《食品科學》：大連工業大學龐桂兵教授等：激光技術在食品3D打印中的應用及發展趨勢

3D打印又稱增材制造，其核心在于能夠根據數字模型進行個性化加工，簡化設計制造過程，降低制造業門檻。自20世紀80年代誕生以來，3D打印經歷了從概念驗證到小批量生產、再近年來，3D打印技術在食品領域也展現出巨大的應用前景，食品3D打印通過精準控制食材配比、溫度、成型路徑等參數，可以實現對食品形狀、營養構成、口感等指標的精確調控。但3D打印成型后的食品往往存在結構穩定性差、打印精度低等問題，這在一定程度上限制了食品3D打印的應用范圍。

激光技術的引入為食品3D打印克服上述問題提供了新的解決途徑。激光具有精確、快速、無接觸等優勢，與食品3D打印技術的有機結合可顯著提高打印食品的制作效率和成型質量。

大連工業大學機械工程與自動化學院的童強、肖帥磊、龐桂兵*等概述了激光技術在食品3D打印中的應用，闡述激光參數對3D打印食品的影響及所面臨的挑戰，推動基于激光技術的3D打印功能性及個性化食品開發和應用，為食品加工的創新發展提供新思路。

1 食品3D打印技術與激光技術概述

1.1 食品3D打印技術概述

3D打印技術作為一種先進制造技術，是以數字模型為基礎，通過逐層堆疊材料的方式構建實體的技術。其優勢在于快速實現原型設計和小批量生產，突破傳統制造業的加工方式，實現從數字化設計到數字化生產的一站式解決方案。經過30余年的發展，3D打印技術已從最初的概念驗證階段逐漸發展成為一個成熟的產業，打印材料范圍也從最初的聚合物逐步擴展至包括金屬、陶瓷、沙子、生物組織等在內的多種類，并在航空航天、醫療、汽車等眾多領域得到廣泛應用，其潛力和影響正在不斷擴大，其中之一便是食品加工領域。

食品3D打印技術是將3D打印技術應用于食品領域的一種創新技術，通過數字化精準控制食材配比、溫度、打印路徑等參數，以食材逐層堆疊的方式構建出所需形狀的食品。與傳統食品加工不同，食品3D打印不僅能精準控制打印過程中的各個參數，為特殊人群定制個性化食品，還能夠充分提高材料利用率，減少原材料浪費。目前，食品3D打印已經初步應用于食品設計（圖1）。隨著技術的不斷發展，打印材料種類的擴展、打印速率的提升及設備成本的降低必將推動食品3D打印在食品工業中的大規模應用和數字化產線的轉變。

1.2 激光技術概述

激光是指透過刺激原子導致電子躍遷釋放輻射能量而產生的具有同調性的增強光子束，根據波長范圍，常見的激光可分為可見光激光、紅外激光和紫外激光等。激光起源于20世紀60年代，美國物理學家Theodore H. Maiman發明了紅寶石激光器，獲得了波長為0.694 3 μm的激光。隨后，各種固體激光、氣體激光、半導體激光、化學激光等應運而生。現今激光技術已經成為現代科學技術發展的重要組成部分，廣泛應用于工業制造、食品加工、信息通信、生物醫療、科研、軍事等諸多領域。特別是食品加工領域，激光技術被廣泛應用于食品檢測、加工及包裝等多個方面。相較于普通光源，激光擁有更好的單色性、指向性和相干性，這些特性使激光光能可以集中在一個光點上，且不會對臨近區域產生過度影響，實現精準加工。此外，激光是一種非接觸加工技術，可大大減少目標材料被污染的可能。

近年來，激光技術與食品3D打印的結合研究逐漸成為熱點。食品3D打印是一種將三維建模、機電控制、食品科學等諸多跨學科知識融于一體而形成的先進制造技術，其具有個性化和自由定制、營養配比基準控制、可滿足不同類型人群食用需求等特點。目前，激光技術在食品3D打印中的應用主要有2 種，一是選擇性激光燒結食用級粉末；二是借助食品3D打印機直接打印預設食品形狀（如魚糜、蝦糜等肉蛋白基材）。但傳統的食品3D打印面臨一個關鍵性挑戰，因打印的食材不可直接食用，且打印過程中漿料沉積成型，受重力及其本身流變特性的影響，會出現軟塌、流淌等成型問題，如圖2所示。激光技術為這一難題提供了潛在的解決方案。激光技術通過高度精密的焦點和集中的能量，能夠對食材逐層精準加工成型，相較于傳統熱源，激光在加熱和成型過程中更為精確，能夠提高食品的成型質量。同時，激光技術的高速成型特性有望緩解食品3D打印速率慢的問題，為實現大規模定制食品生產提供可能。

2 激光技術在食品3D打印中的應用

2.1 激光參數對食品3D打印的影響

激光參數（包括波長、功率、脈沖等）決定了激光與食材間能量傳遞和相互作用的方式，這直接影響食品3D打印的成型質量，如表1所示。根據不同食材類型選擇合適的激光參數，才能實現食品3D打印過程中的精確控制，從而實現食材均勻加熱與穩定成型。

2.1.1 波長

激光波長是影響食品3D打印的關鍵因素之一，它直接影響激光的穿透深度和吸收性能，進而影響食品3D打印的成型效果。Aiso等使用淀粉懸浮液作為打印材料打印金字塔形狀，用藍色激光（λ＝450 nm）進行照射后發現，3D打印的金字塔結構比原始設計的金字塔數據大，這可能是糊化淀粉在3D打印過程中及之后吸收水分并膨脹。在另一項研究中，Blutinger等發現藍色激光（λ＝445 nm）能夠促進1 mm厚面團中的淀粉完全糊化，將面團樣品反復暴露于高頻率藍色激光下，并保證足夠的暴露間隔時間，使熱量在樣品內積累，是使面團內部達到所需溫度最有效的方法。此外，Blutinger等還開發了一種使用多波長激光通過定制軟件驅動模式進行印刷食品精確烹飪的方法，將雞肉在藍色激光（λ＝445 nm）、近紅外（NIR）激光（λ＝980 nm）和中紅外激光（λ＝10.6 μm）下烹飪發現，紅外激光可比藍色激光更有效地促進食物發生褐變，NIR激光能夠透過包裝對食物進行烹飪，促使其褐變，且激光烹飪損失率比烤箱降低50%，雞肉的口感也更加細膩、柔嫩。該研究將軟件集成到烹飪過程中，這將促進更具創新性的食品設計發展，實現個性定制化食品，并為不斷擴大的食品3D打印行業開拓新的市場。

2.1.2 功率

激光功率直接影響食品材料的熔融或固化速率，從而影響打印出的食品質構和形態。Chao等探究785 nm波長激光對奶粉、玉米淀粉和小麥粉3 種不同食品粉末的穿透深度，并探究激光功率（100、200、300 mW）對穿透深度的影響，發現785 nm激光源能夠輕松穿透3 種食物樣本中1 mm深度的每個點，激光可以穿透的點數隨食品粉末深度的增加而減少，并且激光功率顯著影響穿透深度，該研究為食品3D打印中激光功率的選擇提供了參考。此外，激光還能夠抑制微生物的生長與繁殖。Gonca等研究二極管激光（包括激光類型、照射時間、功率密度、激光穿透效率和生物膜印制等參數）對大腸桿菌（ATCC 10536）、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌等病原微生物的影響，結果發現，藍色激光比紅色和綠色激光更有效，在激光功率密度0.36 W/cm2條件下，藍色激光照射15 min對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌的抑制率分別為65.90%、34.52%和43.63%；藍色激光照射30 min對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌的抑制率分別為85.39%、41.18%和54.55%。在激光功率密度0.54 W/cm2條件下，藍色激光成功對廢水和牛奶進行滅菌，這一發現為優化3D打印食品的安全性提供了重要參考。

綜上，不同功率的激光對食品粉末的穿透性能不同，激光強度越高，對食品粉末的穿透深度越大。此外，適當提高激光功率還可起到抑菌或滅菌作用。因此，為獲得理想的3D打印食品，需針對不同食材選取合適的激光功率。

2.1.3 脈沖

脈沖作為激光的重要參數之一，對食品感官特性（顏色、質地和風味等）有顯著影響。Fine等采用脈沖紫外光處理后，黑胡椒和小麥粉顏色發生不良變化。Gómez-López等發現，經過強光脈沖（持續時間30 μs、脈沖強度7 J、距離12.8 cm）處理后，卷心菜和生菜立即變色，散發出類似塑料的異味。由此可見，當脈沖達到一定強度時，可能會導致食品質量劣變。此外，Wambura等研究脈沖紫外光對火腿品質的影響，將100 g生火腿樣品（厚5 mm）在紫外光系統中處理60、90、120 s，與燈中心軸線的距離分別為4.5、8.3、14.6 cm，以100 g未處理的樣品作對照。結果表明，火腿在加工和貯藏7 d后，顏色變深，肉質硬度下降，且樣品的顏色和質地與處理時間、光源距離呈負相關。

綜上，脈沖對食物顏色、質地和風味有顯著影響，選擇合適的脈沖處理可以實現更精準的食材變性，提高食物口感。未來，需要研究不同脈寬和峰值功率下脈沖激光的加工特性，并優化脈沖參數，以實現對各類食材的精準控制，進一步發揮激光技術在食品3D打印中的應用潛力。

2.1.4 其他參數

除了波長、功率和脈沖等參數外，激光的聚焦特性和掃描速率也是影響食品3D打印質量的關鍵因素。其中，光斑直徑是激光聚焦特性的關鍵參數之一，光斑直徑過小會導致局部糊化，而光斑直徑過大則無法提供足夠高的能量密度。如Diaz等使用激光光斑直徑為0.6 mm的CO2激光器和特定的工藝參數（層距0.1 mm、速率1 250 mm/s、激光功率50%、層厚0.3 mm）執行激光選區燒結（SLS）程序，成功得到了色彩豐富且可食用的食品。較大的激光光斑直徑可確保結構不易破裂，但會導致最終產品的精度和分辨率降低，而較小的激光光斑可以提高打印分辨率和精度，但會降低打印速率。

此外，激光的掃描速率也會影響最終的食品3D打印效果，掃描過快會導致打印無法成型，而過慢會過度加熱。Tong Qiang等在激光燒結3D打印魚糜制品單線條模擬仿真實驗中，探究激光掃描速率（100、200、300、400、500、600 mm/s）對3D打印效果的影響。結果表明，激光掃描速率為100 mm/s時，掃描線條上的魚糜出現過燒糊化現象，并在固化過程中伴有少量濃煙，隨著掃描速率的升高，糊化現象有所改善，當掃描速率為500 mm/s時，掃描線條上的魚糜無明顯燒灼痕跡，固化寬度和厚度趨于穩定，如圖3所示。

綜上，激光參數對食品3D打印成型至關重要，應用于食品3D打印時，將激光類型、激光波長、激光功率、激光脈沖和掃描速率等加工因素進行相互、精細微調，才能有效發揮激光加工的優勢，確保獲得期望的打印效果。

2.2 激光在食品3D打印中的工藝優勢

激光具有高效性（紅外激光具有優異的熱效應）、精準性（激光束可以精確控制熱源的位置和強度）的加熱特點，且紅外激光波長較長，光子能量較低，難以破壞常見的化學鍵，在食品蒸煮、干燥、打孔、去皮等方面發揮重要作用，正在成為食品3D打印領域一種極具潛力的加工工藝。Gràcia Julià開發了一種適用于食品3D打印機的新型熟化系統（CO2紅外激光烹飪系統），該系統由CO2激光燈、將激光束導向熟化區域的振鏡及可控制振鏡位置和運動頻率的軟件組成，可以均勻地熟化選定區域。微生物學和毒理學分析結果顯示，CO2紅外激光烹飪系統中熟化的牛肉漢堡，由豆類、蔬菜和雞蛋為主要原料制作的素食餡餅及披薩面團與傳統烹飪系統（平面烤架、燒烤架、紅外烤箱、臺式烤箱和微波爐等）中熟化的食品一樣安全，消費者對CO2紅外激光熟化的食品具有與傳統熟化方式相同甚至更高的偏好度。此外，SLS是激光技術應用于食品3D打印的一種重要加工手段，能夠制造更為復雜的食品，提升生產效率且無需后處理。如Noort等發明了一種適合于SLS打印的可食用粉末組合和可食用液體，可用于打印意大利面、烘焙產品和糖果產品等，進一步證實激光技術與食品3D打印結合可實現更加精準和復雜的食品結構制作或調控。以上研究表明，激光技術在食品3D打印中的工藝優勢不僅體現在提高精度和靈活性上，還表現在提高效率和降低成本上，未來，激光技術與食品3D打印技術的融合將為個性化定制食品和創新性食品設計提供更多可能性。

3 激光技術在食品3D打印中面臨的挑戰

3.1 激光照射下的食品安全問題

激光作為一種高效、非接觸式技術，在過去30 年里已被證明可以有效滅活多種微生物，如霉菌、細菌、酵母菌，甚至病毒，其對食品的去污效果也得到了充分證明。如Kohmura等在可見光（532 nm）脈沖激光照射下，通過將能吸收可見光的材料與大腸桿菌融合實現了對大腸桿菌的高效滅活；Yasmin等采用激光滅活食品包裝和生牛奶中的食源性病原體，結果發現，大腸桿菌、沙門氏菌、酵母菌和乳酸菌在生牛奶中分別減少30%、25%、47%和30%，并且激光照射對牛奶的理化性質沒有顯著影響，該研究進一步證實了激光技術在確保食品安全方面的潛力。

此外，在考慮食品安全性的同時，也要考慮激光對食品營養成分的影響。激光是一種能量形式，其對營養成分的影響主要取決于激光參數（如波長、功率和脈沖等）。食品所含營養物質中，脂肪、部分維生素等較為敏感，加熱易被破壞。Chen Shinyu等發現，短脈沖距離（2.5 cm）和長脈沖時間（120 個脈沖）處理可導致蘑菇粉VD2含量降低和變色；在另一項研究中，Tomasevic等發現，經過1.75 J/cm2激光處理后，在新鮮雞蛋面條中檢測到硫黃異味。因此，激光技術應用于食品3D打印時，應選擇合理的激光參數和加工方式，最大限度發揮激光技術的優勢，同時確保食品的安全性、感官品質和營養價值。

3.2 激光技術在食品工業中的應用局限

激光技術在食品加工領域的應用仍存在一些局限。首先，激光設備成本較高，包括激光器、光路系統和控制系統等，以及后期設備的維護費用，這對于一些中小型企業來說可能存在一定的經濟負擔。其次，激光加工也存在一定局限性。激光技術在過去的幾十年發展中，雖然已經廣泛應用于食品表面處理、檢測和包裝等方面，但對于食品深度加工仍受到多種因素影響，如操作人員技術水平、激光參數和打印材料特性等。此外，還需考慮能源消耗和環境影響，因為激光會消耗大量能源，這可能導致更高的運營成本和更多的碳排放，探究節能激光技術是解決該問題的一項有效措施。為克服激光技術在食品加工領域中的應用局限，還需持續研發與創新，進一步提高加工效率、成本效益，并充分關注激光加工食品的安全性問題。

4 結語

隨著科技的不斷進步，激光技術在食品工業中展現出巨大的應用潛力，其優勢在食品加工、包裝和無損檢測等各種應用中顯而易見，為食品工業帶來了新的發展機遇，特別是在食品3D打印領域，激光技術的應用前景廣闊。盡管面臨諸多挑戰，但隨著材料科學、激光工藝和打印控制等技術的不斷進步，激光食品3D打印必將迎來新的發展機遇。

首先，激光技術在食品3D打印中的應用目前還處于初級階段，仍存在食品材料選擇和適應性方面的問題。目前可用于激光食品3D打印的食品材料種類有限，需進一步研發具有良好成型性和食品安全性的新型材料，以滿足不同人群的個性化食品定制需求。其次，食品3D打印中的路徑算法和激光參數控制也是一個挑戰，不同食材對激光的反應和加工效果各異，需針對不同食材進行路徑算法和激光參數的調整和優化。最后，激光食品3D打印設備的成本還需進一步降低。一方面，通過技術創新研發低功率、低成本的激光器件；另一方面，政府也應出臺相關扶持政策，鼓勵企業投入研發，促進這一技術的應用，提高公眾對這一新興技術的認知和接受度。未來，激光技術在食品3D打印中的應用會越來越廣泛，為人類提供更加健康、美味、個性化的食品，助力食品制造業向智能、個性化和可持續的方向發展。

引文格式：

童強, 肖帥磊, 姜宇, 等. 激光技術在食品3D打印中的應用及發展趨勢[J]. 食品科學, 2025, 46(1): 315-321. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20240325-186.

TONG Qiang, XIAO Shuailei, JIANG Yu, et al. Application and development trend of laser technology in food 3D printing[J].Food Science, 2025, 46(1): 315-321. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20240325-186.

實習編輯：安宏琳；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

為匯聚全球智慧共探產業變革方向，搭建跨學科、跨國界的協同創新平臺，由北京食品科學研究院、中國肉類食品綜合研究中心、國家市場監督管理總局技術創新中心（動物替代蛋白）、中國食品雜志社《食品科學》雜志（EI收錄）、中國食品雜志社《Food Science and Human Wellness》雜志（SCI收錄）、中國食品雜志社《Journal of Future Foods》雜志（ESCI收錄）主辦，西南大學、 重慶市農業科學院、 重慶市農產品加工業技術創新聯盟、重慶工商大學、重慶三峽學院、西華大學、成都大學、四川旅游學院、北京聯合大學、 中國-匈牙利食品科學“一帶一路”聯合實驗室（籌） 共同主辦 的“ 第三屆大食物觀·未來食品科技創新國際研討會 ”， 將于2026年4月25-26日 （4月24日全天報到） 在中國 重慶召開。

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