后處理操作條件，如烘烤或加熱溫度、烹飪時間。目前打印食品仍處于發展初期，需要多次優化試驗才能推向市場。

食品3D打印是一個年輕的研究領域，科學出版物僅數百篇，雖然中國在高水平論文發表上處于領先地位，但食品3D打印在國內的科研成果轉化和商業化應用極少。目前在工業規模上采用3D打印可能具有挑戰性，在下一步的研究方向上，不僅需要開發工業規模的食品3D打印機，還需要進一步研究食品質量，包括適合這種大規模打印的食品材料特性。前處理和后處理的新技術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，從而增加消費者的接受度。最后，需要進一步加強3D打印與后處理相結合的研究，實現可重復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打印應用于食品行業，中國許多科研工作者也已經做出了巨大努力。對于3D打印食品，未來的挑戰無疑是多方面的、多層次的，但同時也給人們帶來很多的遐想和機遇。中國食品加工業正處于高速發展時期，在科技創新發展戰略的驅動下傳統食品加工技術必然迎來革命性的變革。增材制造技術為食品生產加工開辟了一條新的道路。與傳統食品加工和機器人食品制造技術不同，食品3D打印集成了3D打印和數字美食技術，不僅可以為定制食品設計和個性化營養控制提供解決方案，還具有重構定制食品供應鏈的潛力。進入新時代，開啟新征程，科技工作者迎來新使命，更應以祖國需要為出發點，把論文寫在祖國的大地上，把科技成果應用在建設社會主義現代化強國的偉大事業中。最后，鑒于國際期刊報道狀況的分析，國內食品類期刊要及時調整報道方向，關注食品3D打印的研究進展。