3D食品打印技術(shù)的應(yīng)用狀況與發(fā)展趨勢*

田周萍，黃鷺強(qiáng)

（福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350117）

3D 食品打印技術(shù)是指運(yùn)用數(shù)字模型文件，使用可食用材料再逐層打印出所需食品的技術(shù)。隨著材料和技術(shù)的發(fā)展，一定程度上解決了消費(fèi)者對(duì)于個(gè)性化食品的需求，也為一些特殊人群提供所需的食品。本文概述了3D食品打印技術(shù)的特點(diǎn)及其在食品中的應(yīng)用狀況，為該技術(shù)在食品的研發(fā)提供參考。

1 3D 食品打印概況

1.1 原理

3D 打印目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑[1]、航天航空[2]、生物醫(yī)藥[3]等領(lǐng)域，解決了一些工程化的實(shí)際問題。該技術(shù)用于食物制造，可為消費(fèi)者提供個(gè)性化飲食，滿足不同人群的需求；同時(shí)能夠制備一些傳統(tǒng)食品以延緩目前的糧食危機(jī)[4]。

3D 食品打印技術(shù)是通過利用計(jì)算機(jī)的三維建模技術(shù)對(duì)要打印的食品逐步進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和平面分解，再使用3D食品打印機(jī)按照原先設(shè)置好的運(yùn)動(dòng)方式擠出食品原材料，最終實(shí)現(xiàn)“逐層打印、堆疊成型”的目的[5]。目前常使用的3D食品打印可以分為熔融沉積成型（FDM）、光固化成型（SLA）、噴墨打?。↖JP）、選擇性燒結(jié)成型（SLS）等4大類[6-9]。目前專業(yè)客戶購買3D食品打印機(jī)時(shí)，生產(chǎn)企業(yè)才提供相應(yīng)的食材配方[5]。雖然目前食品材料來源眾多，但是適合使用3D打印并且能滿足風(fēng)味需求的食品材料種類局限性仍然很大[9]。

1.2 原料

3D 食品打印的原料可分為可打印原料、不可打印的傳統(tǒng)食材和替代的原材料；按原料狀態(tài)分為液體、粉末和細(xì)胞培養(yǎng)。典型的材料有：肉醬、果醬、糖霜、奶酪、凝膠、巧克力、液態(tài)面團(tuán)等。

康奈爾大學(xué)的研究人員以奶酪、蛋糕糊和巧克力等為原料通過噴墨打印制作出蛋糕和小甜點(diǎn)[10]。果蔬原料是一種典型的不可打印材料[11]。楊帆等[12]用芒果作為主要原料，通過改變馬鈴薯淀粉的比例來改變芒果果漿的流變學(xué)性能，最終得到適合于 3D打印的凝膠體系。使用3D打印技術(shù)，人們可以打印出雞腿、牛肉等高仿真肉制品，減緩食物供應(yīng)危機(jī)[13]。替代材料可包括從藻類、昆蟲、真菌或羽扇豆種子中提取的蛋白質(zhì)，創(chuàng)造出美味的結(jié)構(gòu)化食物。這些原材料不僅有益于健康，而且有益于環(huán)境，昆蟲比如甲蟲和蟋蟀體內(nèi)的蛋白質(zhì)含量比較高，將其用于3D食品打印能夠較好地提高肉制品的美感。科研人員用昆蟲粉末作為新的新的蛋白質(zhì)來源，使用3D打印技術(shù)制作出美味的食物[14]。

1.3 設(shè)備

3D 打印設(shè)備的構(gòu)成一般包括如下組件：料筒，用于供應(yīng)打印所需原料；擠壓頭，用于檢測和調(diào)節(jié)擠壓頭里的原料的溫度、壓力、流量等，進(jìn)而獲得精確、高質(zhì)量的原料；噴頭，用于針頭直徑較小可達(dá)到所需精度同時(shí)噴頭還可以加熱，可調(diào)節(jié)打印的速度和溫度，高溫噴頭能夠可加熱到100℃以上、有注射器式擠出、氣壓式擠出和螺桿式擠出三種擠出結(jié)構(gòu)。打印平臺(tái)一般支持自動(dòng)校準(zhǔn)、全彩觸摸屏；配套智能化的專業(yè)軟件，操作簡單容易上手。這些都為操作者提供了友好的界面及產(chǎn)品解決方案。

2 3D 食品打印的特點(diǎn)

2.1 優(yōu)缺點(diǎn)

3D 食品打印可以減少生產(chǎn)產(chǎn)品所需時(shí)間，消耗較少的資源和生產(chǎn)成本；生產(chǎn)出的產(chǎn)品能夠滿足尺寸、營養(yǎng)和感官的需求，具有方便、口味佳的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以定制食品，進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，改良營養(yǎng)結(jié)構(gòu)[15]；根據(jù)每個(gè)人的身體情況再科學(xué)的定制健康食譜，給眾多的兒童、患者、老人帶來了福音[16]；3D食品打印技術(shù)還能根據(jù)需求打印色彩、尺寸、感官、富含營養(yǎng)等的食品。

然而3D食品打印也有一些缺陷，如大多數(shù)材料需要在擠壓時(shí)加熱以產(chǎn)生一種可延展性物質(zhì)，通過擠壓噴嘴打印到打印機(jī)底座上冷卻，該過程可能導(dǎo)致食品受到細(xì)菌或真菌的影響，從而縮短了貨架期。

2.2 影響因素

食品種類是影響打印結(jié)果的內(nèi)在因素，包括食品材料的水分[17]、粒度[18]和流變性[19,20]等性能對(duì)打印的成敗至關(guān)重要。原料本身具有一定的彈性模量、屈服應(yīng)力，較低的黏稠指數(shù)和流動(dòng)指數(shù)，可以通過加入增稠劑[21]、改變?cè)蠣顟B(tài)[22]等方式使其易于打印。

不同的原料需要在不同溫度下打印成型，既要讓原料順利擠出，也要保證材料能夠成型。原料需要加熱到一定溫度后從噴頭擠出到打印平臺(tái)，溫度過高一方面會(huì)影響原料冷卻成型的時(shí)間，另一方面有可能會(huì)造成食材的口感破壞。通常巧克力、糖果等在較高的溫度下使用熱熔擠出方式打印，而肉類、面食等在室溫下打印即可。

3 3D 食品打印的應(yīng)用情況

3.1 傳統(tǒng)食品

中國傳統(tǒng)食品具有取材范圍廣、制作工序復(fù)雜、造型變化多等特點(diǎn)，但目前配套的食品油墨和設(shè)備硬件研發(fā)滯后，導(dǎo)致運(yùn)用還處于初始階段。相比于傳統(tǒng)食品的加工過程，3D食品打印靈活性高，不僅能夠簡化食品的生產(chǎn)工藝，而且可以減少食品在加工過程中對(duì)環(huán)境造成的污染[23]。

最初人們對(duì)餅干進(jìn)行了研究，在傳統(tǒng)的餅干制作配方中，烘烤時(shí)黃油容易液化，難以凝固；現(xiàn)在煎餅、面條等也成為3D打印食品的打印對(duì)象，面糊是打印時(shí)使用的最基本打印原料。胡雪等[24]使用自制的3D煎餅打印機(jī)，將泡打粉、白糖、牛奶和面粉按照1∶8∶8∶20的比例混合，再向其中加入一個(gè)雞蛋并充分?jǐn)嚢?，?jīng)過過濾、預(yù)熱烤盤和翻面后煎餅的制作就完成了。丁易人[25]以面粉為原料，在同種面團(tuán)配置條件下，用最大打印層數(shù)和打印線寬作為指標(biāo)，研究表明在和面熱水溫度100 ℃、水和面粉配比0.8∶1、0.6 mm的內(nèi)徑噴頭、擠出頭距離平臺(tái)0.8 mm、700 mm/min的速度、進(jìn)給速率為0.66 mm/min時(shí)，3D打印的效果最佳。馮傳興等[26]研究了3D打印前中后3個(gè)階段原料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，為3D打印在馬鈴薯淀粉領(lǐng)域的深入研究提供了理論支持。

豆腐是典型的中國傳統(tǒng)食品，目前尚未有3D打印的成功案例，主要原因有二方面：一是需要用容器裝豆?jié){，再向其中加入凝固劑和消泡劑，或者使用雙噴頭打印機(jī)；二是由于豆腐制作對(duì)pH要求嚴(yán)格，3D打印機(jī)的噴嘴溫度往往比較高，有可能導(dǎo)致pH的變化而使豆?jié){無法凝固。受現(xiàn)有的打印機(jī)噴頭規(guī)格限制，傳統(tǒng)月餅的制作也難以完成，3D打印的月餅餡口感不佳，月餅皮圖案效果差。

對(duì)中國傳統(tǒng)食品而言，3D食品打印機(jī)確實(shí)能夠用于技藝傳承和文化傳播，操作者易于掌握，但是由于高溫制作過程很可能破壞其原有的風(fēng)味，現(xiàn)有的技術(shù)還不與人工制作的相媲美。同時(shí)3D食品打印機(jī)價(jià)格昂貴，用于制作一些普通傳統(tǒng)食品成本偏高，無法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)銷售。

3.2 現(xiàn)代食品

由于3D食品打印機(jī)的快速和機(jī)械化生產(chǎn)條件，其可以用于制作出更加豐富和營養(yǎng)的食品樣式[27]，同時(shí)對(duì)于傳統(tǒng)食品的口感和外觀能有所提高。在段松岐等[21]研究了卡拉膠等多種物質(zhì)對(duì)3D，打印食品的質(zhì)構(gòu)特性、微觀結(jié)構(gòu)和流變學(xué)性質(zhì)的影響，最終發(fā)現(xiàn)添加了1.3%卡拉膠的產(chǎn)品具有最高的精度、最緊實(shí)的結(jié)構(gòu)和極佳的口感。

3D 食品打印技術(shù)最早應(yīng)用于甜點(diǎn)領(lǐng)域，此外還可打印傳統(tǒng)食品如甜點(diǎn)[28]、肉制品[29]、航天食品[30]、定制食品[31]等。He, Chang[32]等研究了pH和馬鈴薯含量對(duì)于土豆泥的流變性能、表觀性能和3D打印性能的影響，證明了土豆泥的顏色與二者有密切的相關(guān)性，為4D打印多色彩食品提供了新的視角；Pietro Rando等[33]研究了3D打印中熱傳導(dǎo)對(duì)于巧克力打印效果的影響；潘禹希[34]以海參漿、鰱魚糜（3∶7）為原料時(shí)能兼顧營養(yǎng)價(jià)值與打印效果。

由于太空條件的限制，現(xiàn)有的絕大部分食品不能作為航天儲(chǔ)備食物。NASA研發(fā)出的3D航空食品打印機(jī)，制作出在太空中能食用的面糊、披薩等。Liu等[22]通過制備乳蛋白復(fù)合凝膠，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)凝膠中蛋白質(zhì)的含量越高越有利于打印。

全球人口老齡化趨勢加劇，老年人?；加型萄?、咀嚼或消化困難癥，運(yùn)用3D打印研發(fā)老年人食品具有潛在優(yōu)勢。Aakanksha Pant等[17]通過3D打印蔬菜凍干粉制成的水膠體來治療消化困難。

4 3D 食品打印的挑戰(zhàn)與發(fā)展

3D 打印食品雖然外觀多樣，但是因?yàn)榇蛴【惹芳?、普及率不高和原料供?yīng)問題沒有完全解決等原因，其競爭力很難與傳統(tǒng)的食品相當(dāng)，并且沒有在市場大面積進(jìn)行銷售[35]。

4.1 五大挑戰(zhàn)

⑴ 打印精度：通過添加符合標(biāo)準(zhǔn)的食品添加劑來改變食品特性，或利用精度較高、直徑較小的噴嘴打印，但是小噴嘴所消耗的打印時(shí)間較長，噴嘴速度、臨界噴嘴高度等都會(huì)引起漿料的改變甚至引起拖曳效應(yīng)，從而影響打印精度。

⑵ 普及率不高：目前大部分桌面的3D打印機(jī)價(jià)格在2萬人民幣左右，然而能打印的產(chǎn)品種類較少。其次由于3D食品原料有限[23]，原料需預(yù)先制成糊狀或者進(jìn)行粉碎，這使得其打印出來的食品在感官上相較于傳統(tǒng)食品還有一定的差距；最后由于在消費(fèi)者固有思維里將3D打印制作的產(chǎn)品視作不可食用產(chǎn)品[36]。

⑶ 原料供應(yīng)問題：由于原料需要滿足可加熱性、可打印性的需求，目前仍缺乏系統(tǒng)的知識(shí)將材料的結(jié)構(gòu)和其間相互作用聯(lián)系[11]。Wang.L[37]等研發(fā)了魚糜凝膠作為潛在的打印原料；Godoi等[38]通過改變打印后處理時(shí)的溫度或是添加塑化劑等方式來改變材料的流動(dòng)性能；或是研究纖維素等廣泛存在的物質(zhì)如何用于食品打印[39]；將動(dòng)物副產(chǎn)品用作蛋白質(zhì)的替代來源[36]。未來可望通過研發(fā)新材料或優(yōu)化現(xiàn)有材料的性能來實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用。

⑷ 道德倫理問題：目前的3D打印技術(shù)已經(jīng)能夠打印出人體組織和器官，那么不遠(yuǎn)的將來是不是可以打印出“人類”呢？這無疑會(huì)帶來一系列的道德倫理問題[40]。

⑸ 知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題：由于3D食品打印技術(shù)具有可以輕松復(fù)制、隨意修改的功能，但恰好是這些功能設(shè)計(jì)專利法、著作權(quán)、商標(biāo)法等法律法規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)性和兼容性等問題。

4.2 發(fā)展趨勢

在3D打印基礎(chǔ)上發(fā)展起來的4D食品打印，使用微波[41]、脫水[42]等不同的食品加工方式產(chǎn)生多層次、色彩豐富的多元化食品[43]。4D食品打印可以解決目前3D食品打印的精度不佳、操作性不強(qiáng)等問題，再能夠定制個(gè)性化食品方案和提供便攜式設(shè)備，那么4D食品打印將會(huì)用于生產(chǎn)更多產(chǎn)品，例如盛開的花朵、多色彩食物、老年人的可食用凝膠等。Chang He等[32]使用海藻酸鈉、檸檬酸等食品添加劑研發(fā)多色彩的土豆泥；Chen Chen等通過微波處理生產(chǎn)多色彩的可食用姜黃素凝膠[44]。未來4D食品打印還有很大的發(fā)展空間，應(yīng)更深入研究復(fù)合材料、多色彩的食品打印工藝來滿足市場的需求。

5 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，3D食品打印技術(shù)將會(huì)應(yīng)用在越來越多的行業(yè)領(lǐng)域。3D食品打印技術(shù)正逐漸應(yīng)用于航空航天食品和特殊人群食品，同時(shí)，對(duì)一些新的替代材料或混合材料進(jìn)行研發(fā)，研究如何改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)使其能夠滿足3D食品打印的幾大特性。由于不同人群需要的營養(yǎng)稍有偏差，因而3D食品打印可以很好地應(yīng)用于定制個(gè)性化食品。

未來3D食品打印有三大發(fā)展趨勢：一是對(duì)食物后處理性的研究，要讓經(jīng)過打印處理的產(chǎn)品烹飪后依舊不變形；同時(shí)3D打印可以實(shí)現(xiàn)大型的食品雕刻制作時(shí)間過長的障礙，實(shí)現(xiàn)作品的分部制作和精細(xì)結(jié)構(gòu)，尤其適合大型的中國傳統(tǒng)宴席。二是科研人員依舊需要不斷對(duì)打印產(chǎn)品的感官性能進(jìn)行提升，既要保持食物的營養(yǎng)價(jià)值也要保留食物的風(fēng)味性能；3D食物打印在未來可以用在解決一些手工較難完成的復(fù)雜工藝食品，構(gòu)建一些微小的立體結(jié)構(gòu)和圖案。三是培養(yǎng)3D食品打印技術(shù)的專業(yè)人才，開發(fā)更多的新材料降低打生產(chǎn)成本，惠及大多數(shù)人；方便攜帶，提供移動(dòng)式的設(shè)備和服務(wù)；同時(shí)可以構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，將常用的一些方案儲(chǔ)備于設(shè)備中，便于制作人員掌握實(shí)施；也可以設(shè)立不同用戶的個(gè)性化食品方案，為他們帶來更貼心的服務(wù)。