3D打印在食品行业中的应用

刘焕宝，周惠兴，2，刘小龙，王绪涵，余贺杰

（1.中国农业大学工学院，北京海淀 100083；2.北京建筑大学机电与车辆工程学院，北京西城 100044）

1 引言

膳食不平衡已成为引发我国城乡居民健康问题的主要诱因[1][2][3]。合理的膳食不仅能满足人体的生长、发育和各种生理、体力活动的需要，而且还能保障不同年龄段人群的健康，减少疾病的发生。我国居民由于经济的差异和个人饮食习惯的单一化导致食物营养成分比例失衡，引起体内某些营养物质和微量元素的缺乏，从而诱发各种潜在的健康问题，如微量元素缺乏症、维生素缺乏症、蛋白质摄入不足等。多材料食品3D打印技术将成为解决膳食平衡问题的有效措施。

目前，国内关于食品打印的研究仍处于初级阶段，3D食品打印的基础理论研究相对薄弱，但随着人口老龄化加重以及人们对健康食品要求的提高，国内对3D食品打印的需求将变得更加旺盛。清华大学[4]于2015年研发了用于实现卡通造型煎饼打印的3D打印机；浙江大学[5]于2016年研制出3D食品打印机用来制造个人定制的专属食物。但都是食品的简单成型，没有实现膳食平衡等个性化要求。

国外3D打印[6]在食品方面的应用相对较多且应用对象广泛。西班牙创业公司Natural Machines于2013年研制出全世界第一台3D食品打印机，该打印机内设五个装有不同材料的“墨盒”用来存储碳水化合物、蛋白质和其他营养物质制成的食材，通过该打印装置最终形成食品；据美国《每日日报》报道，美国军方研发了一款3D打印机，其打印出的食品营养价值极高，主要用于军队食品补给；Ryo Serizawa[6]等研制了可食用凝胶用于新食品的开发，基于喷墨式打印机打印适合老年人食用的软性食物，同时B.Mishra[7]等也采用3D打印技术制备出软性食物。Watzke[8]等基于定制化营养的概念，研制出新型的食品材料，并通过3D打印技术成功地打印出个人定制化的食物。在传统的食品供应链下，多营养物质需求的满足需要更多的花销，而3D打印技术的引入，成功解决了多营养食品的供应问题，从根本上减少资源消耗，降低了成本。

应该指出的是，虽然3D食品打印技术在国外的研究相对较多，但适应中国国情的3D食品打印的研究很少，由于我国人民体质和饮食习惯的不同，因而对3D食品打印机在膳食平衡方面的应用和推广具有不同的要求。

2 3D食品打印的关键技术

3D打印技术是一种新型的快速成形技术，它是一种以三维实体模型为基础，利用光敏树脂、粉末状金属或塑料、胶浊状食品材料、生物细胞等可粘合材料，利用温度、压力控制系统，通过逐层堆叠累积的方式来构造实体模型的技术，具有成本低、成本与产品复杂程度无关、制造速度快、节约时间、设计制造一体化等显著优势。目前，3D 打印在航空航天、汽车、医疗、工业设计等高端领域发展迅猛，而在食品领域的发展相对比较缓慢。

针对3D打印技术在膳食平衡和新食品开发领域的潜在优势以及打印技术在航空航天、汽车、医疗、工业设计等高端领域的技术储备，开发新型的食品打印机，其关键研究技术如下，如图1所示：

图1 3D打印机整体组装结构图

1）食品材料的制备技术

利用人体健康检测的医疗设备对不同人体进行检测，获取不同人体微量元素缺乏的状况，进而得到不同个体所需营养成分配方表。基于所需营养配方表研发新型的食品材料，食品材料的研发是食品3D打印技术的基础，以打印多营养和多微量元素食品为目标的食品材料的开发，有助于满足不同人体平衡膳食的需求。为保证营养元素和微量元素的营养效能，通过研究营养元素和微量元素的营养效能与温度之间的变化关系，进一步优化含有多营养物质和微量元素的食品材料的配置过程；开发适合于3D打印个性化制造食品的食材和配方。

2）食品3D打印专用喷头技术研究

打印喷头技术是研发3D食品打印装备的关键技术。本部分将依据食品材料自身特性和食品的成型需求，在已有喷墨打印技术[9]、挤压式打印技术[10]和激光打印技术[11]的研究基础上，开发新型的适用于食品打印的专用喷头技术，并据此设计喷头结构，研发多材料打印的技术。1）食品打印专用喷头技术的研发。针对现有打印喷头技术的研究基础上，开发出一种高精度且适合用于食品打印的新型多材料打印喷头。基于现有打印喷头技术的原理和优缺点，通过试验获取在不同食品材料作用下，不同打印喷头技术的使用条件。

3）喷头的打印环境控制研究

喷头的打印环境控制是影响营养物质和微量元素自身营养效能的关键因素，是实现材料挤出和成型的必不可少的步骤。喷头打印环境的研究内容主要包括温度控制系统和压力控制系统两部分。

i）温度控制系统的研究。根据不同材料的自身特性，如粘度、活性等因素，设计喷头前端温度控制系统和后端温度控制系统。喷头前端控制系统，即控制喷头内的温度实现材料挤出或熟制的过程。根据不同的食品材料温度与粘度、营养效能之间的变化关系，研发新型的多温度控制系统，研究不同营养物质和微量元素对应的喷头温度控制范围以及控制方式，达到食品材料可均匀受热且不影响食品成型的效果。后端温度控制系统，即控制食品材料被挤出后的熟制过程。新型的3D打印食品熟制过程，可实现食品材料的熟制过程中温度的控制，防止出现因打印过慢造成食品受热不均匀的“焦糊”现象。

ii）压力控制系统研究。新型的食品制造的3D打印装备具有多材料多喷头打印功能，打印过程中每个材料管路中的压力要分别可控，进而实现不同管路中材料的分别挤压，通过材料的挤出的均匀度检测喷头打印过程中材料的分布情况，进一步优化喷头压力控制系统。

4）食品3D打印软件研发

通过食品3D打印的软件，用户在图形界面上绘制出食品平面造型或三维模型之后，能直接生成食品打印方案，包括3D打印工艺和程序，使得个人打印定制食品成为简单易学的“傻瓜”式操作。用户也可以不用任何编程，而只是根据自己身体的实际状况选择不同的选项，然后打印即可。

3 食品打印的应用

用于食品打印的3D打印机，具有多样性、营养均衡、定制性等特点。

多样性主要包括食品打印方式的多样性其中主要体现在喷头上，根据喷头的种类分为气压挤出式食品打印机，电机挤出式打印机，机械装置的打印机等，该打印机在新食品的制造与开发具有广泛的应用前景。

营养均衡特点，3D食品打印所用到的食品打印材料，可根据医学检测中人体中营养元素、微量元素等的缺失情况，研发和搭配适合的食品材料，进而使人体中的营养元素均衡，也进而促进食品材料开发与研究。

定制化特性，3D食品打印技术不仅可以为儿童、老年人及不同年龄段的人群提供定制化的营养均衡的饮食，而且可液化并凝结成胶状物的食材可打印出各式各样的食物，容易咀嚼和吞咽，这将成为老龄化社会食品饮用鉴定基础。同时，3D食品打印技术的成功研发不仅能加快3D打印在食品行业的发展，同时能促进新材料和新食品的开发，促进食品产业的改革。

4 结论

基于3D打印技术研究新型的膳食智能平衡方法与装备。首先，利用现有的医疗仪器，对不同人体的健康指标进行检测，获得不同人体的微量元素缺乏状况，进而得到所需营养配方表；其次，研发定制化的食品材料，根据不同人体的所需营养配方表，分别获取制备食品材料的相关参数，进而开发新型的、适合于3D打印的食品材料和成型工艺，满足不同个体的需要；然后，研发新型的用于膳食平衡的3D打印装备，该装备具备完善的温度和压力控制系统，可实现多材料多喷头打印；最后，基于上述对膳食智能平衡方法与装备的研究，根据人体微量元素的缺乏状况，合理搭配食品材料，通过3D建模的方式，在计算机上建立外形各异的食品模型，通过3D打印装备对食品材料进行定制化的打印，最终获得满足个人身体营养需求的食品。

3D打印食品材料配方及成型工艺、食品3D打印平台的设计与制造、食品打印专用喷头的研发、温度和压力控制系统的研发、3D食品打印软件的研发，所研发的新装备标志着智能3D打印在膳食平衡和新食品开发领域的发展方向。用于食品3D打印机将奠定3D打印在食品领域发展的基础，并逐步形成基于3D打印食品装备的新的产业结构和布局。实现规模化生产之后，将可以实现食品装备的升级换代，降低成本，减少开支。

基于3D打印的膳食智能平衡方法与装备成功应用，不仅需要引导人们进行合理的食品消费，平衡膳食，保障个人健康，而且还可以成为政府发展食品制造产业、规划食品市场的依据。我国正处于从温饱到小康的膳食结构过渡期，需要及时从政策及公众教育两方面正确引导人们的饮食和消费观念，这样做有助于减轻疾病和食品制造对未来社会造成的负担，其社会效益和经济效益不可估量。

[1] Xu X，Hall J，Byles J. Shi Z（2015） Assessing Dietary Quality of Older Chinese People Using the Chinese Diet Balance Index（DBI）. PLOS ONE，10（3）：e0121618. doi：10.1371/journal.pone.0121618

[2] Carlson A，Frazão E. Food Costs，Diet Quality and Energy Balance in the United States.Physiology & Behavior，2014（134）：20-31.

[3] 刘鹏.我国居民膳食结构变化趋势及影响因素分析[D].山西财经大学，2016.

[4] Antlej K， Leen R，Russo A. 3D Food Printing in Museum Makerspaces： Creative Reinterpretation of Heritage. KnE Engineering 2017， 2（2）， 1.

[5] 朱伟杰.高粘度材料三维打印机开发及食品药品打印研究[D].浙江大学，2015.

[6] Sun J，Zhou W，Huang D，et al.An Overview of 3D Printing Technologies for Food Fabrication.Food and Bioprocess Technology2015， 8 （8），1605-1615.

[7] Serizawa R， Shitara M， Gong J， et al. In 3D Jet Printer of Edible Gels for Food Creation，2014; pp 90580A-90580A-6.

[8] Altan A， McCarthy K L， Maskan M. Effcet of Extrusion Cooking on Functional Properties and in Vitro Starch Digestibity of Barleybased Extrudates from Fruit and Vegetable byproducts. Journal of Food Science. 2009，74（2）：77-86.

[9] Lee W Y. Graphene Supercapacitor Electrodes Fabricated by Inkjet Printing and Thermal Reduction of Graphene Oxide. Electrochemistry Communications 2011，13（4）， 355-358.

[10] Ozbolat I T，Hospodiuk M. Current Advances and Future perspectives in Extrusion-based Bioprinting. Biomaterials， 2016（76）：321-343.

[11] Ovsianikov A， Deiwick A， Van Vlierberghe S，et al. Laser Fabrication of Three-dimensional CAD Scaffolds from Photosensitive Gelatin for applications in Tissue engineering.Biom acromolec ules，2011，12（4）， 851-858.