三維打印技術(shù)在食品加工領(lǐng)域中的應(yīng)用

周紋羽+李哲+路飛+王橋+陳文慶+陳革+龐文祿+單秀峰

摘要：綜述三維打印技術(shù)的原理，從巧克力糖果制品、烘焙食品、重組性食品等方面對三維打印技術(shù)在食品加工領(lǐng)域的重要發(fā)展的方向進(jìn)行介紹，分析該技術(shù)在食品加工領(lǐng)域中的應(yīng)用、發(fā)展及面臨的挑戰(zhàn)，以期為三維打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：三維打??；食品加工；應(yīng)用；發(fā)展

中圖分類號：TP391.73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）12-0063-04

19世紀(jì)末三維打印技術(shù)才剛剛興起，直到20世紀(jì)80年代才得以實(shí)現(xiàn)并初具規(guī)模。三維打印技術(shù)以計算機(jī)三維設(shè)計模型為基礎(chǔ)，利用軟件分層離散和數(shù)字控制成形的方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞、組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成形，制造出實(shí)體產(chǎn)品。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)面向用戶的食品三維打印機(jī)，其中在CES2014展出了Chef Jet（3D Systems）和Chef Jet Pro兩款以及巴塞羅那Natural Machines公司推出的一款消費(fèi)級的已經(jīng)應(yīng)用于米其林三星餐廳的Foodini三維食品打印機(jī)。

1 三維打印技術(shù)概述

1.1 三維打印技術(shù)的原理

三維打印的基本原理是斷層掃描的逆過程。首先想象一個整體，將它分割切片，片數(shù)為很大的基數(shù)。那么如果計算機(jī)系統(tǒng)可以將每一單獨(dú)的片打印出來，最終將打印好的無數(shù)的片層層疊加到一起，即成為最初的整體，這便是逆過程后形成的三維打印產(chǎn)品。

由于可采用各種各樣的材料（液體、粉末、塑料絲、金屬、沙子、紙張甚至巧克力、人體干細(xì)胞等），而且還有可以自由定型的特點(diǎn)，可定型完全由計算機(jī)掌控，從簡單到復(fù)雜中空的造型都可以實(shí)現(xiàn)，所以三維打印機(jī)是名副其實(shí)的“萬能制造機(jī)”。

1.1.1 熔融沉積成型（FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling） 該工藝屬于絲質(zhì)材料擠出熱熔成型，也稱熔絲制造。所謂熱熔成型，是利用具有熱塑性的材料，通過加熱三維打印機(jī)噴頭擠出材料，并且按照填充軌跡運(yùn)動使材料逐層粘結(jié)形成實(shí)體產(chǎn)品。一個層面沉積完成后，調(diào)整工作臺繼續(xù)完成其他層面，最終打印出立體多面的造型。

1.1.2 光固化立體成型（SLA，Stereo Lithography Appearance） 光固化立體成型是將液態(tài)光敏樹脂材料在可控的紫外光線照射作用下，按照光照順序快速固化成型，其為最早三維打印中采用的一種方法。

1.1.3 選擇性激光燒結(jié)（SLS，Selective Laser Sintering） 此法采用激光作為動力源來燒結(jié)粉末，通過指揮在預(yù)定的三維激光點(diǎn)，激光引信通過掃描顆粒粉末床的特定區(qū)域橫截面一層一層從舊至新開始掃描，然后燒結(jié)成型；之后再次掃描后層層鋪疊。這種方法可以用于生成包含多個層次的食物，成型食物的每一層都由不同的成分組成。SLS多使用燒結(jié)金屬，其優(yōu)點(diǎn)是成件效率高、時間短，無需支撐材料。除此以外，該項(xiàng)技術(shù)也適用于一些食品設(shè)計?；赟LS技術(shù)，使用一種加熱和燒結(jié)材料的紅外激光，可以將營養(yǎng)價值和風(fēng)味加入到食品中。

1.1.4 分層實(shí)體制造（LOM，Laminated Object Manufacturing） 利用激光切割紙張，然后通過分張涂抹熱熔膠或其他形式層層黏結(jié)，疊加獲得有支撐和固化作用的三維實(shí)體零件。

1.1.5 數(shù)字光處理技術(shù)（DLP，Digital Light Processing） 采用帶有高分辨率的數(shù)字光處理器投影儀，用光固化液態(tài)光聚合物。

1.1.6 三維打印黏結(jié)成型（3DP，Three Dimensional Printing and Gluing） 該技術(shù)是利用三維打印機(jī)噴頭噴膠黏劑，選擇性黏結(jié)粉末材料，將黏結(jié)后的物質(zhì)層層疊加得到三維實(shí)物。

三維打印技術(shù)的“秘密”可以概括如下：就將復(fù)雜設(shè)計變成實(shí)體物品而言，3D打印機(jī)比其他生產(chǎn)模式（如人工生產(chǎn)或機(jī)器生產(chǎn)）更精確、更通用，可以將一個復(fù)雜的設(shè)計通過組合不同的原材料以過去不可能的方式創(chuàng)造成實(shí)物。如今，鞋盒大小的塑料物品對于一般的家用三維打印機(jī)已不再是難事；工業(yè)領(lǐng)域的三維打印機(jī)可以制造大到汽車、小到肉眼幾乎無法看到的發(fā)絲般的物品；有些科技人員開始用三維打印機(jī)打印迷你房屋大小的混凝土房屋骨架；而在微觀學(xué)科的角度，肉眼幾乎看不到細(xì)節(jié)的物體已經(jīng)開始被著手研究。

1.2 原料成分對三維打印的影響

根據(jù)化學(xué)組成，三維打印材料分為金屬材料、聚合材料、陶瓷材料和復(fù)合材料。眾所周知，三維打印的成本很高，除了三維打印機(jī)自身的機(jī)器價格較高外，對三維打印材料的高標(biāo)準(zhǔn)要求也使得打印材料的價格久高不下，同時精密度的高低、速度的快慢對材料的影響也越來越大。因此，三維打印由于打印所需的原材料緊缺和價格制約，遲遲難以市場化，也未全面走進(jìn)大眾的生活。三維打印材料及其制備方法的進(jìn)一步研發(fā)與利用，決定著大眾最關(guān)心的三維打印產(chǎn)品的性價比。作為三維打印的核心，打印材料決定了工藝的成型、設(shè)備的結(jié)構(gòu)和成型件的性能。

2 三維打印技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用

三維打印食品技術(shù)建立在三維打印技術(shù)的原理之上，且多采用FDM的技術(shù)原理，將金屬、陶瓷粉末等換成食品物料，而各種物料經(jīng)過混合調(diào)勻成一種糊狀的最佳狀態(tài)，這一最佳狀態(tài)一般為具有固液各自特質(zhì)的形態(tài)，即既可以如固體般有一定的定型能力，又有液體可流動便于造型的特質(zhì)。打印頭與相連的空氣壓縮機(jī)共同協(xié)作所產(chǎn)生的壓力將食材擠出。不同的食物需要不同的配方，不同食材配方又需要施加不同的壓強(qiáng)，有時室溫也會影響食品混合物通過打印頭的流速。打印頭的大小及直徑選擇很關(guān)鍵，太小會導(dǎo)致擠壓速度過慢，太大又會使打印出的食物表面粗糙。

一般來說，與建材金屬類打印機(jī)不同的是，食品三維打印機(jī)對零部件的要求更加苛刻。由于食品要求安全無毒無害無副作用的特質(zhì)，所以與物料直接接觸的物料盒、運(yùn)輸管道等都需要達(dá)到國際食品安全標(biāo)準(zhǔn)。此外，三維打印機(jī)也需同其他食品加工設(shè)備一樣具有易于拆卸、便于清洗的特質(zhì)。

根據(jù)逐層堆積的原理，三維打印食品因?yàn)槲锪系奶匦裕ㄎ锪系臓顟B(tài)要求為軟材料如糊狀）暫時具有一定的局限性。在物料制造過程中，軟材料擠出技術(shù)已經(jīng)適用于可混合和自動多層疊加的食品中，如生面團(tuán)、肉糜和加工奶酪等。

2.1 三維打印巧克力和糖果制品

一直以來，巧克力是世界上最受歡迎的食品之一，無論成年人、兒童，無論男女都深深地被巧克力的美味和其獨(dú)特的功效所吸引。而三維打印巧克力與普通巧克力相比，具有同等的美味，且在造型上與傳統(tǒng)巧克力有著截然不同的視覺感受。由于巧克力受外界溫度影響的不穩(wěn)定性，三維打印巧克力所需要的巧克力漿液比傳統(tǒng)巧克力制品要求更高，所以對三維打印機(jī)的要求也很高，由于可可油復(fù)雜的結(jié)晶化反應(yīng)以及晶體的6種同分異構(gòu)體中只有1種適合制作巧克力和糖果，這種同分異構(gòu)體的晶體有最好的融化態(tài)、組織和貨架期的性能。

目前，三維系統(tǒng)已經(jīng)與巧克力制造巨頭好時公司合作，探索三維打印食品這一新領(lǐng)域的創(chuàng)作，這將允許該公司構(gòu)思新的巧克力圖案。此外，英國的巧克力公司Choc Edge也看到了這一領(lǐng)域的潛力，宣布三維巧克力打印技術(shù)和設(shè)計的領(lǐng)導(dǎo)者為該公司提供了價值4 800美元的打印機(jī)用于策劃圣誕節(jié)的巧克力設(shè)計。三維打印機(jī)還與主廚產(chǎn)生密切的聯(lián)系，主廚可以根據(jù)自己的制作配方將菜譜輸入到三維打印機(jī)中以實(shí)現(xiàn)打印出復(fù)雜多變的巧克力和糖果。

三維打印給消費(fèi)者提供個性化巧克力幾乎具有無限的可能性，期待這一驚人技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)巧克力一般只有單一的形狀，而在三維打印基礎(chǔ)上制造的巧克力有著復(fù)雜豐富且多變的外觀，三維打印巧克力已經(jīng)不單單是一種供人品嘗的美味食物，更是一種值得讓人欣賞的藝術(shù)品。同樣的，三維打印糖果也走入了消費(fèi)者身邊。研究人員利用三維打印技術(shù)來制造糖果自動定制販賣機(jī)，該販賣機(jī)可以使消費(fèi)者隨心所欲打印出自己喜歡的形狀的糖果。芬蘭技術(shù)研究中心小組和阿爾托大學(xué)使用淀粉和纖維素基材料進(jìn)行試驗(yàn)，3D打印可以逐層打造食品，實(shí)現(xiàn)每種產(chǎn)品所需的風(fēng)味、質(zhì)地和均一性。

2.2 三維打印烘焙食品

隨著信息化時代的到來，人們對新興事物的興趣也愈發(fā)濃厚，尤其是在食物的美觀上也有了更多的要求。翻糖蛋糕的興起改變了固有的蛋糕形態(tài)，仿照人物、動物的特征以及周邊事物的形態(tài)，讓蛋糕從簡單的食物上升到藝術(shù)品的高度。而婚禮蛋糕相比于普通蛋糕講究頗多，如按照宴請的賓客數(shù)量制作適當(dāng)大小的婚禮蛋糕，婚禮蛋糕的圖案花紋形狀等等都映射出新人美好的寄托。三維食品打印的橫空出世便是實(shí)現(xiàn)了從繁到簡、由無至有的堆積成型的想法。于是人們想把情侶的合照打印在蛋糕上由“天方夜譚”變成了可以實(shí)現(xiàn)，并且現(xiàn)在的三維打印技術(shù)已經(jīng)不再單單是打印照片那么簡單，它還可以將逼真的模型和時下最流行的元素用打印機(jī)打印在婚禮蛋糕上，例如利用三維打印技術(shù)將蛋糕坯內(nèi)堆積成一定的形狀（如桃心形），使每一刀下去蛋糕的截面都是飽滿美麗的桃心形。這聽起來很難完成，但是在三維打印機(jī)的幫助下，這些令人瞠目結(jié)舌的效果都是真真切切可以實(shí)現(xiàn)的。除了蛋糕坯可以使用三維打印技術(shù)，蛋糕上面的奶油裱花也可以使用三維打印技術(shù)完成。傳統(tǒng)的奶油食品是由面點(diǎn)師傅依靠經(jīng)驗(yàn)手工妝點(diǎn)，不僅速度慢、花樣少，而且陳舊、成本高、不衛(wèi)生，在糕點(diǎn)行業(yè)引入打印技術(shù)可以大大提高工作效率。

三維打印蛋糕的配料，打開了烹飪創(chuàng)新的新層面，這一技術(shù)使婚禮蛋糕這一重要的食物擁有了技術(shù)前沿食品的設(shè)計，并且為此后復(fù)雜裱花類蛋糕奠定了科技的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了科技為生活服務(wù)。

2.3 三維打印煎餅

煎餅是一款風(fēng)靡國內(nèi)外的主食類食品，煎餅果子、雜糧煎餅還有黃油煎餅等都是現(xiàn)在非常受消費(fèi)者歡迎的食品。

三維煎餅打印機(jī)目前市場上已經(jīng)開始推廣普及。但是三維打印煎餅的物料狀態(tài)很難把控，需要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)調(diào)制出物料面糊的最佳狀態(tài)，才能保證圖案的完整性和美觀性。制作過程是將煎餅的物料比例確定后混合均勻，過濾掉大的顆粒，裝入料盒，在計算機(jī)上選擇喜歡的圖形或者可以自己繪制圖案，調(diào)好煎鍋的溫度，打印機(jī)噴頭在一定壓強(qiáng)控制下將物料均勻擠出疊覆成型。很快一張趣味美觀的煎餅就制造好了。三維打印煎餅與傳統(tǒng)煎餅相比味道相差無幾，但是價格稍高，很顯然，這是技術(shù)的力量。

2.4 三維打印重組食品

三維打印除了有使食物“變美”的功效，還有改造食物的能力。尤其針對一些特殊人群，如老人和嬰幼兒等一些咀嚼能力較弱的人群。

目前已打印成功的重組食品有意大利面（Burritobot公司與谷歌聯(lián)合成功打印出了意大利面）。此外，芹菜彩泥、飛船形扇貝都是三維打印重組食品的新型食品。

由于老年人隨著年齡的增長鈣質(zhì)缺失，導(dǎo)致牙齒松動脫落，咀嚼能力下降，所以引發(fā)厭食、營養(yǎng)不良等一系列的病癥。三維打印重組食品可以很好地解決由于食物硬度、韌度、脆度導(dǎo)致的食物質(zhì)地影響牙齒咀嚼這一問題。

以常態(tài)存在的易耗型食品如蔬菜、水果、肉類等傳統(tǒng)的食物原料是無法直接打印的，但是為了創(chuàng)造出符合要求的蔬菜果泥食材的狀態(tài)，對食材的水狀膠質(zhì)濃度進(jìn)行了一定的調(diào)整。另外幾種由于使用了谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶改進(jìn)加工的食品如扇貝、芹菜、火雞等，在用三維打印機(jī)打印成型后，便可以近一步地烹制和油炸成熟。此類食品的研發(fā)對于素食主義者來說具有重大意義，食物不再是單一形式的存在，而是更加地具有創(chuàng)新性和價值性。但是基于人們普遍認(rèn)知，在外形和構(gòu)造上消費(fèi)者不是很介意，他們介意的是味道是否足夠好、是否可以引起食欲。這也是三維重組食品所面臨的一大問題和挑戰(zhàn)。

3 三維打印食品的發(fā)展及挑戰(zhàn)

三維打印食品技術(shù)在我國還沒有得到普遍的應(yīng)用與推廣，但是在國外很多食品企業(yè)及餐廳已經(jīng)將三維打印機(jī)作為與普通食品機(jī)械一樣的食品加工料理機(jī)器。如巴塞羅那的一家米其林三星餐廳應(yīng)用了這樣的機(jī)器，做出的美食也深得廣大美食愛好者的歡迎。

美國烹飪學(xué)院與三維系統(tǒng)合作于2014年，有經(jīng)驗(yàn)的三維工匠讓教師和學(xué)生了解更多有關(guān)食品打印的方法。三維系統(tǒng)還與美國烹飪學(xué)校合作研發(fā)了一臺名為Chef JetTM Pro烹飪的三維打印機(jī)。

3.1 三維打印食品的發(fā)展

三維打印技術(shù)被創(chuàng)造于20世紀(jì)80年代，在30多a的三維打印發(fā)展歷史中，該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用于多個領(lǐng)域。近些年來，在全球資源日益緊缺與匱乏的背景下，具備再生創(chuàng)造特點(diǎn)的三維打印技術(shù)被認(rèn)定為是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志及關(guān)鍵標(biāo)志之一。而以三維打印機(jī)為主的新型工業(yè)革命，勢必推動一些新興產(chǎn)業(yè)的誕生與發(fā)展，從而導(dǎo)致社會生產(chǎn)方式、人類勞動形式、制造模式、生產(chǎn)組織發(fā)生重大變革。

普遍認(rèn)為，食品打印機(jī)有助于利用全新或無法正常利用的食材便捷地制作非傳統(tǒng)食品，它會對人類今后的飲食習(xí)慣和生活方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。根據(jù)美國人口調(diào)查局和聯(lián)合國人口基金會的預(yù)計，全世界人口將在未來數(shù)十年持續(xù)增長，這意味著未來糧食供應(yīng)不足的問題將更加嚴(yán)峻。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，其有可能從人類目前不太食用的物質(zhì)中提取出需要的營養(yǎng)成分，然后利用打印技術(shù)制作出新的食物。例如，荷蘭的食品組織機(jī)構(gòu)正在設(shè)想從水中的藻類、甜菜葉及個別昆蟲這些難被人類利用的資源中提取營養(yǎng)與可攝取成分進(jìn)行打印。此外，食物打印能夠滿足人們豐富多彩的個性需求，不僅可根據(jù)不同年齡段制訂個性化的營養(yǎng)配方，而且還可使食物打印成為懶人和特殊人群的果腹之道。

3.2 三維打印食品面臨的挑戰(zhàn)

3.2.1 物料的局限性 由于三維打印的原理為物料的層層堆積，也就是說食品物料只能是糊狀，原料的狀態(tài)局限使得食物成品本身帶有了束縛。因此，在三維打印食品的領(lǐng)域中，改變物料的局限性和膠凝性成為目前研究人員主要應(yīng)對的問題。

3.2.2 與傳統(tǒng)食品的差距 由于三維打印食品中的一個必經(jīng)步驟是將物料打碎重組，那么在打碎食品物料這一過程中就必不可免地破壞食物的結(jié)構(gòu)，從而使食物喪失掉部分原有的風(fēng)味。這一差別也是導(dǎo)致大部分消費(fèi)者認(rèn)為三維打印重組食品在風(fēng)味上缺失的很大一部分原因。

3.2.3 消費(fèi)者的偏見 很多人看到食物在打印機(jī)中輸出便在腦海中發(fā)射出一種“這東西不可以吃”的信號，所以大部分消費(fèi)者無法接受三維打印食品步入他們的生活。但是就像手機(jī)、電視機(jī)剛開始被發(fā)明時一樣，新型技術(shù)的發(fā)展總要有一段被接受的過程。

4 結(jié)語

三維食品的橫空出世解決了傳統(tǒng)食品的很多問題，但是解決這些問題的同時又帶來了新的挑戰(zhàn)。精致復(fù)雜的巧克力、美妙絕倫的蛋糕餅干，經(jīng)過打印機(jī)改造后，它們在作為藝術(shù)品被展出時也映射出了隨著經(jīng)濟(jì)全球化的快速發(fā)展，人們對食物的要求已經(jīng)不僅僅是可以果腹那么簡單。希望三維打印在食品加工中的應(yīng)用更為廣泛，相信這一技術(shù)的發(fā)展將為更多技術(shù)的變革和發(fā)展帶來新的驚喜。

參考文獻(xiàn)

[1] 杰里米·里夫金，張一萌.第三次產(chǎn)業(yè)革命[J].國際參考研究，2013（6）：31-34.

[2] 吳世嘉，張輝，賈敬敦.3D打印技術(shù)在我國食品加工中的發(fā)展前景和建議[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報，2015，17（1）：1-6.

[3] 王淋靚，許偉，艾敬汶，等.3D打印食品的新發(fā)展[J].輕工科技，2015（7）：16-17.

[4] 吳懷宇.3D打印三維智能數(shù)字化創(chuàng)造[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[5] 韓江，王益康，田曉青，等.熔融沉積（FDM）3D打印工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2016（6）：139-142，146.

[6] 李東方，陳繼民，袁艷萍，等.光固化快速成型技術(shù)的進(jìn)展及應(yīng)用[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，41（12）：1 769-1 774.

[7] 于冬梅.LOM（分層實(shí)體制造）快速成型設(shè)備研究與設(shè)計[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2011.

[8] 李堅(jiān)，許明，包文慧.影響未來的顛覆性技術(shù)：多元材料混合智造的3D打印[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，43（6）：1-9.

[9] 余冬梅，方奧，張建斌.3D打?。杭夹g(shù)和應(yīng)用[J].金屬世界，2013（6）：6-11.

[10] 余冬梅，方奧，張建斌.3D打印材料[J].金屬世界，2014（5）：6-13.

[11] 井樂剛，沈麗君.3D打印技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用[J].生物學(xué)教學(xué)，2016，41（2）：6-8.

[12] GODOI FC，PRAKASH S，BHANDARI BR.3D printing technologies applied for food design：status and prospects[J].Journal of

Food Engineering，2016（179）：44-54.

[13] 姚青華.3D打印技術(shù)應(yīng)用在奶油食品工業(yè)中的方案設(shè)計[J].食品與機(jī)械，2016，32（2）：98-100，110.

[14] PALLOTTINO F，HAKOLA L，COSTA C.et al. rinting on food or food printing：a review[J].Food and Bioprocess Technology，

2016，9（5）：725-733.

[15] 左世全.我國3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略與對策研究[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2014（5）：44-50.

[16] 李光玲.食品3D打印的發(fā)展及挑戰(zhàn)[J].食品與機(jī)械，2015，31（1）：231-234.