從專利申請看3D打印技術在食品工業(yè)中的應用進展

賴燕娜 - 馬 順 李 鶯 白 盼

(國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 510700)

3D打印是指由計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統(tǒng)，利用激光束、電子束等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品[1]。3D打印在食品中的應用，使用的打印技術主要包括基于粉末床的成型，基于擠出的成型等?；诜勰┐驳某尚褪峭ㄟ^鋪設粉末層，利用選擇性燒結或黏結粉末形成所需的2D圖層，然后堆疊多個2D圖層以成型3D食物[2-3]?；跀D出的成型是以熔融沉積成型(FDM)或熔絲制作技術(FFF)為基礎，將熱熔性材料加熱融化，通過噴頭擠出，而后固化成型[2-3]。FDM是最常用的一種3D食品打印方式，該技術是1988年由美國學者Scott Crump博士發(fā)明的，并申請了多件發(fā)明專利，如US5121329A、US5340433A等，其優(yōu)點是材料利用率高、成本低，可選材料種類多，可以彩色成型，因而適用于精度不高的食品制作。目前，3D打印技術可用于打印巧克力[2,4]、谷物零食[5]、冰激凌[6]、餅干[7]、披薩[7]、奶油[8]等多種食品。

近幾年，3D打印技術在食品工業(yè)中發(fā)展迅速，自2011年7月英國研究人員開發(fā)出3D巧克力打印機以來[9]，國內外3D打印技術應用于食品領域的研究成果不斷涌現出來，如國外有首家3D打印披薩公司BeeHex推出的3D披薩打印機，西班牙創(chuàng)業(yè)公司Natural Machines研制出的可以打印披薩、手指巧克力、意大利面等的Foodini 3D食品打印機；中國有威布三維公司已經于天貓上銷售的WiibooxReeyee-Choc巧克力食品3D打印機，江門市宏匯科技有限公司推出的商用級雙噴頭雙色3D食品打印機，北京小飛俠科技有限公司推出的3D煎餅打印機等。隨著3D打印技術在食品加工業(yè)的滲透與發(fā)展，傳統(tǒng)食品加工業(yè)在不久的將來，必然會受到一定的沖擊，因此，了解3D打印技術在食品領域的發(fā)展趨勢十分必要。

1 數據來源及分析方法

為了獲取3D打印技術在國內外食品領域相關專利申請狀況，使用國家知識產權局專利局專利檢索與服務系統(tǒng)(S系統(tǒng))和Patentics專利數據庫進行檢索、分析，檢索日期為2017年7月12日。檢索中主要采用3D打印、三維打印、快速成型等中英文關鍵詞，獲得3D打印相關專利文獻18 594篇，再與食品領域的國際分類號大類A21、A22、A23進行相與，除去不相關的專利文獻，最終得到國內外食品領域3D打印技術專利申請總數為349件。受專利申請公開日的影響(未申請?zhí)崆肮_的發(fā)明專利申請在申請日18個月后才公開)，專利數據庫數據收集和錄入的延遲性，以及專利數據庫進行數據分析存在的誤差，本文統(tǒng)計分析得到數據僅供參考。

2 國內外3D打印相關專利申請情況

3D打印已經應用在服裝玩具、汽車、生物醫(yī)療、工業(yè)設計、建筑、食品等行業(yè)領域。其中，3D打印在食品中的應用是目前中國研究的熱點之一。3D打印技術在食品領域專利申請的數量占所有3D打印技術專利申請的1.9%，說明3D打印技術在食品工業(yè)中還具有很大的發(fā)展空間。

3D打印技術起源于20世紀80年代中后期的美國，中國自20世紀90年代初開始3D打印技術的研究，無論是在研究起步上還是技術發(fā)展上，均與國外有近10年的差距[10]。此外，中國3D打印技術的技術轉化和應用面也遠不及國外。從檢索獲得的數據來看，專利申請趨勢方面，在食品領域，中國和國外的申請數量自2012年以來均呈現逐步上升的趨勢，而且中國的專利申請量明顯高于國外的申請量(見圖1)，分析導致上述結果的原因，可能存在以下兩方面：

(1) 國外和中國格局、文化和政策不同。中國的3D打印企業(yè)呈現出小且散的格局[11]，且與國外3D Systems、Stratasys等公司相比，不具有強大的技術儲備和雄厚的資金。因而，中國企業(yè)也只能從低精度3D打印的應用領域方面尋求突破點。同時，由于中國特殊的飲食文化、食物喜好、食物制作方法，以及對食品打印精度要求不高，使得對食品3D打印設備和打印材料進行改進成為國內研究的方向之一。此外，在國家推行的鼓勵發(fā)明創(chuàng)造的政策影響下，中國大小企業(yè)的知識產權保護意識增強，都開始注重專利的申請與保護，從而使得國內相關專利申請數量逐步增加。

(2) 中國和國外的研究重點和關注點不同。國外注重打印技術上的研究，3D打印技術更多應用于航空、汽車、醫(yī)療等高端制造業(yè)中，且國外專利更加注重質量而非數量，同時，中國的統(tǒng)計數據包含了實用新型發(fā)明，因此在食品領域的申請數量上，國外顯著低于中國。但是，圖1也反映出國外也逐漸重視起3D打印技術在食品中的應用。其中，國外申請量在2016年下降，可能是受專利公開延遲的影響。

圖1 國內外食品領域3D打印技術專利申請的變化趨勢Figure 1 Patent application trends in China and abroad

3 中國食品領域申請人分布

從中國食品領域3D打印技術專利申請的申請人分布上看(見圖2)，企業(yè)占比最高(為67.6%)，大學次之(為14.7%)，個人、科研院所分別為14.4%，2.9%。企業(yè)在食品領域的高專利申請占比說明，隨著3D打印技術的廣泛應用，企業(yè)渴望將3D打印技術應用在食品領域，并實現產業(yè)化，該數據變化也與中國申請數量趨勢相吻合。自2015年5月中國第1臺三弟畫餅3D煎餅打印機研發(fā)成功，隨后的2016年國內的專利申請數量呈現暴增的態(tài)勢，反映中國企業(yè)對3D食品打印表現出極大的熱忱。中國高校如華中科技大學、西安交通大學等，在20世紀90年代初就開始了3D打印技術的研究，取得了一定的成果，也一定程度上實現了產業(yè)化，不過規(guī)模較小，并未集中在食品領域。

圖2 中國食品領域3D打印技術申請申請人分布Figure 2 Distribution of patent applicants in China

分析中國相關企業(yè)，專利申請數量前三的企業(yè)是西安嘉樂世紀機電科技有限公司、安徽羿歌節(jié)能科技有限公司和西安中科麥特電子技術設備有限公司(見表1)，這三家公司都著重于蛋糕3D打印機的開發(fā)研究，但是研究的方向不同，西安嘉樂世紀機電科技有限公司重在打印頭的改進，安徽羿歌節(jié)能科技有限公司則著重解決蛋糕三維結構不同面的打印及彩色打印問題，西安中科麥特電子技術設備有限公司則注重供料裝置的改進，如在食品3D打印機中增加自動放置水果的裝置。三家公司都集中在蛋糕3D打印機的研發(fā)，顯示可食用打印材料的相關研究不足嚴重限制了中國3D食品打印機的研發(fā)。

表1 中國食品領域3D打印技術專利申請申請數量排前的申請人Table 1 Applicant ranking according to the number of applications in China

4 中國食品領域專利申請分布

3D打印技術在食品領域的申請量集中在A23G的可可制品、糖食、冰淇淋，A21C和A21D的焙烤食品，以及A23P中未被其他單一小類所完全包含的食料成型或加工(見圖3)。雖然食品材料來源眾多，但適合于3D打印且滿足風味需求的食品材料少之又少，同時，3D打印食品材料研究少且難度大，因此，目前食品打印材料呈現種類單一的問題，僅使用奶油、巧克力、面糊、果醬、糖漿等易熔物或膏狀物為原料。以蛋糕的3D打印為例，其通常分入A21C和A21D,但在蛋糕3D打印機的研發(fā)中，并非打印出蛋糕整體，通常是將預先制作好的蛋糕坯放在3D打印機中，再將奶油、果醬等通過3D打印機擠壓到蛋糕坯上，實質上是通過3D打印機進行蛋糕裱花。因此，中國企業(yè)注重蛋糕3D打印機的研發(fā)，是受益于奶油良好的塑性性質、同時受限于打印材料的單一性的必然結果。

圖3 中國食品領域3D打印技術專利申請分類號分布Figure 3 Distribution of patent classification

從專利申請中食品名稱出現的頻率分析3D打印技術在不同食品中的應用情況。從圖4可以看出，巧克力和蛋糕的出現頻率最高，是3D食品打印研發(fā)的重點，其原因除了巧克力、奶油、糖漿等的物理性質適于3D打印外，還可能是因為這些食品打印材料可直接食用，3D打印完成后即可直接食用，無須進行額外的熟化加工。軟冰淇淋是一種半流固態(tài)冷凍甜品，由于沒有經過硬化處理，口感細膩、香滑圓潤，與奶油相似，具有一定的塑型性，因此，也成為3D打印食品的研究對象。此外，煎餅、餅干、面條類等面粉制品也成為3D打印食品的研究對象，其使用的最基本打印原料為面糊。

圖4 中國食品領域3D打印技術專利申請中名稱出現頻率Figure 4 Frequency of food name appearing in the patent application in China

5 中國食品領域專利申請法律狀態(tài)

從2011～2016年中國專利申請的法律狀態(tài)看(見圖5)，處于公開、有效、無效、撤回、駁回法律狀態(tài)的占比依次為47.0%，38.6%，10.1%，4.0%，0.3%。專利申請?zhí)幱诠_狀態(tài)的占比高，是由于中國專利申請從2013年開始增加，2016年出現暴增的態(tài)勢，而發(fā)明專利申請進入實質審查需要由申請人提出請求，申請人可在自申請日(要求優(yōu)先權的，自優(yōu)先權日起)3年內隨時提出請求。因中國相關專利申請從2013年開始增加，因此，導致無效專利的主要原因是專利權人未繳納年費、主動放棄專利權或專利經審查未獲得授權，并非是專利過了保護年限。處于公開、撤回、無效狀態(tài)的專利申請總量比重高，達到61.1%，也在一定程度上反映出專利申請質量低下、申請人資金薄弱等問題。

圖5 中國食品領域3D打印技術專利申請法律狀態(tài)Figure 5 Legal status of patent application in China

6 中國食品領域3D打印技術發(fā)展歷程

3D打印技術的發(fā)展依賴于3D打印設備設計和打印材料開發(fā)兩方面的技術進步[12]，3D打印機打印的食品對象，綜合反映出這兩方面的改進，因此，以打印的食品對象為參考，梳理了中國食品領域3D打印技術的發(fā)展歷程。

從圖6中可以看出，中國的食品專利申請最早的為中國計量學院申請的公開號為CN103125540A、發(fā)明名稱為“一種三維食物打印機”的專利申請，可以用于糕點的打印。隨后的2013年至2014年前期，3D打印食品的對象仍然局限于巧克力、糖果、蛋糕等傳統(tǒng)的3D打印食品；2014年年中開始，隨著3D食品打印技術的成熟，打印的食品對象范圍逐步拓寬到面包、面條、冰淇淋等，到2015年出現了藥膳的打印。隨著加熱熟化設備與3D打印機結合技術的逐漸成熟，2015年下半年出現了適用于煎餅打印的3D打印機專利申請，2016年出現了有關爆米花、匹薩、漢堡等打印難度更大的專利申請?？梢?D食品打印在中國的發(fā)展勢頭強勁，取得了一定的進步。

圖6 中國食品領域3D打印技術發(fā)展歷程Figure 6 3D printing technology development process in China

在食品3D打印機的研發(fā)上，受食品原料的局限性，研究人員更多地將3D打印平臺改進為可烹飪或熟化食品的裝置作為切入點，如威海湛翌三維科技有限公司申請的公開號為CN204560928U、發(fā)明名稱為一種帶烘焙功能的食品三維打印機，以及中國航天員科研訓練中心和李錦記(新會)食品有限公司聯合研發(fā)的公開號為CN105595386A、CN105639015A和CN205492576U的可以實現即打即熟的3D食品打印機等。目前，中國已經產業(yè)化應用的是在3D打印平臺上配置加熱平板，可以將煎餅進行熟化，如江門市宏匯科技有限公司推出的商用級雙噴頭雙色3D食品打印機。

李錦記(新會)食品有限公司除了與中國航天員科研訓練中心合作外，還與深圳市太空科技南方研究院合作進行食品3D打印機的開發(fā)，可見這家傳統(tǒng)的醬料生產企業(yè)緊跟時代發(fā)展的步伐，不斷創(chuàng)新，不斷突破，通過跨領域合作、協同創(chuàng)新的研發(fā)模式，取長補短，提高企業(yè)創(chuàng)新實力，同時為產品生產更新迭代進行技術儲備，以抵抗將來3D打印技術對傳統(tǒng)食品加工業(yè)產生的沖擊，快速實現企業(yè)轉型，值得中國其他傳統(tǒng)食品企業(yè)借鑒。李錦記的加入，標志著中國傳統(tǒng)食品企業(yè)掌握、發(fā)展、利用高新技術的決心，具有里程碑式的意義。

7 存在的問題和面臨的挑戰(zhàn)

中國 3D食品打印的發(fā)展和取得的成果值得肯定，但也存在多方面的問題[4,9]。

(1) 食品打印材料的研究匱乏。3D打印技術的發(fā)展依賴于專用打印材料與3D打印設備兩方面的發(fā)展[12]，食品3D打印的發(fā)展也不例外。但是中國的食品3D打印研究著重在打印設備上的改進，打印材料仍然局限在傳統(tǒng)的可食性材料，缺乏對新的可食性打印材料的研究。2011～2016年，涉及打印材料改進的專利共有55篇，但是幾乎都為傳統(tǒng)打印原料營養(yǎng)、口味上的改進，涉及打印材料性質上改進的專利申請僅有4篇，其中包括仍處于公開狀態(tài)的江蘇浩宇電子科技有限公司申請的(公開號為CN104920755A的發(fā)明名稱為“易于存放的3D打印糖果原料及其制法”)，以及江南大學申請的(公開號為CN106259599A的發(fā)明名稱為“一種通過添加功能性糖改善高纖維面團體系成型及3D精確打印性能的方法”)發(fā)明專利。從這也反映出中國企業(yè)和高校開始從專用打印材料進行研發(fā)，以食品專用打印材料為研發(fā)主題的技術創(chuàng)新路線，有可能成為食品高價值專利的主要來源。

(2) 專利申請質量低、專利續(xù)存期短。中國食品3D打印從專利申請上開始于2011年前后，2011年7月英國研制出了巧克力3D打印機，刺激了中國對3D食品打印機的研究，而“三弟畫餅機”的銷售則推動了3D打印的繼續(xù)發(fā)展。從專利申請構成上看，實用新型的占比高達42.9%，專利授權后無效及專利撤回的申請總數達到14.1%(見圖5)，顯示中國專利申請質量低，專利續(xù)存期短，這與中國研發(fā)機構技術儲備少、資金薄弱等密切相關。由于專利申請質量低，中國3D打印企業(yè)又呈現出小且散的格局，導致了專利成果轉讓和轉化率低，企業(yè)對食品3D打印的研發(fā)力度減小，形成惡性循環(huán)。這個問題可以通過借鑒國外3D打印企業(yè)之間的合作、或與高校的合作來解決，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢和特色，取長補短，增強實力和競爭力[10]，從而提高專利申請質量，做好專利布局，提高專利成果轉讓和轉化率。

(3) 3D打印食品的推廣應用有待提高。3D食品打印要得到廣泛的推廣應用，需要克服加工成本問題、食品安全問題、食品口感滋味等諸多問題。在加工成本方面，雖然已經有3D食品打印機被研發(fā)出來并上市銷售，但是打印機的設備成本高，打印效率低，加工成本較高，工業(yè)化生產受到限制。在食品安全方面，雖然已經有設置有清洗裝置的3D食品打印機的專利申請，但是目前中國還沒有相關產品上市，且對于打印材料，為了滿足3D打印的物化性質，還需關注食品營養(yǎng)及安全性等。在食品口感滋味方面，不同的國家、地區(qū)的飲食習慣不同，如何實現3D打印食品的多樣化且被不同消費者接受，也是中國3D食品打印面臨的巨大挑戰(zhàn)。

8 總結

通過分析國內外3D打印技術在食品領域的專利申請趨勢、具體應用的食品，以及中國食品領域3D打印技術專利申請的申請人分布、法律狀態(tài)、應用方向、發(fā)展路線等，可以看出，國內外食品領域3D打印技術專利申請均呈現出逐年上升的趨勢，其中中國申請人占據了相當大的比重，充分說明中國申請人在食品領域3D打印研發(fā)的力度。而隨著各種各樣的食品3D打印機被研發(fā)出來，如何實現3D食品打印的工業(yè)化、規(guī)模化等，成為中國企業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。但是，機遇與挑戰(zhàn)并存，發(fā)展與希望同在，企業(yè)、科研院所等堅持不斷創(chuàng)新、提高技術的同時，應當繼續(xù)重視高質量專利的申請、布局，從而保護食品3D打印的競爭力，推動中國食品加工業(yè)的發(fā)展。

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