3D食品打印技術的應用狀況與發展趨勢*

田周萍，黃鷺強

（福建師范大學生命科學學院，福建 福州 350117）

3D 食品打印技術是指運用數字模型文件，使用可食用材料再逐層打印出所需食品的技術。隨著材料和技術的發展，一定程度上解決了消費者對于個性化食品的需求，也為一些特殊人群提供所需的食品。本文概述了3D食品打印技術的特點及其在食品中的應用狀況，為該技術在食品的研發提供參考。

1 3D 食品打印概況

1.1 原理

3D 打印目前已經廣泛應用于建筑[1]、航天航空[2]、生物醫藥[3]等領域，解決了一些工程化的實際問題。該技術用于食物制造，可為消費者提供個性化飲食，滿足不同人群的需求；同時能夠制備一些傳統食品以延緩目前的糧食危機[4]。

3D 食品打印技術是通過利用計算機的三維建模技術對要打印的食品逐步進行程序設計和平面分解，再使用3D食品打印機按照原先設置好的運動方式擠出食品原材料，最終實現“逐層打印、堆疊成型”的目的[5]。目前常使用的3D食品打印可以分為熔融沉積成型（FDM）、光固化成型（SLA）、噴墨打?。↖JP）、選擇性燒結成型（SLS）等4大類[6-9]。目前專業客戶購買3D食品打印機時，生產企業才提供相應的食材配方[5]。雖然目前食品材料來源眾多，但是適合使用3D打印并且能滿足風味需求的食品材料種類局限性仍然很大[9]。

1.2 原料

3D 食品打印的原料可分為可打印原料、不可打印的傳統食材和替代的原材料；按原料狀態分為液體、粉末和細胞培養。典型的材料有：肉醬、果醬、糖霜、奶酪、凝膠、巧克力、液態面團等。

康奈爾大學的研究人員以奶酪、蛋糕糊和巧克力等為原料通過噴墨打印制作出蛋糕和小甜點[10]。果蔬原料是一種典型的不可打印材料[11]。楊帆等[12]用芒果作為主要原料，通過改變馬鈴薯淀粉的比例來改變芒果果漿的流變學性能，最終得到適合于 3D打印的凝膠體系。使用3D打印技術，人們可以打印出雞腿、牛肉等高仿真肉制品，減緩食物供應危機[13]。替代材料可包括從藻類、昆蟲、真菌或羽扇豆種子中提取的蛋白質，創造出美味的結構化食物。這些原材料不僅有益于健康，而且有益于環境，昆蟲比如甲蟲和蟋蟀體內的蛋白質含量比較高，將其用于3D食品打印能夠較好地提高肉制品的美感?？蒲腥藛T用昆蟲粉末作為新的新的蛋白質來源，使用3D打印技術制作出美味的食物[14]。

1.3 設備

3D 打印設備的構成一般包括如下組件：料筒，用于供應打印所需原料；擠壓頭，用于檢測和調節擠壓頭里的原料的溫度、壓力、流量等，進而獲得精確、高質量的原料；噴頭，用于針頭直徑較小可達到所需精度同時噴頭還可以加熱，可調節打印的速度和溫度，高溫噴頭能夠可加熱到100℃以上、有注射器式擠出、氣壓式擠出和螺桿式擠出三種擠出結構。打印平臺一般支持自動校準、全彩觸摸屏；配套智能化的專業軟件，操作簡單容易上手。這些都為操作者提供了友好的界面及產品解決方案。

2 3D 食品打印的特點

2.1 優缺點

3D 食品打印可以減少生產產品所需時間，消耗較少的資源和生產成本；生產出的產品能夠滿足尺寸、營養和感官的需求，具有方便、口味佳的優點，同時可以定制食品，進行造型設計，改良營養結構[15]；根據每個人的身體情況再科學的定制健康食譜，給眾多的兒童、患者、老人帶來了福音[16]；3D食品打印技術還能根據需求打印色彩、尺寸、感官、富含營養等的食品。

然而3D食品打印也有一些缺陷，如大多數材料需要在擠壓時加熱以產生一種可延展性物質，通過擠壓噴嘴打印到打印機底座上冷卻，該過程可能導致食品受到細菌或真菌的影響，從而縮短了貨架期。

2.2 影響因素

食品種類是影響打印結果的內在因素，包括食品材料的水分[17]、粒度[18]和流變性[19,20]等性能對打印的成敗至關重要。原料本身具有一定的彈性模量、屈服應力，較低的黏稠指數和流動指數，可以通過加入增稠劑[21]、改變原料狀態[22]等方式使其易于打印。

不同的原料需要在不同溫度下打印成型，既要讓原料順利擠出，也要保證材料能夠成型。原料需要加熱到一定溫度后從噴頭擠出到打印平臺，溫度過高一方面會影響原料冷卻成型的時間，另一方面有可能會造成食材的口感破壞。通常巧克力、糖果等在較高的溫度下使用熱熔擠出方式打印，而肉類、面食等在室溫下打印即可。

3 3D 食品打印的應用情況

3.1 傳統食品

中國傳統食品具有取材范圍廣、制作工序復雜、造型變化多等特點，但目前配套的食品油墨和設備硬件研發滯后，導致運用還處于初始階段。相比于傳統食品的加工過程，3D食品打印靈活性高，不僅能夠簡化食品的生產工藝，而且可以減少食品在加工過程中對環境造成的污染[23]。

最初人們對餅干進行了研究，在傳統的餅干制作配方中，烘烤時黃油容易液化，難以凝固；現在煎餅、面條等也成為3D打印食品的打印對象，面糊是打印時使用的最基本打印原料。胡雪等[24]使用自制的3D煎餅打印機，將泡打粉、白糖、牛奶和面粉按照1∶8∶8∶20的比例混合，再向其中加入一個雞蛋并充分攪拌，經過過濾、預熱烤盤和翻面后煎餅的制作就完成了。丁易人[25]以面粉為原料，在同種面團配置條件下，用最大打印層數和打印線寬作為指標，研究表明在和面熱水溫度100 ℃、水和面粉配比0.8∶1、0.6 mm的內徑噴頭、擠出頭距離平臺0.8 mm、700 mm/min的速度、進給速率為0.66 mm/min時，3D打印的效果最佳。馮傳興等[26]研究了3D打印前中后3個階段原料的物質結構變化，為3D打印在馬鈴薯淀粉領域的深入研究提供了理論支持。

豆腐是典型的中國傳統食品，目前尚未有3D打印的成功案例，主要原因有二方面：一是需要用容器裝豆漿，再向其中加入凝固劑和消泡劑，或者使用雙噴頭打印機；二是由于豆腐制作對pH要求嚴格，3D打印機的噴嘴溫度往往比較高，有可能導致pH的變化而使豆漿無法凝固。受現有的打印機噴頭規格限制，傳統月餅的制作也難以完成，3D打印的月餅餡口感不佳，月餅皮圖案效果差。

對中國傳統食品而言，3D食品打印機確實能夠用于技藝傳承和文化傳播，操作者易于掌握，但是由于高溫制作過程很可能破壞其原有的風味，現有的技術還不與人工制作的相媲美。同時3D食品打印機價格昂貴，用于制作一些普通傳統食品成本偏高，無法進行大規模生產銷售。

3.2 現代食品

由于3D食品打印機的快速和機械化生產條件，其可以用于制作出更加豐富和營養的食品樣式[27]，同時對于傳統食品的口感和外觀能有所提高。在段松岐等[21]研究了卡拉膠等多種物質對3D，打印食品的質構特性、微觀結構和流變學性質的影響，最終發現添加了1.3%卡拉膠的產品具有最高的精度、最緊實的結構和極佳的口感。

3D 食品打印技術最早應用于甜點領域，此外還可打印傳統食品如甜點[28]、肉制品[29]、航天食品[30]、定制食品[31]等。He, Chang[32]等研究了pH和馬鈴薯含量對于土豆泥的流變性能、表觀性能和3D打印性能的影響，證明了土豆泥的顏色與二者有密切的相關性，為4D打印多色彩食品提供了新的視角；Pietro Rando等[33]研究了3D打印中熱傳導對于巧克力打印效果的影響；潘禹希[34]以海參漿、鰱魚糜（3∶7）為原料時能兼顧營養價值與打印效果。

由于太空條件的限制，現有的絕大部分食品不能作為航天儲備食物。NASA研發出的3D航空食品打印機，制作出在太空中能食用的面糊、披薩等。Liu等[22]通過制備乳蛋白復合凝膠，發現蛋白質凝膠中蛋白質的含量越高越有利于打印。

全球人口老齡化趨勢加劇，老年人常患有吞咽、咀嚼或消化困難癥，運用3D打印研發老年人食品具有潛在優勢。Aakanksha Pant等[17]通過3D打印蔬菜凍干粉制成的水膠體來治療消化困難。

4 3D 食品打印的挑戰與發展

3D 打印食品雖然外觀多樣，但是因為打印精度欠佳、普及率不高和原料供應問題沒有完全解決等原因，其競爭力很難與傳統的食品相當，并且沒有在市場大面積進行銷售[35]。

4.1 五大挑戰

⑴ 打印精度：通過添加符合標準的食品添加劑來改變食品特性，或利用精度較高、直徑較小的噴嘴打印，但是小噴嘴所消耗的打印時間較長，噴嘴速度、臨界噴嘴高度等都會引起漿料的改變甚至引起拖曳效應，從而影響打印精度。

⑵ 普及率不高：目前大部分桌面的3D打印機價格在2萬人民幣左右，然而能打印的產品種類較少。其次由于3D食品原料有限[23]，原料需預先制成糊狀或者進行粉碎，這使得其打印出來的食品在感官上相較于傳統食品還有一定的差距；最后由于在消費者固有思維里將3D打印制作的產品視作不可食用產品[36]。

⑶ 原料供應問題：由于原料需要滿足可加熱性、可打印性的需求，目前仍缺乏系統的知識將材料的結構和其間相互作用聯系[11]。Wang.L[37]等研發了魚糜凝膠作為潛在的打印原料；Godoi等[38]通過改變打印后處理時的溫度或是添加塑化劑等方式來改變材料的流動性能；或是研究纖維素等廣泛存在的物質如何用于食品打印[39]；將動物副產品用作蛋白質的替代來源[36]。未來可望通過研發新材料或優化現有材料的性能來實現更多的應用。

⑷ 道德倫理問題：目前的3D打印技術已經能夠打印出人體組織和器官，那么不遠的將來是不是可以打印出“人類”呢？這無疑會帶來一系列的道德倫理問題[40]。

⑸ 知識產權問題：由于3D食品打印技術具有可以輕松復制、隨意修改的功能，但恰好是這些功能設計專利法、著作權、商標法等法律法規的風險性和兼容性等問題。

4.2 發展趨勢

在3D打印基礎上發展起來的4D食品打印，使用微波[41]、脫水[42]等不同的食品加工方式產生多層次、色彩豐富的多元化食品[43]。4D食品打印可以解決目前3D食品打印的精度不佳、操作性不強等問題，再能夠定制個性化食品方案和提供便攜式設備，那么4D食品打印將會用于生產更多產品，例如盛開的花朵、多色彩食物、老年人的可食用凝膠等。Chang He等[32]使用海藻酸鈉、檸檬酸等食品添加劑研發多色彩的土豆泥；Chen Chen等通過微波處理生產多色彩的可食用姜黃素凝膠[44]。未來4D食品打印還有很大的發展空間，應更深入研究復合材料、多色彩的食品打印工藝來滿足市場的需求。

5 結語

隨著科學技術的快速發展，3D食品打印技術將會應用在越來越多的行業領域。3D食品打印技術正逐漸應用于航空航天食品和特殊人群食品，同時，對一些新的替代材料或混合材料進行研發，研究如何改變物質的結構性質使其能夠滿足3D食品打印的幾大特性。由于不同人群需要的營養稍有偏差，因而3D食品打印可以很好地應用于定制個性化食品。

未來3D食品打印有三大發展趨勢：一是對食物后處理性的研究，要讓經過打印處理的產品烹飪后依舊不變形；同時3D打印可以實現大型的食品雕刻制作時間過長的障礙，實現作品的分部制作和精細結構，尤其適合大型的中國傳統宴席。二是科研人員依舊需要不斷對打印產品的感官性能進行提升，既要保持食物的營養價值也要保留食物的風味性能；3D食物打印在未來可以用在解決一些手工較難完成的復雜工藝食品，構建一些微小的立體結構和圖案。三是培養3D食品打印技術的專業人才，開發更多的新材料降低打生產成本，惠及大多數人；方便攜帶，提供移動式的設備和服務；同時可以構建數據庫，將常用的一些方案儲備于設備中，便于制作人員掌握實施；也可以設立不同用戶的個性化食品方案，為他們帶來更貼心的服務。