三维（3D）食品打印（3DFP）正通过实现产品定制化与个性化重塑食品工业。该技术可实现食品的逐层精确配方，使研究人员能够根据功能特性、个体膳食需求与偏好融入特定配料。不溶性膳食纤维（DF）已被证实可在多种应用中增强持水性、质地及结构完整性，包括烘焙产品、植物基肉类类似物（PBMAs）及其他功能性食品。DF在3DFP中的利用具有显著优势，包括改善食品可打印性以及结构与营养特性。研究表明，DF的添加量通常在10%–40%范围内，可影响挤出性能、后处理稳定性及打印产品的感官品质。本综述探讨了DF的来源、其对食品打印性能的影响，以及DF与蛋白质、可溶性纤维、甜味剂和脂肪通过水合作用、结合、凝胶化及网络形成产生的相互作用。这些相互作用共同塑造了3D打印食品的可打印性与最终品质。本综述还讨论了与DF加工性相关的挑战，以及为实现理想可打印性与后处理特性所需的优化工艺，从而为开发营养强化型功能性食品做出贡献。
本综述系统探讨了不溶性膳食纤维（DF）在三维食品打印（3DFP）中的应用潜力，涵盖DF的来源与组成、改性技术、与其他食品配料的相互作用、关键打印参数及其在3D打印产品中的技术功能性。
**1 引言**
该部分阐述了膳食纤维（DF）的生理益处，包括促进肠道健康、降低胆固醇、控制血糖水平及增加矿物质吸收。DF按水溶性可分为可溶性纤维（如菊粉、果胶、半乳甘露聚糖）与不溶性纤维（如纤维素、半纤维素、木质素）。不溶性膳食纤维尤其有利于减少食品浪费并推动循环经济，因其通常来源于果蔬及全谷物加工副产物。DF的独特技术功能性与生理属性源于其特定的理化与结构特性，包括持水性、颗粒粗糙度等，这些特性影响食品的感官属性及人体生理反应。同时，改性策略（如高能湿法介质研磨）可进一步提升DF功能特性。此外，虽3D食品打印（3DFP）技术可实现食品定制化生产，但DF与食品组分的加工适配性及相容性仍需深入研究。
**2 DF的组成与来源**
**2.1 组成**
DF主要由纤维素、部分半纤维素和木质素组成。纤维素是植物细胞壁的主要结构成分；半纤维素存在于初生和次生细胞壁中；木质素则作为附加成分强化细胞壁结构。
**2.1.1 纤维素**
纤维素为刚性、粗大的不溶于水组分，但因其分子链中大量羟基而具有强亲水性。纤维素分子聚集形成微纤丝，其中高度有序的结晶区与无序的无定形区交替排列。结晶度影响其机械性能、持水性及打印后稳定性等功能特性。胡萝卜豆芙果肉、菠萝蜜皮及脱蜡大麦秸秆等是潜在的纤维素来源。研究表明，角豆荚果肉纤维素提取物可改善3D打印食品的保形性与结构特性；菠萝蜜皮提取纤维素的得率达64%–65%，其持水性与持油性优于商用纤维素。
**2.1.2 半纤维素**
半纤维素的化学结构（包括单体单元、侧链取代及分支）影响其理化性质。例如，魔芋葡甘露聚糖（KGM）在碱性条件下脱除乙酰基后，葡甘露聚糖链聚集形成凝胶，这一特性可用于开发脂肪类似物。研究人员利用椰子油和KGM开发了3D打印植物基脂肪类似物油墨，该油墨具有良好的均质性和可打印性，高温烹饪时可释放油滴以模拟动物脂肪行为。此外，半纤维素的粒度影响其水溶性，研磨可减小粒径、增加比表面积并暴露亲水基团，从而提高水溶性指数（WSI）。罗望子种子多糖（TSP）作为半纤维素的一种，具有良好的凝胶、乳化和增稠特性，可形成稳定的凝胶网络，适用于3D食品打印中的食品添加剂。
**2.1.3 木质素**
木质素是从三种主要单体（松柏醇、芥子醇和对香豆醇）衍生而来的大型酚类聚合物，分别形成愈创木基（G）、紫丁香基（S）和对羟基苯基（H）单元。木质素组成因植物种类、解剖部位及发育阶段而异，这些因素影响其整体技术功能性。近年来，木质素在3D打印农业副产物中的应用日益增加，代表了减少废物处理和材料生产环境影响的零废弃趋势。木质素是优异的3D打印油墨材料，可通过羟基、羰基和羧基等功能基团与其他物质相互作用，为产品提供优异的强度和刚度，但目前其在可食用3D食品打印中的应用研究有限。
**2.2 来源**
**2.2.1 椰枣果渣**
椰枣（Phoenix dactylifera L.）营养丰富，含有可溶性糖、膳食纤维、矿物质、维生素及酚类化合物等。椰枣纤维来源于椰枣糖浆加工副产物——椰枣果渣，其总膳食纤维含量为42%–49%（主要为不溶性纤维），并富含酚类化合物等抗氧化成分。椰枣DF由纤维素、半纤维素及大量木质素等酚类纤维组成，具有独特的红棕色，可用于3D打印产品。研究表明，椰枣DF具有良好的水和油保持能力，是3D打印油墨的关键特性，但尚无将其直接用作3D打印油墨材料的报道。
**2.2.2 大豆渣**
大豆渣（Okara）是豆浆和豆腐加工副产物，富含膳食纤维（约60%）和蛋白质（15.2%–33.4%）。其膳食纤维主要包括不溶性DF，如纤维素（5.5%）、半纤维素（12%）、木质素（11.5%）及植酸（0.2%）。大豆渣的纤维结构可作为支柱强化食品的质地与结构，近年来已被用于开发3D打印肉制品类似物和饼干等产品。
**2.2.3 小麦麸皮**
小麦麸皮及大米、燕麦、大麦等谷物麸皮是谷物碾磨工业的副产物，主要由不溶性纤维组成，含少量可溶性纤维。小麦麸皮约含60%碳水化合物，其中约90%为非淀粉多糖（主要为阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖），并含大量蛋白质（13%–18%）和脂肪（3%–5%）。其棕色及粗糙质地显著影响食品最终质地，常需研磨等改性处理。不同粒径的麸皮表现出差异化的持水能力和抗氧化特性，粗麸皮通常比细麸皮持水性更好。
**2.2.4 马铃薯皮/残渣**
马铃薯皮是马铃薯淀粉和面粉加工及罐头工业产生的副产物，约占原料鲜重的40%。干马铃薯皮含有大量膳食纤维（约76%），包括约3%可溶性纤维（果胶和树胶）和73%不溶性纤维（纤维素、半纤维素和木质素），此外还含约14%蛋白质、8%水分、约5%灰分及微量脂肪（约1%），并富含淀粉（约37%）。马铃薯皮纤维通常用于增强零食、面包、蛋糕和饼干等产品的质地和纤维含量，在3D打印中可改善打印特性并影响空气油炸后的孔隙率。
**3 DF改性**
DF改性技术分为物理、化学、生物及组合方法，旨在增强DF功能特性并优化其应用。
**3.1 DF改性技术**
**3.1.1 物理改性**
（i）研磨：通过减小DF材料粒径以增加比表面积和分散性，创建可打印油墨。马铃薯皮细颗粒可获得更光滑的物料流动和稳定结构，而大豆渣粒径减小则导致持水性（WHC）降低从而影响产品结构。
（ii）超声处理：利用高频声波（≥80 W）破坏植物细胞壁，产生更小粒径并提高提取效率。超声处理可改善DF溶胀性、WHC和持油性（OHC），从而提升打印性能。
（iii）微波处理：利用电磁辐射快速加热DF，增强材料色泽和加工性。燕麦麸皮经微波处理后可提亮面团色泽并改善流变特性，减少过度褐变和产品收缩。
（iv）其他物理处理方式：脉冲光处理可增强DF表面特性，但效果不如高强度超声和真空微波处理。
**3.1.2 其他改性**
化学处理（如酸解、碱解和醚化）可改善DF的技术功能性。例如，酸解处理可增强脱脂椰渣DF的OHC和色泽；碱性过氧化氢处理可破坏荞麦秸秆DF的木质纤维素结构。生物改性通过酶解或发酵实现，纤维素酶可用于水解DF的β-糖苷键，暴露羟基/羧基；发酵处理可产生更疏松多孔的结构，提高孔隙率和功能特性。
**3.2 改性DF的功能特性**
**3.2.1 持水性和持油性**
WHC受比表面积、化学组成、孔隙和粒径等因素影响。动态高压微流体处理、高压均质、酶解和发酵等改性方法均可提高DF的WHC。OHC对脂肪吸收、改善乳液稳定性和增强食品感官品质至关重要。高温蒸汽处理、高压处理、酸处理、酶处理及发酵等方法可影响不同来源DF的OHC。超声处理大豆渣纤维可改善3D打印饼干的WHC和OHC，而研磨减小粒径则可能降低WHC并损害挤出稳定性。
**3.2.2 结构稳定性**
减小马铃薯皮粒径可通过形成更均质的油墨显著改善3D打印产品的结构稳定性。细颗粒（<0.125 mm）可实现光滑挤出、均匀微观结构和更精确的层状形成。碱水解可减小沙田柚皮DF粒径以增强挤出过程；真空微波灭酶处理可维持3D打印烘焙零食的尺寸稳定性。粒径减小可改善油墨均匀度，防止产品表面不平整。
**3.2.3 粘弹性**
改性DF可增强3DFP油墨的粘弹性。高强度超声处理小麦麸皮可增加油墨的屈服应力、复数粘度和损耗因子，表明处理改善了油墨弹性和抗变形能力。类似增强效果也见于微波和脉冲光处理后的麸皮，处理后面团粘度增加可改善烘焙零食的保形性。高粘度与平衡剪切稀化行为的结合可实现光滑挤出，促进更好的层沉积。
**3.2.4 质地增强**
改变DF粒径可调控3D打印食品的质地特性。大豆渣和马铃薯皮DF粒径<100 µm时可改善硬度和咀嚼性，这归因于DF促进了更强的蛋白质-淀粉相互作用，形成更致密、更具内聚性的结构。改性DF还可减少纤维聚集，促进共价键和二硫键形成，从而强化产品结构。超声处理可通过改善DF、脂质和蛋白质间的相互作用来影响粘附性。
**3.2.5 消化率和健康效应**
DF的物理改性可改善其健康促进特性，如消化率、酶抑制能力和有害物质吸附能力。DF抑制α-淀粉酶、延缓淀粉消化，有利于控制餐后血糖和预防代谢紊乱。改性还可提高DF的抗氧化活性、葡萄糖吸附能力、亚硝酸盐吸附能力和重金属吸附能力，支持个性化营养打印产品的发展，满足特定消费群体（如吞咽困难老年人）的需求。
**4 DF与其他材料的相互作用**
**4.1 植物基蛋白质**
DF的添加可通过结合水改善WHC，进而影响豌豆、大豆和小麦蛋白等植物基蛋白质3D打印产品的质地（硬度、咀嚼性）、拉伸强度和流变特性。其作用机制包括：（i）氢键和网络形成：最佳DF水平下可实现纤维与蛋白质间的氢键和网络形成，过量DF则导致打印困难、结构薄弱和恢复性差；（ii）交联和键合：DF可增强蛋白质-蛋白质网络间的交联，提高产品致密性，增加硬度、咀嚼性和胶着性；（iii）增加油墨粘度和屈服应力：蛋白质-纤维相互作用（如氢键和二硫键）增强机械强度和挤出稳定性。研究表明，大豆渣DF在PBMA油墨中最佳浓度为10%–15%，可实现最佳打印性能和产品品质。
**4.2 淀粉**
不溶性纤维与淀粉通过非共价键相互作用。研究表明，燕麦DF-糊化淀粉复合物中，纤维素在最佳浓度（20%）下可与淀粉形成氢键，稳定界面颗粒吸附。DF物理截留于糊化淀粉网络中，赋予独特的流变特性和3D打印性能。DF还可通过结合水分子限制其运动，降低全麦糊化粘度，使其更适合3D打印。
**4.3 可溶性膳食纤维**
黄原胶（XG）、果胶（PE）、瓜尔胶（GG）、羧甲基纤维素（CMC）、低酰基结冷胶（LAGG）和刺槐豆胶（LG）等亲水胶体可影响3D打印食品的粘度、打印精度、尺寸稳定性、蒸煮损失和质地。XG和GG组合可改善猪肉和牛肉酱料的自支撑能力和流动性；XG和PE尤其有效于增强肉类类似物的打印精度；GG和LG有助于提高水分保持率。魔芋葡甘露聚糖与燕麦麸皮的组合对面条3D打印质量产生 distinct 影响：魔芋作为粘合剂增强面团粘度和弹性，燕麦麸皮通过增强水结合维持面条的蒸煮损失和结构完整性，但过量魔芋会增加蒸煮损失和断裂率。
**4.4 甜味剂**
糖通过多种机制改善油墨可打印性和3D打印产品性能：增加油墨粘度、降低水分活度、提高结晶度和质地特性（尤其是粘附性）。未精制糖可改善大米粉基油墨的可打印性；耶壳根纤维（含低聚果糖和菊粉）和 Monk果（含低聚半乳糖）则因粘度略高导致挤出不一致。Stevia因内聚性差、结构恢复低和剪切下不稳定而效果最差。
**4.5 脂肪和其他配料**
脂肪可改善纤维素纳米纤维（CNF）的3D打印性能，高脂肪脱脂奶粉可减少堵塞效应和混合物分离。脂肪作为软化剂或润滑剂，减少材料间摩擦并增加油墨流动。生物表面活性剂与乙基（羟乙基）纤维素（MAC-60）基减脂PBMA配方结合，可增强产品孔隙率，产生理想的感官特性和纤维感。
**5 DF在3D打印产品中的技术功能性**
不溶性纤维通过影响油墨和打印产品的理化特性和技术功能性，在3D食品打印中发挥关键作用。表4概述了近期3D打印食品配方及DF的关键技术功能性。DF的应用涵盖零食、饼干、面条和PBMA等产品：大豆渣用于3D打印饼干可改善油墨可打印性、粘附性和视觉外观；葡萄果渣和碎小麦用于饼干可改变面团粘度；大豆渣用于PBMA可改善打印质量和产品质地；马铃薯加工副产物用于空气炸山药零食可改善面糊特性和打印稳定性；马铃薯和大豆副产物的加入不仅增强3D打印食品的营养价值，还改善了质地、孔隙率和稳定性，无需额外添加剂。
**6 基于挤出的3D打印关键参数**
**6.1 喷嘴尺寸**
喷嘴直径直接影响打印产品的表面光滑度和精度。喷嘴直径减小可提高最终打印质量，但过小会导致挤出压力增大，破坏有序堆叠；过大则导致表面粗糙和清晰度差。研究表明，0.8 mm喷嘴直径对大豆渣饼干具有最佳的表面和结构质量平衡；1.22 mm喷嘴对珍珠粟粉和香蕉果肉混合物具有更佳的分辨率和精度；1.28 mm喷嘴对碎小麦和葡萄果渣饼干维持更好的打印分辨率和层间粘附。喷嘴高度（相对于喷嘴直径）是确保适当材料流动和打印精度的另一关键因素，较低喷嘴高度（约喷嘴直径的25%–50%）可改善低粘度样品的沉积稳定性。
**6.2 打印速度和流速**
打印速度调节材料沉积到打印表面的速率。较低速度时油墨流动不稳定，可能导致产品表面不规则；过高速度则导致材料挤出与喷嘴运动不匹配，产生不规则表面和形状变形。50 mm/s速度可为大豆渣饼干提供清晰稳定的圆柱结构；400 mm/min速度可在碎小麦和葡萄果渣饼干中实现精度、形状稳定性和连续材料流的平衡；600 mm/min速度和120 rpm电机速度可改善珍珠粟粉和香蕉果肉混合物的挤出控制和形状形成。较高DF浓度增加油墨粘度和内摩擦，降低流动性，因此高打印速度可能导致层连续性和材料沉积不均。
**6.3 打印温度**
打印温度影响含预糊化玉米淀粉（PGCS）的复合食品配方。温度从27°C升至47°C时，4% PGCS配方误差百分比增幅最大，屈服应力最低，导致材料沉积不足和形状清晰度差；而6%、8%和10% PGCS配方表现出更光滑均匀的挤出丝和更准确的二维结构。柑橘纤维凝胶的复数模量和溶胀能力随温度升高而增加，表明DF有助于形成更强的凝胶结构。适度提高含DF食品油墨的打印温度可增强结构稳定性和形状保持能力，但过高温度会增加粘度，导致油墨流动性差。
**6.4 与基于挤出的3D打印相关的其他参数**
内部填充率对维持3D打印食品结构的机械稳定性和表面质量至关重要。低填充率削弱内部支撑导致表面坍塌；高填充率导致材料过度堆积降低打印精度。50%填充率为小麦粉和冻干芒果粉面团提供最佳平衡；30%填充率为大豆渣油墨提供交叉支撑结构。挤出机电机速度决定含DF油墨材料从注射器到喷嘴的流动性，纤维丰富面团需要更大力进行挤出。打印速度、喷嘴尺寸和电机速度需协同调整以避免打印不一致。 extrusion rate 直接影响打印鱼糜浆料的丝径，过高导致过度铺展，过低导致输出不规则，理想挤出速率需根据喷嘴直径精确调整。
**7 总结与未来展望**
DF在3D食品打印中的纳入是具有前景的研发领域，但仍面临诸多挑战。未来工作应聚焦五个关键方面：精确调控DF改性技术；深入研究多组分协同机制；解决可打印性与规模化问题；克服材料变异性和局限性；以及提升消费者接受度与食品安全。通过优化打印机硬件和软件、设计适合大规模操作的DF基配方，以及开展公众教育活动，可推动3D打印营养强化功能性食品的发展。
