3D打印技術在食品行業中的應用研究

王怡涵

（阿爾伯塔大學農業、食品和營養科學學院，阿爾伯塔 埃德蒙頓 T6G2R3）

0 引言

3D 打印技術是在快速成型技術的基礎上發展而來的。快速成型技術誕生于20 世紀80 年代末，該技術是通過計算機輔助設計（CAD）來完成建模、組裝和制造的過程［1］。作為一種更先進的快速成型技術，增材制造可用塑料聚合物絲、金屬、可食用材料（如糖和巧克力）來逐層構建起復雜的三維物體［2］。在第一代食品打印機原型的基礎上，研究人員從概念設計出發，對材料擠壓和沉積進行深入研究［3］。此外，其還可應用于其他領域，如3D 打印心臟模型、正畸保持器和離子動力納米衛星推進器［4-6］。諸多研究已經證明了3D 打印技術在食品行業中的價值［7］。3D 打印技術可生產出不同形狀和口味的食品［8］。以往的商品在定制過程中會涉及勞動密集型技術，導致生產速度降低，從而使生產成本增加。通過提供的食品形狀、顏色和口味，3D 打印技術可克服傳統食品制作中存在的問題，如通過基于擠壓打印制造和加工出的蛋糕糖霜、奶酪和糖餅干［9］。通過獲取得到的營養成分（如碳水化合物、脂肪、蛋白質、纖維和其他功能成分），3D 食品打印可完成數字化構建，從而精確控制產品的配方和營養水平。從本質上講，3D 食品打印作為一種原型設計工具，可促進新食品的開發，并作為一種潛在的新型食品機器，能重新配置食品供應鏈。

雖然3D 打印技術從出現到現在已經有十幾年時間了，但其發展仍存在著限制。目前，該技術耗時嚴重，使3D 打印食品的生產規模受到限制。由于流變學特性，導致3D 打印技術產生的食品的物理穩定性差，打印出來的食品不能長期保持形狀。還有一些消費者認為3D 打印食品是“不自然”的食品或不健康的食品，使這項技術的商業化面臨著挑戰。鑒于3D 打印技術的潛力和局限性，本研究將重點研究3D 打印技術在食品行業中的應用，分析其優勢和挑戰，并分析其未來發展方向。

1 技術和應用

目前，已有眾多學者針對3D 打印技術在食品開發中的應用進行研究。在Scopus 中，通過搜索“3D 打印”和“食品”，搜索結果顯示，2013—2022 年共計979篇相關論文。通過分析可以發現，3D打印技術在食品開發中的應用可分為兩類：①任何食品材料的營養密度和可能的用途；②通過對食品材料的宏觀和微觀結構進行管理，增強現有食品的外觀和觸感［10］。根據最新研究，熱熔擠出法、選擇性鐳射燒結、黏著劑噴膠成型技術和噴墨食品打印是最常見的3D 食品打印方法。基于原型對這四種方法進行配方修改、設備修改和食品印刷工藝調整［11］。

1.1 熱熔擠出法

熱熔擠出法（HME）是采用溫度控制或基于軟材料的半固體黏性系統［12］（見圖1）。材料先被收納進一個筒中，噴嘴會對材料進行加熱，從而確保材料是可流動的；然后對其進行水平移動，逐層沉積，同時平臺垂直移動。為了保證材料的黏度，并使其能夠順利流過噴嘴，其溫度要保持在一個合適范圍內。在食品工業中，食品擠壓技術被應用于多種材料的成型中，如預調質巧克力、食品和副產品泥、肉泥，甚至奶酪和面團等［12］，還可用熱熔擠出法來制造糖果產品。而高重復性和復雜性使手工制作面臨著挑戰，這為3D 食品打印技術的應用提供了契機［13］?；跀D壓的食品打印機雖然具有占地面積小、維護成本低等特點，但其也受材料選擇、制造時間長和溫度波動引起分層的限制。

圖1 熱熔擠出法

麻省理工學院（MIT）的研究人員通過應用HME來定制3D巧克力產品。開發出的功能原型被稱為數字巧克力機，其使用熱熔巧克力作為分配液體。巧克力機通過壓縮空氣將融化后的巧克力從腔室中推出，用于創作定制糖果。在使用熱熔巧克力擠出基材的基礎上，三維食品打印機可創建出三維彩色圖像。然而，為了將各層融合在一起，需要有一個后處理步驟［14］。

1.2 選擇性鐳射燒結

選擇性鐳射燒結（SLS）也被稱為熱風燒結（HAS），是一種適用于糖或富含糖的粉末材料的3D 打印技術。如荷蘭應用科學研究組織（TNO）已成功將SLS 技術應用于燒結糖和Nesquik 粉末中［15］。此外，SLS 技術也會被應用于制作咸味零食。如圖2和圖3所示，激光和熱空氣沿軸線移動，粉末顆粒會發生融合，將散開的新鮮粉末黏合在一起，從而形成一個固體層。燒結后的材料會成為產品部件，而未燒結的粉末則成為產品結構支撐。然后，3D 打印機將重復這一過程，用新的材料層直接覆蓋融合后的表面，直到打印出完整的食品。在融化糖床時可選擇低速流。為了能夠最大限度地減少熱變形，并與前一層進行融合，制造出的粉床要被加熱到剛好低于材料的熔點［16］。上述燒結方法雖然能在短時間內構建出復雜的食品，且不需要進行后期處理［11］，但其仍存在兩個缺點：一是只有熔點相對較低的糖和脂肪基材料才適合該方法；二是涉及的變量多，對機器建造形成挑戰。

圖2 選擇性鐳射燒結

圖3 熱風燒結

1.3 黏著劑噴膠成型技術

黏著劑噴膠成型技術是通過黏合劑液體（膠水）將粉末顆粒固定在一起，在短時間內為產品提供獨特而復雜的形狀。成型材料為食品粉末，可通過涂層機來進行逐層涂抹［17］。將糖和淀粉等食品粉末均勻地分布在制造平臺上，以確保粉末材料可高精確度地應用于建筑區域。為了盡量減少因黏合劑分布不均而造成的損壞，可利用水霧來穩定粉末材料［11］。將液體黏結劑加入打印頭中，通過打印頭來釋放黏結劑，使其與模具中的每一個顆粒連接在一起（見圖4）。表面的輻射加熱能增加機械的性能，使得下一層的沉積成為可能［12］。重復上述過程，從而獲得3D打印食品。

圖4 黏著劑噴膠成型技術

基于上述原理，黏著劑噴膠成型技術只適用于粉狀材料，如奶粉和巧克力粉。材料參數（顆粒大小、黏合劑黏度和流動性）、加工因素（噴嘴直徑、印刷速度、噴頭類型和層厚度）和后處理因素（烘烤、加熱和去除剩余物）等都會對印刷精度產生影響［18］。黏著劑噴射法的制造速度很快，可用于制造結構復雜的全彩3D 食品結構。此外，其生產成本低、具有修改口味的功能。然而，適合該技術的材料有限、成品表面相對粗糙、機器成本高等限制著該技術的應用與發展［11］。

1.4 噴墨食品打印

噴墨食品打印也被稱為非接觸法，這是因為打印頭在打印過程中不接觸食品。該方法使用注射器式噴頭按需來分配液流。噴出的液流會在重力的作用下下落，并沖擊基材。干燥后，液滴可在蛋糕、餅干或糖果等食品的表面形成二維半的數字圖像。此外，該方法主要用于食品裝飾或表面填充［17］。在進行圖像填充時，非接觸法可保證食品不會受到污染。詳細操作見圖5。

圖5 噴墨食品打印

噴墨食品在打印過程中要對一些關鍵參數進行管理和控制，如材料特性（食品墨水與填充、打印表面的兼容性，以及可食用墨水的流變特性和表面特性），要在打印前進行監督。印刷速度、噴嘴直徑、印刷高度和溫度都會影響印刷的精度。噴墨食品打印沒有后處理階段。在這個過程中使用的墨滴可以是多種顏色，從而創造出獨特的、個性化的食品圖像，同時還可完成快速制造。適合該技術的材料應該具有低黏度，如比薩醬或水基油墨［19］。

2 機遇與挑戰

作為食品科學的前沿之一，3D 食品打印技術為食品的獨特性和創造性提供了機會，但也帶來了挑戰。3D 食品打印技術具有廣闊的應用前景，其可在飲食中增加質地改性的食品。該技術可與食品油墨強化技術結合，以提高質地改性食品的吸引力，從而增加攝入量，并降低營養不良的風險。Burke-Shyne 等［11］指出，3D 食品打印可改善需要質地改良食品的人群的飲食平衡和整體生活質量，從而使其能夠更獨立地生活。打印食品可用于提供個性化的營養，或為更多人提供新奇產品，從而使患有糖尿病或腎病等慢性疾病的患者更容易吸收營養。目前，3D 食品打印技術只能生成軟質食物，在評估3D 食品打印機對一般用途的吸引力時，更廣泛的食物質地將是有益的［11］。

在3D 食品打印技術商業化過程中，打印速度是限制其發展的關鍵因素之一，低速度將導致低容量，給批量生產帶來挑戰。而3D 打印食品另一個問題是其保質期短［20］。由于流變特性的轉變，使用3D 打印機生產出來的產品只能穩定1～2 h［21］。此外，3D 打印機的性能、與其他烹飪過程的整合，以及打印機在紋理間的適應能力等都要進行改進。3D 打印成本和打印食品的定制是現階段額外的經濟和技術困難［22］。

3D 打印食品的倫理和社會問題一直備受人們的關注。通過研究消費者對3D 打印食品的看法可以發現，參與者擔心打印食品具有超加工食品的特性，認為其相比于未經過3D 打印的食品更“不健康”［23-24］。還有人認為，雖然3D 打印食品可能會在大眾生活中發揮作用，但其仍不可能改變整個社會的飲食和烹飪方式。Lupton 等［25］通過研究發現，消費者可能會對品嘗打印食品感興趣，或對該技術感興趣，但對完全接受該技術作為生產食品的新手段，人們普遍持懷疑態度。

3 3D食品打印的未來發展方向

將微膠囊技術整合到3D 打印中是3D 食品打印未來發展方向之一。將微膠囊技術整合到食品打印中，可使用多個打印頭系統，其中至少有一個打印頭在制造的食品中創造和分配微膠囊［26］。與該技術相關的應用包括測試制作、穩定性增強和控制釋放，這將使脆弱和敏感的成分在加工制造和包裝過程中存活下來，延長活性化學物質的保質期，并提供有吸引力的香味釋放、味道、氣味和顏色掩蓋。該技術簡化了功能性食品的制造過程，從而提高功能性成分的穩定性，如益生菌和生物活性化合物，并允許調味劑和營養物質的控釋［11］。

4 結語

食品打印技術在食品制造方面具有巨大的潛力。食品打印可能會對眾多食品工藝產生實質性的影響，使食品設計師或消費者能夠對形式和材料進行個性化處理。個性化的營養使消費者能精確地嘗試新奇的味道、質地和形式，從而創造全新的飲食體驗。雖然已有幾種食品打印技術，但3D 打印技術要實現商業化，還要進一步改進打印技術和創新加工方法。