3D食品打印技術及影響因素的研究進展

韓 野,劉艷秋,孫廣仁,高志光,耿業業

(北華大學林學院,吉林吉林 132013)

3D打印技術按照“分層制造、逐層疊加”的制備原理,主要應用于材料科學,比如聚合物、金屬、陶瓷以及藥物制劑等[1]。近年來,3D打印在各個行業均速發展,從早起應用于航天,發展到醫藥醫學、產品設計、生物結構、日常用品等生活配件領域[2]。3D食品打印在各地咖啡廳、飲吧、商場等場所慢慢的出現,已顛覆以往模具制造的時代。奶茶上的個性化照片,形狀各異的巧克力、餅干,按個人喜好定制的生日蛋糕已經與大眾消費者接觸。3D打印的食品雖然花樣多,但是真正需求太少,難與傳統的食物抗衡,并沒有在市場站穩腳步[3]。經市場調查,只有在廠家購買3D食品打印機,廠家才會提供食材配方。雖然食品材料來源眾多,但適合于3D打印且滿足風味需求的食品材料少之又少[4]。

3D食品打印無需機械加工或模具,直接從電腦的圖形數據中生成食物形狀,縮短的食品研制的周期,降低成本。與傳統食品加工相比,其靈活性高,簡化了生產工藝,減少了加工過程中對環境的污染[5]。根據不同人所需的營養比例,對物料進行配置,可滿足不同人的需要。尤其是吞咽困難或不能正常進食的病人,打印出的食物口感潤滑,安全可靠[6]。食品個性化、適合個人飲食的膳食組合、使用、未使用或不使用的新原料,既能實現美感又能功能定制,同時又能開發出新穎的食品。3D食品打印可以與培養肉技術[7]結合,可3D打印人造肉。3D打印的人造肉與傳統畜牧業相比,消耗能源量少7%～45%,溫室氣體排放量少78%～96%,土地使用少99%,用水量少82%～96%。隨著規模化和制備原料等問題的攻克,3D打印培養肉的競爭力會越來越強[8]。

根據3D打印所用材料形態和成型技術原理,目前,國內外已有20多種,其中廣泛應用的成熟系統有熱熔擠出、選擇性激光燒結、粘結劑噴射、噴墨打印[9]。本文針對以上主要技術,就3D打印技術原理、打印原料的選擇、打印過程中的影響因素進行了綜述,并展望其發展。

1 3D食品打印技術概述

3D打印機是一種能夠快速打印原型產品的機器[10],3D打印技術又稱增材制造,其打印技術實際上是一種附加的制造方法,以計算機輔助設計(CAD)數學模型為基礎,通過激光裝置或者噴墨打印的方式快速制造復雜形狀的新型數字化成型技術[11]。

1.1 選擇性激光/熱風燒結

選擇性激光/熱風燒結是一種利用激光/熱風選擇性地將粉末顆粒熔合在一起,最終形成三維結構的技術。其成型過程如圖1所示,激光/熱風作為燒結源,掃描每一層表面的橫截面,熔凝粉末顆粒并形成固體層。在掃描每個截面后,在頂部覆蓋一層新的粉末。此過程將被重復,直到完成所需的結構。TNO公司利用激光燒結技術將糖融合在一起。此外,激光燒結技術還能將NesQuik powder(雀巢粉)——糖與脂肪的混合物融化以建立實體的三維物體[12]。燒結材料形成產品部分零件,而未燒結的粉末保持原來位置用以支撐結構。CandyFab用選擇性的低速熱空氣流對糖進行燒結和熔化[13]。

圖1 選擇性激光燒結技術成型過程示意圖Fig.1 Shaping process diagram of selective laser sintering technology

這兩個燒結過程提供了在短時間內快速制備復雜產品的方案,無需后處理,原材料的利用率高且與其他成型方法相比,能生產出硬度較強的立體食品。從理論上說,任何加熱后能夠形成粘結的食品粉末材料都可以作為原材料。但它們只適用于糖和脂肪基材料具有相對較低熔點的粉末原料。成品表面粗糙多孔,并受粉末顆粒大小及燒結原的限制,且打印過程中產生粉塵,污染環境。

1.2 熱熔擠壓/室溫擠壓

熱熔擠壓,又稱熔融沉積模型(FDM),通過熔化固態或半固態原料從可移動的FDM噴頭擠出,凝固,擠出后立即焊接在前一層上，其成型過程如圖2所示。食品工業中,擠壓技術自1930年以來一直被用于意大利面的生產。一種廣泛使用的將烹飪和擠壓結合在擠出炊具中的多功能技術[14]。研究員將熱熔巧克力作為打印物料,經過進一步開發,打印出“數字巧克力”模型[15]。此項技術將半固態打印原料融化,利用壓縮空氣產生的壓力將原料從噴嘴擠出。一些可打印的材料,也可以在室溫下順利擠壓,擠出后立即凝固并焊接在上一層。Periard等用Fab@home 系統通過室溫擠壓打印出蛋糕糖霜和奶酪[16]。食品材料由于需要符合食品安全標準且每種食品的黏度、溫度等特性都有所不同,故適用于食品3D打印的原料種類不多,主要包括6大類:糖果類、烘焙食品、零食產品、水果和蔬菜類、肉制品、奶制品。

圖2 熱熔擠壓技術成型過程示意圖Fig.2 Diagram of forming process of hot melt extrusion technology

熱熔擠壓/溫室擠壓工藝干凈、簡單、易于操作,可選用多種原材料,如各種色彩的配料且系統維護成本低。但成型速度較慢,原材料選擇受限條件多,加工時需要考慮后加工型。

1.3 粘結劑噴射

粘結劑噴射技術,是將粉末層均勻地分布在制造平臺上,噴出液體粘結劑以結合兩個連續的粉末層，其成型過程如圖3所示。制造過程前,在粉末層噴涂一層細水霧,以穩定粉末材料,最大限度地減少粘結劑造成的干擾,以制造定制的形狀。Sugar Lab公司用糖與不同口味的粘結劑為婚禮和其他特別活動制作復雜的雕塑蛋糕,制作材料及工藝均符合食品安全要求[17]。

圖3 粘結劑噴射技術成型過程示意圖Fig.3 Diagram of forming process of binder injection technology

粘結劑噴射技術具有制造速度快、成本低的優點,且此技術可以用來制造復雜而精細的三維結構,具有通過改變粘結劑組合來產生彩色三維可食用物體的潛力。但是機械成本過高,結構材料僅限于粉末材料,導致可食用粘結劑種類稀少影響了其在視頻領域的廣泛應用,特別是傳統食品領域。

1.4 噴墨打印

此項技術在2001年由Grood等人研發,被商業命名為FoodJet。噴墨食品打印按逐滴噴射的方式從注射器式噴頭中分配出一股墨滴,使用氣動膜噴嘴噴口將墨滴沉積在比薩餅基材、餅干和蛋糕上。墨滴在重力之下,形成二維數字圖像,作為裝飾或表面填充在基材上。實現原理如圖4所示。典型的材料有:巧克力、液態面團、糖霜、肉醬、奶酪、果醬、凝膠等[18]。

圖4 噴墨食品3D打印原理Fig.4 Principle of inkjet food 3D printing

目前最流行的應用是個性化生日蛋糕裝飾,用可食用油墨定量噴墨在蛋糕上。這些油墨通常含有水作為溶劑食物著色劑。典型的可食用油墨成分包括水、乙醇、乙二醇或甘油作為溶劑和可食用著色劑。可食用油墨有許多專利。一些可食用油墨配方被設計成增添視覺效果,但一些可食用油墨為食譜額外提供風味[19]。希伯來大學和蒸汽咖啡文化有限公司研發了一種以咖啡為原料的食品油墨,主要成分包括咖啡、丙二醇、甘油[20]。申請專利的寶潔公司研發一種能夠增添食品風味的可打印油墨,主要成分由卵磷脂、葡萄糖、檸檬汁、苦味抑制劑和調色劑以及溶劑組成[20]。Furuno等[22]研發了一種用于裝飾改變食品外觀的可食用油墨,主要成分包括65%水、23%乙醇、12%乙醇,12%甘油和6%梔子藍顏料組成的可食用油墨。

噴墨打印打印速度快,可實現工業生產,同時可采用多個打印頭控制食材的堆積與分布,為食物提供多種顏色,增添食物的視覺效果。但一般處理低黏度物料,限制了噴墨打印在食品中的應用。

2 3D打印原料特點

最初,3D技術是通過分層沉積非食品材料,如金屬、陶瓷和合成聚合物等來建立3D物體的。通常使用不符合食品安全標準的有機溶劑、極端溫度條件或不符合食品安全標準的原料。因此,三維食品打印的關鍵挑戰之一就是使食品級原料與印刷工藝保持一致。

適印性:這一性質取決于打印物料能夠通過打印設備進行控制,物料黏度、流速、濕度、物料與機器之間的摩擦,粉末狀物體粒度、密度以及粉末狀顆粒之間產生的靜電都會對打印效果產生影響[23]。

適用性:3D食品打印技術因其構建復雜結構和紋理的能力而具有吸引力。此外,可根據不同人群制定合理的營養餐譜與獨特的設計結構結合時,3D食品打印技術更受歡迎。

打印后處理:理想情況下,食物的三維結構應該能夠抵抗后處理,例如在烤箱中烘焙、浸泡或在沸水中烹飪或煎炸。在追求耐烹飪結構的過程中,必須準確選擇具有適當理化、流變和機械性能的材料。

現有的3D打印原料可分為三大類:可打印原料、不可打印的傳統食品原料和替代原料。

2.1 可打印的原料

對于流體食物原料,需要具備適當黏度與流變性;而粉末狀食物原料對于粒徑分布、體積密度潤濕性具有很高的要求。同時可打印原料也要具備營養價值。在烘烤類食品中,美國康奈爾大學的科研人員運用奶酪、巧克力和蛋糕糊等食材“墨水成功“打印”出小甜餅和蛋糕。西班牙Natural Machines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。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。水凝膠、蛋糕糖霜、奶酪、鷹嘴豆和巧克力可以順利地從打印機噴嘴中擠出并在重力的作用下保持形狀。最終產品是以不同的口味、營養價值呈現出來。例如,糖、淀粉和土豆泥的混合物被用作打印原料打印出糖牙沒有進一步的后處理,其牙齒形狀足夠堅固。而其他復合配方,如面粉和蛋白質混合物打印后需要一個后煮過程,這將導致難以保留印刷形狀和結構[24]。

2.2 不可打印的傳統原料

黏度、稠度和固化性能是判斷傳統食品材料的是否可打印的依據,最具有代表性的打印原料是面團。水果和蔬菜、肉、米飯,是人們每天主要消費的,原料本身不具有可打印性。為了提高它們的可打印性能,在這些固體材料中加入了水膠體,用于許多烹調領域。盡管一些固體和半固態原料已經可以印刷,但是都難以達到預期的打印效果。西班牙用類似肉纖維蛋白食材,通過3D食品打印機機打印出肉,目的在提高全球食品供應能力,節約資源。使用類似的技術,可以打印出牛排、雞腿等高仿真食品[25]。

2.3 替代原料

可替代原料要求食物原料具有一定的營養價值,同時具有適宜的流變性與黏度。與傳統的肉制品相比,昆蟲例如面包蟲、蟋蟀、甲蟲體內的蛋白質含量略高,3D食品印刷可以大大提高肉制品的美感[26]。從藻類、真菌、海藻、盧平和昆蟲中提取的替代成分是蛋白質和纖維的新來源。在食品打印中引入替代成分將有助于開發更健康(例如低脂)食品產品。

圖5 掃描速度對孔隙率的影響Fig.5 The effect of scanning speed on porosity注:圖a～c表示掃描速度分別為:250、150和50 mm/s;圖d為掃描速度為50～250 mm/s時對孔隙率的影響。

3 3D打印過程影響因素

3.1 選擇性激光/熱風燒結的影響因素

在選擇性燒結過程中,原料性能和工藝因素如激光能量密度、層厚、激光孔徑等對食品結構和力學性能都有影響。對于粉末燒結這一類別,粉末結合溫度發生在Tm/2和Tm之間[27]。圖5[27]顯示了在顯微鏡下不同激光掃描速度掃描后的樣品孔隙率是不同的,隨著掃面速度的降低,樣品的空隙率減小。激光掃描速度影響激光束與粉末相互作用時間,作用時間越長,能量傳遞速度越高,粉末能更好的熔化。相反,激光掃描速度越快,能量傳遞越少,打印的產品氣孔增多。然而過多的能量會使粉末熔化過多,導致打印出的產品尺寸不符[28]。Fred等[29]發現粉末層較厚,顆粒間的融合較少,導致密度降低,孔隙率較高;層厚越低,粘結性越強,孔隙率越低。激光孔徑也是影響打印性能的另一個重要參數。大孔徑的激光光斑會掃描到先前掃描過的粉末上,這就導致技能能量分布不均,產生孔隙。同樣,熱風燒結過程中,熱空氣的溫度、空氣流速對打印結果都有影響。為了防止對打印產品的污染,熱空氣還需要進行消毒處理[30]。

3.2 熱熔擠壓/室溫擠壓的影響因素

在擠壓打印過程中,稍高的水分含量有利于表面光滑。材料的黏度與溫度有關,較低的溫度可以使擠壓出的物料快速凝固,較少流動。物料黏度既要保證擠出性,又要確保擠出后能夠形成沉積層。此外,水膠體也可以作為3D打印食品原材料的輔助用料,通過水膠體改變物料的黏稠度及密度。Severini等[32],在果蔬混合物中加入1%的魚膠原蛋白以增加黏度,打印出金字塔形狀的食物并得出食物體積與打印流速與噴嘴口徑的關系公式。

體積mm3/s=π×(N/2)2×S×流量

其中:N是噴嘴直徑(mm)；S是打印速度(mm/s)。

在擠出打印過程中,物料流速、物料黏度、噴嘴口徑、噴嘴移動速度、打印床高均對打印的產品有影響。Derossi等[33]發現材料的流動對材料的主要尺寸和組織性能影響很大。低流量印刷時,食品內部結構不規則,長絲間斷,孔隙率高。隨著流量的增加,由于細絲相互融合,樣品的內部結構厚度增加,食品的孔隙率降低,尺寸和總體積增加。

噴嘴直徑、噴嘴高度、擠出速率和噴嘴運動速度等工藝參數也是影響印刷結構質量的關鍵因素。Hao等[34]關于3D打印巧克力的研究表明,噴嘴頂端與平臺之間的距離對打印產品重要的影響,并建立了相應的方程。確定臨界噴嘴高度。

其中:hc是噴嘴的臨界高度(m);Vd是流量(cm3/s);νn噴嘴移動速度(mm/s);Dn噴嘴直徑(mm)。

圖6[35]顯示了hc高度與噴嘴直徑大小對打印物體寬度的影響。當hc小于dn時,打印物體寬度大于dn,這是因為擠出物不能自由通過噴嘴,導致比dn更寬的寬度。當噴嘴高度高于hc時,物料不能在規定的時間內到達指定位置,導致打印產品精度低。當噴嘴高度低于hc時,導致產品體積過大[35]。

圖6 使用不同噴嘴直徑(Dn) 和噴嘴與打印床之間高度(hc)的 3D打印形狀和線條及形狀Fig.6 3D Printed shapes and lines and shapes using different nozzle diameter(Dn)and height between nozzle and print bed(hc)注:(a)Dn=2.0 mm,hc=2.05 mm;(b)Dn=1.50 mm, hc=1.54 mm;(c)Dn=0.80 mm,hc=0.83 mm;(d)Dn=1.50 mm,hc=1.54 mm;(e)Dn=1.50 mm,hc=3.0 mm。

Khalil等[36]研究發現擠出速率和噴頭移動速度對3D食品打印技術也有重要的影響,并確定臨界噴嘴移動速度。

其中:νN為最佳噴嘴速度(mm/s),Q為物料流量(cm3/s),DN為噴嘴直徑。

結果表明,大于νN的噴嘴速度會導致比噴嘴直徑小的墨珠,而小于νN的噴嘴速度會導致材料珠比噴嘴更大的直徑。

Azam等[37]在研究橘子濃縮物的3D打印時,通過添加淀粉作為增稠劑和粘合劑,證明了3D技術對高濕、自由流動的橘子濃縮物的適用性。對于成功的3D食品印刷過程,物料必須具有合適的流動特性以允許其擠壓并保持其3D印刷結構。橘子濃縮物的3D印花最適宜的噴嘴直徑為1.5 mm,最適宜的3D印花條件為:床高(1.54±0.1) mm,擠出速率245 mm/s,噴嘴移動速度35 mm/s。

Severini等[38]用面粉與黃蟲粉90∶10和80∶20的比例進行混合制作3D打印原料,通過打印速度(30 mm/s),噴嘴移動速度(50 mm/s)層高0.5 mm和噴嘴口徑0.84 mm的條件打印出的三維圓桶效果最佳。

3.3 粘接劑噴射打印影響因素

在粘結劑噴射過程中,原料的粒度分布、堆積密度、潤濕性、流動性以及層厚都對產品有影響。原料顆粒的中位粒徑在20～100 μm之間比較合適,相關研究表明,中位粒徑在30～100 μm的顆粒原料比細顆粒原料組成的模型機械強度更高。粉體的流動特性與粉體顆粒的形狀、大小、顆粒之間的相互作用、粉末密度、壓縮性以及粉末與設備之間的摩擦有關。球形粉體的流動性最好;粗顆粒比細顆粒流動性好。空氣的濕度會影響粉末的靜電力,從而影響粉末的流動性[39]。層厚與打印產品的分辨率有關,Chen等[40]發現,層越薄,打印產品的分辨率越高。Reisn等[41]發現對于液體黏合3D打印來說,除了粉末原料特性之外,還需選擇合適的黏結劑在噴射過程中,黏結劑液滴需要保持球形,不能有拖曳和合并現象,在一定的速度下能保持直線運動,準確地降落在預定的位置上,并得出有關粘結劑噴射性的公式。

式中:Z代表粘結劑的噴射性;η代表黏度;γ代表表面張力;ρ代表密度;L代表公稱尺寸(噴嘴直徑/液滴直徑)。

3.4 噴墨打印影響因素

在噴墨打印過程中,油墨與底物表面的粘合性、油墨黏度、流變性、印刷溫度、都會對打印過程產生影響。

油墨與底物與底物表面的粘合性直接影響圖案的分辨率與質量。Mandery[42]將紫膠或聚膠粘合劑(1-乙烯基-2-吡咯烷酮)加入油墨中,增強與底物的粘合性,提高打印精度。低黏度的油墨更容易通過打印噴嘴,然而黏度過低的油墨不穩定,使油墨在底物表面容易擴散;黏度過高會導致泵發生空化現象。Shastry等[43]發現油墨黏度在2.8～6 mPa·s之間最為合適。高溫可加快油墨在底物表面的凝固速度。

4 展望

目前用于食品打印的材料種類并不多,且技術尚不成熟。由于打印材料需要預先粉碎或制成糊狀,打印出的產品在色、香、味上與傳統食品還有一定的差距,消費者的接受度普遍不高。所以有必要開發新的食材新的配方來強化此工藝。同時,食物設計過程在此之前,定制食品生產效率低,成本高,3D食品打印要想克服這些障礙,產品的生產要與客戶的需求同步,只有開發打印原料才能真正的滿足的人們的需要。此外3D食品打印技術應該與傳統制造技術相輔相成,共同發展。就目前而言,3D食品打印技術及其產業距離成熟階段還有很大的距離。3D食品打印技術仍然需要加強創新研究,對食品3D打印原料特性的研究,對于擠出型食品3D打印,通過研發食品3D打印原料輔助劑,改善原料的流動性,研究物料的凝膠特性,提高打印產品的穩定性;對于粉末凝結型食品3D打印,通過微膠囊技術來對粉體的粒徑進行干預。開發精準營養3D打印全流程智能化控制軟件,對食品3D打印程序進行優化,提高打印效率;改用新的熱加工方式,例如微波加熱、過熱蒸汽加熱等,縮短加熱熟化時間[38]。3D打印技術作為一項前沿制造技術,將其應用于食品加工,必將推動傳統食品加工的變革。目前,我國食品3D打印研究尚處于初級階段,雖然有上述制約因素,但是相較于傳統食品加工,具有不可替代的優勢,如產品結構多樣化,減少原材料浪費,單位生產空間小,可進行個性化定制等。同時,需要不斷加大科研投入,完善相關標準法規的制定,擴大宣傳。相信在不久的將來,食品3D打印可以進入千家萬戶,豐富人們的物質生活。