食品3D打印的發(fā)展及挑戰(zhàn)

李光玲

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214405）

3D打?。?Dprinting），以前通常稱為快速成型（RP）。它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)逐層將粉末狀金屬、塑料等可粘合材料或者光敏樹(shù)脂等以打印的方式構(gòu)造物體。目前，該技術(shù)在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域都有應(yīng)用［1－3］。

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對(duì)3D打印技術(shù)在新領(lǐng)域的不斷嘗試，3D打印在食品領(lǐng)域呈現(xiàn)了全新的應(yīng)用，利用3D食品打印機(jī)“打印”出了精美的食品，如巧克力、餅干、糕點(diǎn)等［4］。

1 3D打印機(jī)原理與構(gòu)成

1.1 FDM 3D打印機(jī)基本原理與結(jié)構(gòu)

3D打印有很多種實(shí)現(xiàn)方法，但目前被人們所廣泛認(rèn)識(shí)和熟悉的是一種稱為熔融沉積成型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）的工藝技術(shù)，流行的桌面型3D打印機(jī)大部分都采用這種技術(shù)。它是將熱熔性材料（ABS、尼龍或蠟）通過(guò)加熱器熔化，擠壓噴出并按截面形狀堆積一個(gè)層面，然后將第2個(gè)層面用同樣的方法建造出來(lái)，并與前一個(gè)層面熔結(jié)在一起，如此層層堆積而獲得一個(gè)三維實(shí)體［3］。

根據(jù)上述3D打印機(jī)的原理，可以用各種各樣的材料來(lái)成型，開(kāi)發(fā)出多種食品3D打印機(jī)就是一件不難想象的事情了。其主要由下面幾部分構(gòu)成：

（1）機(jī)架：承載打印機(jī)的各個(gè)部件，其中包括X、Y、Z運(yùn)動(dòng)部件，因?yàn)榇蛴C(jī)工作時(shí)，X軸、Y軸在不斷的運(yùn)動(dòng)，所以為了減輕噴頭運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)量對(duì)機(jī)體沖擊，必須要保證機(jī)架的整體剛性。

（2）機(jī)械軸：即X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)的部件，通常采用直角坐標(biāo)型，也就是X、Y、Z軸相互垂直，X、Y軸通常是由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶來(lái)定位的，Z軸則是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿來(lái)控制的。

（3）控制電路：控制電路的基本結(jié)構(gòu)是由控制主板、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、噴嘴控制及其他輸出接口構(gòu)成。

（4）成型平臺(tái)：通常是一塊平板，承載要成型的物體，成型過(guò)程中，有的是在Z軸電機(jī)帶動(dòng)下可上下移動(dòng)，有的是靜止不動(dòng)。

（5）噴嘴和擠出機(jī)構(gòu)：成型材料在噴嘴里被加熱熔化并在擠出機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下擠出，在X、Y軸電機(jī)的控制下按截面形狀成型。

1.2 Arduino開(kāi)源硬件技術(shù)

3D打印技術(shù)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始出現(xiàn)，到本世紀(jì)初，3D打印機(jī)還鮮為人知，主要是因?yàn)閮r(jià)格昂貴，只應(yīng)用于模具開(kāi)發(fā)、原型設(shè)計(jì)等工業(yè)上游環(huán)節(jié)，最便宜的國(guó)產(chǎn)FDM型3D打印機(jī)也要接近20萬(wàn)元人民幣。但近幾年，3D打印技術(shù)迅速得到普及，價(jià)格也變得極其低廉，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上有3 000元左右人民幣的3D打印機(jī)出售，且其打印速度和質(zhì)量還較好，這主要是開(kāi)源硬件Arduino技術(shù)的發(fā)展所致。

1.2.1 開(kāi)源硬件 根據(jù)來(lái)自Terry Wohlers的2012版產(chǎn)業(yè)分析［5］，預(yù)計(jì)2019年，3D打印市場(chǎng)規(guī)模將上升至70億美元，而讓這場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命成功的卻只是一個(gè)電子原型平臺(tái)，該平臺(tái)包括一片具備簡(jiǎn)單I/O功效的電路板以及一套程序開(kāi)發(fā)環(huán)境—開(kāi)源硬件Arduino。開(kāi)源硬件，就是通過(guò)開(kāi)源的方式授權(quán)設(shè)計(jì)圖、原料表和上面執(zhí)行軟件，可以根據(jù)自己的意愿對(duì)產(chǎn)品做出修改，甚至生產(chǎn)和銷售。

1.2.2 Arduino硬件平臺(tái) Arduino源于5個(gè)國(guó)際工程師（意大利的 Massimo Banzi，Gianluca Martino，西班牙的 David Cuartielles和美國(guó)的David Mellis、Tom Igoe）合作開(kāi)發(fā)的一個(gè)小項(xiàng)目，可以開(kāi)發(fā)出與PC相連的周邊裝置或可獨(dú)立運(yùn)作并具互動(dòng)性的電子產(chǎn)品，同時(shí)，也可成為獨(dú)立的與PC上的軟件溝通的平臺(tái)［6］。這個(gè)開(kāi)放平臺(tái)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）低成本，微處理器容易購(gòu)買。

（2）Arduino軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（Arduino IDE）是免費(fèi)、開(kāi)源的，硬件也是開(kāi)源的。

（3）支持多種跨平臺(tái)互動(dòng)軟件。

（4）其所有資源都可以免費(fèi)下載，且可以根據(jù)需要重新構(gòu)建或修改，語(yǔ)言可以被輕松掌握且足夠靈活。

正是由于Arduino技術(shù)和相關(guān)的開(kāi)源技術(shù)的上述特點(diǎn)，3D打印變得透明了，制造過(guò)程得到了極大簡(jiǎn)化，成本迅速降低，從而使3D打印技術(shù)在短時(shí)間得到普及。

2 食品3D打印機(jī)

2.1 食品3D打印機(jī)原理

3D食品打印機(jī)的原理與FDM打印技術(shù)類似，但打印材料不是塑料或其它的工業(yè)材料，而是可以擠出的一種或數(shù)種液態(tài)或糊狀的配方食材。這種機(jī)器由控制電腦、食材擠出器、輸送裝置等幾部分組成，食品的造型和配方預(yù)先保存在電腦中，食物的材料和配料預(yù)先放入容器內(nèi)，使用者在多種立體形狀中挑選喜歡的造型，點(diǎn)擊“打印”后，打印頭上的噴頭就會(huì)將食材逐行、逐層地鋪上去，從而實(shí)現(xiàn)食品的3D打印。圖1是一臺(tái)已經(jīng)制造出食品的3D打印機(jī)。

圖1 食品3D打印機(jī)Figure 1 3Dfood printer

2.2 食品3D打印的現(xiàn)狀

目前，3D食品打印機(jī)主要有3DSystems在CES2014展出的ChefJet和ChefJet Pro兩款，以及巴塞羅那Natural Machines公司推出的一款消費(fèi)級(jí)的Foodini 3D食品打印機(jī)。

ChefJet系列打印機(jī)主要使用糖作為打印材料，F(xiàn)oodini 3D食品打印機(jī)則可以打印出糕點(diǎn)、肉餅、巧克力等食品［7］。3D食品打印機(jī)在使用時(shí)，首先要將準(zhǔn)備好的食材原料攪拌成泥狀，然后通過(guò)噴頭將泥狀食材按預(yù)先設(shè)定好的形狀及圖案噴出，或在模具中噴壓成型，最后將成型的食材放入烤箱進(jìn)行烘烤即可。由于成型圖案可預(yù)先在設(shè)備中進(jìn)行設(shè)定，因此可打印出較多形狀可愛(ài)的圖案，不足是成型表面略顯粗糙。如圖2～5所示是經(jīng)食品3D打印機(jī)得到的食品。

2.3 食品3D打印的發(fā)展

普遍認(rèn)為，3D食品打印機(jī)有助于利用全新食材便捷地制作非傳統(tǒng)食品，它會(huì)對(duì)人類今后的食物和飲食習(xí)慣產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響［8］。

圖2 3D“打印”的霜糖Figure 2 3Dprint cream sugar

圖3 3D“打印”的干酪航天飛機(jī)Figure 3 3Dprint of the cheese space shuttle

圖4 3D“打印”的巧克力Figure 4 3Dprint chocolate

圖5 3D“打印”的芹菜夾心火雞肉Figure 5 3Dprint celery sandwich Turkey

（1）它使人們的太空旅行夢(mèng)想變得更近了。為了能在太空中進(jìn)行更廣闊的遨游，就必須在太空飛船上儲(chǔ)備足夠的食物，而運(yùn)輸?shù)某杀居譀Q定了這些食物不能超重且不能占據(jù)太多的空間。3D食物打印可以使宇航員擁有一個(gè)超級(jí)濃縮的廚房，有效地節(jié)省太空艙的有限空間，可以輔助人類完成更具挑戰(zhàn)性的太空探索任務(wù)。例如，美國(guó)宇航局曾向3D打印機(jī)廠商系統(tǒng)與材料研究公司（SMRC）提供一筆為期6個(gè)月的12.5萬(wàn)美元資金，要求其研制一種通用型食物合成器［9］。

（2）3D食物打印為緩解今后糧食可能不足的難題提供了一種解決方案。根據(jù)美國(guó)人口調(diào)查局和聯(lián)合國(guó)人口基金會(huì)［10］的預(yù)計(jì)，全世界人口將在未來(lái)數(shù)十年持續(xù)增長(zhǎng)，這意味著未來(lái)糧食供應(yīng)不足的問(wèn)題將更加嚴(yán)峻。3D食物打印有可能從人類目前不太食用的物質(zhì)中提取出需要的營(yíng)養(yǎng)成分，然后利用3D打印技術(shù)制作出新的食物。例如，荷蘭的相關(guān)組織正在設(shè)想從藻類、甜菜葉及昆蟲(chóng)這些可持續(xù)資源中提取營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行3D打?。?1］。

此外，3D食物打印能夠滿足人們豐富多彩的個(gè)性需求，不僅可根據(jù)不同年齡段制訂個(gè)性化的營(yíng)養(yǎng)配方，而且還可使3D食物打印成為懶人和特殊人群的果腹之道。

2.4 食品3D打印的應(yīng)用前景

中國(guó)目前3D打印雖然還處于產(chǎn)業(yè)化的初級(jí)階段，但行業(yè)發(fā)展形勢(shì)良好，在設(shè)備、材料、軟件等核心領(lǐng)域可以不同程度實(shí)現(xiàn)自給［11，12］，在文化創(chuàng)意、工業(yè)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。3D打印是一個(gè)發(fā)展快速且市場(chǎng)潛力巨大的新興行業(yè)。據(jù)世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng)、中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟執(zhí)行理事長(zhǎng)羅軍［13］預(yù)測(cè)，未來(lái)3～5年將是3D打印技術(shù)最為關(guān)鍵的發(fā)展機(jī)遇期，如果推進(jìn)順利，到2016年產(chǎn)值將達(dá)百億元人民幣。

隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟和完善，以及越來(lái)越多的消費(fèi)者對(duì)3D食品打印的好奇和熱衷，3D食品打印技術(shù)有望走入消費(fèi)者的日常生活，同時(shí)也有可能幫助人類解決未來(lái)即將面臨的食品危機(jī)［14－16］。胡迪·利普森等［17］認(rèn)為，利用3D食品打印技術(shù)未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)自身量化飲食，如糖尿病患者可以上傳血糖數(shù)據(jù)，然后用軟件計(jì)算出下一餐的營(yíng)養(yǎng)均衡食譜，并將食譜發(fā)送給廚房里的3D食品打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)合理飲食，再也不必?fù)?dān)心飲食不合理帶來(lái)的肥胖困擾。同時(shí)，數(shù)字烹飪技術(shù)還可以烹飪出傳統(tǒng)烹飪技術(shù)無(wú)法得到的口味以及形狀；可以將食品3D打印技術(shù)和3D掃描技術(shù)相結(jié)合，制作出更加具有特色的新產(chǎn)品［18］，例如可以掃描并打印出帶有新郎、新娘頭像的糖果、巧克力等禮品用以贈(zèng)送親友。

2.5 食品3D打印面臨的挑戰(zhàn)

雖然3D食品打印技術(shù)已取得了初步的成功，但要得到更廣泛的推廣應(yīng)用，還需克服幾項(xiàng)挑戰(zhàn)：

（1）安全性：因3D食品打印機(jī)打印出來(lái)的每件產(chǎn)品都是用來(lái)食用的，必須保證其安全性。因此，必須保證3D食品打印機(jī)的各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)以及打印所選用的相關(guān)食材都是安全的。

（2）成本和速度：3D食品打印效率低，成本相對(duì)較高，批量化、規(guī)?；a(chǎn)受到限制，這與普通食品生產(chǎn)方式相比存在不小的劣勢(shì)。但這一劣勢(shì)會(huì)隨著勞動(dòng)力成本的不斷攀升而消失；另外，在一些個(gè)性化、造型復(fù)雜的食品生產(chǎn)中，3D打印成本反而會(huì)更低。

（3）口感：3D食品打印機(jī)打印出來(lái)的產(chǎn)品必須味道適宜，才能被大眾所接受。因此，如何保證各類食材在穿過(guò)機(jī)器之后，仍能滿足人類的味蕾，將是食品科學(xué)家們考慮的另一個(gè)重要問(wèn)題。

（4）材料的限制：3D打印適合打印液體、糊狀或粉狀的食材，這就必須將人類通常食用的魚(yú)、肉、蔬菜等食材變成糊狀才能實(shí)施打印。目前僅適應(yīng)以漿料狀等原料打印的食品，如糕點(diǎn)、糖果等，餐桌上的絕大多數(shù)菜肴還難以打印出來(lái)，這無(wú)疑會(huì)限制食品3D打印的應(yīng)用。

除此之外，面對(duì)打印出來(lái)的食物是否可以放心食用的疑問(wèn)，還需解決或打破大眾的心理障礙，使得更多的消費(fèi)者愿意接受3D打印的食物。

上述困難并未影響3D打印研究者和愿意采用新技術(shù)制作美食的美食家對(duì)3D食品打印的大膽構(gòu)想和嘗試［19］。馬塞洛·科埃略和杰米·英根伯［17］領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了“科納科皮亞”概念，為未來(lái)家庭構(gòu)思了4款打印機(jī)，分別是數(shù)字巧克力機(jī)、數(shù)字加工器、機(jī)器人廚師和專業(yè)攪拌器等。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著食品3D打印的快速發(fā)展，各種各樣的食品3D打印機(jī)將逐漸開(kāi)發(fā)出來(lái)。未來(lái)蛋糕店的蛋糕將不是由糕點(diǎn)師手工制作，而是由3D打印機(jī)打印出來(lái)的，這在勞動(dòng)力成本越來(lái)越高的今天將極具吸引力。未來(lái)3D食品打印機(jī)將真正走進(jìn)廚房，并與網(wǎng)絡(luò)連接，人們“下班前發(fā)出指令消息，回家后享用美味晚餐”的美好設(shè)想終將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

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