3D打印技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用概述

曹沐曦，詹倩怡，沈曉琦，王 娟

（華南理工大學食品科學與工程學院，廣東廣州510641）

3D打印技術(shù)是一種以計算機控制激光或者噴墨裝置的移動來對三維對象進行數(shù)字化設(shè)計和制造的技術(shù)[1]。目前，3D打印技術(shù)在機械工程、航空、醫(yī)療、食品等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。隨著生活水平不斷提高，健康飲食理念深入人心，越來越多的人追求個性化、美觀化的營養(yǎng)飲食。傳統(tǒng)食品加工技術(shù)很難完全滿足這些需求，3D食品打印技術(shù)不僅能自由搭配、均衡營養(yǎng)，以滿足各類消費群體的個性化營養(yǎng)需求；還可以改善食品品質(zhì)，根據(jù)人們情感需求改變食物形狀，增加食品的趣味性[2]。因此，3D食品打印技術(shù)為健康個性化飲食提供了可能性，在食品工業(yè)中有著良好的發(fā)展前景。

1 3D打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，主要分為數(shù)字建模、路徑規(guī)劃、實際打印等3個步驟。

1.1 數(shù)字建模

建立打印模型時，可以使用CAD等三維繪圖軟件進行設(shè)計；也可以使用三維掃描儀，直接對相應(yīng)物體進行輪廓和造型識別，將模型信息存入計算機中。

1.2 路徑規(guī)劃

獲取了三維模型的信息后，計算機會將三維立體圖像分解成一層層的二維平面圖像。一般來講，分割層數(shù)越多，打印的精度越高，但同時花費時間更長，成本更高。在使用3D打印技術(shù)時，還需要針對所用材料的特性和精度要求來決定打印的層數(shù)。確定二維平面圖像后，計算機規(guī)劃好每層的打印路徑。打印路徑往往對最終的成品效果影響較大。

1.3 實際打印

相關(guān)硬件根據(jù)存入的路徑信息進行操作，最終打印出成品。根據(jù)不同材料選用不同機器。打印過程中，需要分別對打印速度、噴頭溫度、擠出量等因素進行控制，這樣才能保證最后成品的質(zhì)量。

2 食品加工中的3D打印技術(shù)

2.1 選擇性激光/熱風燒結(jié)技術(shù)

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（Selective Laser Sintering，SLS）是通過激光的照射，使粉末狀顆粒吸收能量，進而燒結(jié)定型的技術(shù)。打印進程中，利用刀片或滾筒在平臺上均勻鋪上一層粉末，然后使用激光按照規(guī)劃路徑塑造出輪廓。激光輻射被粉末顆粒吸收，產(chǎn)生局部加熱，引起相鄰顆粒的軟化、熔化和固化。然后，平臺下降一層的高度，在已燒結(jié)的層上方再進行粉末沉積；重復操作，直至打印完成。TNO公司以糖和雀巢巧伴伴粉為原料使用激光燒結(jié)技術(shù)制造出產(chǎn)品[3]。選擇性熱風燒結(jié)技術(shù)（Selective Hot Air Sintering and Melting，SHASAM）的原理與SLS技術(shù)類似，利用熱空氣源的熱能進行燒結(jié)。熱風的溫度和流速對最終的產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響[4]。

該技術(shù)由于需要將粉末熔化，因此適用于熔點相對較低的糖和富含糖的粉末。但是，在實際情況中，打印過程往往會因為不同粉末的特性而變得復雜[2]。

2.2 熱熔擠出/室溫擠出技術(shù)

熱熔擠出又名熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM），是一種通過加熱固體或半固體原料，使其熔化為液體被擠出后在平臺上凝固成型的技術(shù)。加熱點溫度通常設(shè)置的略高于原料熔點[5]。FDM打印的物體必須有支撐結(jié)構(gòu)，否則在從下向上打印的過程中，上層懸空的部分就會掉落。2011年，英國?？巳卮髮W利用FDM技術(shù)打印巧克力[6]。室溫擠出方式只是缺少了加熱這一環(huán)節(jié)，原料在室溫下被擠出，在平臺上靠自身的黏性相連接。

該技術(shù)的優(yōu)點在于工藝簡單、可選用的材料較多。但是，它們的技術(shù)特點決定了不能打印過于復雜的結(jié)構(gòu)，且精度較低，層與層之間的縫隙較明顯。

2.3 黏結(jié)劑噴射技術(shù)

黏結(jié)劑噴射技術(shù)也叫三維印刷技術(shù)（Three Dimensional Printing，3DP），是一種通過噴射黏結(jié)劑，使粉末顆粒黏結(jié)成型的技術(shù)。黏結(jié)劑噴射技術(shù)最初在食品中應(yīng)用時，完全依靠蔗糖的吸濕性來打印，所用原料為蔗糖粉末，黏結(jié)劑為水。現(xiàn)在食品打印中，可以用的黏結(jié)劑主要有蔗糖、阿拉伯膠、聚乙烯醇[7]及水和醇基的混合液體[8]。食品中的黏結(jié)劑除了幫助成型的作用外，一般還有調(diào)節(jié)口味和色澤的功能。

黏結(jié)劑噴射技術(shù)可以快速制備產(chǎn)品，其原料成本較低，但是機械成本較高，成品表面光潔度較差。

2.4 噴墨打印技術(shù)

噴墨打印技術(shù)（Inkjet printing，IJP）是按照計算機中的路徑將液體噴射到介質(zhì)表面，液體在介質(zhì)表面固化的技術(shù)。噴墨打印在食品中的固化方式主要為熱固化，打印材料在噴頭中被加熱為液體，產(chǎn)生流動性，噴射到介質(zhì)上后凝固成型。除此之外，原料還可與易揮發(fā)的溶劑混合，滴落后，溶劑迅速揮發(fā)，原料以固體或半固體狀態(tài)留在平臺上[4]。噴墨打印技術(shù)并不是整體逐層打印。在食品領(lǐng)域，主要是二維打印技術(shù)的延伸，通過局部打印對食品進行表面花紋裝飾、內(nèi)部腔體填充等。

噴墨打印能精準控制液滴流速和體積，因此精度較高。該技術(shù)在一些色彩豐富、圖案多樣的食品中有著良好的應(yīng)用前景。

3 食品3D打印原料需滿足的特性

3D打印技術(shù)在食品應(yīng)用方面的難點之一是打印原料的選擇和處理。3D打印的食品原料需要滿足3個特性，可打印性、適用性和可后續(xù)加工性[9]。

3.1 可打印性

該特性表示原料能夠利用3D打印機進行打印，并且在打印之后能夠保持設(shè)定好的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

對于液體狀或糊狀原料來說，決定打印性的主要是原料的流變特性、凝膠特性、玻璃轉(zhuǎn)化溫度和熔點[10-12]。具有剪切變稀行為的物質(zhì)顯然對3D食品的構(gòu)造有很大幫助，因為它們可以在高剪切應(yīng)力的環(huán)境下，降低黏度，便于從噴嘴中擠出，并在離開噴頭后變得堅硬并固化。添加適量淀粉后，糊狀原料表現(xiàn)出剪切變稀行為，其機械強度足夠強，因此物體可以保持一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并具有更平滑的表面和精度[13]，但淀粉也不可添加過多，否則會由于黏度過大而使原料難以擠出。一些可溶性蛋白質(zhì)也可以改變原料的流變特性，從而利于打印成型，但是針對不同原料的特性需要搭配不同種類和劑量的蛋白。加入NaCl可以調(diào)節(jié)蛋白的黏彈性，使打印物具有光滑的表面結(jié)構(gòu)。加入水膠體可以降低淀粉、蛋白及明膠等食品聚合物的玻璃轉(zhuǎn)化溫度[14-15]。此外，材料的結(jié)晶狀態(tài)對于在打印后使沉積的材料支撐其自身的結(jié)構(gòu)也至關(guān)重要。

對于粉末狀原料來說，打印性主要指粉體的粒度分布、堆積密度、潤濕性和流動特性[16-18]。粉末狀原料的顆粒直徑呈雙峰或多峰分布時，增強了粉末的分散分布，空隙率較低，比較容易打印出理想結(jié)構(gòu)[21]。根據(jù)相關(guān)研究，直徑在30～100μm的粉末顆粒打印出的物體機械強度較大[19]。流動特性還受粉末顆粒大小、形狀、粉末密度的影響。球形粉末顆粒的流動性優(yōu)于非球形，粗顆粒流動性優(yōu)于細顆粒[20-21]。

3.2 適用性

3D打印技術(shù)具有定制化、個性化的特點，這些特點使其在食品中的應(yīng)用備受期待。原料的物性決定了其適用性，根據(jù)不同的原料特性可以有不同的打印方式。截至目前，科學家發(fā)現(xiàn)的比較合適的原料是薯類、谷物類、果蔬類、植物膠類和富含蛋白質(zhì)的動物性原料，但由于技術(shù)限制，仍然有很多可食用原料不能被用于3D打印。

3.3 可后續(xù)加工性

可后續(xù)加工性指的是打印物經(jīng)過必要的烹飪方式之后還能夠保持結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定的特性。該特性對流體原料來說非常重要，不同流體原料的組成不同，其經(jīng)過后續(xù)加工得到的最終產(chǎn)品效果也不同[22-23]。例如，3D打印曲奇，原料中的蛋黃、黃油、糖的比例調(diào)整能影響到曲奇在后續(xù)加工過程中的形狀穩(wěn)定性。

4 3D打印技術(shù)在食品中的應(yīng)用

4.1 巧克力和糖果

2011年7月，英國埃克塞特大學研發(fā)出世界首臺3D巧克力打印機，并于次年4月推向市場。這臺3D巧克力打印機以液態(tài)巧克力為“油墨”，通過打印機上的保溫和冷卻系統(tǒng)，實現(xiàn)了巧克力加熱熔融到凝固成型的過程[6]。2014年5月，郝亮團隊開發(fā)出第二代3D巧克力打印機Choc Creator 2.0，該版本擁有新的自動溫度控制系統(tǒng)，能較好地控制流量，快速精確地打印出客戶定制的圖案或模型[24]。同時，Hao L等人[25]研究出一種新型巧克力制造方法ChocALM，分析了巧克力在液態(tài)和固態(tài)相互轉(zhuǎn)化時的晶體變化。

與巧克力類似，糖也具有受熱熔化變軟、冷卻變硬的特性。2014年3月，3D Systems公司推出了3D打印糖果，這些糖果由ChefJet系列打印機打印出，利用砂糖、巧克力和奶油等原料打印出形狀復雜的糖果和巧克力[26]。2015年，香港工程師Guru和麻省理工學院Victor Leung共同研制出一臺以固態(tài)糖為原料，采用FDM打印技術(shù)的3D打印機。德國糖果公司Katjes開發(fā)出了全新的3D軟糖打印機Magic Candy Factory，軟糖原料主要由果膠、糖和水果提取物組成[27]。

除了開發(fā)專門的3D食品打印機，德國Print2Taste公司還設(shè)計了一款Bocusini插件，可為具備開放源代碼的3D打印機擴展打印食品的功能，可打印的食品原料包括巧克力、糖果、果凍等，這些材料經(jīng)特殊均質(zhì)處理，在打印之后可保持形狀不變。

4.2 烘焙食品

2013年美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）成功研發(fā)可以打印披薩的3D打印機[28]?？的螤柎髮W的機械實驗室也利用3D打印技術(shù)，打印出個性化的曲奇[29]。2015年，荷蘭技術(shù)公司TNO與意大利面食公司Barilla公司合作研發(fā)了以小麥粗粉和水為原料的3D打印意大利面[30]。Barilla在2016年P(guān)arma的CIBUS國際食品展示的3D打印機能夠打印4種獨特的意大利面形狀，而且營養(yǎng)成分、質(zhì)地和顏色都可以控制[31]。

3D食品打印技術(shù)也能夠制作出我國的傳統(tǒng)點心。2015年杭州大學生成功制作出了3D打印月餅并順利推向市場。這個團隊通過對傳統(tǒng)生產(chǎn)線的改造，將3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于餅干、糕點等食品的生產(chǎn)，受到了不少傳統(tǒng)食品廠商的青睞[32]。2017年，胡雪等人[33]通過對傳統(tǒng)的3D打印機進行改造，制作出了專門的3D煎餅打印機，能夠簡便地打印出好吃又美觀的煎餅。

4.3 肉制品

人造肉在近年來慢慢進入人們的視野。這種打印出的人造肉味道與肉糜味道相差無幾，只是具有了別樣的形狀，因此這種3D打印肉主要適用于老年人和咀嚼、吞咽困難的病人[34]。Lipton J等人[35]以火雞肉、扇貝、芹菜為原料，打印產(chǎn)品在加入轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶改性處理后可適應(yīng)緩慢烹制和油炸，在加入可可粉后能在烘焙過程中保持其復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

然而這些人造肉所用的原料還是真實的生肉，直到2012年7月，美國賓夕法尼亞大學用3D打印技術(shù)制造了人造生肉，它們使用水基溶膠為黏結(jié)劑，將糖、蛋白質(zhì)、脂肪、肌肉細胞等原料組合在一起，打印出的人造肉有彈性，烹飪后有咀嚼性，營養(yǎng)和外觀都和真實的生肉接近，連肉里的微細血管都能打印出來[36-38]。

4.4 水果和蔬菜

由于大部分水果蔬菜都具有多汁的特性，難以成型，因此水果和蔬菜較少作為3D打印的原料。英國的DovetaiLED公司推出一款使用分子球化工藝的“水果打印機”，打印前，將果汁與海藻酸混合，滴入預冷的氯化鈣溶液中，最后果汁混合液被包裹上一層薄膜。水果打印機打印的并不是真正意義上的水果，但能提供像真實水果一樣的口感[29]。

4.5 奶制品

傳統(tǒng)的奶油類食品是面點師傅依靠經(jīng)驗手工妝點，花樣少而陳舊，成本高且不衛(wèi)生。采用3D打印技術(shù)，可以克服這些弊端[39]。2013年，孫鐵波等人[40]率先提出了3D奶油打印機的設(shè)計方案。2016年姚青華[39]設(shè)計的3D奶油打印機，采用了成熟的設(shè)備設(shè)施進行有機組合，且利用噴射技術(shù)、三相機械控制技術(shù)解決了奶油的不易流動性問題，實現(xiàn)了連續(xù)化、細膩打印的可能。

軟冰激凌是一種半流固態(tài)冷凍甜品，口感細膩，具有一定的塑型性，也成為3D打印食品的研究對象之一[41]。2014年，首臺3D冰激凌打印機誕生于美國麻省理工大學，是由1臺3D打印機和1臺冰激凌機組合而成。目前，3D冰激凌打印機打印一個產(chǎn)品僅需1～2 min，“O2O”（Online to Office）模式也被應(yīng)用在3D打印冰激凌中[42]。

4.6 其他

除了這些常規(guī)的食品之外，科學家們還利用3D打印技術(shù)研發(fā)出了昆蟲食品。英國科學家們進行了名為“昆蟲焗”的項目，把食用昆蟲轉(zhuǎn)換成“面粉”，再通過3D打印機打印出來。制作出來的昆蟲食品就沒有了蟲子外觀，易于被人們接受，而且昆蟲面粉富含蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)，可以和奶酪、巧克力或香料混合打印成面包等其他菜肴[43]。

3D食品打印技術(shù)在航天食品方面也具有非常好的發(fā)展前景。自2013年起，NASA便開始大力開發(fā)用于長時間太空任務(wù)的3D打印食品系統(tǒng)，成功研發(fā)能在太空生產(chǎn)披薩、營養(yǎng)面糊等食品的3D打印機[44-45]。我國也在綠航星際-180試驗中使用了自主設(shè)計制造的3D食品打印機，并取得了良好的試驗效果[46]。

5 3D打印技術(shù)在食品中應(yīng)用的優(yōu)點和存在的問題

人們對個性化理念的追求使得食品3D打印技術(shù)快速發(fā)展。目前，在改善食品外觀和口感、定制個人營養(yǎng)食譜、制作航天食品和“病號餐”及發(fā)明新食品等方面，有著很大優(yōu)勢。

但也存在很多待解決的問題。首先，食品原料的選擇較單一，能真正完全打印的食品較少。有的只是用它進行一些表面裝飾。其次，該技術(shù)智能化程度不高。在成熟理想的3D食品打印體系里，人們可通過“一鍵化”的方式將食品形狀設(shè)計、營養(yǎng)比例、烹飪方式等聯(lián)合起來，簡化食品3D打印技術(shù)程序。最后，清潔問題。3D打印結(jié)束時，不僅要考慮成品的食品安全問題而且還要考慮3D打印機中的余料不會對下一批產(chǎn)品造成影響，所以要對其進行清洗。目前，3D打印機主要依靠刷子進行清潔，既不方便又很難清理干凈，因此設(shè)計一個應(yīng)用于食品3D打印機后續(xù)清潔的方案很有必要。

6 結(jié)語

食品3D打印技術(shù)還處于發(fā)展階段，商業(yè)領(lǐng)域的嘗試也才起步不久。2016年，世界上第一家3D美食店Food ink進行了為期3 d的試營業(yè)，引起了極大關(guān)注。2019年，研究人員已經(jīng)研發(fā)出可以用于定制3D打印食品的APP[47]?？梢灶A見，3D打印食品不僅會給家庭和個人帶來全新的體驗，而且3D打印食品技術(shù)的市場潛力和銷售范圍也會不斷擴大。3D打印食品有望商品化，這種膳食定制、造型隨心的烹飪方式將會逐漸普及，從而成為人類飲食方式的有益補充。