3D打印技术在食品加工领域中的应用

师平，白亚琼

西安航空职业技术学院（西安 710089）

3D打印技术作为现代科技发展的产物之一，按照产品的三维模型数据，分层打印、逐层叠加，从根本上解决现有制造方式材料利用率低、能耗高、产品形态相对固定的缺陷；是第三次工业革命的重要代表性技术之一，其从根本上实现产品的自由化制造和个性定制化生产，在众多的工业生产领域中均得到广泛应用[1-2]。在食品加工领域，色香味俱全的食物被人们视为“成功食物”的重要标志，完美的食物外观与健康的食材配比愈来愈成为人们对于食物的完美追求[3]。

将具有个性化和自由制造特点的3D打印技术与食品加工技术相结合，在食物外观方面可实现食物的个性化制作，进一步提高人们的饮食乐趣和生活品质；在食材选用方面，依据人类健康大数据在计算机的控制下实现食材配比的自由控制，从而制作得出满足不同人群需求的食品，如婴幼儿、青少年、老年人、患者等[4]。因此在食品加工领域中，3D打印技术的不断融入将成为现代食品加工技术发展的重要方向之一，3D打印食品技术具有良好的发展前景，极有可能发展成为现代人类生活不可或缺的一部分，将使得人们的生产生活方式发生翻天覆地的变化。

1 3D打印技术的基本原理与发展趋势

1.1 3D打印技术的基本原理

3D打印技术作为近年来发展迅速的新型制造技术，其基于三维数据模型驱动，在计算机的控制下有选择、有规律的堆积累加材料，由点至线、由线至面、由面至体逐级打印制作，从而完成对应产品的立体打印制造[5]，基本原理与流程如图1所示。

图1 3D打印基本原理与流程

1.2 3D打印技术的发展趋势

3D打印技术作为一种具有划时代意义的先进制造技术，诞生于20世纪90年代，首先被应用于具有定制化特征的工业化零部件制造领域，其作为一种增材制造技术，与传统的减材制造、等材制造相比，虽然制造成本相对较高，其在材料利用率、能源消耗以及加工制造效率方面均有极为明显的优势，并且该技术不受相关模型复杂程度的影响，在制造范围及自由化制造程度方面同样具有不可替代的优势；但随着科学技术的不断进步，3D打印制造工艺种类、应用材料范围、应用范围的普适性均得到普遍的进步与发展，应用领域也从单一的机械制造领域，逐渐发展至航空航天、医疗卫生、土木建筑、食品加工等众多领域，尤其是在个性化定制程度相对较高的工艺品和食品加工制造领域表现得尤为突出，近年来得到迅速发展与进步[6-10]。

从表1可以看出，3D打印技术的应用领域越来越贴近人们的日常生活，与衣食住行之间的关系变得更加紧密，3D打印技术已逐渐走进寻常百姓家；而食品作为生活的必需品，随着人们生活水平的不断提高，对于食物的追求不断提高，3D打印技术与食品加工技术相结合形成的食品3D打印技术必将成为3D打印技术下一阶段的主要发展趋势之一。

表1 3D打印技术的应用领域

2 3D打印技术在食品加工领域中的发展现状

3D打印技术在食品加工领域中的应用最早起源于西方国家，第一台商用化的食品3D打印机Foodini诞生于西班牙牙Natural Machines公司，其基于传统打印机的原理结合3D打印技术，将食物所需的各类原材料以乳化液的形式存储于“墨盒”中，在计算机的控制下分层打印叠加形成具有一定形状特征的个性化定制食物，但其在食品加工过程中不能对食材进行完全的“烹饪”，因此在食物的口感以及接受度方面均受到一定限制[11]。但随着3D打印技术的不断发展，各类3D打印工艺蓬勃发展，越来越多的3D打印技术逐渐融入到食品加工领域，如最为常见的FDM工艺和SLS工艺等；常见的食品3D打印技术其所依赖的食材成型原理有物理粘接、加热挤压成型固化及融化冷却在凝结等。

2.1 物理黏接成型

利用物理粘接原理所形成的食品3D打印技术，其主要应用各类粉末材料食材在以各类可食用水溶液的作用下，通过粉末间的互相粘接作用形成具有一定个性化形状特征的食品；最具有代表性的3D打印设备为3D Systems公司研制Chefjet食品3D打印机，其主要用来打印各类个性化糖果[12]，其打印原理及过程如图2所示。利用该技术，荷兰Advander Geest等采用蔗糖粉末和糊精作为食材，使用由水和乙醇混合溶液制成的可食用油墨作为粘接剂，研发一种个性化的食品打印机，其不仅可用来制作个性化糖果，同时根据用户的需求改变食材成分，如添加其他微量元素或药物等，制成具有定制化特征的保健品或药品等[13]；其次在医疗卫生方面，2015年由赖斯大学和宾夕法尼亚大学组成的科研团队使用糖作为成型材料，硅胶溶液作为粘接剂，成功打印制作一种基本型的血管系统，利用糖的可降解特征，成功地打印了用于活体血管移植所用的成血管灌注通道[14]。

2.2 热融/室温挤压成型

利用加热融化/室温挤压成型固化原理进行食品3D打印作为最为主流的食品3D打印方式，其主要基于FDM成型工艺，在一定温度下对食材进行加热融化，使其变成具有半固化特征的流体，在外部压力的作用下进行挤压固化成型，或在常温环境中使用半固体食材直接挤压成型[15]；FDM工艺成型原理及食品打印过程如图3所示。

图3 FDM工艺成型原理及食品打印

利用该技术进行食品加工最早由美国康奈尔大学的科研人员使用奶酪和巧克力等食材，在一定温度下进行保温使其处于半固体状态，将其预先放入“注射器内”，根据食物的三维模型数据在计算机的控制下进行食品打印，制作出具有个性化定制特征的甜品[16]；在蔬菜食品制作方面，沈阳农业大学王明爽等[17]已以淀粉作为基材，将绿色蔬菜提前进行粉碎处理与淀粉进行混合搅拌形成糊状食材，利用3D打印技术成功加工具有个性化特征的食品；在肉食品加工方面，潘禹希等[18]对3D打印肉食品加工技术进行研究，分别对肉食品打印工艺、食材配方、食材优化等方面进行分析与探讨，得出合理的打印工艺参数及食材配方；在个性化糖果加工制造方面，杨来侠等[19]以蔗糖作为基体材料，研究打印工艺参数对蔗糖打印效果的影响，得出最优工艺参数组合及个性化打印糖果产品。

2.3 选择性激光/热风烧结成型

采用融化冷却在凝结原理的食品3D打印技术，其主要在SLS成型工艺的基础上，利用固体粉末材料、面糊状材料在外部能量的作用下进行融化冷却再凝结和直接加热固化的特征，分层打印累加制作，从而形成具有个性化特征的食品[20]，其原理如图4所示。在该种食品打印方面的研究中，TNO公司以糖与脂肪混合物作为食材，在激光的作用下对食材进行有选择性的融合，成功制得具有个性化特征的能量食品制作[21]；Candy Fab采用具有低熔点特征可可粉、蔗糖等食材，在热风的作用下进行有选择性的融化，层层累加制造，并在室温环境下进行冷却凝固，以制得相关个性化甜品[22]；西安交通大学研究团队对以蔗糖作为基体食材，利用该工艺进行食品制作的工艺及食材配比等进行研究，得出一系列具有应用价值的食材配方及有效工艺参数[23]。

图4 选择性激光/热风烧结成型

3 3D打印食品技术面临的挑战

虽然食品3D打印技术在近年来取得突破性进展，但要将其在更大范围内进行推广，使其变成一种更加亲民的普惠性技术，还面临着众多挑战，主要在于以下几方面。

3.1 安全性

“民以食为天”，食品安全关乎人们的身体健康和生命安全，因此3D打印食品必须百分之百地保证其的安全性，保证3D打印食品的安全性与传统烹饪方式有着明显的差异，3D打印食品的安全性保证不仅要保证食材及加工设备的安全与健康，同时还需时刻警惕在加工过程中食材变性而引起的不安全因素。

3.2 成本和速度

随着科技的发展，3D打印技术在生产成本上已得到大幅的下降，但与传统的食品加工方式相比，3D打印食品技术在食品的批量化、规模化生产速度和成本方面具有相当劣势；但这些劣势随着人工成本的不断上升，必然会得到一定的缓解，此外在具有个性化、定制化特征食品的加工制造方面，3D打印食品技术因其“自由化制造”的优势而具有一定优势。

3.3 食品口感

由于3D打印食品技术的固有特征，3D打印食品的口感与传统烹饪食品之间存在着极为明显的区别，而食品的口感是该技术被大众接受的必要条件；因此如何保证3D打印食品的口感更能满足人们味蕾的要求将是下阶段科学家们需考虑和重视的一个重要问题。

3.4 食材种类的限制

3D打印食品技术由于其加工特点的限制，在食材选择方面受到的局限性较为严重，仅能接受液体、固体粉末及半固体糊状食材，因此在进行食品制作时人们必须将传统的食材进行一定的加工才可满足使用要求，进而导致可打印制作的食品种类相对较少，餐桌上常见的菜肴还难以直接打印制作，这无疑会对3D打印食品技术的应用于推广产生限制。

除以上几点之外，如何打破消费者的心理障碍、如何降低3D打印食品与传统食品之间的差异、如何提高3D食品打印设备的可操作性性也是未来科学家们面临的众多挑战。

4 3D打印食品技术的发展趋势

将3D打印技术与食品加工技术相结合形成的食品3D打印技术，既是3D打印技术面向大众，走进群众的又一次发展与进步，同时也是食品加工技术又一次跨越式的发展，同时一定程度上会使得人们的饮食习惯发生翻天覆地的变化，追求温饱不会再是人们对于饮食的唯一要求，如何吃得更健康、更有趣味、更个性成为人们对于食品的新追求；食品3D打印技术必将成为未来食品加工技术的主要发展方向之一[24-25]。

在应用领域方面，食品3D打印技术通过颠覆性的分层打印叠加成型技术不仅在食品加工领域中得到发展，同时还可扩展到艺术品加工、医学、航空航天、军事等领域[26]。例如在艺术品加工领用利用食品3D打印技术进行糖画、糖人的制作，传统的二维糖画可完成向三维画作的转变，糖人的制作也不再受到工匠手艺、模型复杂程度的影响，使得传统文化艺术得到新的发展；在医学领域可借助食品3D打印技术中食材配比可调节、食品状态可控制的特征，针对不同病患的需求定制化的生产医疗保健食品，进一步帮助患者更加快速的康复，同时利用食品级材料的生物相容性和可溶解性，制作用于生物组织培养、人体软组织移植物制造等，如使用由玉米糖浆水溶液与葡萄糖混合材料打印用于医疗生物培养领域中的生物血管网模板；在航空航天领域，利用食品3D打印技术打印符合航天员自身需求的食品，同时因为3D打印食材不受食物保质期及传统食材所占空间大的缺陷影响，在未来航天载人甚至是太空移民等众多外太空活动中具有相当的优势与应用价值，如2014年美国NASA针对空间站常驻人员的饮食健康问题而开发的太空食品3D打印设备，其可根据航天员实时身体状态的需求完成食品的定制化生产；在军事领域利用其制作食物不受空间及外部环境影响的特征，为战时军事人员提供可靠的饮食健康及安全保障。因此可以看出当前食品3D打印技术已逐渐发展和蔓延至人们生产、生活的各个方面，同时在未来极有可能成为新一次“工业革命”的爆发点[27-28]。

5 结语与展望

随着社会经济的不断发展，健康饮食与时尚饮食成为现代人追求的新目标，“吃得好”不仅体现在食材的丰富度，也体现在更为健康的膳食匹配及更为美观的食品外观。3D打印技术作为一种具有自由化制造特征的制造技术，将其与食品加工技术相结合形成具有个性化定制特点的食品加工新技术，可针对不同人群的需求，对食材配比、外观形貌、食物类型做出个性化的定制；随着科技的发展，3D打印食品设备在食品安全、可操作性及便捷性等方面均会得到突飞猛进的发展，3D打印食品技术将成为“解放人类双手”的重要工具；虽然现阶段3D打印视频技术面临着各种严峻考验，但不可否认的是未来3D打印食品技术会极有可能发展成为现代人类生活不可或缺的一部分，将使得人们的生产生活方式发生翻天覆地的变化。