基于專利導航的食品3D 打印技術發展路徑研究

摘要：論文采用專利導航分析的方法，基于 incoPat 全球專利數據庫，從打印原理、打印裝置、打印材料3個技術分支角度，對食品3D 打印技術專利的申請、授權、狀態進行了分析;在此基礎上從強化產業技術優勢、彌補產業鏈劣勢、填補產業鏈空白3個角度對江南大學食品3D 打印技術的發展路徑提出了建議。

關鍵詞：食品;3D 打印;增材制造;專利導航;發展路徑

中圖分類號：G252.7" 文獻標志碼：A

0 引言

食品3D 打印技術擁有獨特的“定制化”屬性，不僅可以實現外觀上的個性化設計成型，還可以針對特殊人群打印特殊用途和精準營養的食品，是未來個性化食品智能制造的主要解決途徑。在我國的第十四個五年規劃中，3D 打印被列為食品領域高質量發展的重點研究方向。江蘇省在3D 打印方面已具備較好的產業基礎，主要集中于南京、無錫、蘇州、常州等地。目前，江蘇省成立了全國增材制造（3D 打印）產業技術創新戰略聯盟、江蘇省三維打印產業技術創新戰略聯盟、江蘇省3D 打印技術專業委員會等多個協會聯盟組織，極大地推動了江蘇省3D 打印技術集成創新及產業發展。

位于江蘇省無錫市的江南大學是教育部直屬高校， 同時也是國家“211工程”重點建設高校和“雙一流”建設高校，食品科學與工程學科在軟科世界一流學科排名第一。其食品3D 打印技術全產業鏈系統相對來說比較完整。學校憑借其一流學科，匯聚研究團隊，形成了包括食品打印原材料、打印設備、食品應用等在內的比較完整的創新鏈。本文以食品3D 打印為技術領域，著眼于江南大學食品學科食品科學與工程“一流學科”建設規劃與重大突破技術分析實際需求，通過專利導航分析，為江南大學3D 打印技術創新發展路徑提供指引，助力一流學科建設。

1 研究設計

1.1 研究方法

本文采用專利導航分析研究方法。專利導航是以專利信息資源利用、專利分析為基礎，把專利運用嵌入到產業技術創新、產品創新、組織創新和商業模式創新之中，是引導和支撐產業科學發展的一項探索性工作[1];其主要目的是探索建立專利信息分析與產業運行決策進行深度融合、專利創造與產業創新能力實現高度匹配、專利布局對產業競爭地位保障有力、專利價值實現對產業運行效益有效支撐的工作機制， 推動產業的專利協同運用，培育形成專利導航產業發展新模式。

1.2 數據檢索

本文在文獻調研的基礎上，通過電話、郵件等方式多次征求相關科研團隊的意見[2]，對食品3D 打印技術及裝備一級技術領域進行逐級分解[3-6]，二級技術包含打印原理、打印裝置、打印材料;三級技術包含 FDM、SLA、SLS、粉末床打印技術、LOM、控制系統、噴頭（擠出裝置）、輸送裝置、熟化裝置、液體、粉末、細胞類、蛋白、淀粉、凝膠、蔬菜、水果、肉、糖。根據分解的技術提取中英文關鍵詞，在此基礎上結合 IPC 分類號創建專利檢索式;根據總分策略進行專利檢索，在檢索過程中不斷調整檢索策略，最后根據實際情況進行一些補充檢索，形成初步檢索數據庫后，再進行數據清洗降噪處理，最終形成食品3D 打印專題數據庫。

2 江南大學食品3D 打印技術發展現狀

2.1 江南大學食品3D 打印技術分支專利申請情況

將江南大學3D 打印技術分支申請專利情況與全球、中國、江蘇進行比較，如表1所示。表1數據顯示江南大學在食品3D 打印領域的三大技術分支中，打印裝置和打印原料的申請量均排名前列。其中，江南大學在打印裝置領域的申請量為40件， 占全球申請量的4.2%， 占全國申請量的6.5%， 占江蘇申請量的53%;而在打印原料領域的申請量為44件， 占全球申請量的6.9%， 占全國申請量的12.6%， 占江蘇申請量的73%。這表明江南大學在打印裝置和打印原料領域具有一定的技術實力，并且在國內和全球范圍內都有較高的影響力。然而，在打印原理領域，江南大學的申請量為0，需要進一步提升技術創新能力。

2.2 江南大學食品3D 打印技術分支專利授權情況

專利申請數量能夠反映出研發方向以及對該領域的重視程度。專利的授權情況能真正反映要求保護的專利的有效性，也體現了專利的價值。江南大學食品3D 打印裝置幾大技術分支中，授權數量最高的為噴頭（擠出裝置）16件，接著是熟化裝置10件、控制系統6件、輸送裝置2件。雖然噴頭（擠出裝置）技術專利總數較多，但授權比例為50.00%， 比控制系統75.00%授權比例要低得多。江南大學食品3D 打印原料的十大技術分支中，授權數量最高的前三種原料分別為凝膠7件、粉末5件、水果5件;此外凝膠、糖和蔬菜打印原料的專利總數較多，但授權比例相對粉末和淀粉要低得多。

2.3 江南大學食品3D 打印技術分支有效專利情況

專利申請只有當其被授權并且處于有效的狀態才能為專利保護帶來實質性的作用。檢索結果顯示江南大學食品3D 打印裝置的噴頭（擠出裝置）、輸送裝置的有效專利比例相對并不高， 只有控制系統、熟化裝置有效專利占比超過了50%， 輸送裝置低于35%。江南大學食品3D 打印原料十大技術分支之間有效專利占比差距較大，粉末原料技術的有效專利占比高達56%，細胞類和肉類原料技術的有效專利占比最低;江南大學食品3D 打印原料十大技術分支的有效專利比例并不高，只有粉末、淀粉、水果原料技術有效專利占比超過了40%，凝膠、蔬菜、液體等原料技術有效專利占比較低，均在30%以下。

3 江南大學食品3D 打印技術發展路徑導航

現階段的食品3D 打印技術存在加工裝備智能化、高效化、精準化程度不足及標準化、連續化、自動化水平不夠等問題，嚴重制約了產業的健康發展。江南大學應在經濟新常態背景下，把握機遇，尋找企業、技術、人才及專利等各種資源的優化配置，加快產業轉型優化升級步伐，將江南大學食品3D 打印產業打造發展為全球前沿產業。本文通過充分解讀全球食品3D 打印專利情報所表征的產業發展趨勢和市場競爭態勢，全面了解江南大學食品3D 打印所處發展階段和內外環境，借鑒發達國家， 給出了江南大學食品3D 打印技術發展路徑建議。

3.1 強化產業技術鏈優勢

基于江南大學食品3D 打印技術的現狀，為保障未來食品3D 打印技術的高質量、可持續發展，學校應加強頂層設計，進行科學規劃，對三大技術分支進行合理布局，實現補鏈、強鏈之目的。建議大力加強打印原料方面的優勢，努力克服產品成型難、穩定性差、高精度打印困難和打印效率較低等方面的難題，強化打印原料的發展。同時基于江南大學在打印設備裝置領域方面的優勢，努力促進食品3D 打印裝置高端產業化。

3.2 彌補產業鏈劣勢

近年來，基于 SLA、SLS 等技術的3D 打印裝置設備不斷更新， 國內設備廠商在3D 打印設備所需的專用材料、工藝裝備、關鍵零部件、軟件系統等實現了技術突破和工藝經驗積累，具有了一定的批產能力，帶動了整個產業的競爭力明顯提升。目前，在打印裝置方面，江南大學相對處于劣勢地位。突破食品3D 打印裝置技術瓶頸，攻克打印裝置的關鍵技術，將有助于帶動江南大學食品3D 打印技術向高端產業轉型升級。

3.3 填補產業鏈空白

食品3D 打印機與普通3D 打印機工作原理比較相似[7]：首先將食材和相關配料放入容器內，輸入食譜后開啟打印按鍵后，噴頭就會將注射器中的食材逐行逐層地鋪上去，打印出立體食物產品。使用者可以在無需機械加工或模具的情況下，通過改變電腦中設計好的食品3D 模型來決定食物的形狀、高度、體積等，可以根據想象力和創造力打印出各式各樣有趣的食品。目前，在食品3D 打印工作原理方面，江南大學布局較少，存在較大空白。從長遠角度來看，應補齊短板，適度加大打印工作原理的支持力度， 以更好地強化技術，推動產業化發展。

4 結語

本文從食品3D 打印技術的打印原理、打印裝置、打印原料3個技術分支角度分析了江南大學食品3D 打印技術的專利數據，得出如下結論：（1）江南大學在打印原理技術分支處于空白，打印裝置和打印材料申請專利數相差不大。（2）打印裝置技術分支中噴頭（擠出裝置）技術專利總數較多，但授權率低;控制系統、熟化裝置有效專利占比高。（3）打印材料中授權數量最高的前3種原料分別為凝膠、粉末、水果;有效專利占比相比于粉末、淀粉、水果較低。針對上述現狀，本文從強化產業技術優勢、彌補產業鏈劣勢、填補產業鏈空白3個角度對江南大學食品3D 打印技術的發展路徑提出了建議。本文研究結果為助力江南大學食品科學與工程“一流學科”建設具有重要的指導意義。

參考文獻

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[2]姜娟，張群，張勇.基于專利大數據的晶硅光伏電池及其組件產業區域發展實證—以江蘇省區域為例[J].中國科技信息， 2023（1）：21-25.

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[4] PORTO D C A， CRUZ S T R， DE O R A， et al. Carrot Flour from Minimally Processed Residue as Substitute ofβ- Carotene Commercial in Dry Pasta Prepared with Common Wheat （Triticum aestivum ）[J]. Journal of food quality， 2016（6）：590-598.

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[7]徐書潔.3D 打印人造牛肉的關鍵技術研究[ D].南京：南京師范大學，2017.

（編輯 李春燕）

Research on the development path of food 3D printing technology based on patent navigation taking Jiangnan University as an example

Jiang Juan1， 2， Zhang Qun1， 2， Cao Xue1， 2

（1. Library， Jiangnan University， Wuxi 214122， China;2. Intellectual Property Service Center， JiangnanUniversity， Wuxi 214122， China）

Abstract Based on the incoPat global patent database， the method of patent navigation analysis was adopted to analyze patent applications， authorizations， and status from three technical branches of food 3D printing technology： printing principles， printing devices， and printing materials in this paper. Then， suggestions were put forward for the development path of food 3D printing technology at Jiangnan University from three perspectives： strengthening industrial technological advantages， filling industrial chain disadvantages， and filling industrial chain gaps.

Key words food;3D printing; three dimension printing; patent navigation; development path