3D 打印技術在食品生產中的應用探析

沈卓

（黑龍江八一農墾大學）

隨著消費觀念的升級、對個性化多樣化食品需求的持續上升，加之食品安全問題越來越引起全社會的關注，食品加工與生產管理管理理念也不斷更新，新興技術應用于食品加工行業也促進了食品加工生產的技術革新，3D 打印技術就是其中一項典型的食品加工技術。作為一種新興交叉性智能化科學技術，3D 食品打印將人工智能、機電控制與三維建模技術融為一體，運用于食品加工與生產過程中，在食品科學專業知識的指導下，打印出適應不同群體消費者對口感、外觀、營養等差異化需求的食品，在節約打印時間、降低原材料消耗的基礎上實現成本控制，還可以改進食品營養結構，給老人、兒童與青年群體都帶來健康理念的科學食品，提供一種全新的食品消費體驗。隨著這種技術的不斷完善，3D 食品打印技術會逐步取代傳統的食品加工工藝，成為主流的食品加工技術，推動食品生產與食品消費的理念變革。

一、3D 食品打印技術簡單介紹

1.何為3D 食品打印技術

在實際生產過程中，3D 食品打印技術有多種工藝，如熔融沉積成型技術（FDM）、光固化立體成型技術（SLA）、選擇性燒結成型技術（SLS）與層片疊加技術（LOM）等），其中熔融沉積成型技術（FDM）的應用最為廣泛。這種技術的操作原理是機械設備先加熱各種固體食材原材料，熱融擠出雜質后然后冷卻凝固，然后再進行層層堆積，制作成不同類型食品形狀。因為這種技術具備較高擠出效率、工業設備相對簡單、原材料得以最大化利用等優點，故此普遍運用于巧克力生產、糖果制作等生產線中。具體而言，3D 食品打印技術的操作過程主要采用計算機三維建模軟件，設計出需要打印的食品，同時進行平面分解，設置好操作程序后，工作人員運用3D 食品打印機擠出食材原材料，然后進行逐層打印操作，并堆積成型。每一層的打印操作應對準該食品的一個橫截面，每個橫截面都進行提前精準計算，技術人員設置好噴頭運動軌跡，工作人員按照制定程序，啟動按鈕，噴頭就會在預定的軌跡中運動，有節奏地擠出原材料，最終打印出形式多樣、口味多種、營養價值較高的個性化食品。

2.3 D 食品打印技術的發展歷程

1984 年美國人查理斯·胡爾首先研制出3D 打印技術，并命名為立體平板印刷技術，1986 年他將這種技術應用于商業生產領域，并研制出第一臺商業化3D 印刷機。康奈爾大學科研人員戈多伊嘗試將3D 打印技術應用于食品生產領域，2011 年，英國埃克塞特大學終于研制出第一臺3D 巧克力打印機，通過采用冷卻、加熱技術，把熔融態巧克力食材打印成凝固態巧克力，這是一次質的飛躍。2011 年西班牙自然科學公司成功研制出裝置墨盒的3D 食品打印機佛奧蒂尼，可以將多種食材置入墨盒中，打印出多樣化食品。目前市場上主流的3D 食品打印機還有用于打印糖果的切夫·杰特機與切夫·杰特波羅等，雖然這種技術依然處于發展階段，但是已經普遍應用于食品加工行業之中，打印出多樣化食品，初步滿足消費者的個性化需求。

二、不同材質的食品原材料對3D 打印的影響

3D 食品打印技術的有效應用、打印食品質量情況主要起決于不同種類的原材料。盡管食材的原材料種類繁多，但是根據目前的技術來看，跟3D 機匹配的原材料種類并不多，主要包括液體材料、粉末材料與細胞培養材料等。擠壓與噴墨技術可以打印液體原料，應用熱源或者是顆粒粘展劑可以將粉末材料通過沉積操作打印成固體食品，生物沖洗技術可以把細胞培養材料打印成合成肉類食品。不同材質的食品材料會影響到不同的打印效果。

1.碳水化合物對打印效果的影響

碳水化合物對打印效果的影響主要在于玻璃化轉換溫度，即原材料從高彈態轉化為玻璃態所需要的溫度，簡稱為轉換溫度。轉換溫度對原材料的支撐能力影響較大，非顆粒狀、非晶狀食材在轉換溫度值域以下為玻璃形態，擠出操作時玻璃態食材粘度會增加，形成大量結晶核，這些結晶核就可以在食品內部形成穩定的支撐結構，不容易變形。當然，選擇食材時也得關注糖類的成分差異。粉狀原材料也會影響3D 打印的成型效果，淀粉原材料一般都呈現黏糊狀，具備一定的粘度，但是屬于不滿足牛頓粘性實驗定律的流體材質，在大氣壓的作用下，糊狀淀粉的內部分子就會不斷收縮，遇到熱量、或者是擠出操作時，分子就會膨脹，打印出來的食品外形就會不盡完美。

2.蛋白質材料對3D 打印效果的影響

蛋白質材料組成的聚合物會產生電離子，很容易降低3D 打印效果。蛋白質組成的聚合物主要由脫水氨基酸縮合而形成，本身就攜帶正、負電離子，當正負電離子相互作用時，蛋白質分子的粘度就應因為等電點不斷收縮而下降，但是一旦正負電離子失去平衡，就會改變蛋白質內部結構，從而影響打印效果。比如，比較受兒童喜愛的蛋白質明膠材料，具備入口即化的特性，因而給牙齒并不堅硬的兒童群體帶來獨特的口感體驗，明膠呈現稀釋溶液狀態時，具備牛頓流體特征，但是經過電離子的作用后，蛋白質內部結構就會改變，這就需要添加其他蛋白酶，從而形成粘稠狀的明膠。經過大量的實驗操作后，技術人員發現添加谷氨酰胺轉氨酶的效果最佳，經過這種蛋白酶的中和作用，蛋白質與蛋白酶通過共價鍵實現緊密融合，就形成了相對固定的聚合物。但是，在擠出操作過程中，蛋白質的擠出還受到剪切速率因素的影響，剪切應力會降低蛋白質的粘稠度，嚴重的時候也會形成非牛頓流體行為，所以就應提升剪切效率、降低剪切應力；另外，技術人員在操作時，機械設備產生的壓力也會改變蛋白質的內部空間結構，若處于強酸強堿環境中，蛋白質結構也會變形，這些因素都會影響到打印效果。

3. 脂類甘油三酯類食材的內部結構構成也會影響打印效果

作為一種常用的食品原材料，甘油三酯由于由多種類型的脂肪酸所組成，因而內部熔點各異，這就造成了食品原材料呈現熔點變化幅度較大、固體脂肪指數上下浮動以及晶體結構變動等情況，故此影響食品的3D 打印效果。這種情況在肉類食材中表現得作為明顯，肉類的產地、不同部位顏色差異與保質期等因素都會給脂肪酸含量產生影響，不同類型脂肪酸的熔點不同，直接影響到肉類脂肪的柔軟度與緊密度，固體脂肪酸的熔點較高，打印出來的食品的顏色比液態脂肪酸食品先得更加潔白，外形更耐看。那些不飽和脂肪酸含量較高的食材打印出來的食品，極易氧化，也會出現酸敗結果。不過，3D 食品打印技術可以加工出高質量肉類制品，技術人員通過調整甘油三酯的組成比例，就可以改變肉類制品的外觀，也更加健康，滿足不同口味的消費需求。

4.維生素種類分布對打印效果的影響

水溶性維生素食材熱穩定度較低，溫度稍微升高就會分解，從而改變了維生素內部結構；脂溶性維生素對外界溫度不太敏感，但是存在易被氧化的特點，故此技術人員在打印維生素種類較多的食材時，尤其注意外界溫度的變化情況、避免跟外界空氣直接接觸，比如在高溫、堿性ph 值較高的環境，維生素C 就會氧化，從而降低營養價值。技術人員可以利用FDM 三維打印技術，為了避免維C 跟空氣接觸，可以把維C 混入到淀粉中，從而保全維C 的營養價值。

三、常見3D 打印食品

隨著這種技術的普及應用，加之3D 打印技術的不完更新，通過3D 技術打印出來的食品種類越來越多，花色也更加豐富，營養也更為全面，口感也更符合多樣化需求，常見的通過3D 打印出來的食品有巧克力、冰激凌、與糖果等。

1.3 D 打印巧克力

從發展經歷來看，最終通過3D 打印出來的食品就是巧克力，隨著這種技術的完善，打印出來的巧克力就可以控制糖分含量，滿足不夠口味的需求，加之生產巧克力的原材料也較為適用于3D 打印，而且打印出來的巧克力并不需要再次加工、處理，可以立即使用，故此當前巧克力打印中這種技術應用最為頻繁。需要指出的是，技術工人在采用FDM 三維打印技術時，應注意原材料結晶原理與支撐能力變動對打印效果的影響。巧克力打印的主要原料是可可脂，這種材料可以形成六種不同的晶體形態，即從I 分布到VI，熔點依次為γ：-5 ～5℃；α：17 ～ 22 ℃；β1 和 β2：29～34℃；β2 和β1：29～34℃，故此注意溫度控制。巧克力的外觀與口感收到可可脂多態性特征的影響，由于具有非牛頓流體特性，熔融態巧克力的粘稠度跟剪切應力變化成反比，故此，剪切壓力過大的情況下，巧克力食材就會喪失非牛頓流體性質，無法完成正常打印。除此之外，技術人員還應控制好噴頭溫度，注意半制成品在擠出時的粘稠度與流動性，確保打印出完全符合當初設計形狀的制成品；但是，噴頭溫度也不宜過低，溫迪過低會導致原材料凝固，從而造成噴頭堵塞，故此，噴頭溫度應控制在低于凝固溫度1℃的值域內。3D 技術打印巧克力工作示意圖見圖1-1。

2.3 D 打印冰激凌

作為一種半流固態的冷凍甜食，具備耐油特性的細膩、香甜、冰涼可口優點，深受各類消費者尤其是青少年兒童的歡迎。冰激凌還具備可塑性特性，因而可以有效使用3D 技術來打印各種類型的冷凍甜品。技術人員應優先選擇螺旋式擠出噴頭來確保成功打印出冰激凌，為了防止半成品回流，技術人員還應采用雙向均速擠出原料的方式來進行勻速打印，擠出裝置的精讀應控制在1 毫米以下，因為原材料比較粘稠，擠出裝置的孔徑過大的話，摩擦力就會隨之增加，容易形成堵塞；空經過小又影響打印速度。生產冰激凌的原材料含有乳脂肪、非脂乳固體、甜味劑、固形物、穩定劑、乳化劑等營養成分，為了控制好粘稠度，技術人員就應搭配好穩定劑的配比度，確保粘稠度為120～140MPa·S。

3.3 D 打印糖果

3D 打印技術可以打印出軟糖跟硬糖兩種糖果。3D 可以打印以淀粉糖漿為主要原材料、添加果膠與明膠之類的凝固劑的易成型的軟糖，而且安全可靠，放心食用。打印軟糖時，在使用以卡拉唐之類的高粘度原料時，技術人員應控制糖漿濃度，以便后續順利添加物料，順利轉移、擠出成型的軟糖糖果；使用明膠類的低粘度糖料時，技術人員需大劑量添加糖漿濃度，便于擠出成型的糖果，但是無形中增加了生產成本，還需要一定的時間來進行烘干操作。以果葡糖漿、白砂糖為主要原料的硬糖，由于水分含量較低，技術人員在進行3D 打印操作時不易控制溫度，生產工藝相對復雜。

四、外在因素對3D 食品打印效果的影響

除了原材料外，一些外在因素，尤其是技術要素，對食品打印效果也會產生影響，比如外在溫度、擠出方式、噴頭直徑與成型系統等，其中最主要的是外在溫度與擠出方式。

1.外在溫度

溫度溫度是影響3D 打印效果的首要因素。3D 食品打印的原料多為膠狀液體，由于自身帶有正負離子，受力平衡能保持穩定。溫度過高可能會使膠體平衡破壞，蛋白質變性形成沉淀，脂肪晶體受到破壞，打印效果降低。溫度過低使得食品原料凝結造成堵塞，不能順利擠出。根據食品原料擠出時對熔點、玻璃化溫度的要求，在原料貯存裝置、噴頭裝置、成型平臺進行溫度控制，設置合適的溫度，既要確保食品的順利擠出，又要穩定成型。

2.擠出方式

噴頭擠出方式能顯著影響打印食品的外觀。常見的擠出方式有氣壓式、螺旋式、注射器式擠出。氣壓式擠出裝置通過調節開關，可以同時驅動多個擠出噴頭，機械部件與食品原料沒有直接接觸，降低了食品污染的風險；而缺點是改變擠出速度時，響應時間相對較長，如果要將高粘度物質填充到原料貯存筒中，容易產生氣泡，在打印生產中需要增加其他設備。螺旋式擠出過程是電機驅動螺桿不斷將物料往下拉，最后到達擠出噴嘴，氣泡干擾較小。螺桿與食品材料直接接觸，所以螺桿和原料運送裝置應使用食品級不銹鋼材料。注射器式擠出裝置由機器產生壓力，直接接觸食品原料，擠出成型，適合打印固體半固體食品原料，擠壓裝置同樣需要用食品級不銹鋼材料。選擇哪種擠出方式，要根據食品原料的流動性能、粘性、熱特性等因素綜合考慮。選擇或設計一個適合某食品原料的擠出噴頭，可提高打印食品的精度。

五、3D 食品打印技術的未來發展趨勢

隨著科技的進步，3D 食品打印技術會日漸成熟，有利于早日實現食品打印的商業化作為一種新興科技，3D 打印應用于食品加工，有利于促進食品工藝的發展、推動現代食品工業改革。3D 食品打印技術正處于蓬勃發展的時期，必定給人們帶來更多福利。