三維打印技術在食品加工領域中的應用

周紋羽+李哲+路飛+王橋+陳文慶+陳革+龐文祿+單秀峰

摘要：綜述三維打印技術的原理，從巧克力糖果制品、烘焙食品、重組性食品等方面對三維打印技術在食品加工領域的重要發展的方向進行介紹，分析該技術在食品加工領域中的應用、發展及面臨的挑戰，以期為三維打印技術的進一步發展提供參考。

關鍵詞：三維打??；食品加工；應用；發展

中圖分類號：TP391.73 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）12-0063-04

19世紀末三維打印技術才剛剛興起，直到20世紀80年代才得以實現并初具規模。三維打印技術以計算機三維設計模型為基礎，利用軟件分層離散和數字控制成形的方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞、組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成形，制造出實體產品。目前市場上已經出現面向用戶的食品三維打印機，其中在CES2014展出了Chef Jet（3D Systems）和Chef Jet Pro兩款以及巴塞羅那Natural Machines公司推出的一款消費級的已經應用于米其林三星餐廳的Foodini三維食品打印機。

1 三維打印技術概述

1.1 三維打印技術的原理

三維打印的基本原理是斷層掃描的逆過程。首先想象一個整體，將它分割切片，片數為很大的基數。那么如果計算機系統可以將每一單獨的片打印出來，最終將打印好的無數的片層層疊加到一起，即成為最初的整體，這便是逆過程后形成的三維打印產品。

由于可采用各種各樣的材料（液體、粉末、塑料絲、金屬、沙子、紙張甚至巧克力、人體干細胞等），而且還有可以自由定型的特點，可定型完全由計算機掌控，從簡單到復雜中空的造型都可以實現，所以三維打印機是名副其實的“萬能制造機”。

1.1.1 熔融沉積成型（FDM，Fused Deposition Modeling） 該工藝屬于絲質材料擠出熱熔成型，也稱熔絲制造。所謂熱熔成型，是利用具有熱塑性的材料，通過加熱三維打印機噴頭擠出材料，并且按照填充軌跡運動使材料逐層粘結形成實體產品。一個層面沉積完成后，調整工作臺繼續完成其他層面，最終打印出立體多面的造型。

1.1.2 光固化立體成型（SLA，Stereo Lithography Appearance） 光固化立體成型是將液態光敏樹脂材料在可控的紫外光線照射作用下，按照光照順序快速固化成型，其為最早三維打印中采用的一種方法。

1.1.3 選擇性激光燒結（SLS，Selective Laser Sintering） 此法采用激光作為動力源來燒結粉末，通過指揮在預定的三維激光點，激光引信通過掃描顆粒粉末床的特定區域橫截面一層一層從舊至新開始掃描，然后燒結成型；之后再次掃描后層層鋪疊。這種方法可以用于生成包含多個層次的食物，成型食物的每一層都由不同的成分組成。SLS多使用燒結金屬，其優點是成件效率高、時間短，無需支撐材料。除此以外，該項技術也適用于一些食品設計?；赟LS技術，使用一種加熱和燒結材料的紅外激光，可以將營養價值和風味加入到食品中。

1.1.4 分層實體制造（LOM，Laminated Object Manufacturing） 利用激光切割紙張，然后通過分張涂抹熱熔膠或其他形式層層黏結，疊加獲得有支撐和固化作用的三維實體零件。

1.1.5 數字光處理技術（DLP，Digital Light Processing） 采用帶有高分辨率的數字光處理器投影儀，用光固化液態光聚合物。

1.1.6 三維打印黏結成型（3DP，Three Dimensional Printing and Gluing） 該技術是利用三維打印機噴頭噴膠黏劑，選擇性黏結粉末材料，將黏結后的物質層層疊加得到三維實物。

三維打印技術的“秘密”可以概括如下：就將復雜設計變成實體物品而言，3D打印機比其他生產模式（如人工生產或機器生產）更精確、更通用，可以將一個復雜的設計通過組合不同的原材料以過去不可能的方式創造成實物。如今，鞋盒大小的塑料物品對于一般的家用三維打印機已不再是難事；工業領域的三維打印機可以制造大到汽車、小到肉眼幾乎無法看到的發絲般的物品；有些科技人員開始用三維打印機打印迷你房屋大小的混凝土房屋骨架；而在微觀學科的角度，肉眼幾乎看不到細節的物體已經開始被著手研究。

1.2 原料成分對三維打印的影響

根據化學組成，三維打印材料分為金屬材料、聚合材料、陶瓷材料和復合材料。眾所周知，三維打印的成本很高，除了三維打印機自身的機器價格較高外，對三維打印材料的高標準要求也使得打印材料的價格久高不下，同時精密度的高低、速度的快慢對材料的影響也越來越大。因此，三維打印由于打印所需的原材料緊缺和價格制約，遲遲難以市場化，也未全面走進大眾的生活。三維打印材料及其制備方法的進一步研發與利用，決定著大眾最關心的三維打印產品的性價比。作為三維打印的核心，打印材料決定了工藝的成型、設備的結構和成型件的性能。

2 三維打印技術在食品加工中的應用

三維打印食品技術建立在三維打印技術的原理之上，且多采用FDM的技術原理，將金屬、陶瓷粉末等換成食品物料，而各種物料經過混合調勻成一種糊狀的最佳狀態，這一最佳狀態一般為具有固液各自特質的形態，即既可以如固體般有一定的定型能力，又有液體可流動便于造型的特質。打印頭與相連的空氣壓縮機共同協作所產生的壓力將食材擠出。不同的食物需要不同的配方，不同食材配方又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。打印頭的大小及直徑選擇很關鍵，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，與建材金屬類打印機不同的是，食品三維打印機對零部件的要求更加苛刻。由于食品要求安全無毒無害無副作用的特質，所以與物料直接接觸的物料盒、運輸管道等都需要達到國際食品安全標準。此外，三維打印機也需同其他食品加工設備一樣具有易于拆卸、便于清洗的特質。

根據逐層堆積的原理，三維打印食品因為物料的特性（物料的狀態要求為軟材料如糊狀）暫時具有一定的局限性。在物料制造過程中，軟材料擠出技術已經適用于可混合和自動多層疊加的食品中，如生面團、肉糜和加工奶酪等。

2.1 三維打印巧克力和糖果制品

一直以來，巧克力是世界上最受歡迎的食品之一，無論成年人、兒童，無論男女都深深地被巧克力的美味和其獨特的功效所吸引。而三維打印巧克力與普通巧克力相比，具有同等的美味，且在造型上與傳統巧克力有著截然不同的視覺感受。由于巧克力受外界溫度影響的不穩定性，三維打印巧克力所需要的巧克力漿液比傳統巧克力制品要求更高，所以對三維打印機的要求也很高，由于可可油復雜的結晶化反應以及晶體的6種同分異構體中只有1種適合制作巧克力和糖果，這種同分異構體的晶體有最好的融化態、組織和貨架期的性能。

目前，三維系統已經與巧克力制造巨頭好時公司合作，探索三維打印食品這一新領域的創作，這將允許該公司構思新的巧克力圖案。此外，英國的巧克力公司Choc Edge也看到了這一領域的潛力，宣布三維巧克力打印技術和設計的領導者為該公司提供了價值4 800美元的打印機用于策劃圣誕節的巧克力設計。三維打印機還與主廚產生密切的聯系，主廚可以根據自己的制作配方將菜譜輸入到三維打印機中以實現打印出復雜多變的巧克力和糖果。

三維打印給消費者提供個性化巧克力幾乎具有無限的可能性，期待這一驚人技術的繼續發展。傳統巧克力一般只有單一的形狀，而在三維打印基礎上制造的巧克力有著復雜豐富且多變的外觀，三維打印巧克力已經不單單是一種供人品嘗的美味食物，更是一種值得讓人欣賞的藝術品。同樣的，三維打印糖果也走入了消費者身邊。研究人員利用三維打印技術來制造糖果自動定制販賣機，該販賣機可以使消費者隨心所欲打印出自己喜歡的形狀的糖果。芬蘭技術研究中心小組和阿爾托大學使用淀粉和纖維素基材料進行試驗，3D打印可以逐層打造食品，實現每種產品所需的風味、質地和均一性。

2.2 三維打印烘焙食品

隨著信息化時代的到來，人們對新興事物的興趣也愈發濃厚，尤其是在食物的美觀上也有了更多的要求。翻糖蛋糕的興起改變了固有的蛋糕形態，仿照人物、動物的特征以及周邊事物的形態，讓蛋糕從簡單的食物上升到藝術品的高度。而婚禮蛋糕相比于普通蛋糕講究頗多，如按照宴請的賓客數量制作適當大小的婚禮蛋糕，婚禮蛋糕的圖案花紋形狀等等都映射出新人美好的寄托。三維食品打印的橫空出世便是實現了從繁到簡、由無至有的堆積成型的想法。于是人們想把情侶的合照打印在蛋糕上由“天方夜譚”變成了可以實現，并且現在的三維打印技術已經不再單單是打印照片那么簡單，它還可以將逼真的模型和時下最流行的元素用打印機打印在婚禮蛋糕上，例如利用三維打印技術將蛋糕坯內堆積成一定的形狀（如桃心形），使每一刀下去蛋糕的截面都是飽滿美麗的桃心形。這聽起來很難完成，但是在三維打印機的幫助下，這些令人瞠目結舌的效果都是真真切切可以實現的。除了蛋糕坯可以使用三維打印技術，蛋糕上面的奶油裱花也可以使用三維打印技術完成。傳統的奶油食品是由面點師傅依靠經驗手工妝點，不僅速度慢、花樣少，而且陳舊、成本高、不衛生，在糕點行業引入打印技術可以大大提高工作效率。

三維打印蛋糕的配料，打開了烹飪創新的新層面，這一技術使婚禮蛋糕這一重要的食物擁有了技術前沿食品的設計，并且為此后復雜裱花類蛋糕奠定了科技的基礎，實現了科技為生活服務。

2.3 三維打印煎餅

煎餅是一款風靡國內外的主食類食品，煎餅果子、雜糧煎餅還有黃油煎餅等都是現在非常受消費者歡迎的食品。

三維煎餅打印機目前市場上已經開始推廣普及。但是三維打印煎餅的物料狀態很難把控，需要經過反復試驗調制出物料面糊的最佳狀態，才能保證圖案的完整性和美觀性。制作過程是將煎餅的物料比例確定后混合均勻，過濾掉大的顆粒，裝入料盒，在計算機上選擇喜歡的圖形或者可以自己繪制圖案，調好煎鍋的溫度，打印機噴頭在一定壓強控制下將物料均勻擠出疊覆成型。很快一張趣味美觀的煎餅就制造好了。三維打印煎餅與傳統煎餅相比味道相差無幾，但是價格稍高，很顯然，這是技術的力量。

2.4 三維打印重組食品

三維打印除了有使食物“變美”的功效，還有改造食物的能力。尤其針對一些特殊人群，如老人和嬰幼兒等一些咀嚼能力較弱的人群。

目前已打印成功的重組食品有意大利面（Burritobot公司與谷歌聯合成功打印出了意大利面）。此外，芹菜彩泥、飛船形扇貝都是三維打印重組食品的新型食品。

由于老年人隨著年齡的增長鈣質缺失，導致牙齒松動脫落，咀嚼能力下降，所以引發厭食、營養不良等一系列的病癥。三維打印重組食品可以很好地解決由于食物硬度、韌度、脆度導致的食物質地影響牙齒咀嚼這一問題。

以常態存在的易耗型食品如蔬菜、水果、肉類等傳統的食物原料是無法直接打印的，但是為了創造出符合要求的蔬菜果泥食材的狀態，對食材的水狀膠質濃度進行了一定的調整。另外幾種由于使用了谷氨酰胺轉移酶改進加工的食品如扇貝、芹菜、火雞等，在用三維打印機打印成型后，便可以近一步地烹制和油炸成熟。此類食品的研發對于素食主義者來說具有重大意義，食物不再是單一形式的存在，而是更加地具有創新性和價值性。但是基于人們普遍認知，在外形和構造上消費者不是很介意，他們介意的是味道是否足夠好、是否可以引起食欲。這也是三維重組食品所面臨的一大問題和挑戰。

3 三維打印食品的發展及挑戰

三維打印食品技術在我國還沒有得到普遍的應用與推廣，但是在國外很多食品企業及餐廳已經將三維打印機作為與普通食品機械一樣的食品加工料理機器。如巴塞羅那的一家米其林三星餐廳應用了這樣的機器，做出的美食也深得廣大美食愛好者的歡迎。

美國烹飪學院與三維系統合作于2014年，有經驗的三維工匠讓教師和學生了解更多有關食品打印的方法。三維系統還與美國烹飪學校合作研發了一臺名為Chef JetTM Pro烹飪的三維打印機。

3.1 三維打印食品的發展

三維打印技術被創造于20世紀80年代，在30多a的三維打印發展歷史中，該項技術成功應用于多個領域。近些年來，在全球資源日益緊缺與匱乏的背景下，具備再生創造特點的三維打印技術被認定為是第三次工業革命的重要標志及關鍵標志之一。而以三維打印機為主的新型工業革命，勢必推動一些新興產業的誕生與發展，從而導致社會生產方式、人類勞動形式、制造模式、生產組織發生重大變革。

普遍認為，食品打印機有助于利用全新或無法正常利用的食材便捷地制作非傳統食品，它會對人類今后的飲食習慣和生活方式產生深遠的影響。根據美國人口調查局和聯合國人口基金會的預計，全世界人口將在未來數十年持續增長，這意味著未來糧食供應不足的問題將更加嚴峻。食物打印為緩解今后糧食可能不足的難題提供了一種解決方案，其有可能從人類目前不太食用的物質中提取出需要的營養成分，然后利用打印技術制作出新的食物。例如，荷蘭的食品組織機構正在設想從水中的藻類、甜菜葉及個別昆蟲這些難被人類利用的資源中提取營養與可攝取成分進行打印。此外，食物打印能夠滿足人們豐富多彩的個性需求，不僅可根據不同年齡段制訂個性化的營養配方，而且還可使食物打印成為懶人和特殊人群的果腹之道。

3.2 三維打印食品面臨的挑戰

3.2.1 物料的局限性 由于三維打印的原理為物料的層層堆積，也就是說食品物料只能是糊狀，原料的狀態局限使得食物成品本身帶有了束縛。因此，在三維打印食品的領域中，改變物料的局限性和膠凝性成為目前研究人員主要應對的問題。

3.2.2 與傳統食品的差距 由于三維打印食品中的一個必經步驟是將物料打碎重組，那么在打碎食品物料這一過程中就必不可免地破壞食物的結構，從而使食物喪失掉部分原有的風味。這一差別也是導致大部分消費者認為三維打印重組食品在風味上缺失的很大一部分原因。

3.2.3 消費者的偏見 很多人看到食物在打印機中輸出便在腦海中發射出一種“這東西不可以吃”的信號，所以大部分消費者無法接受三維打印食品步入他們的生活。但是就像手機、電視機剛開始被發明時一樣，新型技術的發展總要有一段被接受的過程。

4 結語

三維食品的橫空出世解決了傳統食品的很多問題，但是解決這些問題的同時又帶來了新的挑戰。精致復雜的巧克力、美妙絕倫的蛋糕餅干，經過打印機改造后，它們在作為藝術品被展出時也映射出了隨著經濟全球化的快速發展，人們對食物的要求已經不僅僅是可以果腹那么簡單。希望三維打印在食品加工中的應用更為廣泛，相信這一技術的發展將為更多技術的變革和發展帶來新的驚喜。

參考文獻

[1] 杰里米·里夫金，張一萌.第三次產業革命[J].國際參考研究，2013（6）：31-34.

[2] 吳世嘉，張輝，賈敬敦.3D打印技術在我國食品加工中的發展前景和建議[J].中國農業科技導報，2015，17（1）：1-6.

[3] 王淋靚，許偉，艾敬汶，等.3D打印食品的新發展[J].輕工科技，2015（7）：16-17.

[4] 吳懷宇.3D打印三維智能數字化創造[M].北京：電子工業出版社，2014.

[5] 韓江，王益康，田曉青，等.熔融沉積（FDM）3D打印工藝參數優化設計研究[J].制造技術與機床，2016（6）：139-142，146.

[6] 李東方，陳繼民，袁艷萍，等.光固化快速成型技術的進展及應用[J].北京工業大學學報，2015，41（12）：1 769-1 774.

[7] 于冬梅.LOM（分層實體制造）快速成型設備研究與設計[D].石家莊：河北科技大學，2011.

[8] 李堅，許明，包文慧.影響未來的顛覆性技術：多元材料混合智造的3D打印[J].東北林業大學學報，2015，43（6）：1-9.

[9] 余冬梅，方奧，張建斌.3D打?。杭夹g和應用[J].金屬世界，2013（6）：6-11.

[10] 余冬梅，方奧，張建斌.3D打印材料[J].金屬世界，2014（5）：6-13.

[11] 井樂剛，沈麗君.3D打印技術在食品工業中的應用[J].生物學教學，2016，41（2）：6-8.

[12] GODOI FC，PRAKASH S，BHANDARI BR.3D printing technologies applied for food design：status and prospects[J].Journal of

Food Engineering，2016（179）：44-54.

[13] 姚青華.3D打印技術應用在奶油食品工業中的方案設計[J].食品與機械，2016，32（2）：98-100，110.

[14] PALLOTTINO F，HAKOLA L，COSTA C.et al. rinting on food or food printing：a review[J].Food and Bioprocess Technology，

2016，9（5）：725-733.

[15] 左世全.我國3D打印產業發展戰略與對策研究[J].世界制造技術與裝備市場，2014（5）：44-50.

[16] 李光玲.食品3D打印的發展及挑戰[J].食品與機械，2015，31（1）：231-234.