3D打印技術在食品工業中的應用概述

曹沐曦，詹倩怡，沈曉琦，王 娟

（華南理工大學食品科學與工程學院，廣東廣州510641）

3D打印技術是一種以計算機控制激光或者噴墨裝置的移動來對三維對象進行數字化設計和制造的技術[1]。目前，3D打印技術在機械工程、航空、醫療、食品等領域中得到廣泛應用。隨著生活水平不斷提高，健康飲食理念深入人心，越來越多的人追求個性化、美觀化的營養飲食。傳統食品加工技術很難完全滿足這些需求，3D食品打印技術不僅能自由搭配、均衡營養，以滿足各類消費群體的個性化營養需求；還可以改善食品品質，根據人們情感需求改變食物形狀，增加食品的趣味性[2]。因此，3D食品打印技術為健康個性化飲食提供了可能性，在食品工業中有著良好的發展前景。

1 3D打印技術原理

3D打印技術是快速成型技術的一種，主要分為數字建模、路徑規劃、實際打印等3個步驟。

1.1 數字建模

建立打印模型時，可以使用CAD等三維繪圖軟件進行設計；也可以使用三維掃描儀，直接對相應物體進行輪廓和造型識別，將模型信息存入計算機中。

1.2 路徑規劃

獲取了三維模型的信息后，計算機會將三維立體圖像分解成一層層的二維平面圖像。一般來講，分割層數越多，打印的精度越高，但同時花費時間更長，成本更高。在使用3D打印技術時，還需要針對所用材料的特性和精度要求來決定打印的層數。確定二維平面圖像后，計算機規劃好每層的打印路徑。打印路徑往往對最終的成品效果影響較大。

1.3 實際打印

相關硬件根據存入的路徑信息進行操作，最終打印出成品。根據不同材料選用不同機器。打印過程中，需要分別對打印速度、噴頭溫度、擠出量等因素進行控制，這樣才能保證最后成品的質量。

2 食品加工中的3D打印技術

2.1 選擇性激光/熱風燒結技術

選擇性激光燒結技術（Selective Laser Sintering，SLS）是通過激光的照射，使粉末狀顆粒吸收能量，進而燒結定型的技術。打印進程中，利用刀片或滾筒在平臺上均勻鋪上一層粉末，然后使用激光按照規劃路徑塑造出輪廓。激光輻射被粉末顆粒吸收，產生局部加熱，引起相鄰顆粒的軟化、熔化和固化。然后，平臺下降一層的高度，在已燒結的層上方再進行粉末沉積；重復操作，直至打印完成。TNO公司以糖和雀巢巧伴伴粉為原料使用激光燒結技術制造出產品[3]。選擇性熱風燒結技術（Selective Hot Air Sintering and Melting，SHASAM）的原理與SLS技術類似，利用熱空氣源的熱能進行燒結。熱風的溫度和流速對最終的產品質量有很大影響[4]。

該技術由于需要將粉末熔化，因此適用于熔點相對較低的糖和富含糖的粉末。但是，在實際情況中，打印過程往往會因為不同粉末的特性而變得復雜[2]。

2.2 熱熔擠出/室溫擠出技術

熱熔擠出又名熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM），是一種通過加熱固體或半固體原料，使其熔化為液體被擠出后在平臺上凝固成型的技術。加熱點溫度通常設置的略高于原料熔點[5]。FDM打印的物體必須有支撐結構，否則在從下向上打印的過程中，上層懸空的部分就會掉落。2011年，英國埃克塞特大學利用FDM技術打印巧克力[6]。室溫擠出方式只是缺少了加熱這一環節，原料在室溫下被擠出，在平臺上靠自身的黏性相連接。

該技術的優點在于工藝簡單、可選用的材料較多。但是，它們的技術特點決定了不能打印過于復雜的結構，且精度較低，層與層之間的縫隙較明顯。

2.3 黏結劑噴射技術

黏結劑噴射技術也叫三維印刷技術（Three Dimensional Printing，3DP），是一種通過噴射黏結劑，使粉末顆粒黏結成型的技術。黏結劑噴射技術最初在食品中應用時，完全依靠蔗糖的吸濕性來打印，所用原料為蔗糖粉末，黏結劑為水。現在食品打印中，可以用的黏結劑主要有蔗糖、阿拉伯膠、聚乙烯醇[7]及水和醇基的混合液體[8]。食品中的黏結劑除了幫助成型的作用外，一般還有調節口味和色澤的功能。

黏結劑噴射技術可以快速制備產品，其原料成本較低，但是機械成本較高，成品表面光潔度較差。

2.4 噴墨打印技術

噴墨打印技術（Inkjet printing，IJP）是按照計算機中的路徑將液體噴射到介質表面，液體在介質表面固化的技術。噴墨打印在食品中的固化方式主要為熱固化，打印材料在噴頭中被加熱為液體，產生流動性，噴射到介質上后凝固成型。除此之外，原料還可與易揮發的溶劑混合，滴落后，溶劑迅速揮發，原料以固體或半固體狀態留在平臺上[4]。噴墨打印技術并不是整體逐層打印。在食品領域，主要是二維打印技術的延伸，通過局部打印對食品進行表面花紋裝飾、內部腔體填充等。

噴墨打印能精準控制液滴流速和體積，因此精度較高。該技術在一些色彩豐富、圖案多樣的食品中有著良好的應用前景。

3 食品3D打印原料需滿足的特性

3D打印技術在食品應用方面的難點之一是打印原料的選擇和處理。3D打印的食品原料需要滿足3個特性，可打印性、適用性和可后續加工性[9]。

3.1 可打印性

該特性表示原料能夠利用3D打印機進行打印，并且在打印之后能夠保持設定好的形態結構。

對于液體狀或糊狀原料來說，決定打印性的主要是原料的流變特性、凝膠特性、玻璃轉化溫度和熔點[10-12]。具有剪切變稀行為的物質顯然對3D食品的構造有很大幫助，因為它們可以在高剪切應力的環境下，降低黏度，便于從噴嘴中擠出，并在離開噴頭后變得堅硬并固化。添加適量淀粉后，糊狀原料表現出剪切變稀行為，其機械強度足夠強，因此物體可以保持一定的結構穩定性，并具有更平滑的表面和精度[13]，但淀粉也不可添加過多，否則會由于黏度過大而使原料難以擠出。一些可溶性蛋白質也可以改變原料的流變特性，從而利于打印成型，但是針對不同原料的特性需要搭配不同種類和劑量的蛋白。加入NaCl可以調節蛋白的黏彈性，使打印物具有光滑的表面結構。加入水膠體可以降低淀粉、蛋白及明膠等食品聚合物的玻璃轉化溫度[14-15]。此外，材料的結晶狀態對于在打印后使沉積的材料支撐其自身的結構也至關重要。

對于粉末狀原料來說，打印性主要指粉體的粒度分布、堆積密度、潤濕性和流動特性[16-18]。粉末狀原料的顆粒直徑呈雙峰或多峰分布時，增強了粉末的分散分布，空隙率較低，比較容易打印出理想結構[21]。根據相關研究，直徑在30～100μm的粉末顆粒打印出的物體機械強度較大[19]。流動特性還受粉末顆粒大小、形狀、粉末密度的影響。球形粉末顆粒的流動性優于非球形，粗顆粒流動性優于細顆粒[20-21]。

3.2 適用性

3D打印技術具有定制化、個性化的特點，這些特點使其在食品中的應用備受期待。原料的物性決定了其適用性，根據不同的原料特性可以有不同的打印方式。截至目前，科學家發現的比較合適的原料是薯類、谷物類、果蔬類、植物膠類和富含蛋白質的動物性原料，但由于技術限制，仍然有很多可食用原料不能被用于3D打印。

3.3 可后續加工性

可后續加工性指的是打印物經過必要的烹飪方式之后還能夠保持結構和性能穩定的特性。該特性對流體原料來說非常重要，不同流體原料的組成不同，其經過后續加工得到的最終產品效果也不同[22-23]。例如，3D打印曲奇，原料中的蛋黃、黃油、糖的比例調整能影響到曲奇在后續加工過程中的形狀穩定性。

4 3D打印技術在食品中的應用

4.1 巧克力和糖果

2011年7月，英國埃克塞特大學研發出世界首臺3D巧克力打印機，并于次年4月推向市場。這臺3D巧克力打印機以液態巧克力為“油墨”，通過打印機上的保溫和冷卻系統，實現了巧克力加熱熔融到凝固成型的過程[6]。2014年5月，郝亮團隊開發出第二代3D巧克力打印機Choc Creator 2.0，該版本擁有新的自動溫度控制系統，能較好地控制流量，快速精確地打印出客戶定制的圖案或模型[24]。同時，Hao L等人[25]研究出一種新型巧克力制造方法ChocALM，分析了巧克力在液態和固態相互轉化時的晶體變化。

與巧克力類似，糖也具有受熱熔化變軟、冷卻變硬的特性。2014年3月，3D Systems公司推出了3D打印糖果，這些糖果由ChefJet系列打印機打印出，利用砂糖、巧克力和奶油等原料打印出形狀復雜的糖果和巧克力[26]。2015年，香港工程師Guru和麻省理工學院Victor Leung共同研制出一臺以固態糖為原料，采用FDM打印技術的3D打印機。德國糖果公司Katjes開發出了全新的3D軟糖打印機Magic Candy Factory，軟糖原料主要由果膠、糖和水果提取物組成[27]。

除了開發專門的3D食品打印機，德國Print2Taste公司還設計了一款Bocusini插件，可為具備開放源代碼的3D打印機擴展打印食品的功能，可打印的食品原料包括巧克力、糖果、果凍等，這些材料經特殊均質處理，在打印之后可保持形狀不變。

4.2 烘焙食品

2013年美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）成功研發可以打印披薩的3D打印機[28]。康奈爾大學的機械實驗室也利用3D打印技術，打印出個性化的曲奇[29]。2015年，荷蘭技術公司TNO與意大利面食公司Barilla公司合作研發了以小麥粗粉和水為原料的3D打印意大利面[30]。Barilla在2016年Parma的CIBUS國際食品展示的3D打印機能夠打印4種獨特的意大利面形狀，而且營養成分、質地和顏色都可以控制[31]。

3D食品打印技術也能夠制作出我國的傳統點心。2015年杭州大學生成功制作出了3D打印月餅并順利推向市場。這個團隊通過對傳統生產線的改造，將3D打印技術廣泛應用于餅干、糕點等食品的生產，受到了不少傳統食品廠商的青睞[32]。2017年，胡雪等人[33]通過對傳統的3D打印機進行改造，制作出了專門的3D煎餅打印機，能夠簡便地打印出好吃又美觀的煎餅。

4.3 肉制品

人造肉在近年來慢慢進入人們的視野。這種打印出的人造肉味道與肉糜味道相差無幾，只是具有了別樣的形狀，因此這種3D打印肉主要適用于老年人和咀嚼、吞咽困難的病人[34]。Lipton J等人[35]以火雞肉、扇貝、芹菜為原料，打印產品在加入轉谷氨酰胺酶改性處理后可適應緩慢烹制和油炸，在加入可可粉后能在烘焙過程中保持其復雜的內部結構。

然而這些人造肉所用的原料還是真實的生肉，直到2012年7月，美國賓夕法尼亞大學用3D打印技術制造了人造生肉，它們使用水基溶膠為黏結劑，將糖、蛋白質、脂肪、肌肉細胞等原料組合在一起，打印出的人造肉有彈性，烹飪后有咀嚼性，營養和外觀都和真實的生肉接近，連肉里的微細血管都能打印出來[36-38]。

4.4 水果和蔬菜

由于大部分水果蔬菜都具有多汁的特性，難以成型，因此水果和蔬菜較少作為3D打印的原料。英國的DovetaiLED公司推出一款使用分子球化工藝的“水果打印機”，打印前，將果汁與海藻酸混合，滴入預冷的氯化鈣溶液中，最后果汁混合液被包裹上一層薄膜。水果打印機打印的并不是真正意義上的水果，但能提供像真實水果一樣的口感[29]。

4.5 奶制品

傳統的奶油類食品是面點師傅依靠經驗手工妝點，花樣少而陳舊，成本高且不衛生。采用3D打印技術，可以克服這些弊端[39]。2013年，孫鐵波等人[40]率先提出了3D奶油打印機的設計方案。2016年姚青華[39]設計的3D奶油打印機，采用了成熟的設備設施進行有機組合，且利用噴射技術、三相機械控制技術解決了奶油的不易流動性問題，實現了連續化、細膩打印的可能。

軟冰激凌是一種半流固態冷凍甜品，口感細膩，具有一定的塑型性，也成為3D打印食品的研究對象之一[41]。2014年，首臺3D冰激凌打印機誕生于美國麻省理工大學，是由1臺3D打印機和1臺冰激凌機組合而成。目前，3D冰激凌打印機打印一個產品僅需1～2 min，“O2O”（Online to Office）模式也被應用在3D打印冰激凌中[42]。

4.6 其他

除了這些常規的食品之外，科學家們還利用3D打印技術研發出了昆蟲食品。英國科學家們進行了名為“昆蟲焗”的項目，把食用昆蟲轉換成“面粉”，再通過3D打印機打印出來。制作出來的昆蟲食品就沒有了蟲子外觀，易于被人們接受，而且昆蟲面粉富含蛋白質和礦物質，可以和奶酪、巧克力或香料混合打印成面包等其他菜肴[43]。

3D食品打印技術在航天食品方面也具有非常好的發展前景。自2013年起，NASA便開始大力開發用于長時間太空任務的3D打印食品系統，成功研發能在太空生產披薩、營養面糊等食品的3D打印機[44-45]。我國也在綠航星際-180試驗中使用了自主設計制造的3D食品打印機，并取得了良好的試驗效果[46]。

5 3D打印技術在食品中應用的優點和存在的問題

人們對個性化理念的追求使得食品3D打印技術快速發展。目前，在改善食品外觀和口感、定制個人營養食譜、制作航天食品和“病號餐”及發明新食品等方面，有著很大優勢。

但也存在很多待解決的問題。首先，食品原料的選擇較單一，能真正完全打印的食品較少。有的只是用它進行一些表面裝飾。其次，該技術智能化程度不高。在成熟理想的3D食品打印體系里，人們可通過“一鍵化”的方式將食品形狀設計、營養比例、烹飪方式等聯合起來，簡化食品3D打印技術程序。最后，清潔問題。3D打印結束時，不僅要考慮成品的食品安全問題而且還要考慮3D打印機中的余料不會對下一批產品造成影響，所以要對其進行清洗。目前，3D打印機主要依靠刷子進行清潔，既不方便又很難清理干凈，因此設計一個應用于食品3D打印機后續清潔的方案很有必要。

6 結語

食品3D打印技術還處于發展階段，商業領域的嘗試也才起步不久。2016年，世界上第一家3D美食店Food ink進行了為期3 d的試營業，引起了極大關注。2019年，研究人員已經研發出可以用于定制3D打印食品的APP[47]。可以預見，3D打印食品不僅會給家庭和個人帶來全新的體驗，而且3D打印食品技術的市場潛力和銷售范圍也會不斷擴大。3D打印食品有望商品化，這種膳食定制、造型隨心的烹飪方式將會逐漸普及，從而成為人類飲食方式的有益補充。