3D打印在食品行業中的應用

劉煥寶，周惠興，2，劉小龍，王緒涵，余賀杰

（1.中國農業大學工學院，北京海淀 100083；2.北京建筑大學機電與車輛工程學院，北京西城 100044）

1 引言

膳食不平衡已成為引發我國城鄉居民健康問題的主要誘因[1][2][3]。合理的膳食不僅能滿足人體的生長、發育和各種生理、體力活動的需要，而且還能保障不同年齡段人群的健康，減少疾病的發生。我國居民由于經濟的差異和個人飲食習慣的單一化導致食物營養成分比例失衡，引起體內某些營養物質和微量元素的缺乏，從而誘發各種潛在的健康問題，如微量元素缺乏癥、維生素缺乏癥、蛋白質攝入不足等。多材料食品3D打印技術將成為解決膳食平衡問題的有效措施。

目前，國內關于食品打印的研究仍處于初級階段，3D食品打印的基礎理論研究相對薄弱，但隨著人口老齡化加重以及人們對健康食品要求的提高，國內對3D食品打印的需求將變得更加旺盛。清華大學[4]于2015年研發了用于實現卡通造型煎餅打印的3D打印機；浙江大學[5]于2016年研制出3D食品打印機用來制造個人定制的專屬食物。但都是食品的簡單成型，沒有實現膳食平衡等個性化要求。

國外3D打印[6]在食品方面的應用相對較多且應用對象廣泛。西班牙創業公司Natural Machines于2013年研制出全世界第一臺3D食品打印機，該打印機內設五個裝有不同材料的“墨盒”用來存儲碳水化合物、蛋白質和其他營養物質制成的食材，通過該打印裝置最終形成食品；據美國《每日日報》報道，美國軍方研發了一款3D打印機，其打印出的食品營養價值極高，主要用于軍隊食品補給；Ryo Serizawa[6]等研制了可食用凝膠用于新食品的開發，基于噴墨式打印機打印適合老年人食用的軟性食物，同時B.Mishra[7]等也采用3D打印技術制備出軟性食物。Watzke[8]等基于定制化營養的概念，研制出新型的食品材料，并通過3D打印技術成功地打印出個人定制化的食物。在傳統的食品供應鏈下，多營養物質需求的滿足需要更多的花銷，而3D打印技術的引入，成功解決了多營養食品的供應問題，從根本上減少資源消耗，降低了成本。

應該指出的是，雖然3D食品打印技術在國外的研究相對較多，但適應中國國情的3D食品打印的研究很少，由于我國人民體質和飲食習慣的不同，因而對3D食品打印機在膳食平衡方面的應用和推廣具有不同的要求。

2 3D食品打印的關鍵技術

3D打印技術是一種新型的快速成形技術，它是一種以三維實體模型為基礎，利用光敏樹脂、粉末狀金屬或塑料、膠濁狀食品材料、生物細胞等可粘合材料，利用溫度、壓力控制系統，通過逐層堆疊累積的方式來構造實體模型的技術，具有成本低、成本與產品復雜程度無關、制造速度快、節約時間、設計制造一體化等顯著優勢。目前，3D 打印在航空航天、汽車、醫療、工業設計等高端領域發展迅猛，而在食品領域的發展相對比較緩慢。

針對3D打印技術在膳食平衡和新食品開發領域的潛在優勢以及打印技術在航空航天、汽車、醫療、工業設計等高端領域的技術儲備，開發新型的食品打印機，其關鍵研究技術如下，如圖1所示：

圖1 3D打印機整體組裝結構圖

1）食品材料的制備技術

利用人體健康檢測的醫療設備對不同人體進行檢測，獲取不同人體微量元素缺乏的狀況，進而得到不同個體所需營養成分配方表。基于所需營養配方表研發新型的食品材料，食品材料的研發是食品3D打印技術的基礎，以打印多營養和多微量元素食品為目標的食品材料的開發，有助于滿足不同人體平衡膳食的需求。為保證營養元素和微量元素的營養效能，通過研究營養元素和微量元素的營養效能與溫度之間的變化關系，進一步優化含有多營養物質和微量元素的食品材料的配置過程；開發適合于3D打印個性化制造食品的食材和配方。

2）食品3D打印專用噴頭技術研究

打印噴頭技術是研發3D食品打印裝備的關鍵技術。本部分將依據食品材料自身特性和食品的成型需求，在已有噴墨打印技術[9]、擠壓式打印技術[10]和激光打印技術[11]的研究基礎上，開發新型的適用于食品打印的專用噴頭技術，并據此設計噴頭結構，研發多材料打印的技術。1）食品打印專用噴頭技術的研發。針對現有打印噴頭技術的研究基礎上，開發出一種高精度且適合用于食品打印的新型多材料打印噴頭。基于現有打印噴頭技術的原理和優缺點，通過試驗獲取在不同食品材料作用下，不同打印噴頭技術的使用條件。

3）噴頭的打印環境控制研究

噴頭的打印環境控制是影響營養物質和微量元素自身營養效能的關鍵因素，是實現材料擠出和成型的必不可少的步驟。噴頭打印環境的研究內容主要包括溫度控制系統和壓力控制系統兩部分。

i）溫度控制系統的研究。根據不同材料的自身特性，如粘度、活性等因素，設計噴頭前端溫度控制系統和后端溫度控制系統。噴頭前端控制系統，即控制噴頭內的溫度實現材料擠出或熟制的過程。根據不同的食品材料溫度與粘度、營養效能之間的變化關系，研發新型的多溫度控制系統，研究不同營養物質和微量元素對應的噴頭溫度控制范圍以及控制方式，達到食品材料可均勻受熱且不影響食品成型的效果。后端溫度控制系統，即控制食品材料被擠出后的熟制過程。新型的3D打印食品熟制過程，可實現食品材料的熟制過程中溫度的控制，防止出現因打印過慢造成食品受熱不均勻的“焦糊”現象。

ii）壓力控制系統研究。新型的食品制造的3D打印裝備具有多材料多噴頭打印功能，打印過程中每個材料管路中的壓力要分別可控，進而實現不同管路中材料的分別擠壓，通過材料的擠出的均勻度檢測噴頭打印過程中材料的分布情況，進一步優化噴頭壓力控制系統。

4）食品3D打印軟件研發

通過食品3D打印的軟件，用戶在圖形界面上繪制出食品平面造型或三維模型之后，能直接生成食品打印方案，包括3D打印工藝和程序，使得個人打印定制食品成為簡單易學的“傻瓜”式操作。用戶也可以不用任何編程，而只是根據自己身體的實際狀況選擇不同的選項，然后打印即可。

3 食品打印的應用

用于食品打印的3D打印機，具有多樣性、營養均衡、定制性等特點。

多樣性主要包括食品打印方式的多樣性其中主要體現在噴頭上，根據噴頭的種類分為氣壓擠出式食品打印機，電機擠出式打印機，機械裝置的打印機等，該打印機在新食品的制造與開發具有廣泛的應用前景。

營養均衡特點，3D食品打印所用到的食品打印材料，可根據醫學檢測中人體中營養元素、微量元素等的缺失情況，研發和搭配適合的食品材料，進而使人體中的營養元素均衡，也進而促進食品材料開發與研究。

定制化特性，3D食品打印技術不僅可以為兒童、老年人及不同年齡段的人群提供定制化的營養均衡的飲食，而且可液化并凝結成膠狀物的食材可打印出各式各樣的食物，容易咀嚼和吞咽，這將成為老齡化社會食品飲用鑒定基礎。同時，3D食品打印技術的成功研發不僅能加快3D打印在食品行業的發展，同時能促進新材料和新食品的開發，促進食品產業的改革。

4 結論

基于3D打印技術研究新型的膳食智能平衡方法與裝備。首先，利用現有的醫療儀器，對不同人體的健康指標進行檢測，獲得不同人體的微量元素缺乏狀況，進而得到所需營養配方表；其次，研發定制化的食品材料，根據不同人體的所需營養配方表，分別獲取制備食品材料的相關參數，進而開發新型的、適合于3D打印的食品材料和成型工藝，滿足不同個體的需要；然后，研發新型的用于膳食平衡的3D打印裝備，該裝備具備完善的溫度和壓力控制系統，可實現多材料多噴頭打印；最后，基于上述對膳食智能平衡方法與裝備的研究，根據人體微量元素的缺乏狀況，合理搭配食品材料，通過3D建模的方式，在計算機上建立外形各異的食品模型，通過3D打印裝備對食品材料進行定制化的打印，最終獲得滿足個人身體營養需求的食品。

3D打印食品材料配方及成型工藝、食品3D打印平臺的設計與制造、食品打印專用噴頭的研發、溫度和壓力控制系統的研發、3D食品打印軟件的研發，所研發的新裝備標志著智能3D打印在膳食平衡和新食品開發領域的發展方向。用于食品3D打印機將奠定3D打印在食品領域發展的基礎，并逐步形成基于3D打印食品裝備的新的產業結構和布局。實現規模化生產之后，將可以實現食品裝備的升級換代，降低成本，減少開支。

基于3D打印的膳食智能平衡方法與裝備成功應用，不僅需要引導人們進行合理的食品消費，平衡膳食，保障個人健康，而且還可以成為政府發展食品制造產業、規劃食品市場的依據。我國正處于從溫飽到小康的膳食結構過渡期，需要及時從政策及公眾教育兩方面正確引導人們的飲食和消費觀念，這樣做有助于減輕疾病和食品制造對未來社會造成的負擔，其社會效益和經濟效益不可估量。

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