3D 打印技术在食品生产中的应用探析

2022-11-01沈卓

经济技术协作信息 2022年29期

沈卓

（黑龙江八一农垦大学）

随着消费观念的升级、对个性化多样化食品需求的持续上升，加之食品安全问题越来越引起全社会的关注，食品加工与生产管理管理理念也不断更新，新兴技术应用于食品加工行业也促进了食品加工生产的技术革新，3D 打印技术就是其中一项典型的食品加工技术。作为一种新兴交叉性智能化科学技术，3D 食品打印将人工智能、机电控制与三维建模技术融为一体，运用于食品加工与生产过程中，在食品科学专业知识的指导下，打印出适应不同群体消费者对口感、外观、营养等差异化需求的食品，在节约打印时间、降低原材料消耗的基础上实现成本控制，还可以改进食品营养结构，给老人、儿童与青年群体都带来健康理念的科学食品，提供一种全新的食品消费体验。随着这种技术的不断完善，3D 食品打印技术会逐步取代传统的食品加工工艺，成为主流的食品加工技术，推动食品生产与食品消费的理念变革。

一、3D 食品打印技术简单介绍

1.何为3D 食品打印技术

在实际生产过程中，3D 食品打印技术有多种工艺，如熔融沉积成型技术（FDM）、光固化立体成型技术（SLA）、选择性烧结成型技术（SLS）与层片叠加技术（LOM）等），其中熔融沉积成型技术（FDM）的应用最为广泛。这种技术的操作原理是机械设备先加热各种固体食材原材料，热融挤出杂质后然后冷却凝固，然后再进行层层堆积，制作成不同类型食品形状。因为这种技术具备较高挤出效率、工业设备相对简单、原材料得以最大化利用等优点，故此普遍运用于巧克力生产、糖果制作等生产线中。具体而言，3D 食品打印技术的操作过程主要采用计算机三维建模软件，设计出需要打印的食品，同时进行平面分解，设置好操作程序后，工作人员运用3D 食品打印机挤出食材原材料，然后进行逐层打印操作，并堆积成型。每一层的打印操作应对准该食品的一个横截面，每个横截面都进行提前精准计算，技术人员设置好喷头运动轨迹，工作人员按照制定程序，启动按钮，喷头就会在预定的轨迹中运动，有节奏地挤出原材料，最终打印出形式多样、口味多种、营养价值较高的个性化食品。

2.3 D 食品打印技术的发展历程

1984 年美国人查理斯·胡尔首先研制出3D 打印技术，并命名为立体平板印刷技术，1986 年他将这种技术应用于商业生产领域，并研制出第一台商业化3D 印刷机。康奈尔大学科研人员戈多伊尝试将3D 打印技术应用于食品生产领域，2011 年，英国埃克塞特大学终于研制出第一台3D 巧克力打印机，通过采用冷却、加热技术，把熔融态巧克力食材打印成凝固态巧克力，这是一次质的飞跃。2011 年西班牙自然科学公司成功研制出装置墨盒的3D 食品打印机佛奥蒂尼，可以将多种食材置入墨盒中，打印出多样化食品。目前市场上主流的3D 食品打印机还有用于打印糖果的切夫·杰特机与切夫·杰特波罗等，虽然这种技术依然处于发展阶段，但是已经普遍应用于食品加工行业之中，打印出多样化食品，初步满足消费者的个性化需求。

二、不同材质的食品原材料对3D 打印的影响

3D 食品打印技术的有效应用、打印食品质量情况主要起决于不同种类的原材料。尽管食材的原材料种类繁多，但是根据目前的技术来看，跟3D 机匹配的原材料种类并不多，主要包括液体材料、粉末材料与细胞培养材料等。挤压与喷墨技术可以打印液体原料，应用热源或者是颗粒粘展剂可以将粉末材料通过沉积操作打印成固体食品，生物冲洗技术可以把细胞培养材料打印成合成肉类食品。不同材质的食品材料会影响到不同的打印效果。

1.碳水化合物对打印效果的影响

碳水化合物对打印效果的影响主要在于玻璃化转换温度，即原材料从高弹态转化为玻璃态所需要的温度，简称为转换温度。转换温度对原材料的支撑能力影响较大，非颗粒状、非晶状食材在转换温度值域以下为玻璃形态，挤出操作时玻璃态食材粘度会增加，形成大量结晶核，这些结晶核就可以在食品内部形成稳定的支撑结构，不容易变形。当然，选择食材时也得关注糖类的成分差异。粉状原材料也会影响3D 打印的成型效果，淀粉原材料一般都呈现黏糊状，具备一定的粘度，但是属于不满足牛顿粘性实验定律的流体材质，在大气压的作用下，糊状淀粉的内部分子就会不断收缩，遇到热量、或者是挤出操作时，分子就会膨胀，打印出来的食品外形就会不尽完美。

2.蛋白质材料对3D 打印效果的影响

蛋白质材料组成的聚合物会产生电离子，很容易降低3D 打印效果。蛋白质组成的聚合物主要由脱水氨基酸缩合而形成，本身就携带正、负电离子，当正负电离子相互作用时，蛋白质分子的粘度就应因为等电点不断收缩而下降，但是一旦正负电离子失去平衡，就会改变蛋白质内部结构，从而影响打印效果。比如，比较受儿童喜爱的蛋白质明胶材料，具备入口即化的特性，因而给牙齿并不坚硬的儿童群体带来独特的口感体验，明胶呈现稀释溶液状态时，具备牛顿流体特征，但是经过电离子的作用后，蛋白质内部结构就会改变，这就需要添加其他蛋白酶，从而形成粘稠状的明胶。经过大量的实验操作后，技术人员发现添加谷氨酰胺转氨酶的效果最佳，经过这种蛋白酶的中和作用，蛋白质与蛋白酶通过共价键实现紧密融合，就形成了相对固定的聚合物。但是，在挤出操作过程中，蛋白质的挤出还受到剪切速率因素的影响，剪切应力会降低蛋白质的粘稠度，严重的时候也会形成非牛顿流体行为，所以就应提升剪切效率、降低剪切应力；另外，技术人员在操作时，机械设备产生的压力也会改变蛋白质的内部空间结构，若处于强酸强碱环境中，蛋白质结构也会变形，这些因素都会影响到打印效果。

3. 脂类甘油三酯类食材的内部结构构成也会影响打印效果

作为一种常用的食品原材料，甘油三酯由于由多种类型的脂肪酸所组成，因而内部熔点各异，这就造成了食品原材料呈现熔点变化幅度较大、固体脂肪指数上下浮动以及晶体结构变动等情况，故此影响食品的3D 打印效果。这种情况在肉类食材中表现得作为明显，肉类的产地、不同部位颜色差异与保质期等因素都会给脂肪酸含量产生影响，不同类型脂肪酸的熔点不同，直接影响到肉类脂肪的柔软度与紧密度，固体脂肪酸的熔点较高，打印出来的食品的颜色比液态脂肪酸食品先得更加洁白，外形更耐看。那些不饱和脂肪酸含量较高的食材打印出来的食品，极易氧化，也会出现酸败结果。不过，3D 食品打印技术可以加工出高质量肉类制品，技术人员通过调整甘油三酯的组成比例，就可以改变肉类制品的外观，也更加健康，满足不同口味的消费需求。

4.维生素种类分布对打印效果的影响

水溶性维生素食材热稳定度较低，温度稍微升高就会分解，从而改变了维生素内部结构；脂溶性维生素对外界温度不太敏感，但是存在易被氧化的特点，故此技术人员在打印维生素种类较多的食材时，尤其注意外界温度的变化情况、避免跟外界空气直接接触，比如在高温、碱性ph 值较高的环境，维生素C 就会氧化，从而降低营养价值。技术人员可以利用FDM 三维打印技术，为了避免维C 跟空气接触，可以把维C 混入到淀粉中，从而保全维C 的营养价值。

三、常见3D 打印食品

随着这种技术的普及应用，加之3D 打印技术的不完更新，通过3D 技术打印出来的食品种类越来越多，花色也更加丰富，营养也更为全面，口感也更符合多样化需求，常见的通过3D 打印出来的食品有巧克力、冰激凌、与糖果等。

1.3 D 打印巧克力

从发展经历来看，最终通过3D 打印出来的食品就是巧克力，随着这种技术的完善，打印出来的巧克力就可以控制糖分含量，满足不够口味的需求，加之生产巧克力的原材料也较为适用于3D 打印，而且打印出来的巧克力并不需要再次加工、处理，可以立即使用，故此当前巧克力打印中这种技术应用最为频繁。需要指出的是，技术工人在采用FDM 三维打印技术时，应注意原材料结晶原理与支撑能力变动对打印效果的影响。巧克力打印的主要原料是可可脂，这种材料可以形成六种不同的晶体形态，即从I 分布到VI，熔点依次为γ：-5 ～5℃；α：17 ～ 22 ℃；β1 和 β2：29～34℃；β2 和β1：29～34℃，故此注意温度控制。巧克力的外观与口感收到可可脂多态性特征的影响，由于具有非牛顿流体特性，熔融态巧克力的粘稠度跟剪切应力变化成反比，故此，剪切压力过大的情况下，巧克力食材就会丧失非牛顿流体性质，无法完成正常打印。除此之外，技术人员还应控制好喷头温度，注意半制成品在挤出时的粘稠度与流动性，确保打印出完全符合当初设计形状的制成品；但是，喷头温度也不宜过低，温迪过低会导致原材料凝固，从而造成喷头堵塞，故此，喷头温度应控制在低于凝固温度1℃的值域内。3D 技术打印巧克力工作示意图见图1-1。

2.3 D 打印冰激凌

作为一种半流固态的冷冻甜食，具备耐油特性的细腻、香甜、冰凉可口优点，深受各类消费者尤其是青少年儿童的欢迎。冰激凌还具备可塑性特性，因而可以有效使用3D 技术来打印各种类型的冷冻甜品。技术人员应优先选择螺旋式挤出喷头来确保成功打印出冰激凌，为了防止半成品回流，技术人员还应采用双向均速挤出原料的方式来进行匀速打印，挤出装置的精读应控制在1 毫米以下，因为原材料比较粘稠，挤出装置的孔径过大的话，摩擦力就会随之增加，容易形成堵塞；空经过小又影响打印速度。生产冰激凌的原材料含有乳脂肪、非脂乳固体、甜味剂、固形物、稳定剂、乳化剂等营养成分，为了控制好粘稠度，技术人员就应搭配好稳定剂的配比度，确保粘稠度为120～140MPa·S。

3.3 D 打印糖果

3D 打印技术可以打印出软糖跟硬糖两种糖果。3D 可以打印以淀粉糖浆为主要原材料、添加果胶与明胶之类的凝固剂的易成型的软糖，而且安全可靠，放心食用。打印软糖时，在使用以卡拉唐之类的高粘度原料时，技术人员应控制糖浆浓度，以便后续顺利添加物料，顺利转移、挤出成型的软糖糖果；使用明胶类的低粘度糖料时，技术人员需大剂量添加糖浆浓度，便于挤出成型的糖果，但是无形中增加了生产成本，还需要一定的时间来进行烘干操作。以果葡糖浆、白砂糖为主要原料的硬糖，由于水分含量较低，技术人员在进行3D 打印操作时不易控制温度，生产工艺相对复杂。

四、外在因素对3D 食品打印效果的影响

除了原材料外，一些外在因素，尤其是技术要素，对食品打印效果也会产生影响，比如外在温度、挤出方式、喷头直径与成型系统等，其中最主要的是外在温度与挤出方式。

1.外在温度

温度温度是影响3D 打印效果的首要因素。3D 食品打印的原料多为胶状液体，由于自身带有正负离子，受力平衡能保持稳定。温度过高可能会使胶体平衡破坏，蛋白质变性形成沉淀，脂肪晶体受到破坏，打印效果降低。温度过低使得食品原料凝结造成堵塞，不能顺利挤出。根据食品原料挤出时对熔点、玻璃化温度的要求，在原料贮存装置、喷头装置、成型平台进行温度控制，设置合适的温度，既要确保食品的顺利挤出，又要稳定成型。

2.挤出方式

喷头挤出方式能显著影响打印食品的外观。常见的挤出方式有气压式、螺旋式、注射器式挤出。气压式挤出装置通过调节开关，可以同时驱动多个挤出喷头，机械部件与食品原料没有直接接触，降低了食品污染的风险；而缺点是改变挤出速度时，响应时间相对较长，如果要将高粘度物质填充到原料贮存筒中，容易产生气泡，在打印生产中需要增加其他设备。螺旋式挤出过程是电机驱动螺杆不断将物料往下拉，最后到达挤出喷嘴，气泡干扰较小。螺杆与食品材料直接接触，所以螺杆和原料运送装置应使用食品级不锈钢材料。注射器式挤出装置由机器产生压力，直接接触食品原料，挤出成型，适合打印固体半固体食品原料，挤压装置同样需要用食品级不锈钢材料。选择哪种挤出方式，要根据食品原料的流动性能、粘性、热特性等因素综合考虑。选择或设计一个适合某食品原料的挤出喷头，可提高打印食品的精度。