3D打印技术在食品工业中的应用

井乐刚 沈丽君

(哈尔滨师范大学生命科学与技术学院 150025)

3D打印(3D printing)，又称“三维打印”、“增材制造(additive manufacturing, AM)，是快速成型(rapid prototyping, RP)技术的一种，是将计算机辅助设计(computer aided design, CAD)而成的三维数字模型分解成若干层平面切片，然后由3D打印机把粉末状、液状或丝状塑料、金属、陶瓷、组织细胞等可黏合材料，按切片图形采用分层加工和叠加成型的方式，逐层增加材料而生成三维实体的技术。由于分层加工过程与喷墨打印类似，因此称之为3D打印。该技术综合了数字建模技术、信息技术、机电控制技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，是一种具有很高科技含量的综合性应用技术[1～2]。由于该技术具有节约原材料、可实现个性化生产、可制造出传统生产技术无法制造出的外形等优点，因此在汽车、船舶、航空航天、武器装备、建筑、工业设计、家电、服装、鞋类、珠宝、首饰、医疗、教育、文化创意、文物修复、影视等领域正得到日益广泛的应用[3～6]。近年来，3D打印技术在食品工业中展现出巨大的应用潜力。本文就3D打印技术在食品工业中的应用进行综述，并对其未来的应用前景进行展望。

1 打印食品的工艺过程

传统的烹饪器械，如切割刀具和烘烤模具，因精准度低而不能加工出复杂多变的形状。采用食品打印机和数字食谱，可以加工出传统烹饪技术无法实现的口味和形状，开拓新的烹饪市场。实现食品打印需满足以下几个条件：首先是正确使用机械力；其次是精心设计数字食谱；最后是调整合适的食材进料顺序。食材必须要软硬合适，既要能从打印头流出，又要能维持打印后的形状。另外，还要考虑食材的耐热性、烹饪方式等影响因素。

食品打印的基本过程是：首先要将食品混合物编写成设计文档。可以直接从网上下载，也可以通过工程设计软件自己从头开始创建。目前还没有研发出类似“食品CAD”的商业软件。通过与之相连的空气压缩机所产生的压力，打印头把食材挤出。不同的食物配方需要施加不同的压强。有时室温也会影响食品混合物通过打印头的流速。打印头的大小和直径很关键，太小会导致挤压速度过慢，太大又会使打印出的食物表面粗糙。

一般来说，打印出的食品不能直接食用。现在的3D食品打印技术还不能对打印的食材进行煎、烤或炸，但可以烘焙。例如，饼干一旦被打印出来，打印头下的加热平台就马上烘焙，使饼干烘熟定型。3D打印的食品形状是否完整，外观是否诱人，关键在于打印机的分辨率。目前，多食材的打印仍处于起步阶段，水果或蔬菜等天然食品的打印还不能实现，高仿真度合成食品的打印也非常困难[7]。

2 3D打印的食品种类

2.1 焙烤食品 2010年12月，美国康奈尔大学的科研人员研制出3D食物打印机，只要把奶酪、巧克力和蛋糕糊等食材“墨水”预先放进一组注射器内，再下载食谱软件“FabApp”，机器便会依照CAD软件提供的电子图纸，将注射器内各种食材“墨水”按照行列、层叠顺序依次“打印”出立体食物。使用者可利用电子图纸控制食物的风味、质地和其他特性。目前已成功“打印”出嵌入字母的小甜饼和杯形蛋糕[8，9]。2014年1月，西班牙Natural Machines公司发明了一款名为“Foodini”的3D食物打印机，能制作汉堡、比萨、意大利面和各类蛋糕等食物。Foodini内设的五个胶囊可用来储存不同食材。在使用Foodini时，首先把新鲜食材搅拌成的泥状材料装入胶囊内，然后在该设备的控制面板上选择想要做的食物图标就可启动制作。Foodini上有6个喷嘴，可以通过不同的组合，制作出各种各样的食物。用户可通过Foodini自主决定食物的形状、高度、体积等，不仅能做出扁平的饼干，也能完成巧克力塔，甚至还能在食物上完成卡通人物等造型。Foodini不能烹煮食物，用户需把打印好的食物加热煮熟后才能享用。此外，还有用3D打印机制作曲奇饼干的报道[7]。福建省某食品有限公司利用3D打印技术做出色彩缤纷的个性化饼干，受到儿童和年轻女孩的喜爱，市场销路非常好[10]。孙铁波等[11]分析了奶油3D打印的特点，给出了奶油3D打印机机械系统、控制系统及奶油喷嘴的设计方案。

2.2 巧克力和糖果 早在2006年，美国高中生诺伊·沙尔就用改进后的Fab@Home打印机，打印出了肯塔基州形状的巧克力[7]。2011年7月，英国埃克塞特大学的研究人员开发出世界上第一款使用液态巧克力作为“油墨”的3D巧克力打印机，并于2012年4月推向市场[9，12]。2013年5月，NASA批准一项12.5万美元的资助计划，授权一名机械工程师及其公司(Systems & Materials Research Corporation)研制新型3D打印机，使太空中的宇航员可以打印出巧克力等食物[13]。2010年，Hao等[14]开发了一种新的被称为“巧克力增层制造(chocolate additive layer manufacture, ChocALM)”的制造方法，即采用逐层叠加的方式制备个性化的三维巧克力产品。研究结果表明，喷嘴孔径、喷嘴距离加工床面的高度、挤压速度、轴运动速度等工艺参数是决定产品几何精度的关键参数。2014年3月，全球最大3D打印机制造商之一的3D Systems公司，在SXSW音乐节上推出了3D打印糖果，并分发给了与会者。这些糖果五颜六色，由该公司的ChefJet系列打印机打印出，使用了糖、水、酒精作为3D打印的原材料，尝起来有甜味和水果味。ChefJet系列打印机能够利用砂糖、巧克力和奶油等原料打印出糖果和巧克力，打印产品主要面向高端面包店和蛋糕店。跳跳糖、宝塔糖和娃娃脸雪糕等现在也可用3D打印机制作出来。砂糖3D打印机CandyFab 4000可以通过喷射加热过的砂糖，直接做出具有各种形状、美观又美味的甜品[2]。

2.3 肉类 美国纽约的Modern Meadow公司用3D打印技术打印出了“鲜肉”。其制作过程是：通过活体穿刺方式从动物身上采集皮肤、肌肉细胞；用胰酶处理以破坏细胞之间的粘连，将组织分散为单个细胞；在细胞培养基中将细胞扩增培养；诱导细胞产生胶原蛋白；将细胞和胶原蛋白延展铺开成片状，再将薄片一层层叠放；通过生物聚合过程将细胞黏合到一起；将整合好的细胞层置于体外反应器皿中，继续培养；数周后，终止细胞的营养供给，收集细胞用于打印成品。细胞密度、流速和温度都可能影响肉类的口感和质地。如果温度过高，细胞失水，打印出的肉口感会偏老[10，15，16]。2012年7月，美国宾夕法尼亚大学的研究人员宣布，用改进的3D打印技术打印出了生肉。这种利用糖、蛋白质、脂肪和肌肉细胞等原材料打印出的肉，具有与真正肉类相似的纹理和口感，连肉里的微细血管都能打印出来。在打印鲜肉时，先用微小的人造血管构造一块肉的立体框架，再在血管之间填充脂肪、蛋白质，形成肌纤维和肌肉组织。打印肉类食品的关键在于原材料的调配。研究人员以牛肉为例，先在实验室尝试培育人造肉，并按照真正肉类所含的营养元素配制打印原料。配制的材料以水基溶胶为黏合剂，并配以特殊的糖类分子。由于用了水基溶胶，打印肉最大的特点是溶于水，长时间在水中浸泡后可自动溶化。

2.4 其他 2005年2月，美国芝加哥市莫托(Moto)餐厅的厨师霍马罗·砍图利用食物打印机制作出寿司[15]。2013年初，毕业于纽约大学的Marko Manriquez推出了制作墨西哥薄饼的3D打印机原型[12]。2014年4月，德国Biozoon公司推出一款3D食物挤压机，能够打印出各种不同类型的食物，由明胶基制成。食物能入口融化，特别适于有吞咽困难症的人群。这款打印机使用48个喷嘴，通过喷射技术，混合一些新鲜食材泥，包括芦笋、鸡肉、猪肉、豌豆、意大利面、土豆以及该公司保密的一种物质，然后就可根据用户的喜好，把这些食材打印成各种形状的食物。上面提到的那种秘密物质的作用，是让食材泥保持形状，但当打印成的食物入口后会融化。打印的材质通常是调过味的食物泥，因此用户不能调整食物的味道，只能通过编写软件调整其形状。最近该公司又推出了一种叫“Smoothfood”的3D打印食品，以解决老人进食困难的问题。该食品是将原料液化并凝结成胶状物，然后通过3D打印机制造出各种各样容易咀嚼和吞咽的食物。在该公司开发的3D打印机Foodini 3D的帮助下，肉类、糖类食品和蔬菜被挤压成立即可食、容易咀嚼的食物。目前已有6种食材可以制作成3D打印食物，即花椰菜、豌豆、鸡肉、猪肉、土豆和面食。

3 展望

未来，3D打印技术将体现精密化、智能化、通用化和便捷化等发展趋势。3D打印机的体积将小型化、桌面化，成本将更低廉，操作将更简便[17]。展望未来，3D食品打印也许会在以下几方面得到应用：

3.1 制作太空食物 为了使宇航员在太空中的饮食种类多样、味道鲜美、营养丰富，科学家已在考虑用3D打印机在太空为宇航员制造食物。2014年11月，由美国太空制造公司(Made in Space)设计制造的世界上首台零重力3D打印机，搭乘美国太空探索技术公司的“龙”号货运飞船抵达国际空间站后完成首次打印，打印出了用于制作打印头外壳的小型塑料面板。

3.2 助解粮食危机 在这方面，3D打印食物具有很大的优势。首先，3D食物打印机的食材多为粉末，可以植物的茎杆、昆虫、藻类等为原料，极大程度地增加食物来源；其次，使用的营养物质经过脱水处理，呈粉末状，避免了食物在储存、运输过程中因腐败变质而导致的浪费，还可大大延长保质期；此外，3D打印可以个性化定制，可严格按照人们的饭量精确准备食物，从而有效减少浪费。2014年6月，美国纽约的Modern Meadow公司已用3D打印技术生产出皮革，他们最终希望能用同样的方法生产肉类，以减轻全球对牲畜的依赖。如果能够打印出合成鱼肉和牛肉，就可以减轻过量捕鱼和养牛对环境造成的压力。

3.3 个性化定制食物 3D打印可根据不同年龄段定制个性化的营养配方，也可根据个人喜好打印口味各异的食物，还可根据需要自由设计形状和添加颜色。未来，厨房用的3D打印机将会利用内置的智能数控系统，依据使用者每天不同的需求量，调整食谱中各种营养成分的比例，为其量身打印食物[7]。糖尿病患者可以上传血糖数据，然后用软件计算出他们下一餐的营养均衡食谱，并将食谱发送给厨房里的3D食品打印机。如此自身量化饮食，就可以更科学地预防或减缓糖尿病和肥胖症。

目前，食品3D打印技术尚处于萌芽阶段，只有少数学术机构在进行实验。大多数食品打印机出现在实验室，商用3D食品打印机还没有面向市场。但随着3D 打印技术的日趋成熟、打印材料的不断扩充、打印机价格的持续下降，相信在不久的将来，3D打印服务将会像发送电子邮件、即时微信通讯一样普及，3D食品打印机会像电脑、照相机、微波炉一样进入千家万户。