摘要：3D食品打印是指利用3D打印技術將原料按照“逐層打印, 堆疊成型”的原理來生產(chǎn)食品。3D食品打印技術具有方便、靈活、個性化等特點, 對于傳統(tǒng)的食品加工以及人們的生活方式正產(chǎn)生著巨大的影響?；仡櫫?D食品打印技術的發(fā)展歷程, 系統(tǒng)地介紹了3D食品打印技術的軟、硬件原理以及在甜點、肉制品和航空制品中的應用情況, 指出了3D食品打印存在的問題并提出了相應解決方案, 引導3D食品打印技術健康快速發(fā)展。
關鍵詞：3D食品打??； 原理； 軟件； 問題； 前景
3D打?。?D Printing）技術，以前通常稱為快速成型（RP）技術，按照“逐層打印，堆疊成型”來生產(chǎn)產(chǎn)品，這項革命性的技術誕生于20世紀80年代，2012年英國《經(jīng)濟學人》雜志在《第三次工業(yè)革命》一文中，將該技術作為第三次工業(yè)革命的重要標志之一，該技術在模具制造、工業(yè)設計、建筑、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、地理信息系統(tǒng)和航天等領域都有廣泛應用。近年來，由于3D打印技術具有方便、靈活、速度快、精度高、個性化等特點，以及人們對3D打印技術在新領域的不斷嘗試，3D打印在食品領域呈現(xiàn)了全新的應用。
3D食品打印技術不僅能夠豐富食品樣式，改良食品品質(zhì)，滿足個性化的需求，增加使用者生活的樂趣，還可以提供科學合理的營養(yǎng)飲食，消費者可以進行營養(yǎng)訂制，計算機將根據(jù)不同人群所需營養(yǎng)的比例對材料盒中的食物原料進行配置，打印出適用于不同營養(yǎng)需求的青少年、老人、孕婦和病人食品，而傳統(tǒng)的食品生產(chǎn)根本無法滿足人們這樣的需求，因此，3D食品打印技術具有非常好的發(fā)展前景，對人們的生活將會產(chǎn)生巨大的影響。
1 3D食品打印技術的原理
1.1 3D打印原理
3D打印技術通過分層制造、逐層疊加的方式生產(chǎn)產(chǎn)品，被稱為“增材制造”，這種制造方式區(qū)別于傳統(tǒng)的“去除型”制造，3D打印技術可直接根據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù)，使用增材制造的方法制成任何形狀的產(chǎn)品，還可以簡化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，從而提高效率。
1.2 3D食品打印流程
3D食品打印機的工作原理和操作方法與普通3D打印機相似，主要由控制電腦、自動化食材注射器、輸送裝置等幾部分組成。打印前將可食用的食物材料和相關配料放入容器內(nèi)，輸入食譜，開啟“打印”按鍵后，注射器上的噴頭就會將食材逐行、逐層地鋪上去，打印出立體食物產(chǎn)品。使用者可以充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，無需機械加工或模具，只需要通過調(diào)節(jié)電腦中CAD制作的3D模型來自主決定食物的形狀、高度、體積等，打印出各式各樣有趣的食物產(chǎn)品。
打印的流程為：三維設計模型（或3D掃描）→原料預處理→墨盒加料→切片處理→疊加打印→打印完成→表面修整。
2 3D食品打印技術的研究進展
2.1 3D食品打印機械設備的研究進展
世界上第一臺3D食品打印機是由西班牙創(chuàng)業(yè)公司Natural Machines研制的，名為Foodini。內(nèi)設5個所謂“墨盒”用來存儲碳水化合物、蛋白質(zhì)和其他營養(yǎng)物質(zhì)制成的食材，就如同普通的打印機裝有不同顏色的墨盒一樣，但是Foodini并不能讓烹飪過程完全實現(xiàn)自動化，也不能烹制食品。不過，由于采用一個加熱組件，它可能讓食品保溫。食品打印機還需不斷完善。
2011年美國紐約康奈爾大學開發(fā)出專門用于制造食物的3D注射型打印設備，原料主要是液態(tài)食物，可以逐點逐層打印出可口的飯菜。同年，英國埃克塞特大學研究人員制作出世界首臺以巧克力為原料的3D打印機，可以用來打造屬于自己的個性巧克力，此打印機經(jīng)過技術改進。于2012年進入市場，它是以巧克力漿作為墨汁來進行打印，還具有保溫和冷卻系統(tǒng)。
2014年，德國公司Biozoon研發(fā)出一款食物3D打印機，用來為老年人制作美味可口又易于吞咽的食品，其中的食品級凝結(jié)劑能夠讓逐層形成的食物融合為一個整體，確保打印出來的食物形狀完整并且精美。同年，美國的Serizawa等也開發(fā)了一個3D食用膠打印機來為不能吞咽食物的老人打印柔軟的食品。
2014年5月，郝亮開發(fā)出第二代巧克力3D打印機Choc Creator 2.0，作為升級版本，新一代的3D巧克力打印機以融化的巧克力為“油墨”，能夠快速精確地打印出客戶定制的圖案或模型，比如一只蝴蝶圖案的巧克力，打印只需5min。
2.2 3D食品打印技術軟件的概述
2.2.1 3D建模軟件
3D打印的前提是打印模型的建立，這就需要一款能夠應用于打印設備的建模軟件。隨著技術的發(fā)展，現(xiàn)在可以繪制3D圖形的軟件有很多，但目前3D打印設備僅識別STL格式的文件。能夠生成該文件的3D建模軟件大致分為兩種類型，一種主要用于藝術創(chuàng)作設計，另一種則主要應用于工業(yè)設計。
2.2.1.1 藝術創(chuàng)作設計類
藝術設計類軟件可以通過調(diào)整點、線、面等進行細微的勾勒，非常圓潤的進行過渡，能完美地展現(xiàn)出物體，適合設計復雜的工藝結(jié)構(gòu)圖形。建模的軟件主要包括MAYA，3DMAX，Modo和Zbrush。MAYA和3DMAX功能超級強大，被廣泛地應用于電視行業(yè)以及娛樂行業(yè)中；Modo是一款具備許多高級技術的綜合性3D軟件，內(nèi)部設置有多個3D建模板塊；Zbrush的優(yōu)勢是筆刷雕刻建模，通常對人物角色的細微的雕琢多使用Zbrush。
2.2.1.2 工業(yè)設計類
工業(yè)設計類軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對物體的參數(shù)化建模，通過參數(shù)的設計，直接生成3D模型。建模軟件主要包括：Skech Up，Solid Works，PROE和UG。Sketch Up是Google的一個免費交互式的3D模型程序，不僅適合高級用戶，也適合初學者，比起CAD程序更為直觀簡便；Solid Works具有功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新三大特點；UG可以滿足用戶虛擬產(chǎn)品設計和工藝設計的需求，提供經(jīng)過實踐驗證的解決方案，在產(chǎn)品設計上擁有強大的參數(shù)化設計和直接建模設計的能力，很適合做個性化產(chǎn)品的設計；PROE比UG功能略弱一些，在繪制精度方面往往不如UG。
2.2.2 3D掃描技術
通常使用測量工具得到的產(chǎn)品尺寸，存在這較大的測量誤差，往往不能滿足建模精度。在一些情況下，甚至無法通過測量工具直接獲得物體的尺寸。因此，在3D打印過程中測量數(shù)據(jù)通常由3D掃描技術來完成。3D掃描技術是利用三維掃描儀，用來偵測并分析物體及環(huán)境的形狀、構(gòu)造與外觀數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)信息用于三維模型重塑計算，從而構(gòu)建虛擬的數(shù)字模型?？梢詫?D食品打印技術和3D掃描技術相結(jié)合，制作出更加具有特色的新產(chǎn)品，例如，可以掃描并打印出帶有新郎、新娘頭像的糖果、巧克力等禮品用以贈送親友。
2.3 3D食品打印技術在各類食品中的應用
3D食品打印對原料限制小，對于生熟、新鮮抑或冰凍沒有要求，只需在使用前將其絞碎、混合后制成粉末、液漿或糊狀。搭配方便，易保存且保質(zhì)期長。隨著食品打印原料的不斷豐富和食品打印技術的不斷完善，能夠被3D打印的食品越來越多，就3D食品打印的主要應用領域作簡要介紹。
2.3.1 3D食品打印技術在甜點中的應用
3D打印技術在食品領域的最早應用是打印出3D蛋糕。2013年糖果實驗室引進3D系統(tǒng)之后成功地使用白糖打印出自定義形狀的產(chǎn)品?？的螤柎髮W機械實驗室根據(jù)內(nèi)部幾何學成功地打印出個性化的3D曲奇。
此外，3D食品打印在甜點領域發(fā)展最好的還是巧克力產(chǎn)品的制作，巧克力含有多種營養(yǎng)成分，具有良好的口感和風味，已經(jīng)逐漸成為一種營養(yǎng)、健康、高檔的消費品。3D巧克力打印機出現(xiàn)之后，消費者可以利用它自行設計、制造個性化的巧克力產(chǎn)品，這使得巧克力的生產(chǎn)不再局限于工廠，也使得巧克力的消費進入一個新的階段。
2.3.2 3D食品打印技術在肉制品中的應用
中國是一個擁有13億人口的大國，肉類市場前景廣闊，潛力巨大。3D打印人造肉可以實現(xiàn)人們對于肉制品的各種需求，消費者可以根據(jù)所需營養(yǎng)的比例對原料進行配置，根據(jù)對肉制品的形態(tài)和質(zhì)構(gòu)的需求對3D模型進行調(diào)整，打印出適合于兒童、青少年、老人、孕婦和病人等飲食所需要的科學又能產(chǎn)生食欲的肉制品，同時又能降低對環(huán)境的危害。
李嘉誠率先利用3D打印出了人造肉，他先將真實的肉打成肉糜，再用專用的食品黏合劑、若干調(diào)料作為油墨，之后通過3D建模，設計出心儀的形狀進行打印，但打印出的3D人造肉味道與肉糜味道相差無幾，所想即所得僅只在形狀上滿足了而已。這種看起來很美，吃起來很軟的3D打印肉，目標消費人群基本上是老年人和吞咽、咀嚼困難的病人。
但如果用微小的人造血管構(gòu)造肉的立體框架，再通過3D打印技術在血管之間填充脂肪、蛋白質(zhì)，形成肌纖維和肌肉組織。提前設計好打印程序后，由技術人員按照真正肉類所含的營養(yǎng)元素往里添加原料，采用水基溶膠凝膠法，再配合特殊的糖分子結(jié)構(gòu)，做成的鮮肉特別有彈性，而且烹飪后肉質(zhì)松散有嚼頭，絲毫不遜于真正的肉。美國賓夕法尼亞大學已經(jīng)利用糖、脂肪、蛋白質(zhì)和肌肉細胞等原材料打印出人造肉，其在外觀、口感和紋理上都與真肉十分相近，就連肉里的微細血管都能打印出來。
此外，Lipton J等向扇貝肉泥和火雞肉泥中添加轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，將其打印成半球型，經(jīng)過煮制后發(fā)現(xiàn)成品可達到期望的良好球面形狀；之后又成功打印凝膠芹菜夾心的土耳其肉餅，肉餅形狀可以保持立方體，且內(nèi)部的凝膠夾心也完好保留并無露餡。
3D打印人造肉還可以利用全新的食材，比如富含蛋白質(zhì)的昆蟲、植物蛋白等，運用3D打印機制成健康營養(yǎng)的人造肉。打印成的食品或許可以部分緩解與糧食產(chǎn)量相關的食品供應問題，從而開辟一種糧食生產(chǎn)和食品來源的新途徑。
2.3.3 3D打印技術在航空制品中的應用
宇宙空間是各國必爭之地，隨著載人航天技術和空間站技術的成熟，宇航員在太空中停留的時間將會越來越長，而在長期生命保障系統(tǒng)的研制和應用中，食品的供應與服務在整個生命保障系統(tǒng)中顯得尤為重要。但可以帶去太空的新鮮食品類型有限，3D食品打印原料簡易，可隨意搭配，容易保存，并且碳水化合物、蛋白質(zhì)及微量元素在無水分的粉末狀態(tài)下，可以保存30年，宇航員可以根據(jù)食譜的配方，利用攜帶的原料打印出各式各樣新鮮又美味的食品；不僅如此，3D食品打印機還能夠從食物和營養(yǎng)的角度最大限度地滿足宇航員心理和生理需求，保障宇航員的身體健康和高效工作。
美國國家航空航天局已開發(fā)出了一種可打印出“披薩”、營養(yǎng)面糊及各種其他3D食品，特供宇航員在太空使用。3D食品打印可以使宇航員擁有一個超級濃縮的廚房，有效地節(jié)省太空艙的空間，可以輔助人類完成更具有挑戰(zhàn)性的太空探索任務。
3 3D食品打印存在的問題及解決方案
3D食品打印加工技術是食品加工業(yè)革命性的創(chuàng)新發(fā)展，能夠在未來解決我國食品加工業(yè)和食品產(chǎn)業(yè)面臨的許多問題，但是目前仍處于起步研究階段，要想成為主流的生產(chǎn)制造技術，還面臨著一系列的疑問和挑戰(zhàn)。
3.1 3D食品打印的安全性
3D食品打印機打印出來的每件產(chǎn)品都是用來食用的，必須保證其安全性。此外，研究人員還需對選用的相關食材、打印出的食品的微生物檢測、剩余原料的保藏和產(chǎn)品貯藏等問題進行深入的探索研究。
3.2 3D食品打印的價格與成本
3D打印技術需要以CAD計算機設計為支撐，這就需要精通CAD軟件設計和機械制圖原理，同時具有高超的編程實現(xiàn)技術的專業(yè)人才，但目前這種人才比較缺少，而且國內(nèi)的研究資金投入不足，導致3D食品打印的技術比較薄弱，食品打印效率較低，成本相對較高，批量化、規(guī)?；a(chǎn)受到限制，商業(yè)化能力相對較弱。但是，隨著我國人工成本的不斷增長和3D打印技術的成熟與推廣，3D打印價格會不斷下降。此外，在生產(chǎn)個性化、造型復雜的食品生產(chǎn)中，3D打印的成本反而比傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的成本更低。
3.3 3D食品打印的推廣
3D食品打印技術目前還屬于起步階段，對于3D打印技術的認識和了解不多，僅限于研究學者、產(chǎn)業(yè)制造者以及興趣愛好人士，缺乏教育培訓和社會推廣。要解決上述問題，需要加強宣傳教育、強化相應技術，還可以將3D打印設為課程，人才培養(yǎng)與資金投入同步，加強技術強化，推動產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
3.4 3D食品打印原料的限制
3D打印食品的原料需制成液體、糊狀或粉狀的食材，目前多適應以漿料狀等原料打印的食品，如巧克力、糕點和糖果等。但中國一些傳統(tǒng)原料在打印過程中會產(chǎn)生產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證的問題，如面粉糊打印精度過高會產(chǎn)生噴頭堵塞，導致打印精度降低，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保障等問題，需要不斷改進技術來加以解決。
4 結(jié)語與展望
3D打印技術是一種新興的高科技技術，有其獨特的運作模式和巨大的作用，被譽為推進第三次工業(yè)革命發(fā)展的因素之一。它最突出的優(yōu)勢就是無需機械加工或模具，只需經(jīng)過電子制圖、數(shù)據(jù)遠程傳輸、激光掃描、熔化材料等一系列技術將材料疊層就可以打印出實物，大大地縮短了食品研發(fā)和加工的時間。對于生產(chǎn)者來說，3D打印技術可大幅減少生產(chǎn)線從而降低生產(chǎn)成本，提高原材料的使用效率和食品的生產(chǎn)效率，減少對環(huán)境的影響。許多專家認為，這種技術代表制造業(yè)的發(fā)展新趨勢。雖然目前3D食品打印技術仍處于起步階段，還有許多問題需要解決，但是隨著技術的不斷發(fā)展，各種各樣的3D食品打印機將會出現(xiàn)，在不久的將來，人們應能打印各種人們構(gòu)想的食物。這樣一來，可以豐富食品的種類，而隨之而來的就是一種悠久的職業(yè)——廚師，有可能面臨挑戰(zhàn)。
3D食品打印技術市場潛力巨大，有著廣闊的發(fā)展空間，有望逐步實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。政府應高估重視，政策上積極引導，并在資金上予以大力支持，加強培養(yǎng)人才和促進技術進步，加快我國的3D食品打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時帶動我國相關領域的發(fā)展。
