3D 打印技術(shù)在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用探析

沈卓

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)）

隨著消費(fèi)觀念的升級(jí)、對(duì)個(gè)性化多樣化食品需求的持續(xù)上升，加之食品安全問(wèn)題越來(lái)越引起全社會(huì)的關(guān)注，食品加工與生產(chǎn)管理管理理念也不斷更新，新興技術(shù)應(yīng)用于食品加工行業(yè)也促進(jìn)了食品加工生產(chǎn)的技術(shù)革新，3D 打印技術(shù)就是其中一項(xiàng)典型的食品加工技術(shù)。作為一種新興交叉性智能化科學(xué)技術(shù)，3D 食品打印將人工智能、機(jī)電控制與三維建模技術(shù)融為一體，運(yùn)用于食品加工與生產(chǎn)過(guò)程中，在食品科學(xué)專業(yè)知識(shí)的指導(dǎo)下，打印出適應(yīng)不同群體消費(fèi)者對(duì)口感、外觀、營(yíng)養(yǎng)等差異化需求的食品，在節(jié)約打印時(shí)間、降低原材料消耗的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)成本控制，還可以改進(jìn)食品營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，給老人、兒童與青年群體都帶來(lái)健康理念的科學(xué)食品，提供一種全新的食品消費(fèi)體驗(yàn)。隨著這種技術(shù)的不斷完善，3D 食品打印技術(shù)會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的食品加工工藝，成為主流的食品加工技術(shù)，推動(dòng)食品生產(chǎn)與食品消費(fèi)的理念變革。

一、3D 食品打印技術(shù)簡(jiǎn)單介紹

1.何為3D 食品打印技術(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，3D 食品打印技術(shù)有多種工藝，如熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、光固化立體成型技術(shù)（SLA）、選擇性燒結(jié)成型技術(shù)（SLS）與層片疊加技術(shù)（LOM）等），其中熔融沉積成型技術(shù)（FDM）的應(yīng)用最為廣泛。這種技術(shù)的操作原理是機(jī)械設(shè)備先加熱各種固體食材原材料，熱融擠出雜質(zhì)后然后冷卻凝固，然后再進(jìn)行層層堆積，制作成不同類型食品形狀。因?yàn)檫@種技術(shù)具備較高擠出效率、工業(yè)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、原材料得以最大化利用等優(yōu)點(diǎn)，故此普遍運(yùn)用于巧克力生產(chǎn)、糖果制作等生產(chǎn)線中。具體而言，3D 食品打印技術(shù)的操作過(guò)程主要采用計(jì)算機(jī)三維建模軟件，設(shè)計(jì)出需要打印的食品，同時(shí)進(jìn)行平面分解，設(shè)置好操作程序后，工作人員運(yùn)用3D 食品打印機(jī)擠出食材原材料，然后進(jìn)行逐層打印操作，并堆積成型。每一層的打印操作應(yīng)對(duì)準(zhǔn)該食品的一個(gè)橫截面，每個(gè)橫截面都進(jìn)行提前精準(zhǔn)計(jì)算，技術(shù)人員設(shè)置好噴頭運(yùn)動(dòng)軌跡，工作人員按照制定程序，啟動(dòng)按鈕，噴頭就會(huì)在預(yù)定的軌跡中運(yùn)動(dòng)，有節(jié)奏地?cái)D出原材料，最終打印出形式多樣、口味多種、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的個(gè)性化食品。

2.3 D 食品打印技術(shù)的發(fā)展歷程

1984 年美國(guó)人查理斯·胡爾首先研制出3D 打印技術(shù)，并命名為立體平板印刷技術(shù)，1986 年他將這種技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，并研制出第一臺(tái)商業(yè)化3D 印刷機(jī)?？的螤柎髮W(xué)科研人員戈多伊嘗試將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于食品生產(chǎn)領(lǐng)域，2011 年，英國(guó)?？巳卮髮W(xué)終于研制出第一臺(tái)3D 巧克力打印機(jī)，通過(guò)采用冷卻、加熱技術(shù)，把熔融態(tài)巧克力食材打印成凝固態(tài)巧克力，這是一次質(zhì)的飛躍。2011 年西班牙自然科學(xué)公司成功研制出裝置墨盒的3D 食品打印機(jī)佛奧蒂尼，可以將多種食材置入墨盒中，打印出多樣化食品。目前市場(chǎng)上主流的3D 食品打印機(jī)還有用于打印糖果的切夫·杰特機(jī)與切夫·杰特波羅等，雖然這種技術(shù)依然處于發(fā)展階段，但是已經(jīng)普遍應(yīng)用于食品加工行業(yè)之中，打印出多樣化食品，初步滿足消費(fèi)者的個(gè)性化需求。

二、不同材質(zhì)的食品原材料對(duì)3D 打印的影響

3D 食品打印技術(shù)的有效應(yīng)用、打印食品質(zhì)量情況主要起決于不同種類的原材料。盡管食材的原材料種類繁多，但是根據(jù)目前的技術(shù)來(lái)看，跟3D 機(jī)匹配的原材料種類并不多，主要包括液體材料、粉末材料與細(xì)胞培養(yǎng)材料等。擠壓與噴墨技術(shù)可以打印液體原料，應(yīng)用熱源或者是顆粒粘展劑可以將粉末材料通過(guò)沉積操作打印成固體食品，生物沖洗技術(shù)可以把細(xì)胞培養(yǎng)材料打印成合成肉類食品。不同材質(zhì)的食品材料會(huì)影響到不同的打印效果。

1.碳水化合物對(duì)打印效果的影響

碳水化合物對(duì)打印效果的影響主要在于玻璃化轉(zhuǎn)換溫度，即原材料從高彈態(tài)轉(zhuǎn)化為玻璃態(tài)所需要的溫度，簡(jiǎn)稱為轉(zhuǎn)換溫度。轉(zhuǎn)換溫度對(duì)原材料的支撐能力影響較大，非顆粒狀、非晶狀食材在轉(zhuǎn)換溫度值域以下為玻璃形態(tài)，擠出操作時(shí)玻璃態(tài)食材粘度會(huì)增加，形成大量結(jié)晶核，這些結(jié)晶核就可以在食品內(nèi)部形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，不容易變形。當(dāng)然，選擇食材時(shí)也得關(guān)注糖類的成分差異。粉狀原材料也會(huì)影響3D 打印的成型效果，淀粉原材料一般都呈現(xiàn)黏糊狀，具備一定的粘度，但是屬于不滿足牛頓粘性實(shí)驗(yàn)定律的流體材質(zhì)，在大氣壓的作用下，糊狀淀粉的內(nèi)部分子就會(huì)不斷收縮，遇到熱量、或者是擠出操作時(shí)，分子就會(huì)膨脹，打印出來(lái)的食品外形就會(huì)不盡完美。

2.蛋白質(zhì)材料對(duì)3D 打印效果的影響

蛋白質(zhì)材料組成的聚合物會(huì)產(chǎn)生電離子，很容易降低3D 打印效果。蛋白質(zhì)組成的聚合物主要由脫水氨基酸縮合而形成，本身就攜帶正、負(fù)電離子，當(dāng)正負(fù)電離子相互作用時(shí)，蛋白質(zhì)分子的粘度就應(yīng)因?yàn)榈入婞c(diǎn)不斷收縮而下降，但是一旦正負(fù)電離子失去平衡，就會(huì)改變蛋白質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而影響打印效果。比如，比較受兒童喜愛(ài)的蛋白質(zhì)明膠材料，具備入口即化的特性，因而給牙齒并不堅(jiān)硬的兒童群體帶來(lái)獨(dú)特的口感體驗(yàn)，明膠呈現(xiàn)稀釋溶液狀態(tài)時(shí)，具備牛頓流體特征，但是經(jīng)過(guò)電離子的作用后，蛋白質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)改變，這就需要添加其他蛋白酶，從而形成粘稠狀的明膠。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)操作后，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)添加谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的效果最佳，經(jīng)過(guò)這種蛋白酶的中和作用，蛋白質(zhì)與蛋白酶通過(guò)共價(jià)鍵實(shí)現(xiàn)緊密融合，就形成了相對(duì)固定的聚合物。但是，在擠出操作過(guò)程中，蛋白質(zhì)的擠出還受到剪切速率因素的影響，剪切應(yīng)力會(huì)降低蛋白質(zhì)的粘稠度，嚴(yán)重的時(shí)候也會(huì)形成非牛頓流體行為，所以就應(yīng)提升剪切效率、降低剪切應(yīng)力；另外，技術(shù)人員在操作時(shí)，機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的壓力也會(huì)改變蛋白質(zhì)的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，若處于強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境中，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)也會(huì)變形，這些因素都會(huì)影響到打印效果。

3. 脂類甘油三酯類食材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)成也會(huì)影響打印效果

作為一種常用的食品原材料，甘油三酯由于由多種類型的脂肪酸所組成，因而內(nèi)部熔點(diǎn)各異，這就造成了食品原材料呈現(xiàn)熔點(diǎn)變化幅度較大、固體脂肪指數(shù)上下浮動(dòng)以及晶體結(jié)構(gòu)變動(dòng)等情況，故此影響食品的3D 打印效果。這種情況在肉類食材中表現(xiàn)得作為明顯，肉類的產(chǎn)地、不同部位顏色差異與保質(zhì)期等因素都會(huì)給脂肪酸含量產(chǎn)生影響，不同類型脂肪酸的熔點(diǎn)不同，直接影響到肉類脂肪的柔軟度與緊密度，固體脂肪酸的熔點(diǎn)較高，打印出來(lái)的食品的顏色比液態(tài)脂肪酸食品先得更加潔白，外形更耐看。那些不飽和脂肪酸含量較高的食材打印出來(lái)的食品，極易氧化，也會(huì)出現(xiàn)酸敗結(jié)果。不過(guò)，3D 食品打印技術(shù)可以加工出高質(zhì)量肉類制品，技術(shù)人員通過(guò)調(diào)整甘油三酯的組成比例，就可以改變?nèi)忸愔破返耐庥^，也更加健康，滿足不同口味的消費(fèi)需求。

4.維生素種類分布對(duì)打印效果的影響

水溶性維生素食材熱穩(wěn)定度較低，溫度稍微升高就會(huì)分解，從而改變了維生素內(nèi)部結(jié)構(gòu)；脂溶性維生素對(duì)外界溫度不太敏感，但是存在易被氧化的特點(diǎn)，故此技術(shù)人員在打印維生素種類較多的食材時(shí)，尤其注意外界溫度的變化情況、避免跟外界空氣直接接觸，比如在高溫、堿性ph 值較高的環(huán)境，維生素C 就會(huì)氧化，從而降低營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。技術(shù)人員可以利用FDM 三維打印技術(shù)，為了避免維C 跟空氣接觸，可以把維C 混入到淀粉中，從而保全維C 的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

三、常見(jiàn)3D 打印食品

隨著這種技術(shù)的普及應(yīng)用，加之3D 打印技術(shù)的不完更新，通過(guò)3D 技術(shù)打印出來(lái)的食品種類越來(lái)越多，花色也更加豐富，營(yíng)養(yǎng)也更為全面，口感也更符合多樣化需求，常見(jiàn)的通過(guò)3D 打印出來(lái)的食品有巧克力、冰激凌、與糖果等。

1.3 D 打印巧克力

從發(fā)展經(jīng)歷來(lái)看，最終通過(guò)3D 打印出來(lái)的食品就是巧克力，隨著這種技術(shù)的完善，打印出來(lái)的巧克力就可以控制糖分含量，滿足不夠口味的需求，加之生產(chǎn)巧克力的原材料也較為適用于3D 打印，而且打印出來(lái)的巧克力并不需要再次加工、處理，可以立即使用，故此當(dāng)前巧克力打印中這種技術(shù)應(yīng)用最為頻繁。需要指出的是，技術(shù)工人在采用FDM 三維打印技術(shù)時(shí)，應(yīng)注意原材料結(jié)晶原理與支撐能力變動(dòng)對(duì)打印效果的影響。巧克力打印的主要原料是可可脂，這種材料可以形成六種不同的晶體形態(tài)，即從I 分布到VI，熔點(diǎn)依次為γ：-5 ～5℃；α：17 ～ 22 ℃；β1 和 β2：29～34℃；β2 和β1：29～34℃，故此注意溫度控制。巧克力的外觀與口感收到可可脂多態(tài)性特征的影響，由于具有非牛頓流體特性，熔融態(tài)巧克力的粘稠度跟剪切應(yīng)力變化成反比，故此，剪切壓力過(guò)大的情況下，巧克力食材就會(huì)喪失非牛頓流體性質(zhì)，無(wú)法完成正常打印。除此之外，技術(shù)人員還應(yīng)控制好噴頭溫度，注意半制成品在擠出時(shí)的粘稠度與流動(dòng)性，確保打印出完全符合當(dāng)初設(shè)計(jì)形狀的制成品；但是，噴頭溫度也不宜過(guò)低，溫迪過(guò)低會(huì)導(dǎo)致原材料凝固，從而造成噴頭堵塞，故此，噴頭溫度應(yīng)控制在低于凝固溫度1℃的值域內(nèi)。3D 技術(shù)打印巧克力工作示意圖見(jiàn)圖1-1。

2.3 D 打印冰激凌

作為一種半流固態(tài)的冷凍甜食，具備耐油特性的細(xì)膩、香甜、冰涼可口優(yōu)點(diǎn)，深受各類消費(fèi)者尤其是青少年兒童的歡迎。冰激凌還具備可塑性特性，因而可以有效使用3D 技術(shù)來(lái)打印各種類型的冷凍甜品。技術(shù)人員應(yīng)優(yōu)先選擇螺旋式擠出噴頭來(lái)確保成功打印出冰激凌，為了防止半成品回流，技術(shù)人員還應(yīng)采用雙向均速擠出原料的方式來(lái)進(jìn)行勻速打印，擠出裝置的精讀應(yīng)控制在1 毫米以下，因?yàn)樵牧媳容^粘稠，擠出裝置的孔徑過(guò)大的話，摩擦力就會(huì)隨之增加，容易形成堵塞；空經(jīng)過(guò)小又影響打印速度。生產(chǎn)冰激凌的原材料含有乳脂肪、非脂乳固體、甜味劑、固形物、穩(wěn)定劑、乳化劑等營(yíng)養(yǎng)成分，為了控制好粘稠度，技術(shù)人員就應(yīng)搭配好穩(wěn)定劑的配比度，確保粘稠度為120～140MPa·S。

3.3 D 打印糖果

3D 打印技術(shù)可以打印出軟糖跟硬糖兩種糖果。3D 可以打印以淀粉糖漿為主要原材料、添加果膠與明膠之類的凝固劑的易成型的軟糖，而且安全可靠，放心食用。打印軟糖時(shí)，在使用以卡拉唐之類的高粘度原料時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)控制糖漿濃度，以便后續(xù)順利添加物料，順利轉(zhuǎn)移、擠出成型的軟糖糖果；使用明膠類的低粘度糖料時(shí)，技術(shù)人員需大劑量添加糖漿濃度，便于擠出成型的糖果，但是無(wú)形中增加了生產(chǎn)成本，還需要一定的時(shí)間來(lái)進(jìn)行烘干操作。以果葡糖漿、白砂糖為主要原料的硬糖，由于水分含量較低，技術(shù)人員在進(jìn)行3D 打印操作時(shí)不易控制溫度，生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜。

四、外在因素對(duì)3D 食品打印效果的影響

除了原材料外，一些外在因素，尤其是技術(shù)要素，對(duì)食品打印效果也會(huì)產(chǎn)生影響，比如外在溫度、擠出方式、噴頭直徑與成型系統(tǒng)等，其中最主要的是外在溫度與擠出方式。

1.外在溫度

溫度溫度是影響3D 打印效果的首要因素。3D 食品打印的原料多為膠狀液體，由于自身帶有正負(fù)離子，受力平衡能保持穩(wěn)定。溫度過(guò)高可能會(huì)使膠體平衡破壞，蛋白質(zhì)變性形成沉淀，脂肪晶體受到破壞，打印效果降低。溫度過(guò)低使得食品原料凝結(jié)造成堵塞，不能順利擠出。根據(jù)食品原料擠出時(shí)對(duì)熔點(diǎn)、玻璃化溫度的要求，在原料貯存裝置、噴頭裝置、成型平臺(tái)進(jìn)行溫度控制，設(shè)置合適的溫度，既要確保食品的順利擠出，又要穩(wěn)定成型。

2.擠出方式

噴頭擠出方式能顯著影響打印食品的外觀。常見(jiàn)的擠出方式有氣壓式、螺旋式、注射器式擠出。氣壓式擠出裝置通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)擠出噴頭，機(jī)械部件與食品原料沒(méi)有直接接觸，降低了食品污染的風(fēng)險(xiǎn)；而缺點(diǎn)是改變擠出速度時(shí)，響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，如果要將高粘度物質(zhì)填充到原料貯存筒中，容易產(chǎn)生氣泡，在打印生產(chǎn)中需要增加其他設(shè)備。螺旋式擠出過(guò)程是電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿不斷將物料往下拉，最后到達(dá)擠出噴嘴，氣泡干擾較小。螺桿與食品材料直接接觸，所以螺桿和原料運(yùn)送裝置應(yīng)使用食品級(jí)不銹鋼材料。注射器式擠出裝置由機(jī)器產(chǎn)生壓力，直接接觸食品原料，擠出成型，適合打印固體半固體食品原料，擠壓裝置同樣需要用食品級(jí)不銹鋼材料。選擇哪種擠出方式，要根據(jù)食品原料的流動(dòng)性能、粘性、熱特性等因素綜合考慮。選擇或設(shè)計(jì)一個(gè)適合某食品原料的擠出噴頭，可提高打印食品的精度。

五、3D 食品打印技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的進(jìn)步，3D 食品打印技術(shù)會(huì)日漸成熟，有利于早日實(shí)現(xiàn)食品打印的商業(yè)化作為一種新興科技，3D 打印應(yīng)用于食品加工，有利于促進(jìn)食品工藝的發(fā)展、推動(dòng)現(xiàn)代食品工業(yè)改革。3D 食品打印技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展的時(shí)期，必定給人們帶來(lái)更多福利。