食品3D打印技術相關專利分析

陳瑤，張蕊,，于文靜，潘禹希，董秀萍，姜鵬飛

1.大連工業(yè)大學食品學院，國家海洋食品工程技術研究中心（大連 116034）；2.大連格智知識產(chǎn)權代理有限公司（大連 116034）

3D打印，又稱三維打印、增材制造、重塑成型等，歸屬于快速成型技術，以數(shù)字模型文件為依據(jù)，運用可黏合材料（如粉末狀金屬、塑料等），通過逐層打印的方式構造物體。由于該技術是將數(shù)字化操作應用于復雜的加工工藝中，具有精確度高、速度快、成本低等優(yōu)勢，因此被認為是推動工業(yè)4.0變革的重要技術手段[1]。三維打印技術最早出現(xiàn)于20世紀90年代中期，在生物器官、汽車制造、房屋建造等方面取得突破進展，近年來通過不斷嘗試，3D打印技術在食品領域中嶄露頭角。

食品3D打印是一種新型高科技應用技術，匯集三維建模、機電控制、食品科學等諸多學科。食品3D打印可以節(jié)省食品工藝過程所需要的時間，減少資源消耗，降低生產(chǎn)成本，能夠根據(jù)顧客對食品的尺寸、感官、營養(yǎng)特性等需求打印產(chǎn)品，提供食品的新型制作方式，改善食品營養(yǎng)結構，根據(jù)個人不同身體狀況，科學地定制出健康食譜，給人類帶來福音[2]。

食品原料的主要成分如蛋白質、碳水化合物、脂類和維生素等及其性質是決定食品3D打印技術成功的關鍵[3]。3D打印機通過擠壓和“噴墨”方式將液體原料打印成型；通過應用熱源（激光或熱風）或顆粒黏結劑沉積將粉狀原料打印成形，細胞培養(yǎng)原料的打?。ㄉ餂_洗）技術應用于打印肉類類似物[4]。隨著食品原料的不斷豐富，可以通過3D打印的食品也越來越多，如將多種果蔬按比例混合，魚膠原蛋白來增加漿料的黏度，得到營養(yǎng)更豐富的“可打印冰沙”，并設計新穎的金字塔形狀，以期對消費者更具吸引力[5]；利用小麥淀粉作為濃縮橙汁3D打印的添加劑改變食品體系的流變學和力學性能影響打印材料的特性[6]；利用鰱魚糜和海參漿復配打印一種新型食品用以提高海參的高值化利用[7]，及應用3D打印技術打印巧克力、冰淇淋、糖果、奶片等食品。

1 研究方法

應用Incopat數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，使用3D打印相似或含義等同的關鍵詞：3D打印、三維打印、增材制造、重塑成型。使用公式ALL=（TIABC=（3D打印 or 三維打印 or 增材制造 or 重塑成型）and（食品））對國內外專利申請進行檢索，簡單同族合并后，去除與食品領域不相關的專利申請，共獲得中國申請專利403件，國際申請專利234件；檢索日期2020.07.15。

2 國內外食品3D打印技術相關專利申請情況分析

2.1 國內外食品3D打印技術相關專利歷年申請數(shù)量趨勢

通過軟件檢索結果表明，2012年以前，國內沒有食品3D打印技術相關研究；2013—2015年，國內食品3D打印技術開始興起并逐漸增加；2016年，食品3D打印專利申請出現(xiàn)急速增長，當年申請專利量達到112件；隨后申請專利數(shù)量開始逐漸減少，但申請數(shù)量均在50件以上。國外雖然在2003年出現(xiàn)首例關于食品3D打印技術的專利的申請，但是一直處于低谷期，直到2013年食品3D打印技術相關專利開始逐漸增加，到2017年達到專利申請的鼎盛時期（57件），此后食品3D打印技術熱潮減退，專利申請數(shù)量開始逐年降低。

圖1 國內外3D打印專利歷年申請情況

通過對比國際國內專利數(shù)量發(fā)現(xiàn)，國內食品3D打印技術研究的增加可能與國際食品研究的大環(huán)境有關。在2013—2019年，國內年度專利申請數(shù)量均高于國際，甚至在2016年出現(xiàn)高于國際2倍的申請數(shù)量，這可能與國內學者對食品3D打印技術的重視度及國內科技發(fā)展環(huán)境等因素有關。

2.2 國內外食品3D打印技術相關專利當前法律狀態(tài)

在中國食品3D打印技術相關專利申請中，獲授權專利116件，處于審中狀態(tài)專利168件（其中實質審查專利164件、公開未實審專利4件），失效專利119件（其中撤回62件、駁回27件、未繳年費28件、避重放棄2件）。在國際上，食品3D打印技術相關專利申請共234件，以世界知識產(chǎn)權組織、美國、韓國申請量為主，分別占總量的33%，28%和20%。在申請的專利中，未確認專利61件、PCT-有效期滿專利51件、有效專利49件、失效專利35件、PCT-有效期內專利26件、處于審中狀態(tài)專利12件。

圖2 中國專利當前法律狀態(tài)

圖3 國際專利當前法律狀態(tài)

3 國內外食品3D打印技術相關專利申請人分析

通過對國內外食品3D打印技術相關專利申請人分析，全球食品3D打印技術相關專利主要以企業(yè)申請為主，占57.66%；其次為院校申請，占29.20%；個人申請占13.14%。通過對國內專利申請人分析，中國食品3D打印技術相關專利也是以企業(yè)為主，在已公開的專利中數(shù)量占領先地位的是長興時印科技有限公司，公開量為13件，該公司主要以設備的創(chuàng)新與改良為主，并對混合食品3D打印進行布局，如一種混合食品3D打印機（CN107125280A）、一種混合食品3D打印裝置（CN207136199U）、一種混合食品3D打印擠出組件（CN106983171A）和一種混合食品3D打印擠出裝置（CN207136080U），在設備上申請了冰淇淋3D打印機、食品3D打印機的科教版和mini版及食品3D打印機柜，此外在巧克力的3D打印和奶糖的3D打印技術方面也進行創(chuàng)新。公開專利量第二的企業(yè)是合肥中農科泓智營養(yǎng)健康有限公司，為12件；主要分布于3D打印機的技術領域，如一種封閉式食品3D打印機（CN111053267A）、一種緊湊型食品3D打印機（CN111053268A）、一種連續(xù)式食品3D打印機（CN111053269A）、一種食品3D打印機的多物料出料裝置（CN109007942A），以及一種協(xié)同式精準營養(yǎng)食品3D打印系統(tǒng)及方法（CN109007945A）等；此外，該公司還在食品3D打印機的外觀設計申請了專利，如食品3D打印機（CN305423501S、CN305423502S、CN305423503S）和3D打印機（三角洲傳送式，CN305775501S）。在院校公開量中，以江南大學公開量最多，主要涉及果蔬食品和新型食品3D打印，以及食品材料和加工工藝技術領域。個人公開量最多的是龐用，公開量為11件，涉及巧克力制備技術領域和蛋糕原材料制備技術領域。

在國外以DECOPAC INC和SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD專利公開量較多，均為5件。DECOPAC INC主要以食品裝飾系統(tǒng)為主，US20160278426A1用于用戶上傳的圖像的可食用媒體片材的裝飾和印刷，US20160278427A1基于用戶選擇的圖像在可打印基本媒體上裝飾和打印可食用圖案，US20160262442A1基于用戶選擇的圖像在可打印基本介質上裝飾和打印三維可食用介質，US20180228201A1對用戶選擇的圖像在可打印基本媒體上裝飾和打印可食用圖案，在技術層面也有一項公開專利，為US20200184530A1，用于定制食品的訂購和制備的系統(tǒng)和方法。而Samsung electronics CO TED是對烹飪設備進行布局，包括烹調裝置和烹調系統(tǒng)（EP3448179A4），釘倉組件，夾頭單元，食品成形模塊和烹飪設備（KR1020180006834A），盒組件、盒單元、食品形成模塊和烹調設備（US20180007949A1），盒組件，盒單元，食品形成模塊和烹飪設備（EP3435789B1），用戶設備，烹飪設備和烹飪系統(tǒng)（EP17827878）。院校公開量最多的是江南大學，為7件，主要涉及果蔬食品加工和食品材料制備技術領域：一種易吞咽的雙色土豆泥/紫薯泥冷盤3D精確打印方法（WO2019169802A1），一種利用濃縮果漿3 D 打印雙色夾心點心的方法（WO2019165733A1），一種利用濃縮果漿預后處理改善3D打印效果的方法（WO2019165735A1），配方調整和控制方法的高精度的印刷性能改善的可模塑性和第三蔗糖的系統(tǒng)（AU2017206188A1），一種提高解凍魚糜制品成型和三維精確印刷性能的控制方法（US20180199614A1），快速調理馬鈴薯泥三維打印精確成形的調控方法（US20180199615A1），一種通過添加功能性碳水化合物提高高纖維面團體系成型性和三維精密印刷性能的方法（US20180049464A1）。

綜合國內外食品3D打印技術相關專利申請人分析，江南大學在食品3D打印技術相關專利申請量排名第一，在公開授權的24件專利中，涉及加工過程領域包括果蔬食品加工技術5件、新型食品加工技術4件、食品材料制備技術3件及提高3D打印精確性技術12件，主要包括微波3D打印和改善體系、性能的3D或4D打印。

圖4 國內3D打印專利申請數(shù)量排名

圖5 國際3D打印專利申請數(shù)量排名

4 國內外食品3D打印專利主要技術分布

通過對檢索所得的國內外公開食品3D打印相關專利統(tǒng)計分析，主要技術分布為食品3D打印加工技術和食品3D打印加工設備2個方面，食品3D打印加工技術方面占44.89%，3D打印設備方面占55.11%。

4.1 食品3D打印加工技術

在食品3D打印加工技術方面，73%的公開量為國內專利申請。其中，江南大學在果蔬食品加工技術領域、食品材料制備技術領域和新型食品加工技術領域合計公開專利23件。3D打印應用在果蔬食品加工技術領域縮短了復雜的長時間處理過程，節(jié)約成本，操作性強，完整提供了加工與儲運的全過程工藝及建議事項；應用在食品材料制備技術領域簡化打印工藝，操作便捷，對環(huán)境沒有嚴格要求，提高3D打印的適應性、可操作性；應用在新型食品加工技術領域使食品具有更豐富的口味和視覺效果，實現(xiàn)產(chǎn)品多元化、個性化、自動化的制作。龐用作為獨立申請人，在食品3D打印加工技術方面公開專利11件，主要涉及3D打印用巧克力和3D打印用蛋糕的制備，不僅保留原有產(chǎn)品的特性和口味，而且造型新穎美觀。安徽省中日農業(yè)環(huán)?？萍加邢薰竟_專利11件，該公司采用納米米粉和富硒米粉，不僅可以滿足3D打印的工藝要求，還補充了人體所需的硒元素，滿足不同消費者的需求，實現(xiàn)產(chǎn)品的多元化、個性化、自動化的制作，豐富3D打印食品材料的種類。蕪湖啟澤信息技術有限公司公開專利8件，提供一種3D打印的適合特定人群食用的養(yǎng)生餅干，不僅可以使口感更加清新，而且更有利于健康。廣西筑夢三體科技有限公司公開專利6件，主要是對巧克力3D打印制備方法的研究，制成既保留有巧克力原有特性和口味，又造型新穎美觀的巧克力產(chǎn)品。蕪湖凱奧爾環(huán)?？萍加邢薰竟_專利5件，采用3D打印的方式進行米粉制備，可實現(xiàn)米粉的多元化、個性化、自動化的制作，豐富3D打印食品材料的種類，可以滿足不同消費者的需求。大連工業(yè)大學公開專利5件，將食品3D打印技術應用到海產(chǎn)領域，實現(xiàn)創(chuàng)意制作的多元化，制作出高精度、造型獨特的3D打印魚糜制品，完全擺脫模具束縛，滿足人們對食品的個性化定制的需求。

通過對國外公開的食品3D打印技術相關專利進行分析，其主要涉及食品組合物的打印和對食品性質的研究，其中食品組合物的打印包括3D打印感光性組合物、預防變態(tài)反應的組合物和方法、固體食物廢料和副產(chǎn)品再生營養(yǎng)產(chǎn)品、生產(chǎn)生物基復合材料、易吞咽雙色土豆泥/紫薯泥精確打印、復合淀粉制備等；對食品性質的研究包括3D打印技術調節(jié)青稞淀粉消化性能、用移動裝置的系統(tǒng)和方法對核酸和蛋白質的分析、用變溫變壓和溶劑材料從生物質固體中提取油添加功能性碳水化合物提高高纖維面團體系成型性和三維精密印刷性能等；此外還有打印口香糖巧克力等甜品、薯類淀粉制備及馬鈴薯泥的精確打印調配等。

4.2 食品3D打印加工設備

在國內公開的食品3D打印設備專利中，涉及的設備功能有可加熱、可調溫、可清洗、避免堵塞、方便換料、自動加料、獨立供料、多料盒、耐磨抗菌、防撞以及回抽和快速成型等，其目的總和就是使工藝設備更簡單、打印速率更快、打印精度更高、打印設備更節(jié)能；還有專門針對具體食品設計的3D打印裝置，如仿生海珍品3D打印機（CN205033607U）、一種巧克力3D打印機（CN204949368U）、一種蛋糕3D打印機（CN106509014A）、冰淇淋3D打印機、冰淇淋3D打印方法及其產(chǎn)品（CN106578317A）等。

國外公開的食品3D打印設備主要是對適配器、云操作系統(tǒng)、刀片、噴嘴、打印機燈絲、接口、清潔機構等部件進行改造和適配，用以提高機械的穩(wěn)定性，降低經(jīng)濟負擔，操作性強，同時拓展3D打印的范圍，使食品具有豐富的口味和視覺效果。此外，在烹飪領域對3D打印機進行研發(fā)與適配，如3D打印機與同步烹飪（ES2739028A1）、盒組件，盒單元，食品形成模塊和烹飪設備（EP3435789B1）、準備和/或執(zhí)行自動烹飪過程的系統(tǒng)（WO2018134072A1）、釘倉組件，夾頭單元，食品成形模塊和烹飪設備（KR1020180006834A）等。

5 結語

食品3D打印發(fā)展至今，打印技術逐漸成熟。各種食品3D打印方式應運而生，能滿足不同人群對形狀、感官、營養(yǎng)等多種需求[8]，主要集中在新食品來源的利用上，如個性化食品的開發(fā)、印刷參數(shù)優(yōu)化以及印刷設備的設計[9]。由于打印食材的限制，設備價格高，打印效率低，打印食品安全性，打印人才等因素使3D打印技術在食品工業(yè)中的廣泛應用仍然存在許多困難。3D食品打印已經(jīng)被證實可以制備某些食品，如巧克力或者工藝單一的休閑食品[10]，食品3D打印具有傳統(tǒng)食品加工不可替代的優(yōu)勢，如產(chǎn)品結構多樣化，減少原材料浪費，單位生產(chǎn)空間小，可進行個性化定制等[11]，因此，應加大政策和經(jīng)濟對3D打印技術的科普宣傳力度，讓更多消費者認識并認可這項新興技術對人類飲食健康生活的改變，鼓勵人們積極探索，推動家庭制作式和社會化供應式的3D打印食品產(chǎn)業(yè)并駕齊驅[8]。