食品工業3D打印技術運用

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摘要：3D打印技術是將計算機設計的三維數字模型分解成若干層平面切片，然后由3D打印機把粉末狀、液狀或絲狀可黏合材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整物體的技術。該技術正成為新產業革命的標志性技術。本文綜述了3D打印技術在焙烤食品、巧克力、糖果、肉類等食品中的應用現狀，并對該技術在食品工業中的未來應用進行了展望。

關鍵詞：3d打印；食品；應用

3D打印(3Dprinting)，又稱“三維打印”、“增材制造(additivemanufacturing，AM)，是快速成型(rapidprototyping，RP)技術的一種，是將計算機輔助設計(computeraideddesign，CAD)而成的三維數字模型分解成若干層平面切片，然后由3D打印機把粉末狀、液狀或絲狀塑料、金屬、陶瓷、組織細胞等可黏合材料，按切片圖形采用分層加工和疊加成型的方式，逐層增加材料而生成三維實體的技術。由于分層加工過程與噴墨打印類似，因此稱之為3D打印。該技術綜合了數字建模技術、信息技術、機電控制技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識，是一種具有很高科技含量的綜合性應用技術［1～2］。由于該技術具有節約原材料、可實現個性化生產、可制造出傳統生產技術無法制造出的外形等優點，因此在汽車、船舶、航空航天、武器裝備、建筑、工業設計、家電、服裝、鞋類、珠寶、首飾、醫療、教育、文化創意、文物修復、影視等領域正得到日益廣泛的應用［3～6］。近年來，3D打印技術在食品工業中展現出巨大的應用潛力。本文就3D打印技術在食品工業中的應用進行綜述，并對其未來的應用前景進行展望。

1打印食品的工藝過程

傳統的烹飪器械，如切割刀具和烘烤模具，因精準度低而不能加工出復雜多變的形狀。采用食品打印機和數字食譜，可以加工出傳統烹飪技術無法實現的口味和形狀，開拓新的烹飪市場。實現食品打印需滿足以下幾個條件:首先是正確使用機械力;其次是精心設計數字食譜;最后是調整合適的食材進料順序。食材必須要軟硬合適，既要能從打印頭流出，又要能維持打印后的形狀。另外，還要考慮食材的耐熱性、烹飪方式等影響因素。食品打印的基本過程是:首先要將食品混合物編寫成設計文檔。可以直接從網上下載，，也可以通過工程設計軟件自己從頭開始創建。目前還沒有研發出類似“食品CAD”的商業軟件。通過與之相連的空氣壓縮機所產生的壓力，打印頭把食材擠出。不同的食物配方需要施加不同的壓強。有時室溫也會影響食品混合物通過打印頭的流速。打印頭的大小和直徑很關鍵，太小會導致擠壓速度過慢，太大又會使打印出的食物表面粗糙。一般來說，打印出的食品不能直接食用。現在的3D食品打印技術還不能對打印的食材進行煎、烤或炸，但可以烘焙。例如，餅干一旦被打印出來，打印頭下的加熱平臺就馬上烘焙，使餅干烘熟定型。3D打印的食品形狀是否完整，外觀是否誘人，關鍵在于打印機的分辨率。目前，多食材的打印仍處于起步階段，水果或蔬菜等天然食品的打印還不能實現，高仿真度合成食品的打印也非常困難［7］。

23D打印的食品種類

2．1焙烤食品

2010年12月，美國康奈爾大學的科研人員研制出3D食物打印機，只要把奶酪、巧克力和蛋糕糊等食材“墨水”預先放進一組注射器內，再下載食譜軟件“FabApp”，機器便會依照CAD軟件提供的電子圖紙，將注射器內各種食材“墨水”按照行列、層疊順序依次“打印”出立體食物。使用者可利用電子圖紙控制食物的風味、質地和其他特性。目前已成功“打印”出嵌入字母的小甜餅和杯形蛋糕［8，9］。2014年1月，西班牙Natu-ralMachines公司發明了一款名為“Foodini”的3D食物打印機，能制作漢堡、比薩、意大利面和各類蛋糕等食物。Foodini內設的五個膠囊可用來儲存不同食材。在使用Foodini時，首先把新鮮食材攪拌成的泥狀材料裝入膠囊內，然后在該設備的控制面板上選擇想要做的食物圖標就可啟動制作。Foodini上有6個噴嘴，可以通過不同的組合，制作出各種各樣的食物。用戶可通過Foo-dini自主決定食物的形狀、高度、體積等，不僅能做出扁平的餅干，也能完成巧克力塔，甚至還能在食物上完成卡通人物等造型。Foodini不能烹煮食物，用戶需把打印好的食物加熱煮熟后才能享用。此外，還有用3D打印機制作曲奇餅干的報道［7］。福建省某食品有限公司利用3D打印技術做出色彩繽紛的個性化餅干，受到兒童和年輕女孩的喜愛，市場銷路非常好［10］。孫鐵波等［11］分析了奶油3D打印的特點，給出了奶油3D打印機機械系統、控制系統及奶油噴嘴的設計方案。

2．2巧克力和糖果

早在2006年，美國高中生諾伊•沙爾就用改進后的Fab@Home打印機，打印出了肯塔基州形狀的巧克力［7］。2011年7月，英國埃克塞特大學的研究人員開發出世界上第一款使用液態巧克力作為“油墨”的3D巧克力打印機，并于2012年4月推向市場［9，12］。2013年5月，NASA批準一項12．5萬美元的資助計劃，授權一名機械工程師及其公司(Systems＆amp;MaterialsResearchCorporation)研制新型3D打印機，使太空中的宇航員可以打印出巧克力等食物［13］。2010年，Hao等［14］開發了一種新的被稱為“巧克力增層制造(chocolateadditivelayermanufacture，ChocALM)”的制造方法，即采用逐層疊加的方式制備個性化的三維巧克力產品。研究結果表明，噴嘴孔徑、噴嘴距離加工床面的高度、擠壓速度、軸運動速度等工藝參數是決定產品幾何精度的關鍵參數。2014年3月，全球最大3D打印機制造商之一的3DSystems公司，在SXSW音樂節上推出了3D打印糖果，并分發給了與會者。這些糖果五顏六色，由該公司的ChefJet系列打印機打印出，使用了糖、水、酒精作為3D打印的原材料，嘗起來有甜味和水果味。ChefJet系列打印機能夠利用砂糖、巧克力和奶油等原料打印出糖果和巧克力，打印產品主要面向高端面包店和蛋糕店。跳跳糖、寶塔糖和娃娃臉雪糕等現在也可用3D打印機制作出來。砂糖3D打印機CandyFab4000可以通過噴射加熱過的砂糖，直接做出具有各種形狀、美觀又美味的甜品［2］。

2．3肉類

美國紐約的ModernMeadow公司用3D打印技術打印出了“鮮肉”。其制作過程是:通過活體穿刺方式從動物身上采集皮膚、肌肉細胞;用胰酶處理以破壞細胞之間的粘連，將組織分散為單個細胞;在細胞培養基中將細胞擴增培養;誘導細胞產生膠原蛋白;將細胞和膠原蛋白延展鋪開成片狀，再將薄片一層層疊放;通過生物聚合過程將細胞黏合到一起;將整合好的細胞層置于體外反應器皿中，繼續培養;數周后，終止細胞的營養供給，收集細胞用于打印成品。細胞密度、流速和溫度都可能影響肉類的口感和質地。如果溫度過高，細胞失水，打印出的肉口感會偏老［10，15，16］。2012年7月，美國賓夕法尼亞大學的研究人員宣布，用改進的3D打印技術打印出了生肉。這種利用糖、蛋白質、脂肪和肌肉細胞等原材料打印出的肉，具有與真正肉類相似的紋理和口感，連肉里的微細血管都能打印出來。在打印鮮肉時，先用微小的人造血管構造一塊肉的立體框架，再在血管之間填充脂肪、蛋白質，形成肌纖維和肌肉組織。打印肉類食品的關鍵在于原材料的調配。研究人員以牛肉為例，先在實驗室嘗試培育人造肉，并按照真正肉類所含的營養元素配制打印原料。配制的材料以水基溶膠為黏合劑，并配以特殊的糖類分子。由于用了水基溶膠，打印肉最大的特點是溶于水，長時間在水中浸泡后可自動溶化。

2．4其他

2005年2月，美國芝加哥市莫托(Moto)餐廳的廚師霍馬羅•砍圖利用食物打印機制作出壽司［15］。2013年初，畢業于紐約大學的MarkoManriquez推出了制作墨西哥薄餅的3D打印機原型［12］。2014年4月，德國Biozoon公司推出一款3D食物擠壓機，能夠打印出各種不同類型的食物，由明膠基制成。食物能入口融化，特別適于有吞咽困難癥的人群。這款打印機使用48個噴嘴，通過噴射技術，混合一些新鮮食材泥，包括蘆筍、雞肉、豬肉、豌豆、意大利面、土豆以及該公司保密的一種物質，然后就可根據用戶的喜好，把這些食材打印成各種形狀的食物。上面提到的那種秘密物質的作用，是讓食材泥保持形狀，但當打印成的食物入口后會融化。打印的材質通常是調過味的食物泥，因此用戶不能調整食物的味道，只能通過編寫軟件調整其形狀。最近該公司又推出了一種叫“Smoothfood”的3D打印食品，以解決老人進食困難的問題。該食品是將原料液化并凝結成膠狀物，然后通過3D打印機制造出各種各樣容易咀嚼和吞咽的食物。在該公司開發的3D打印機Foodini3D的幫助下，肉類、糖類食品和蔬菜被擠壓成立即可食、容易咀嚼的食物。目前已有6種食材可以制作成3D打印食物，即花椰菜、豌豆、雞肉、豬肉、土豆和面食。

3展望

未來，3D打印技術將體現精密化、智能化、通用化和便捷化等發展趨勢。3D打印機的體積將小型化、桌面化，成本將更低廉，操作將更簡便［17］。展望未來，3D食品打印也許會在以下幾方面得到應用:

3．1制作太空食物

為了使宇航員在太空中的飲食種類多樣、味道鮮美、營養豐富，科學家已在考慮用3D打印機在太空為宇航員制造食物。2014年11月，由美國太空制造公司(MadeinSpace)設計制造的世界上首臺零重力3D打印機，搭乘美國太空探索技術公司的“龍”號貨運飛船抵達國際空間站后完成首次打印，打印出了用于制作打印頭外殼的小型塑料面板。

3．2助解糧食危機

在這方面，3D打印食物具有很大的優勢。首先，3D食物打印機的食材多為粉末，可以植物的莖桿、昆蟲、藻類等為原料，極大程度地增加食物來源;其次，使用的營養物質經過脫水處理，呈粉末狀，避免了食物在儲存、運輸過程中因腐敗變質而導致的浪費，還可大大延長保質期;此外，3D打印可以個性化定制，可嚴格按照人們的飯量精確準備食物，從而有效減少浪費。2014年6月，美國紐約的ModernMeadow公司已用3D打印技術生產出皮革，他們最終希望能用同樣的方法生產肉類，以減輕全球對牲畜的依賴。如果能夠打印出合成魚肉和牛肉，就可以減輕過量捕魚和養牛對環境造成的壓力。

3．3個性化定制食物

3D打印可根據不同年齡段定制個性化的營養配方，也可根據個人喜好打印口味各異的食物，還可根據需要自由設計形狀和添加顏色。未來，廚房用的3D打印機將會利用內置的智能數控系統，依據使用者每天不同的需求量，調整食譜中各種營養成分的比例，為其量身打印食物［7］。糖尿病患者可以上傳血糖數據，然后用軟件計算出他們下一餐的營養均衡食譜，并將食譜發送給廚房里的3D食品打印機。如此自身量化飲食，就可以更科學地預防或減緩糖尿病和肥胖癥。目前，食品3D打印技術尚處于萌芽階段，只有少數學術機構在進行實驗。大多數食品打印機出現在實驗室，商用3D食品打印機還沒有面向市場。但隨著3D打印技術的日趨成熟、打印材料的不斷擴充、打印機價格的持續下降，相信在不久的將來，3D打印服務將會像發送電子郵件、即時微信通訊一樣普及，3D食品打印機會像電腦、照相機、微波爐一樣進入千家萬戶。

主要參考文獻

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作者：井樂剛 沈麗君 單位：哈爾濱師范大學生命科學與技術學院