4D打印面团：烘焙后面团纤维的形状变化机制

《Food Research International》：4D-printing of dough: Shape shifting mechanism of baked dough filaments

豌豆基4D打印材料通过气泡诱导弯曲机制实现热响应形状编程，系统研究打印路径与烘焙参数对变形行为的影响，成功开发可食用餐具和花状结构，为植物基材料4D打印提供理论支撑与实践指导。

　　

徐梦月|张腾格|莱昂纳德·M·C·萨吉斯|梅赫迪·哈比比

瓦赫宁根大学食品物理与物理化学实验室，荷兰瓦赫宁根Bornse Weilanden 9, 6708, WG

摘要

在热处理过程中实现可预测和功能性的形状变化仍然是4D食品打印领域的核心挑战，这主要是由于对浓缩植物基配方中变形机制的理解不足。

在这里，我们提出了一种由气泡引起的弯曲机制来解释观察到的热诱导变形行为，即高固体颗粒-淀粉基质内部气泡的大小、体积和分布的差异与局部曲率有关。使用常见的豌豆基配方作为模型系统，结果表明这种机制与打印路径设计和弯曲方向之间存在关联，从而实现了可预测和可编程的形状变换。系统性的烘焙条件变化和打印几何形状的变化支持了所提出机制的普遍性及其预测潜力。

基于这一机制框架，在实际的烘焙条件下实现了定制的可食用结构，包括可打印的餐具和类似花朵的构造，作为概念验证的实例。

这些发现为设计热响应性食品结构提供了机制基础，并加深了对浓缩植物基胶体系统中微观结构-功能关系的理解。

引言

4D打印是3D打印的延伸，它允许通过添加制造的结构在外部刺激和/或内部信号的作用下随时间发生可控的形状变化（Tibbits, 2014; W. Wang等人, 2017）。虽然3D打印侧重于逐层创建静态物体，但4D打印强调响应刺激和预先设计的变形——这些变形可以由温度、湿度、光线、pH值或磁场触发——也可以由细胞产生的收缩应力等生物/内部力量触发（J. Chen等人, 2025; Ding等人, 2025; Mirasadi等人, 2025; Rahmatabadi等人, 2025; Tibbits, 2014）。这一能力扩展了其在食品、医药、包装和建筑等多个领域的应用潜力（Ahmed等人, 2021; Kuang等人, 2019; Teng等人, 2021; Tibbits, 2014）。

尽管已有大量研究探索了各种材料及其形状变化特性，展示了其在各个行业的广泛应用前景，但许多材料缺乏可持续性，这限制了它们在环保应用中的适用性。相比之下，尽管4D打印具有巨大潜力，但食品行业的相关研究相对较少（Ghazal等人, 2023; He等人, 2020）。4D打印能够制造出响应性、功能性强且定制化的食品产品，这正好满足了消费者对个性化营养和新型感官体验的需求（Tao等人, 2021; G. Wang等人, 2024; W. Wang等人, 2017）。实现这些功能需要协调控制配方和加工过程，以调整结构行为、功能属性和质地结果（Ma & Zhang, 2022; Navaf等人, 2022; Teng等人, 2021）。

尽管前景广阔，但目前4D食品打印的研究仍处于早期阶段。现有的研究主要集中在寻找合适的打印墨水以及通过配方策略（如使用天然添加剂）来提高其可打印性和稳定性（Y. Chen等人, 2022）。在其他软材料的挤出打印中也有类似的材料-结构权衡问题（Bayati等人, 2025）。最近的研究还强调了影响4D食品打印性能的关键因素和优化策略，包括打印方法、墨水成分、设计参数和后处理条件（Ghazal等人, 2023; N. Wang, Li等人, 2024）。然而，很少有研究关注使用3D打印机来控制和优化形状变化行为或潜在的变形机制，或将这些原理应用于实际应用。通过理解形状变化背后的机制来填补这些空白对于充分发挥4D打印在食品行业的潜力至关重要。

为了在食品行业更广泛地应用4D打印，研究仍面临许多挑战。食品材料或食品系统非常复杂，含有多种化合物或多个相。这种复杂性使得阐明响应机制、开发可持续且安全的打印墨水以及将这项技术转化为提升功能性和消费者体验的创新食品产品变得困难。要解决这些挑战，需要将配方、结构和工艺条件与观察到的变形行为联系起来。本研究的目标是通过理解形状变化机制来帮助弥合这一差距，并优化和控制4D打印食品的行为，以便实际应用。

为了实现理解和优化4D打印食品系统的形状变化行为的目标，我们选择了豌豆基墨水作为模型材料。豌豆在食品3D打印中越来越受到关注（Chadwick等人, 2024; Venkatachalam等人, 2023），因为它含有丰富的淀粉、膳食纤维和蛋白质，不仅具有营养价值（Hoover等人, 2010），还具有适合结构化的物理化学性质。此外，我们中的一些人最近的研究表明，3D打印的豌豆面团在空气炸制后表现出形状变化行为，表明其具有用于4D食品打印的潜力（Ghorbani等人, 2025）。与合成聚合物相比（Mallakpour等人, 2021; Moosabeiki等人, 2024），豌豆基墨水还具有多个优势：它价格实惠、可持续且环保，其功能特性（如热响应性和结构稳定性）使其成为开发创新3D/4D食品打印结构的理想生物基替代品。

在本研究中，4D打印被视为3D打印的延伸，其中通过添加制造的结构被编程为随时间发生可控的、响应刺激的变形。大多数样品被打印成单层结构，以便清晰观察变形情况，从而有助于理解变形机制。多层设计进一步展示了向实际4D食品应用的可扩展性。基于这一框架，我们研究了温度、加热时间、打印尺寸、填充密度和打印路径如何影响变形行为和功能性能。通过结合这些因素，我们的目标是使豌豆基4D打印结构的形状变化行为既可预测又适用于功能性烹饪产品。

材料

黄色裂皮豌豆（Valle del Sole）购自Albert Heijn（荷兰）。实验中使用的所有水均为MilliQ?超纯水。

样品制备

大约1公斤的干燥去壳黄色裂皮豌豆在Multimill Hosokawa（型号SI 189810，Hosokawa Alpine，奥格斯堡，德国）中研磨，该设备运行在ZPS–Ambient Air模式下。动态分类器转子的速度设置为8000转/分钟，ZPS研磨转子的速度设置为4000转/分钟，同时一个频率控制的鼓风机（38.2赫兹）维持气流。

温度对热变形的影响

为了确保热处理前的可靠挤出和结构完整性，首先对豌豆基墨水的流变行为进行了表征。该材料表现出明显的剪切稀化行为和有限的屈服应力，这一点通过流动曲线分析和Herschel–Bulkley拟合得到证实（图S1，表S1）。振荡应变扫描测试进一步显示，在线性粘弹性区域内存在显著的弹性响应（G′ > G″），支持了稳定的纤维形成和层状结构。

结论

本研究提出了一种与气泡相关的弯曲机制，用于解释热处理后豌豆基打印结构的弯曲现象。第一部分重点研究了单个打印纤维烘焙后的弯曲机制。通过首先检查单纤维结构，表明打印结构内部热诱导的气泡形成促进了空间上的不均匀气泡发展。

作者贡献声明

徐梦月：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。张腾格：数据管理。莱昂纳德·M·C·萨吉斯：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、概念化。梅赫迪·哈比比：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究、概念化。

未引用参考文献

Wang等人，2024

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Lu Zhang提供3D打印机。徐梦月感谢中国国家留学基金委（CSC编号：202206150034）的资助。