陳瑤，張蕊,，于文靜，潘禹希，董秀萍，姜鵬飛

1.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，國家海洋食品工程技術(shù)研究中心（大連 116034）；2.大連格智知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司（大連 116034）

3D打印，又稱三維打印、增材制造、重塑成型等，歸屬于快速成型技術(shù)，以數(shù)字模型文件為依據(jù)，運(yùn)用可黏合材料（如粉末狀金屬、塑料等），通過逐層打印的方式構(gòu)造物體。由于該技術(shù)是將數(shù)字化操作應(yīng)用于復(fù)雜的加工工藝中，具有精確度高、速度快、成本低等優(yōu)勢(shì)，因此被認(rèn)為是推動(dòng)工業(yè)4.0變革的重要技術(shù)手段[1]。三維打印技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代中期，在生物器官、汽車制造、房屋建造等方面取得突破進(jìn)展，近年來通過不斷嘗試，3D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域中嶄露頭角。

食品3D打印是一種新型高科技應(yīng)用技術(shù)，匯集三維建模、機(jī)電控制、食品科學(xué)等諸多學(xué)科。食品3D打印可以節(jié)省食品工藝過程所需要的時(shí)間，減少資源消耗，降低生產(chǎn)成本，能夠根據(jù)顧客對(duì)食品的尺寸、感官、營養(yǎng)特性等需求打印產(chǎn)品，提供食品的新型制作方式，改善食品營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)個(gè)人不同身體狀況，科學(xué)地定制出健康食譜，給人類帶來福音[2]。

食品原料的主要成分如蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類和維生素等及其性質(zhì)是決定食品3D打印技術(shù)成功的關(guān)鍵[3]。3D打印機(jī)通過擠壓和“噴墨”方式將液體原料打印成型；通過應(yīng)用熱源（激光或熱風(fēng)）或顆粒黏結(jié)劑沉積將粉狀原料打印成形，細(xì)胞培養(yǎng)原料的打印（生物沖洗）技術(shù)應(yīng)用于打印肉類類似物[4]。隨著食品原料的不斷豐富，可以通過3D打印的食品也越來越多，如將多種果蔬按比例混合，魚膠原蛋白來增加漿料的黏度，得到營養(yǎng)更豐富的“可打印冰沙”，并設(shè)計(jì)新穎的金字塔形狀，以期對(duì)消費(fèi)者更具吸引力[5]；利用小麥淀粉作為濃縮橙汁3D打印的添加劑改變食品體系的流變學(xué)和力學(xué)性能影響打印材料的特性[6]；利用鰱魚糜和海參漿復(fù)配打印一種新型食品用以提高海參的高值化利用[7]，及應(yīng)用3D打印技術(shù)打印巧克力、冰淇淋、糖果、奶片等食品。

1 研究方法

應(yīng)用Incopat數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，使用3D打印相似或含義等同的關(guān)鍵詞：3D打印、三維打印、增材制造、重塑成型。使用公式ALL=（TIABC=（3D打印 or 三維打印 or 增材制造 or 重塑成型）and（食品））對(duì)國內(nèi)外專利申請(qǐng)進(jìn)行檢索，簡(jiǎn)單同族合并后，去除與食品領(lǐng)域不相關(guān)的專利申請(qǐng)，共獲得中國申請(qǐng)專利403件，國際申請(qǐng)專利234件；檢索日期2020.07.15。

2 國內(nèi)外食品3D打印技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)情況分析

2.1 國內(nèi)外食品3D打印技術(shù)相關(guān)專利歷年申請(qǐng)數(shù)量趨勢(shì)

通過軟件檢索結(jié)果表明，2012年以前，國內(nèi)沒有食品3D打印技術(shù)相關(guān)研究；2013—2015年，國內(nèi)食品3D打印技術(shù)開始興起并逐漸增加；2016年，食品3D打印專利申請(qǐng)出現(xiàn)急速增長(zhǎng)，當(dāng)年申請(qǐng)專利量達(dá)到112件；隨后申請(qǐng)專利數(shù)量開始逐漸減少，但申請(qǐng)數(shù)量均在50件以上。國外雖然在2003年出現(xiàn)首例關(guān)于食品3D打印技術(shù)的專利的申請(qǐng)，但是一直處于低谷期，直到2013年食品3D打印技術(shù)相關(guān)專利開始逐漸增加，到2017年達(dá)到專利申請(qǐng)的鼎盛時(shí)期（57件），此后食品3D打印技術(shù)熱潮減退，專利申請(qǐng)數(shù)量開始逐年降低。

圖1 國內(nèi)外3D打印專利歷年申請(qǐng)情況

通過對(duì)比國際國內(nèi)專利數(shù)量發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)食品3D打印技術(shù)研究的增加可能與國際食品研究的大環(huán)境有關(guān)。在2013—2019年，國內(nèi)年度專利申請(qǐng)數(shù)量均高于國際，甚至在2016年出現(xiàn)高于國際2倍的申請(qǐng)數(shù)量，這可能與國內(nèi)學(xué)者對(duì)食品3D打印技術(shù)的重視度及國內(nèi)科技發(fā)展環(huán)境等因素有關(guān)。

2.2 國內(nèi)外食品3D打印技術(shù)相關(guān)專利當(dāng)前法律狀態(tài)

在中國食品3D打印技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)中，獲授權(quán)專利116件，處于審中狀態(tài)專利168件（其中實(shí)質(zhì)審查專利164件、公開未實(shí)審專利4件），失效專利119件（其中撤回62件、駁回27件、未繳年費(fèi)28件、避重放棄2件）。在國際上，食品3D打印技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)共234件，以世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織、美國、韓國申請(qǐng)量為主，分別占總量的33%，28%和20%。在申請(qǐng)的專利中，未確認(rèn)專利61件、PCT-有效期滿專利51件、有效專利49件、失效專利35件、PCT-有效期內(nèi)專利26件、處于審中狀態(tài)專利12件。

圖2 中國專利當(dāng)前法律狀態(tài)

圖3 國際專利當(dāng)前法律狀態(tài)

3 國內(nèi)外食品3D打印技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)人分析

通過對(duì)國內(nèi)外食品3D打印技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)人分析，全球食品3D打印技術(shù)相關(guān)專利主要以企業(yè)申請(qǐng)為主，占57.66%；其次為院校申請(qǐng)，占29.20%；個(gè)人申請(qǐng)占13.14%。通過對(duì)國內(nèi)專利申請(qǐng)人分析，中國食品3D打印技術(shù)相關(guān)專利也是以企業(yè)為主，在已公開的專利中數(shù)量占領(lǐng)先地位的是長(zhǎng)興時(shí)印科技有限公司，公開量為13件，該公司主要以設(shè)備的創(chuàng)新與改良為主，并對(duì)混合食品3D打印進(jìn)行布局，如一種混合食品3D打印機(jī)（CN107125280A）、一種混合食品3D打印裝置（CN207136199U）、一種混合食品3D打印擠出組件（CN106983171A）和一種混合食品3D打印擠出裝置（CN207136080U），在設(shè)備上申請(qǐng)了冰淇淋3D打印機(jī)、食品3D打印機(jī)的科教版和mini版及食品3D打印機(jī)柜，此外在巧克力的3D打印和奶糖的3D打印技術(shù)方面也進(jìn)行創(chuàng)新。公開專利量第二的企業(yè)是合肥中農(nóng)科泓智營養(yǎng)健康有限公司，為12件；主要分布于3D打印機(jī)的技術(shù)領(lǐng)域，如一種封閉式食品3D打印機(jī)（CN111053267A）、一種緊湊型食品3D打印機(jī)（CN111053268A）、一種連續(xù)式食品3D打印機(jī)（CN111053269A）、一種食品3D打印機(jī)的多物料出料裝置（CN109007942A），以及一種協(xié)同式精準(zhǔn)營養(yǎng)食品3D打印系統(tǒng)及方法（CN109007945A）等；此外，該公司還在食品3D打印機(jī)的外觀設(shè)計(jì)申請(qǐng)了專利，如食品3D打印機(jī)（CN305423501S、CN305423502S、CN305423503S）和3D打印機(jī)（三角洲傳送式，CN305775501S）。在院校公開量中，以江南大學(xué)公開量最多，主要涉及果蔬食品和新型食品3D打印，以及食品材料和加工工藝技術(shù)領(lǐng)域。個(gè)人公開量最多的是龐用，公開量為11件，涉及巧克力制備技術(shù)領(lǐng)域和蛋糕原材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

在國外以DECOPAC INC和SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD專利公開量較多，均為5件。DECOPAC INC主要以食品裝飾系統(tǒng)為主，US20160278426A1用于用戶上傳的圖像的可食用媒體片材的裝飾和印刷，US20160278427A1基于用戶選擇的圖像在可打印基本媒體上裝飾和打印可食用圖案，US20160262442A1基于用戶選擇的圖像在可打印基本介質(zhì)上裝飾和打印三維可食用介質(zhì)，US20180228201A1對(duì)用戶選擇的圖像在可打印基本媒體上裝飾和打印可食用圖案，在技術(shù)層面也有一項(xiàng)公開專利，為US20200184530A1，用于定制食品的訂購和制備的系統(tǒng)和方法。而Samsung electronics CO TED是對(duì)烹飪?cè)O(shè)備進(jìn)行布局，包括烹調(diào)裝置和烹調(diào)系統(tǒng)（EP3448179A4），釘倉組件，夾頭單元，食品成形模塊和烹飪?cè)O(shè)備（KR1020180006834A），盒組件、盒單元、食品形成模塊和烹調(diào)設(shè)備（US20180007949A1），盒組件，盒單元，食品形成模塊和烹飪?cè)O(shè)備（EP3435789B1），用戶設(shè)備，烹飪?cè)O(shè)備和烹飪系統(tǒng)（EP17827878）。院校公開量最多的是江南大學(xué)，為7件，主要涉及果蔬食品加工和食品材料制備技術(shù)領(lǐng)域：一種易吞咽的雙色土豆泥/紫薯泥冷盤3D精確打印方法（WO2019169802A1），一種利用濃縮果漿3 D 打印雙色夾心點(diǎn)心的方法（WO2019165733A1），一種利用濃縮果漿預(yù)后處理改善3D打印效果的方法（WO2019165735A1），配方調(diào)整和控制方法的高精度的印刷性能改善的可模塑性和第三蔗糖的系統(tǒng)（AU2017206188A1），一種提高解凍魚糜制品成型和三維精確印刷性能的控制方法（US20180199614A1），快速調(diào)理馬鈴薯泥三維打印精確成形的調(diào)控方法（US20180199615A1），一種通過添加功能性碳水化合物提高高纖維面團(tuán)體系成型性和三維精密印刷性能的方法（US20180049464A1）。

綜合國內(nèi)外食品3D打印技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)人分析，江南大學(xué)在食品3D打印技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)量排名第一，在公開授權(quán)的24件專利中，涉及加工過程領(lǐng)域包括果蔬食品加工技術(shù)5件、新型食品加工技術(shù)4件、食品材料制備技術(shù)3件及提高3D打印精確性技術(shù)12件，主要包括微波3D打印和改善體系、性能的3D或4D打印。

圖4 國內(nèi)3D打印專利申請(qǐng)數(shù)量排名

圖5 國際3D打印專利申請(qǐng)數(shù)量排名

4 國內(nèi)外食品3D打印專利主要技術(shù)分布

通過對(duì)檢索所得的國內(nèi)外公開食品3D打印相關(guān)專利統(tǒng)計(jì)分析，主要技術(shù)分布為食品3D打印加工技術(shù)和食品3D打印加工設(shè)備2個(gè)方面，食品3D打印加工技術(shù)方面占44.89%，3D打印設(shè)備方面占55.11%。

4.1 食品3D打印加工技術(shù)

在食品3D打印加工技術(shù)方面，73%的公開量為國內(nèi)專利申請(qǐng)。其中，江南大學(xué)在果蔬食品加工技術(shù)領(lǐng)域、食品材料制備技術(shù)領(lǐng)域和新型食品加工技術(shù)領(lǐng)域合計(jì)公開專利23件。3D打印應(yīng)用在果蔬食品加工技術(shù)領(lǐng)域縮短了復(fù)雜的長(zhǎng)時(shí)間處理過程，節(jié)約成本，操作性強(qiáng)，完整提供了加工與儲(chǔ)運(yùn)的全過程工藝及建議事項(xiàng)；應(yīng)用在食品材料制備技術(shù)領(lǐng)域簡(jiǎn)化打印工藝，操作便捷，對(duì)環(huán)境沒有嚴(yán)格要求，提高3D打印的適應(yīng)性、可操作性；應(yīng)用在新型食品加工技術(shù)領(lǐng)域使食品具有更豐富的口味和視覺效果，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多元化、個(gè)性化、自動(dòng)化的制作。龐用作為獨(dú)立申請(qǐng)人，在食品3D打印加工技術(shù)方面公開專利11件，主要涉及3D打印用巧克力和3D打印用蛋糕的制備，不僅保留原有產(chǎn)品的特性和口味，而且造型新穎美觀。安徽省中日農(nóng)業(yè)環(huán)保科技有限公司公開專利11件，該公司采用納米米粉和富硒米粉，不僅可以滿足3D打印的工藝要求，還補(bǔ)充了人體所需的硒元素，滿足不同消費(fèi)者的需求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多元化、個(gè)性化、自動(dòng)化的制作，豐富3D打印食品材料的種類。蕪湖啟澤信息技術(shù)有限公司公開專利8件，提供一種3D打印的適合特定人群食用的養(yǎng)生餅干，不僅可以使口感更加清新，而且更有利于健康。廣西筑夢(mèng)三體科技有限公司公開專利6件，主要是對(duì)巧克力3D打印制備方法的研究，制成既保留有巧克力原有特性和口味，又造型新穎美觀的巧克力產(chǎn)品。蕪湖凱奧爾環(huán)?？萍加邢薰竟_專利5件，采用3D打印的方式進(jìn)行米粉制備，可實(shí)現(xiàn)米粉的多元化、個(gè)性化、自動(dòng)化的制作，豐富3D打印食品材料的種類，可以滿足不同消費(fèi)者的需求。大連工業(yè)大學(xué)公開專利5件，將食品3D打印技術(shù)應(yīng)用到海產(chǎn)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意制作的多元化，制作出高精度、造型獨(dú)特的3D打印魚糜制品，完全擺脫模具束縛，滿足人們對(duì)食品的個(gè)性化定制的需求。

通過對(duì)國外公開的食品3D打印技術(shù)相關(guān)專利進(jìn)行分析，其主要涉及食品組合物的打印和對(duì)食品性質(zhì)的研究，其中食品組合物的打印包括3D打印感光性組合物、預(yù)防變態(tài)反應(yīng)的組合物和方法、固體食物廢料和副產(chǎn)品再生營養(yǎng)產(chǎn)品、生產(chǎn)生物基復(fù)合材料、易吞咽雙色土豆泥/紫薯泥精確打印、復(fù)合淀粉制備等；對(duì)食品性質(zhì)的研究包括3D打印技術(shù)調(diào)節(jié)青稞淀粉消化性能、用移動(dòng)裝置的系統(tǒng)和方法對(duì)核酸和蛋白質(zhì)的分析、用變溫變壓和溶劑材料從生物質(zhì)固體中提取油添加功能性碳水化合物提高高纖維面團(tuán)體系成型性和三維精密印刷性能等；此外還有打印口香糖巧克力等甜品、薯類淀粉制備及馬鈴薯泥的精確打印調(diào)配等。

4.2 食品3D打印加工設(shè)備

在國內(nèi)公開的食品3D打印設(shè)備專利中，涉及的設(shè)備功能有可加熱、可調(diào)溫、可清洗、避免堵塞、方便換料、自動(dòng)加料、獨(dú)立供料、多料盒、耐磨抗菌、防撞以及回抽和快速成型等，其目的總和就是使工藝設(shè)備更簡(jiǎn)單、打印速率更快、打印精度更高、打印設(shè)備更節(jié)能；還有專門針對(duì)具體食品設(shè)計(jì)的3D打印裝置，如仿生海珍品3D打印機(jī)（CN205033607U）、一種巧克力3D打印機(jī)（CN204949368U）、一種蛋糕3D打印機(jī)（CN106509014A）、冰淇淋3D打印機(jī)、冰淇淋3D打印方法及其產(chǎn)品（CN106578317A）等。

國外公開的食品3D打印設(shè)備主要是對(duì)適配器、云操作系統(tǒng)、刀片、噴嘴、打印機(jī)燈絲、接口、清潔機(jī)構(gòu)等部件進(jìn)行改造和適配，用以提高機(jī)械的穩(wěn)定性，降低經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，操作性強(qiáng)，同時(shí)拓展3D打印的范圍，使食品具有豐富的口味和視覺效果。此外，在烹飪領(lǐng)域?qū)?D打印機(jī)進(jìn)行研發(fā)與適配，如3D打印機(jī)與同步烹飪（ES2739028A1）、盒組件，盒單元，食品形成模塊和烹飪?cè)O(shè)備（EP3435789B1）、準(zhǔn)備和/或執(zhí)行自動(dòng)烹飪過程的系統(tǒng)（WO2018134072A1）、釘倉組件，夾頭單元，食品成形模塊和烹飪?cè)O(shè)備（KR1020180006834A）等。

5 結(jié)語

食品3D打印發(fā)展至今，打印技術(shù)逐漸成熟。各種食品3D打印方式應(yīng)運(yùn)而生，能滿足不同人群對(duì)形狀、感官、營養(yǎng)等多種需求[8]，主要集中在新食品來源的利用上，如個(gè)性化食品的開發(fā)、印刷參數(shù)優(yōu)化以及印刷設(shè)備的設(shè)計(jì)[9]。由于打印食材的限制，設(shè)備價(jià)格高，打印效率低，打印食品安全性，打印人才等因素使3D打印技術(shù)在食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用仍然存在許多困難。3D食品打印已經(jīng)被證實(shí)可以制備某些食品，如巧克力或者工藝單一的休閑食品[10]，食品3D打印具有傳統(tǒng)食品加工不可替代的優(yōu)勢(shì)，如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化，減少原材料浪費(fèi)，單位生產(chǎn)空間小，可進(jìn)行個(gè)性化定制等[11]，因此，應(yīng)加大政策和經(jīng)濟(jì)對(duì)3D打印技術(shù)的科普宣傳力度，讓更多消費(fèi)者認(rèn)識(shí)并認(rèn)可這項(xiàng)新興技術(shù)對(duì)人類飲食健康生活的改變，鼓勵(lì)人們積極探索，推動(dòng)家庭制作式和社會(huì)化供應(yīng)式的3D打印食品產(chǎn)業(yè)并駕齊驅(qū)[8]。