3D打印技術(shù)在食品行業(yè)的研究應(yīng)用和發(fā)展前景

1、文章編號(hào)：1671-9646 （2014） 08b-0057-043D 打印技術(shù)在食品行業(yè)的研究應(yīng)用和發(fā)展前景陳妮（福建農(nóng)林大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002）摘要：3D 打印作為一項(xiàng)新興的快速成型技術(shù)，按照“逐層打印，堆疊成型”生產(chǎn)產(chǎn)品，具有方便、靈活、速度快、精度高等特點(diǎn)，在航天、醫(yī)學(xué)、食品、建筑、生化、工業(yè)、文物保護(hù)、配件飾品等諸多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。簡要介紹 3D 打印技術(shù)的原理和材料使用情況，對(duì)其應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。重點(diǎn)闡述 3D 打印技術(shù)在食品行業(yè)的研究應(yīng)用，介紹 3D 食品打印機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)其潛在問題進(jìn)行詳細(xì)分析并作出建議，對(duì) 3D 打印技術(shù)的發(fā)展前景作出展望，旨在為 3D打

2、印技術(shù)在食品行業(yè)的研究應(yīng)用提供理論參考。關(guān)鍵詞：3D 食品打印；快速成型技術(shù)；應(yīng)用進(jìn)展；發(fā)展前景中圖分類號(hào)：TS201文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.3969/jissn.1671-9646（X）.2014.08.0523D Printing Technology's Research and Application andDevelopment Prospects in Food IndustryCHEN Ni（College of Food Science and Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou

3、，F(xiàn)ujian 350002，China） Abstract： 3D printing as a new rapid prototyping technology which print products step by step， then stack molding， have convenient， flexible， high speed， high precision and other features is widely used in the aerospace， medical， food， architecture， biochemical， industrial， cul

4、tural relics protection， accessories， jewelry， and many other fields. This paper briefly introduces the principle of 3D printing and it's material usage，make a summarize to it's application progress. Emphasis on the research and application of 3D printing technology in food industry，introduc

5、es the features of food printer，then makea detailed analysis of the potential problem and give some suggest. Finally，make a prospect of the development of 3D printing technology. This paper aims at provide theoretical reference for the used of 3D printing technology in food industry.Key words：3D foo

6、d printing；rapid prototyping technology；application progress；development prospect3D 打印技術(shù)是迅猛發(fā)展的快速成型技術(shù)催生而出的一項(xiàng)新興技術(shù)，它代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造業(yè)的機(jī)床、刀 具和流水作業(yè)等繁瑣工序，以快速 、方便、靈活、 高精度、高質(zhì)量、低成本等特點(diǎn)受到國內(nèi)外研究人 員和社會(huì)人員的廣泛關(guān)注1。自 1986 年美國推出第 一臺(tái) 3D 打印機(jī)以來，3D 打印技術(shù)已有近 30 年的發(fā)展時(shí)間，在此期間 3D 打印技術(shù)經(jīng)歷了從萌芽階段到 快速發(fā)展階段的巨大變化，主要體現(xiàn)在核心技術(shù)發(fā) 展、設(shè)備大小得到改良、應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓寬、打印

7、 成本不斷降低等方面2。同時(shí)，3D 打印技術(shù)被認(rèn)為 是推動(dòng)第三次工業(yè)革命的重要因素之一，以新材料、 新技術(shù)為主要優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)學(xué)、航天、食品工業(yè)、建 材工業(yè)等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。3D 食品打印機(jī)是在 3D 打印技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展 的一種快速食品制造機(jī)械，不僅可以人性化的改變 食物形狀，改良食品品質(zhì)，還可以自由搭配均衡營養(yǎng)。3D 食品打印機(jī)讓人們無須滿身大汗的在爐火前烹煮，輕輕松松就能制作出美味食品，其目的在于幫助人們節(jié)省手工烹煮時(shí)間，精簡制作過程，從而鼓勵(lì)人們養(yǎng)成健康的飲食習(xí)慣，多吃自制食品。13D 打印技術(shù)1.1 3D 打印技術(shù)原理通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的數(shù)字程序，將信 息傳達(dá)給特定的成型設(shè)備即

8、3D 打印機(jī)，機(jī)器接受程 序信息后，采用分層加工方式，逐層將原料進(jìn)行堆 疊生成 3D 產(chǎn)品實(shí)體，因其加工過程與噴墨打印相似故稱其為“3D 打印技術(shù)”。用于打印的原料可根據(jù)產(chǎn)品特征進(jìn)行搭配和更換，如使用生物細(xì)胞打印皮膚 、生物組織 、 器官， 使用砂礫、塑料、金屬等高強(qiáng)度的材料打印建筑材 料和房屋，使用該改進(jìn)后的生物陶瓷粉打印牙齒 、收稿日期：2014-06-17作者簡介：陳 妮 （1993 ），女，在讀本科，研究方向?yàn)榧Z油食品加工。· 58 ·農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊）2014 年第 8 期骨骼，使用巧克力液漿打印巧克力，使用納米粒子打印納米材料，使用淀粉葡聚糖復(fù)合物打印裝配式腳手

9、架等3-8。3D 打印主要工藝技術(shù)有熔融沉積成型 （FDM）、立體光固化成型 （SLA）、選擇性燒結(jié)成型 （SLS）、三維打印 （3DP） 9-10，其中技術(shù)最成熟且應(yīng)用較廣的是立體光固化成型技術(shù)。3D 打印技術(shù)具有制作周期短、制作速度快、材料來源廣、價(jià)格便宜、制作成本低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在設(shè)備儀器成本高、大型物件打印耗時(shí)長、技術(shù)推廣局限等諸多缺點(diǎn)。1.2 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀3D 打印技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域見圖 1。圖 2 3D 打印產(chǎn)品 （鞋、服裝、皮膚組織、汽車、房屋、飛機(jī)模型）和操作方法與 3D 打印機(jī)相似。其使用的打印材料是 可食用的食物材料和相關(guān)配料，將其預(yù)先放入容器 內(nèi)

10、，將食譜輸入機(jī)器，開啟按鍵后注射器上的噴頭 就會(huì)將食材均勻噴射出來，按照“逐層打印、堆疊 成型”制作出立體食物產(chǎn)品。使用者可以自主決定食物的形狀、高度、體積 等，不僅能做出扁平的餅干，也能完成巧克力塔，甚至還能在食物上完成卡通人物等造型。用于食品打印的材料來源豐富，可以是生的 、熟的、新鮮的或冰凍的各種食材，將其絞碎、混合、濃縮成漿、泡沫或糊狀，打印出的食品口感各樣，方便咀嚼下咽，同時(shí)還可自由搭配營養(yǎng)。對(duì)于咀嚼困難或有吞咽困難的老年人、病人，3D 打印食品不僅人性化地改變食物形狀以及改良食品品質(zhì)，更提供了均衡營養(yǎng)。世 界首款 3D 食品打印機(jī)是西班牙創(chuàng)業(yè)公司 Natural Machines

11、研制出的名為“Foodini”的食品打印機(jī)，是一款融“技術(shù)、食物、藝術(shù)和設(shè)計(jì)”于一身的家用食品機(jī)械，通過多個(gè)噴嘴的不同組合，可以制作出各種各樣的食物，如漢堡、披薩、意面和 糕點(diǎn)等多種食品。Foodini 食品打印機(jī)打印產(chǎn)品 （餅干、面包） 見 圖 3。、 主要應(yīng) 用領(lǐng)域圖 1 3D 打印技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域3D 打印技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有航天、醫(yī)學(xué)、食 品、建筑、生化、工業(yè)、文物保護(hù)、配件飾品等11-15。 我國從 20 世紀(jì) 90 年代即開展對(duì) 3D 打印技術(shù)的 研究工作16，雖然已有部分企業(yè)能自主制造 3D 打印 設(shè)備，但規(guī)模較小，研發(fā)力量不足。同時(shí)，3D 打印 機(jī)造價(jià)高，打印材料安全方面存在

12、隱患，打印速度 和打印精度影響打印效率17。與 3D 技術(shù)較發(fā)達(dá)的美 國、日本相比，缺少自主創(chuàng)新技術(shù)，企業(yè)分散、社 會(huì)影響力有限，且 3D 打印產(chǎn)品的市場(chǎng)缺乏宏觀規(guī)劃 和政策引導(dǎo)。但隨著技術(shù)及設(shè)備開發(fā)的不斷進(jìn)步，中國 3D 打印市場(chǎng)也呈現(xiàn)良好發(fā)展勢(shì)頭，逐步實(shí)現(xiàn)了商品化，技術(shù)設(shè)備在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、快速模具制造、鑄 造、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨深入。3D 打印產(chǎn)品 （鞋、服裝、皮膚組織、汽車、房 屋、飛機(jī)模型） 見圖 2。23D 打印技術(shù)在食品行業(yè)的應(yīng)用圖 3 Foodini 食品打印機(jī)打印產(chǎn)品 （餅干、面包）2.23D 食品打印機(jī)的應(yīng)用進(jìn)展2011 年，英國?？巳卮髮W(xué)研究人員開發(fā)出世 界首臺(tái) 3D 巧

13、克力打印機(jī) 18，此后經(jīng)過技術(shù) 改 進(jìn) 與2012 年正式上市。3D 巧克力打印機(jī)使用巧克力漿代2.1 3D 食品打印機(jī)3D 食品打印機(jī)是將 3D 打印技術(shù)應(yīng)用到食品制造層面上的一種機(jī)器，主要由控制電腦、自動(dòng)化食 材注射器、輸送裝置等幾部分組成，它所制作出的 食物形狀、大小和用量都由電腦操控，其工作原理建筑：建筑工 程 、 施 工 模 擬、效果展示生物醫(yī)療：骨骼 、 生 物 組 織、牙齒、皮 膚、假體植入機(jī)械制造：汽 車 、 零 件 生 產(chǎn)、家電產(chǎn)品食 品 ： 甜 品糕點(diǎn)、巧克力 肉制品、披薩 漢堡、零食配 件 服 飾 ：服裝、鞋類、 珠寶、創(chuàng)意、 DIY 作品工業(yè)制造：模具 模 型 、 玩

14、具 、 原 型 制 造、概念設(shè)計(jì)航天：外形驗(yàn)證、直接產(chǎn)品 制造、精密熔 模鑄造文物保護(hù)：文化創(chuàng)意、數(shù)碼 娛樂、個(gè)性化 定制2014 年第 8 期· 59 ·陳 妮：3D 打印技術(shù)在食品行業(yè)的研究應(yīng)用和發(fā)展前景替油墨進(jìn)行巧克力打印，同時(shí)使用保溫和冷卻系統(tǒng)，每層巧克力打印后經(jīng)過凝固過程，再打印下一層，打印形狀豐富各異，受到了消費(fèi)者的廣大喜愛。3D 巧克力打印見圖 4。常見 3D 打印食品 （披薩） 見圖 5。圖 4 3D 巧克力打印FabHome 是國外很受歡迎的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，旨在利用 3D 打印技術(shù)將個(gè)人制造送到消費(fèi)者身邊。Fab Home 的注射器工具功能獨(dú)特，可以生

15、產(chǎn) 包括不銹鋼、水泥、自行車鏈輪、玩具零件以及各 種食品，其中食品打印是最受歡迎的產(chǎn)品之一。3D 打印食品原料簡易，多為粉末或液漿，搭配 方便，易保存且保質(zhì)期長，這些特征使其在航天食品領(lǐng)域得以應(yīng)用。2013 年美國宇航局19-20投資研究經(jīng)費(fèi)開發(fā) 3D 食品打印機(jī)，方便宇航員在空間作業(yè)時(shí)使用?？梢詭ヌ盏男迈r食品類型有限，而 3D 食品 打印機(jī)即能提供新鮮食物又保證營養(yǎng)，同時(shí)設(shè)備體積小節(jié)省空間。Lipton J 等人21研究發(fā)現(xiàn)，在使用簡單的添加劑和修改傳統(tǒng)的食譜之后可以打印復(fù)雜的幾何圖形，經(jīng)過煮制后成型完好。該試驗(yàn)在扇貝肉泥和火雞肉 泥中添加轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，打印成半球型，經(jīng)行煮制后發(fā)現(xiàn)成品可

16、達(dá)到期望的良好球面形狀。在此基礎(chǔ) 上，又成功打印凝膠芹菜夾心的土耳其肉餅，肉餅 形狀保持立方體，且內(nèi)部的凝膠夾心也完好保留并 無露餡。傳統(tǒng)的餅干多采用模具來進(jìn)行表面圖案的印刻 和形狀的固定，由于油脂作用，經(jīng)過烘焙之后往往無法保持應(yīng)有形狀，不適合復(fù)雜細(xì)致的幾何印花 。而該研究采用 3D 打印技術(shù)，在適當(dāng)?shù)母淖兣浞街?，制成的餅干可以保持完美的形狀，可以印制?fù)雜的形狀。該研究在打印糕點(diǎn)的制作實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)， 糕點(diǎn)打印后先速凍、后烤制可以有效地保留內(nèi)部夾 層圖案跟形狀。Periard D 等人22表示，食品打印多用于難以手工 制作的食品制造上，例如某些食品雖然材料單一， 但需要比較復(fù)雜的制作方式，手工

17、很難完成，而采用食品打印就方便快捷多了。Periard D 認(rèn)為食品打印有兩大優(yōu)點(diǎn)：適用性廣，操作簡單方便使用，即使沒有技術(shù)背景的用戶也可以很快熟悉食品打印機(jī)的使用；食品打印具有很大的創(chuàng)作空間，靈活 性高，對(duì)于創(chuàng)意非凡的廚師以及其他使用者，是很大的創(chuàng)意施展平臺(tái)。圖 5 常見 3D 打印食品 （披薩）33D 食品打印機(jī)的潛在問題及解決方案相比與當(dāng)前包括打印機(jī)等大多數(shù)擠壓系統(tǒng)，3D食品打印系統(tǒng)還有很長的路要走。一些物品，如加 工過的奶酪、巧克力等很容易打印。例如，使用裝 滿融化的巧克力漿注射器澆筑一個(gè)計(jì)算機(jī)程序規(guī)定的形狀，但其他材料 （如水果、蔬菜和肉類等） 具 有不同的黏度、彈性、加工溫度，對(duì)食

18、品打印是一 個(gè)挑戰(zhàn)，這需要更進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)。對(duì)于 3D 食品打印的應(yīng)用和推廣，主要存在三大 問題：3D 食品打印機(jī)由于上市時(shí)間短，價(jià)格較 高，屬高端家電，購置需要定制，導(dǎo)致其銷售范圍 受局限，商業(yè)化能力相對(duì)較弱，一般購置對(duì)象是企業(yè)機(jī)構(gòu)、研究所或一些商戶，而不適合中小家庭消費(fèi)；國內(nèi)的 3D 食品打印技術(shù)相對(duì)薄弱且研究資金投入不足，雖然已有部分企業(yè)能自主制造 3D 打印設(shè) 備，但還不具備制造 3D 食品打印機(jī)的能力；3D打印缺乏教育培訓(xùn)和社會(huì)推廣，現(xiàn)今市面上關(guān)于 3D打印技術(shù)的教材書籍?dāng)?shù)量有限，導(dǎo)致 3D 技術(shù)的認(rèn)識(shí)和了解僅限于部分研究學(xué)者、產(chǎn)業(yè)制造者以及興趣 愛好人士的小范圍人群，使 3D

19、食品的推廣受到牽制23。對(duì)于上述問題，解決的首要關(guān)鍵在于教育宣傳 和技術(shù)強(qiáng)化，可以將 3D 打印設(shè)為課程，人才培養(yǎng)與 資金投入同步，加強(qiáng)技術(shù)強(qiáng)化，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。4 3D 食品打印機(jī)的發(fā)展前景3D 打印技術(shù)是經(jīng)濟(jì)危機(jī)下催生出的一項(xiàng)新技 術(shù)，被譽(yù)為推進(jìn)第三次工業(yè)革命發(fā)展的因素之一 。 經(jīng)過 30 多年的探索和發(fā)展，3D 打印技術(shù)已取得了 很大進(jìn)步。在 Gartner 2012 年發(fā)布的 新技術(shù)炒作周期 24中表示，3D 打印技術(shù)將在 5 年之內(nèi)發(fā)展成熟并進(jìn)入收益市場(chǎng)。Frost & Sullivan 機(jī)構(gòu)發(fā)布的 2012 年全 球 3D 打印市場(chǎng)研究報(bào)告 中，對(duì)中國 3D 打印市場(chǎng) 的現(xiàn)

20、狀及發(fā)展方向進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。美國 時(shí)代周刊· 60 ·農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊）2014 年第 8 期將 3D 打印產(chǎn)業(yè)列為“2012 年美國十大增長最快的工業(yè)”，而我國在 2013 年“兩會(huì)”后首次將 3D 打印產(chǎn)業(yè)列入“國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 （863 計(jì)劃）”。我國的 3D 打印技術(shù)雖然還不嫻熟，研究進(jìn)度慢、市場(chǎng)小，但隨著后期的開發(fā)和不斷進(jìn)步，中國3D 打印在各領(lǐng)域的應(yīng)用將日趨見長，市場(chǎng)潛力大，有著良好的發(fā)展空間，有望逐步實(shí)現(xiàn)商品化。發(fā)展 3D打印產(chǎn)業(yè)，可以促進(jìn)我國各領(lǐng)域的發(fā)展，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。政府應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注和重視，在資金上予以支持，重 點(diǎn)培養(yǎng)技術(shù)，促進(jìn)我國的 3D 打印產(chǎn)業(yè)快速

21、發(fā)展。3D 食品打印操作簡便，制作速度快，食材搭配靈活，創(chuàng)作空間高。產(chǎn)品特征鮮明多樣，口感獨(dú)特， 方便咀嚼，有趣好玩，營養(yǎng)好吃，其消費(fèi)人群不受年齡限制，不僅吸引孩童，更方便老年人以及進(jìn)食 困難、吞咽困難的病人等。相信隨著 3D 技術(shù)的高速 發(fā)展和廣泛應(yīng)用，3D 食品打印的市場(chǎng)空間和銷售范 圍也會(huì)不斷增大。參考文獻(xiàn)：Characterization and biocompatibility investigations J . Journal of Biomedical Materials Research Part B： Applied Biomaterials，2010，93 （1）：212

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