基于專利導航的食品3D 打印技術(shù)發(fā)展路徑研究

摘要：論文采用專利導航分析的方法，基于 incoPat 全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫，從打印原理、打印裝置、打印材料3個技術(shù)分支角度，對食品3D 打印技術(shù)專利的申請、授權(quán)、狀態(tài)進行了分析;在此基礎(chǔ)上從強化產(chǎn)業(yè)技術(shù)優(yōu)勢、彌補產(chǎn)業(yè)鏈劣勢、填補產(chǎn)業(yè)鏈空白3個角度對江南大學食品3D 打印技術(shù)的發(fā)展路徑提出了建議。

關(guān)鍵詞：食品;3D 打印;增材制造;專利導航;發(fā)展路徑

中圖分類號：G252.7" 文獻標志碼：A

0 引言

食品3D 打印技術(shù)擁有獨特的“定制化”屬性，不僅可以實現(xiàn)外觀上的個性化設(shè)計成型，還可以針對特殊人群打印特殊用途和精準營養(yǎng)的食品，是未來個性化食品智能制造的主要解決途徑。在我國的第十四個五年規(guī)劃中，3D 打印被列為食品領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展的重點研究方向。江蘇省在3D 打印方面已具備較好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，主要集中于南京、無錫、蘇州、常州等地。目前，江蘇省成立了全國增材制造（3D 打?。┊a(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、江蘇省三維打印產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、江蘇省3D 打印技術(shù)專業(yè)委員會等多個協(xié)會聯(lián)盟組織，極大地推動了江蘇省3D 打印技術(shù)集成創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

位于江蘇省無錫市的江南大學是教育部直屬高校， 同時也是國家“211工程”重點建設(shè)高校和“雙一流”建設(shè)高校，食品科學與工程學科在軟科世界一流學科排名第一。其食品3D 打印技術(shù)全產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)相對來說比較完整。學校憑借其一流學科，匯聚研究團隊，形成了包括食品打印原材料、打印設(shè)備、食品應用等在內(nèi)的比較完整的創(chuàng)新鏈。本文以食品3D 打印為技術(shù)領(lǐng)域，著眼于江南大學食品學科食品科學與工程“一流學科”建設(shè)規(guī)劃與重大突破技術(shù)分析實際需求，通過專利導航分析，為江南大學3D 打印技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展路徑提供指引，助力一流學科建設(shè)。

1 研究設(shè)計

1.1 研究方法

本文采用專利導航分析研究方法。專利導航是以專利信息資源利用、專利分析為基礎(chǔ)，把專利運用嵌入到產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新、組織創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新之中，是引導和支撐產(chǎn)業(yè)科學發(fā)展的一項探索性工作[1];其主要目的是探索建立專利信息分析與產(chǎn)業(yè)運行決策進行深度融合、專利創(chuàng)造與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力實現(xiàn)高度匹配、專利布局對產(chǎn)業(yè)競爭地位保障有力、專利價值實現(xiàn)對產(chǎn)業(yè)運行效益有效支撐的工作機制， 推動產(chǎn)業(yè)的專利協(xié)同運用，培育形成專利導航產(chǎn)業(yè)發(fā)展新模式。

1.2 數(shù)據(jù)檢索

本文在文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過電話、郵件等方式多次征求相關(guān)科研團隊的意見[2]，對食品3D 打印技術(shù)及裝備一級技術(shù)領(lǐng)域進行逐級分解[3-6]，二級技術(shù)包含打印原理、打印裝置、打印材料;三級技術(shù)包含 FDM、SLA、SLS、粉末床打印技術(shù)、LOM、控制系統(tǒng)、噴頭（擠出裝置）、輸送裝置、熟化裝置、液體、粉末、細胞類、蛋白、淀粉、凝膠、蔬菜、水果、肉、糖。根據(jù)分解的技術(shù)提取中英文關(guān)鍵詞，在此基礎(chǔ)上結(jié)合 IPC 分類號創(chuàng)建專利檢索式;根據(jù)總分策略進行專利檢索，在檢索過程中不斷調(diào)整檢索策略，最后根據(jù)實際情況進行一些補充檢索，形成初步檢索數(shù)據(jù)庫后，再進行數(shù)據(jù)清洗降噪處理，最終形成食品3D 打印專題數(shù)據(jù)庫。

2 江南大學食品3D 打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 江南大學食品3D 打印技術(shù)分支專利申請情況

將江南大學3D 打印技術(shù)分支申請專利情況與全球、中國、江蘇進行比較，如表1所示。表1數(shù)據(jù)顯示江南大學在食品3D 打印領(lǐng)域的三大技術(shù)分支中，打印裝置和打印原料的申請量均排名前列。其中，江南大學在打印裝置領(lǐng)域的申請量為40件， 占全球申請量的4.2%， 占全國申請量的6.5%， 占江蘇申請量的53%;而在打印原料領(lǐng)域的申請量為44件， 占全球申請量的6.9%， 占全國申請量的12.6%， 占江蘇申請量的73%。這表明江南大學在打印裝置和打印原料領(lǐng)域具有一定的技術(shù)實力，并且在國內(nèi)和全球范圍內(nèi)都有較高的影響力。然而，在打印原理領(lǐng)域，江南大學的申請量為0，需要進一步提升技術(shù)創(chuàng)新能力。

2.2 江南大學食品3D 打印技術(shù)分支專利授權(quán)情況

專利申請數(shù)量能夠反映出研發(fā)方向以及對該領(lǐng)域的重視程度。專利的授權(quán)情況能真正反映要求保護的專利的有效性，也體現(xiàn)了專利的價值。江南大學食品3D 打印裝置幾大技術(shù)分支中，授權(quán)數(shù)量最高的為噴頭（擠出裝置）16件，接著是熟化裝置10件、控制系統(tǒng)6件、輸送裝置2件。雖然噴頭（擠出裝置）技術(shù)專利總數(shù)較多，但授權(quán)比例為50.00%， 比控制系統(tǒng)75.00%授權(quán)比例要低得多。江南大學食品3D 打印原料的十大技術(shù)分支中，授權(quán)數(shù)量最高的前三種原料分別為凝膠7件、粉末5件、水果5件;此外凝膠、糖和蔬菜打印原料的專利總數(shù)較多，但授權(quán)比例相對粉末和淀粉要低得多。

2.3 江南大學食品3D 打印技術(shù)分支有效專利情況

專利申請只有當其被授權(quán)并且處于有效的狀態(tài)才能為專利保護帶來實質(zhì)性的作用。檢索結(jié)果顯示江南大學食品3D 打印裝置的噴頭（擠出裝置）、輸送裝置的有效專利比例相對并不高， 只有控制系統(tǒng)、熟化裝置有效專利占比超過了50%， 輸送裝置低于35%。江南大學食品3D 打印原料十大技術(shù)分支之間有效專利占比差距較大，粉末原料技術(shù)的有效專利占比高達56%，細胞類和肉類原料技術(shù)的有效專利占比最低;江南大學食品3D 打印原料十大技術(shù)分支的有效專利比例并不高，只有粉末、淀粉、水果原料技術(shù)有效專利占比超過了40%，凝膠、蔬菜、液體等原料技術(shù)有效專利占比較低，均在30%以下。

3 江南大學食品3D 打印技術(shù)發(fā)展路徑導航

現(xiàn)階段的食品3D 打印技術(shù)存在加工裝備智能化、高效化、精準化程度不足及標準化、連續(xù)化、自動化水平不夠等問題，嚴重制約了產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。江南大學應在經(jīng)濟新常態(tài)背景下，把握機遇，尋找企業(yè)、技術(shù)、人才及專利等各種資源的優(yōu)化配置，加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型優(yōu)化升級步伐，將江南大學食品3D 打印產(chǎn)業(yè)打造發(fā)展為全球前沿產(chǎn)業(yè)。本文通過充分解讀全球食品3D 打印專利情報所表征的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢和市場競爭態(tài)勢，全面了解江南大學食品3D 打印所處發(fā)展階段和內(nèi)外環(huán)境，借鑒發(fā)達國家， 給出了江南大學食品3D 打印技術(shù)發(fā)展路徑建議。

3.1 強化產(chǎn)業(yè)技術(shù)鏈優(yōu)勢

基于江南大學食品3D 打印技術(shù)的現(xiàn)狀，為保障未來食品3D 打印技術(shù)的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展，學校應加強頂層設(shè)計，進行科學規(guī)劃，對三大技術(shù)分支進行合理布局，實現(xiàn)補鏈、強鏈之目的。建議大力加強打印原料方面的優(yōu)勢，努力克服產(chǎn)品成型難、穩(wěn)定性差、高精度打印困難和打印效率較低等方面的難題，強化打印原料的發(fā)展。同時基于江南大學在打印設(shè)備裝置領(lǐng)域方面的優(yōu)勢，努力促進食品3D 打印裝置高端產(chǎn)業(yè)化。

3.2 彌補產(chǎn)業(yè)鏈劣勢

近年來，基于 SLA、SLS 等技術(shù)的3D 打印裝置設(shè)備不斷更新， 國內(nèi)設(shè)備廠商在3D 打印設(shè)備所需的專用材料、工藝裝備、關(guān)鍵零部件、軟件系統(tǒng)等實現(xiàn)了技術(shù)突破和工藝經(jīng)驗積累，具有了一定的批產(chǎn)能力，帶動了整個產(chǎn)業(yè)的競爭力明顯提升。目前，在打印裝置方面，江南大學相對處于劣勢地位。突破食品3D 打印裝置技術(shù)瓶頸，攻克打印裝置的關(guān)鍵技術(shù)，將有助于帶動江南大學食品3D 打印技術(shù)向高端產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

3.3 填補產(chǎn)業(yè)鏈空白

食品3D 打印機與普通3D 打印機工作原理比較相似[7]：首先將食材和相關(guān)配料放入容器內(nèi)，輸入食譜后開啟打印按鍵后，噴頭就會將注射器中的食材逐行逐層地鋪上去，打印出立體食物產(chǎn)品。使用者可以在無需機械加工或模具的情況下，通過改變電腦中設(shè)計好的食品3D 模型來決定食物的形狀、高度、體積等，可以根據(jù)想象力和創(chuàng)造力打印出各式各樣有趣的食品。目前，在食品3D 打印工作原理方面，江南大學布局較少，存在較大空白。從長遠角度來看，應補齊短板，適度加大打印工作原理的支持力度， 以更好地強化技術(shù)，推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

4 結(jié)語

本文從食品3D 打印技術(shù)的打印原理、打印裝置、打印原料3個技術(shù)分支角度分析了江南大學食品3D 打印技術(shù)的專利數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：（1）江南大學在打印原理技術(shù)分支處于空白，打印裝置和打印材料申請專利數(shù)相差不大。（2）打印裝置技術(shù)分支中噴頭（擠出裝置）技術(shù)專利總數(shù)較多，但授權(quán)率低;控制系統(tǒng)、熟化裝置有效專利占比高。（3）打印材料中授權(quán)數(shù)量最高的前3種原料分別為凝膠、粉末、水果;有效專利占比相比于粉末、淀粉、水果較低。針對上述現(xiàn)狀，本文從強化產(chǎn)業(yè)技術(shù)優(yōu)勢、彌補產(chǎn)業(yè)鏈劣勢、填補產(chǎn)業(yè)鏈空白3個角度對江南大學食品3D 打印技術(shù)的發(fā)展路徑提出了建議。本文研究結(jié)果為助力江南大學食品科學與工程“一流學科”建設(shè)具有重要的指導意義。

參考文獻

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（編輯 李春燕）

Research on the development path of food 3D printing technology based on patent navigation taking Jiangnan University as an example

Jiang Juan1， 2， Zhang Qun1， 2， Cao Xue1， 2

（1. Library， Jiangnan University， Wuxi 214122， China;2. Intellectual Property Service Center， JiangnanUniversity， Wuxi 214122， China）

Abstract Based on the incoPat global patent database， the method of patent navigation analysis was adopted to analyze patent applications， authorizations， and status from three technical branches of food 3D printing technology： printing principles， printing devices， and printing materials in this paper. Then， suggestions were put forward for the development path of food 3D printing technology at Jiangnan University from three perspectives： strengthening industrial technological advantages， filling industrial chain disadvantages， and filling industrial chain gaps.

Key words food;3D printing; three dimension printing; patent navigation; development path