三维打印技术在食品加工领域中的应用

2017-04-26周纹羽李哲路飞王桥陈文庆陈革

农业科技与装备 2016年12期

周纹羽+李哲+路飞+王桥+陈文庆+陈革+庞文禄+单秀峰

摘要：综述三维打印技术的原理，从巧克力糖果制品、烘焙食品、重组性食品等方面对三维打印技术在食品加工领域的重要发展的方向进行介绍，分析该技术在食品加工领域中的应用、发展及面临的挑战，以期为三维打印技术的进一步发展提供参考。

关键词：三维打印；食品加工；应用；发展

中图分类号：TP391.73 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）12-0063-04

19世纪末三维打印技术才刚刚兴起，直到20世纪80年代才得以实现并初具规模。三维打印技术以计算机三维设计模型为基础，利用软件分层离散和数字控制成形的方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞、组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成形，制造出实体产品。目前市场上已经出现面向用户的食品三维打印机，其中在CES2014展出了Chef Jet（3D Systems）和Chef Jet Pro两款以及巴塞罗那Natural Machines公司推出的一款消费级的已经应用于米其林三星餐厅的Foodini三维食品打印机。

1 三维打印技术概述

1.1 三维打印技术的原理

三维打印的基本原理是断层扫描的逆过程。首先想象一个整体，将它分割切片，片数为很大的基数。那么如果计算机系统可以将每一单独的片打印出来，最终将打印好的无数的片层层叠加到一起，即成为最初的整体，这便是逆过程后形成的三维打印产品。

由于可采用各种各样的材料（液体、粉末、塑料丝、金属、沙子、纸张甚至巧克力、人体干细胞等），而且还有可以自由定型的特点，可定型完全由计算机掌控，从简单到复杂中空的造型都可以实现，所以三维打印机是名副其实的“万能制造机”。

1.1.1 熔融沉积成型（FDM，Fused Deposition Modeling）该工艺属于丝质材料挤出热熔成型，也称熔丝制造。所谓热熔成型，是利用具有热塑性的材料，通过加热三维打印机喷头挤出材料，并且按照填充轨迹运动使材料逐层粘结形成实体产品。一个层面沉积完成后，调整工作台继续完成其他层面，最终打印出立体多面的造型。

1.1.2 光固化立体成型（SLA，Stereo Lithography Appearance）光固化立体成型是将液态光敏树脂材料在可控的紫外光线照射作用下，按照光照顺序快速固化成型，其为最早三维打印中采用的一种方法。

1.1.3 选择性激光烧结（SLS，Selective Laser Sintering）此法采用激光作为动力源来烧结粉末，通过指挥在预定的三维激光点，激光引信通过扫描颗粒粉末床的特定区域横截面一层一层从旧至新开始扫描，然后烧结成型；之后再次扫描后层层铺叠。这种方法可以用于生成包含多个层次的食物，成型食物的每一层都由不同的成分组成。SLS多使用烧结金属，其优点是成件效率高、时间短，无需支撑材料。除此以外，该项技术也适用于一些食品设计。基于SLS技术，使用一种加热和烧结材料的红外激光，可以将营养价值和风味加入到食品中。

1.1.4 分层实体制造（LOM，Laminated Object Manufacturing）利用激光切割纸张，然后通过分张涂抹热熔胶或其他形式层层黏结，叠加獲得有支撑和固化作用的三维实体零件。

1.1.5 数字光处理技术（DLP，Digital Light Processing）采用带有高分辨率的数字光处理器投影仪，用光固化液态光聚合物。

1.1.6 三维打印黏结成型（3DP，Three Dimensional Printing and Gluing）该技术是利用三维打印机喷头喷胶黏剂，选择性黏结粉末材料，将黏结后的物质层层叠加得到三维实物。

三维打印技术的“秘密”可以概括如下：就将复杂设计变成实体物品而言，3D打印机比其他生产模式（如人工生产或机器生产）更精确、更通用，可以将一个复杂的设计通过组合不同的原材料以过去不可能的方式创造成实物。如今，鞋盒大小的塑料物品对于一般的家用三维打印机已不再是难事；工业领域的三维打印机可以制造大到汽车、小到肉眼几乎无法看到的发丝般的物品；有些科技人员开始用三维打印机打印迷你房屋大小的混凝土房屋骨架；而在微观学科的角度，肉眼几乎看不到细节的物体已经开始被着手研究。

1.2 原料成分对三维打印的影响

根据化学组成，三维打印材料分为金属材料、聚合材料、陶瓷材料和复合材料。众所周知，三维打印的成本很高，除了三维打印机自身的机器价格较高外，对三维打印材料的高标准要求也使得打印材料的价格久高不下，同时精密度的高低、速度的快慢对材料的影响也越来越大。因此，三维打印由于打印所需的原材料紧缺和价格制约，迟迟难以市场化，也未全面走进大众的生活。三维打印材料及其制备方法的进一步研发与利用，决定着大众最关心的三维打印产品的性价比。作为三维打印的核心，打印材料决定了工艺的成型、设备的结构和成型件的性能。

2 三维打印技术在食品加工中的应用

三维打印食品技术建立在三维打印技术的原理之上，且多采用FDM的技术原理，将金属、陶瓷粉末等换成食品物料，而各种物料经过混合调匀成一种糊状的最佳状态，这一最佳状态一般为具有固液各自特质的形态，即既可以如固体般有一定的定型能力，又有液体可流动便于造型的特质。打印头与相连的空气压缩机共同协作所产生的压力将食材挤出。不同的食物需要不同的配方，不同食材配方又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。打印头的大小及直径选择很关键，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，与建材金属类打印机不同的是，食品三维打印机对零部件的要求更加苛刻。由于食品要求安全无毒无害无副作用的特质，所以与物料直接接触的物料盒、运输管道等都需要达到国际食品安全标准。此外，三维打印机也需同其他食品加工设备一样具有易于拆卸、便于清洗的特质。

根据逐层堆积的原理，三维打印食品因为物料的特性（物料的状态要求为软材料如糊状）暂时具有一定的局限性。在物料制造过程中，软材料挤出技术已经适用于可混合和自动多层叠加的食品中，如生面团、肉糜和加工奶酪等。

2.1 三维打印巧克力和糖果制品

一直以来，巧克力是世界上最受欢迎的食品之一，无论成年人、儿童，无论男女都深深地被巧克力的美味和其独特的功效所吸引。而三维打印巧克力与普通巧克力相比，具有同等的美味，且在造型上与传统巧克力有着截然不同的视觉感受。由于巧克力受外界温度影响的不稳定性，三维打印巧克力所需要的巧克力浆液比传统巧克力制品要求更高，所以对三维打印机的要求也很高，由于可可油复杂的结晶化反应以及晶体的6种同分异构体中只有1种适合制作巧克力和糖果，这种同分异构体的晶体有最好的融化态、组织和货架期的性能。

目前，三维系统已经与巧克力制造巨头好时公司合作，探索三维打印食品这一新领域的创作，这将允许该公司构思新的巧克力图案。此外，英国的巧克力公司Choc Edge也看到了这一领域的潜力，宣布三维巧克力打印技术和设计的领导者为该公司提供了价值4 800美元的打印机用于策划圣诞节的巧克力设计。三维打印机还与主厨产生密切的联系，主厨可以根据自己的制作配方将菜谱输入到三维打印机中以实现打印出复杂多变的巧克力和糖果。

三维打印给消费者提供个性化巧克力几乎具有无限的可能性，期待这一惊人技术的继续发展。传统巧克力一般只有单一的形状，而在三维打印基础上制造的巧克力有着复杂丰富且多变的外观，三维打印巧克力已经不单单是一种供人品尝的美味食物，更是一种值得让人欣赏的艺术品。同样的，三维打印糖果也走入了消费者身边。研究人员利用三维打印技术来制造糖果自动定制贩卖机，该贩卖机可以使消费者随心所欲打印出自己喜欢的形状的糖果。芬兰技术研究中心小组和阿尔托大学使用淀粉和纤维素基材料进行试验，3D打印可以逐层打造食品，实现每种产品所需的风味、质地和均一性。

2.2 三维打印烘焙食品

随着信息化时代的到来，人们对新兴事物的兴趣也愈发浓厚，尤其是在食物的美观上也有了更多的要求。翻糖蛋糕的兴起改变了固有的蛋糕形态，仿照人物、动物的特征以及周边事物的形态，让蛋糕从简单的食物上升到艺术品的高度。而婚礼蛋糕相比于普通蛋糕讲究颇多，如按照宴请的宾客数量制作适当大小的婚礼蛋糕，婚礼蛋糕的图案花纹形状等等都映射出新人美好的寄托。三维食品打印的横空出世便是实现了从繁到简、由无至有的堆积成型的想法。于是人们想把情侣的合照打印在蛋糕上由“天方夜谭”变成了可以实现，并且现在的三维打印技术已经不再单单是打印照片那么简单，它还可以将逼真的模型和时下最流行的元素用打印机打印在婚礼蛋糕上，例如利用三维打印技术将蛋糕坯内堆积成一定的形状（如桃心形），使每一刀下去蛋糕的截面都是饱满美丽的桃心形。这听起来很难完成，但是在三维打印机的帮助下，这些令人瞠目结舌的效果都是真真切切可以实现的。除了蛋糕坯可以使用三维打印技术，蛋糕上面的奶油裱花也可以使用三维打印技术完成。传统的奶油食品是由面点师傅依靠经验手工妆点，不仅速度慢、花样少，而且陈旧、成本高、不卫生，在糕点行业引入打印技术可以大大提高工作效率。

三维打印蛋糕的配料，打开了烹饪创新的新层面，這一技术使婚礼蛋糕这一重要的食物拥有了技术前沿食品的设计，并且为此后复杂裱花类蛋糕奠定了科技的基础，实现了科技为生活服务。

2.3 三维打印煎饼

煎饼是一款风靡国内外的主食类食品，煎饼果子、杂粮煎饼还有黄油煎饼等都是现在非常受消费者欢迎的食品。

三维煎饼打印机目前市场上已经开始推广普及。但是三维打印煎饼的物料状态很难把控，需要经过反复试验调制出物料面糊的最佳状态，才能保证图案的完整性和美观性。制作过程是将煎饼的物料比例确定后混合均匀，过滤掉大的颗粒，装入料盒，在计算机上选择喜欢的图形或者可以自己绘制图案，调好煎锅的温度，打印机喷头在一定压强控制下将物料均匀挤出叠覆成型。很快一张趣味美观的煎饼就制造好了。三维打印煎饼与传统煎饼相比味道相差无几，但是价格稍高，很显然，这是技术的力量。

2.4 三维打印重组食品

三维打印除了有使食物“变美”的功效，还有改造食物的能力。尤其针对一些特殊人群，如老人和婴幼儿等一些咀嚼能力较弱的人群。

目前已打印成功的重组食品有意大利面（Burritobot公司与谷歌联合成功打印出了意大利面）。此外，芹菜彩泥、飞船形扇贝都是三维打印重组食品的新型食品。

由于老年人随着年龄的增长钙质缺失，导致牙齿松动脱落，咀嚼能力下降，所以引发厌食、营养不良等一系列的病症。三维打印重组食品可以很好地解决由于食物硬度、韧度、脆度导致的食物质地影响牙齿咀嚼这一问题。

以常态存在的易耗型食品如蔬菜、水果、肉类等传统的食物原料是无法直接打印的，但是为了创造出符合要求的蔬菜果泥食材的状态，对食材的水状胶质浓度进行了一定的调整。另外几种由于使用了谷氨酰胺转移酶改进加工的食品如扇贝、芹菜、火鸡等，在用三维打印机打印成型后，便可以近一步地烹制和油炸成熟。此类食品的研发对于素食主义者来说具有重大意义，食物不再是单一形式的存在，而是更加地具有创新性和价值性。但是基于人们普遍认知，在外形和构造上消费者不是很介意，他们介意的是味道是否足够好、是否可以引起食欲。这也是三维重组食品所面临的一大问题和挑战。

3 三维打印食品的发展及挑战

三维打印食品技术在我国还没有得到普遍的应用与推广，但是在国外很多食品企业及餐厅已经将三维打印机作为与普通食品机械一样的食品加工料理机器。如巴塞罗那的一家米其林三星餐厅应用了这样的机器，做出的美食也深得广大美食爱好者的欢迎。

美国烹饪学院与三维系统合作于2014年，有经验的三维工匠让教师和学生了解更多有关食品打印的方法。三维系统还与美国烹饪学校合作研发了一台名为Chef JetTM Pro烹饪的三维打印机。

3.1 三维打印食品的发展

三维打印技术被创造于20世纪80年代，在30多a的三维打印发展历史中，该项技术成功应用于多个领域。近些年来，在全球资源日益紧缺与匮乏的背景下，具备再生创造特点的三维打印技术被认定为是第三次工业革命的重要标志及关键标志之一。而以三维打印机为主的新型工业革命，势必推动一些新兴产业的诞生与发展，从而导致社会生产方式、人类劳动形式、制造模式、生产组织发生重大变革。

普遍认为，食品打印机有助于利用全新或无法正常利用的食材便捷地制作非传统食品，它会对人类今后的饮食习惯和生活方式产生深远的影响。根据美国人口调查局和联合国人口基金会的预计，全世界人口将在未来数十年持续增长，这意味着未来粮食供应不足的问题将更加严峻。食物打印为缓解今后粮食可能不足的难题提供了一种解决方案，其有可能从人类目前不太食用的物质中提取出需要的营养成分，然后利用打印技术制作出新的食物。例如，荷兰的食品组织机构正在设想从水中的藻类、甜菜叶及个别昆虫这些难被人类利用的资源中提取营养与可摄取成分进行打印。此外，食物打印能够满足人们丰富多彩的个性需求，不仅可根据不同年龄段制订个性化的营养配方，而且还可使食物打印成为懒人和特殊人群的果腹之道。

3.2 三维打印食品面临的挑战

3.2.1 物料的局限性由于三维打印的原理为物料的层层堆积，也就是说食品物料只能是糊状，原料的状态局限使得食物成品本身带有了束缚。因此，在三维打印食品的领域中，改变物料的局限性和胶凝性成为目前研究人员主要应对的问题。

3.2.2 与传统食品的差距由于三维打印食品中的一个必经步骤是将物料打碎重组，那么在打碎食品物料这一过程中就必不可免地破坏食物的结构，从而使食物丧失掉部分原有的风味。这一差别也是导致大部分消费者认为三维打印重组食品在风味上缺失的很大一部分原因。

3.2.3 消费者的偏见很多人看到食物在打印机中输出便在脑海中发射出一种“这东西不可以吃”的信号，所以大部分消费者无法接受三维打印食品步入他们的生活。但是就像手机、电视机刚开始被发明时一样，新型技术的发展总要有一段被接受的过程。

4 结语

三维食品的横空出世解决了传统食品的很多问题，但是解决这些问题的同时又带来了新的挑战。精致复杂的巧克力、美妙绝伦的蛋糕饼干，经过打印机改造后，它们在作为艺术品被展出时也映射出了随着经济全球化的快速发展，人们对食物的要求已经不仅仅是可以果腹那么简单。希望三维打印在食品加工中的应用更为广泛，相信这一技术的发展将为更多技术的变革和发展带来新的惊喜。

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