王怡涵

（阿爾伯塔大學(xué)農(nóng)業(yè)、食品和營(yíng)養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，阿爾伯塔 埃德蒙頓 T6G2R3）

0 引言

3D 打印技術(shù)是在快速成型技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的?？焖俪尚图夹g(shù)誕生于20 世紀(jì)80 年代末，該技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）來(lái)完成建模、組裝和制造的過程［1］。作為一種更先進(jìn)的快速成型技術(shù)，增材制造可用塑料聚合物絲、金屬、可食用材料（如糖和巧克力）來(lái)逐層構(gòu)建起復(fù)雜的三維物體［2］。在第一代食品打印機(jī)原型的基礎(chǔ)上，研究人員從概念設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)材料擠壓和沉積進(jìn)行深入研究［3］。此外，其還可應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如3D 打印心臟模型、正畸保持器和離子動(dòng)力納米衛(wèi)星推進(jìn)器［4-6］。諸多研究已經(jīng)證明了3D 打印技術(shù)在食品行業(yè)中的價(jià)值［7］。3D 打印技術(shù)可生產(chǎn)出不同形狀和口味的食品［8］。以往的商品在定制過程中會(huì)涉及勞動(dòng)密集型技術(shù)，導(dǎo)致生產(chǎn)速度降低，從而使生產(chǎn)成本增加。通過提供的食品形狀、顏色和口味，3D 打印技術(shù)可克服傳統(tǒng)食品制作中存在的問題，如通過基于擠壓打印制造和加工出的蛋糕糖霜、奶酪和糖餅干［9］。通過獲取得到的營(yíng)養(yǎng)成分（如碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維和其他功能成分），3D 食品打印可完成數(shù)字化構(gòu)建，從而精確控制產(chǎn)品的配方和營(yíng)養(yǎng)水平。從本質(zhì)上講，3D 食品打印作為一種原型設(shè)計(jì)工具，可促進(jìn)新食品的開發(fā)，并作為一種潛在的新型食品機(jī)器，能重新配置食品供應(yīng)鏈。

雖然3D 打印技術(shù)從出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有十幾年時(shí)間了，但其發(fā)展仍存在著限制。目前，該技術(shù)耗時(shí)嚴(yán)重，使3D 打印食品的生產(chǎn)規(guī)模受到限制。由于流變學(xué)特性，導(dǎo)致3D 打印技術(shù)產(chǎn)生的食品的物理穩(wěn)定性差，打印出來(lái)的食品不能長(zhǎng)期保持形狀。還有一些消費(fèi)者認(rèn)為3D 打印食品是“不自然”的食品或不健康的食品，使這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化面臨著挑戰(zhàn)。鑒于3D 打印技術(shù)的潛力和局限性，本研究將重點(diǎn)研究3D 打印技術(shù)在食品行業(yè)中的應(yīng)用，分析其優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，并分析其未來(lái)發(fā)展方向。

1 技術(shù)和應(yīng)用

目前，已有眾多學(xué)者針對(duì)3D 打印技術(shù)在食品開發(fā)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。在Scopus 中，通過搜索“3D 打印”和“食品”，搜索結(jié)果顯示，2013—2022 年共計(jì)979篇相關(guān)論文。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)在食品開發(fā)中的應(yīng)用可分為兩類：①任何食品材料的營(yíng)養(yǎng)密度和可能的用途；②通過對(duì)食品材料的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，增強(qiáng)現(xiàn)有食品的外觀和觸感［10］。根據(jù)最新研究，熱熔擠出法、選擇性鐳射燒結(jié)、黏著劑噴膠成型技術(shù)和噴墨食品打印是最常見的3D 食品打印方法。基于原型對(duì)這四種方法進(jìn)行配方修改、設(shè)備修改和食品印刷工藝調(diào)整［11］。

1.1 熱熔擠出法

熱熔擠出法（HME）是采用溫度控制或基于軟材料的半固體黏性系統(tǒng)［12］（見圖1）。材料先被收納進(jìn)一個(gè)筒中，噴嘴會(huì)對(duì)材料進(jìn)行加熱，從而確保材料是可流動(dòng)的；然后對(duì)其進(jìn)行水平移動(dòng)，逐層沉積，同時(shí)平臺(tái)垂直移動(dòng)。為了保證材料的黏度，并使其能夠順利流過噴嘴，其溫度要保持在一個(gè)合適范圍內(nèi)。在食品工業(yè)中，食品擠壓技術(shù)被應(yīng)用于多種材料的成型中，如預(yù)調(diào)質(zhì)巧克力、食品和副產(chǎn)品泥、肉泥，甚至奶酪和面團(tuán)等［12］，還可用熱熔擠出法來(lái)制造糖果產(chǎn)品。而高重復(fù)性和復(fù)雜性使手工制作面臨著挑戰(zhàn)，這為3D 食品打印技術(shù)的應(yīng)用提供了契機(jī)［13］。基于擠壓的食品打印機(jī)雖然具有占地面積小、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，但其也受材料選擇、制造時(shí)間長(zhǎng)和溫度波動(dòng)引起分層的限制。

圖1 熱熔擠出法

麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員通過應(yīng)用HME來(lái)定制3D巧克力產(chǎn)品。開發(fā)出的功能原型被稱為數(shù)字巧克力機(jī)，其使用熱熔巧克力作為分配液體。巧克力機(jī)通過壓縮空氣將融化后的巧克力從腔室中推出，用于創(chuàng)作定制糖果。在使用熱熔巧克力擠出基材的基礎(chǔ)上，三維食品打印機(jī)可創(chuàng)建出三維彩色圖像。然而，為了將各層融合在一起，需要有一個(gè)后處理步驟［14］。

1.2 選擇性鐳射燒結(jié)

選擇性鐳射燒結(jié)（SLS）也被稱為熱風(fēng)燒結(jié)（HAS），是一種適用于糖或富含糖的粉末材料的3D 打印技術(shù)。如荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織（TNO）已成功將SLS 技術(shù)應(yīng)用于燒結(jié)糖和Nesquik 粉末中［15］。此外，SLS 技術(shù)也會(huì)被應(yīng)用于制作咸味零食。如圖2和圖3所示，激光和熱空氣沿軸線移動(dòng)，粉末顆粒會(huì)發(fā)生融合，將散開的新鮮粉末黏合在一起，從而形成一個(gè)固體層。燒結(jié)后的材料會(huì)成為產(chǎn)品部件，而未燒結(jié)的粉末則成為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)支撐。然后，3D 打印機(jī)將重復(fù)這一過程，用新的材料層直接覆蓋融合后的表面，直到打印出完整的食品。在融化糖床時(shí)可選擇低速流。為了能夠最大限度地減少熱變形，并與前一層進(jìn)行融合，制造出的粉床要被加熱到剛好低于材料的熔點(diǎn)［16］。上述燒結(jié)方法雖然能在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建出復(fù)雜的食品，且不需要進(jìn)行后期處理［11］，但其仍存在兩個(gè)缺點(diǎn)：一是只有熔點(diǎn)相對(duì)較低的糖和脂肪基材料才適合該方法；二是涉及的變量多，對(duì)機(jī)器建造形成挑戰(zhàn)。

圖2 選擇性鐳射燒結(jié)

圖3 熱風(fēng)燒結(jié)

1.3 黏著劑噴膠成型技術(shù)

黏著劑噴膠成型技術(shù)是通過黏合劑液體（膠水）將粉末顆粒固定在一起，在短時(shí)間內(nèi)為產(chǎn)品提供獨(dú)特而復(fù)雜的形狀。成型材料為食品粉末，可通過涂層機(jī)來(lái)進(jìn)行逐層涂抹［17］。將糖和淀粉等食品粉末均勻地分布在制造平臺(tái)上，以確保粉末材料可高精確度地應(yīng)用于建筑區(qū)域。為了盡量減少因黏合劑分布不均而造成的損壞，可利用水霧來(lái)穩(wěn)定粉末材料［11］。將液體黏結(jié)劑加入打印頭中，通過打印頭來(lái)釋放黏結(jié)劑，使其與模具中的每一個(gè)顆粒連接在一起（見圖4）。表面的輻射加熱能增加機(jī)械的性能，使得下一層的沉積成為可能［12］。重復(fù)上述過程，從而獲得3D打印食品。

圖4 黏著劑噴膠成型技術(shù)

基于上述原理，黏著劑噴膠成型技術(shù)只適用于粉狀材料，如奶粉和巧克力粉。材料參數(shù)（顆粒大小、黏合劑黏度和流動(dòng)性）、加工因素（噴嘴直徑、印刷速度、噴頭類型和層厚度）和后處理因素（烘烤、加熱和去除剩余物）等都會(huì)對(duì)印刷精度產(chǎn)生影響［18］。黏著劑噴射法的制造速度很快，可用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的全彩3D 食品結(jié)構(gòu)。此外，其生產(chǎn)成本低、具有修改口味的功能。然而，適合該技術(shù)的材料有限、成品表面相對(duì)粗糙、機(jī)器成本高等限制著該技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［11］。

1.4 噴墨食品打印

噴墨食品打印也被稱為非接觸法，這是因?yàn)榇蛴☆^在打印過程中不接觸食品。該方法使用注射器式噴頭按需來(lái)分配液流。噴出的液流會(huì)在重力的作用下下落，并沖擊基材。干燥后，液滴可在蛋糕、餅干或糖果等食品的表面形成二維半的數(shù)字圖像。此外，該方法主要用于食品裝飾或表面填充［17］。在進(jìn)行圖像填充時(shí)，非接觸法可保證食品不會(huì)受到污染。詳細(xì)操作見圖5。

圖5 噴墨食品打印

噴墨食品在打印過程中要對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行管理和控制，如材料特性（食品墨水與填充、打印表面的兼容性，以及可食用墨水的流變特性和表面特性），要在打印前進(jìn)行監(jiān)督。印刷速度、噴嘴直徑、印刷高度和溫度都會(huì)影響印刷的精度。噴墨食品打印沒有后處理階段。在這個(gè)過程中使用的墨滴可以是多種顏色，從而創(chuàng)造出獨(dú)特的、個(gè)性化的食品圖像，同時(shí)還可完成快速制造。適合該技術(shù)的材料應(yīng)該具有低黏度，如比薩醬或水基油墨［19］。

2 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

作為食品科學(xué)的前沿之一，3D 食品打印技術(shù)為食品的獨(dú)特性和創(chuàng)造性提供了機(jī)會(huì)，但也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。3D 食品打印技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，其可在飲食中增加質(zhì)地改性的食品。該技術(shù)可與食品油墨強(qiáng)化技術(shù)結(jié)合，以提高質(zhì)地改性食品的吸引力，從而增加攝入量，并降低營(yíng)養(yǎng)不良的風(fēng)險(xiǎn)。Burke-Shyne 等［11］指出，3D 食品打印可改善需要質(zhì)地改良食品的人群的飲食平衡和整體生活質(zhì)量，從而使其能夠更獨(dú)立地生活。打印食品可用于提供個(gè)性化的營(yíng)養(yǎng)，或?yàn)楦嗳颂峁┬缕娈a(chǎn)品，從而使患有糖尿病或腎病等慢性疾病的患者更容易吸收營(yíng)養(yǎng)。目前，3D 食品打印技術(shù)只能生成軟質(zhì)食物，在評(píng)估3D 食品打印機(jī)對(duì)一般用途的吸引力時(shí)，更廣泛的食物質(zhì)地將是有益的［11］。

在3D 食品打印技術(shù)商業(yè)化過程中，打印速度是限制其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，低速度將導(dǎo)致低容量，給批量生產(chǎn)帶來(lái)挑戰(zhàn)。而3D 打印食品另一個(gè)問題是其保質(zhì)期短［20］。由于流變特性的轉(zhuǎn)變，使用3D 打印機(jī)生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品只能穩(wěn)定1～2 h［21］。此外，3D 打印機(jī)的性能、與其他烹飪過程的整合，以及打印機(jī)在紋理間的適應(yīng)能力等都要進(jìn)行改進(jìn)。3D 打印成本和打印食品的定制是現(xiàn)階段額外的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)困難［22］。

3D 打印食品的倫理和社會(huì)問題一直備受人們的關(guān)注。通過研究消費(fèi)者對(duì)3D 打印食品的看法可以發(fā)現(xiàn)，參與者擔(dān)心打印食品具有超加工食品的特性，認(rèn)為其相比于未經(jīng)過3D 打印的食品更“不健康”［23-24］。還有人認(rèn)為，雖然3D 打印食品可能會(huì)在大眾生活中發(fā)揮作用，但其仍不可能改變整個(gè)社會(huì)的飲食和烹飪方式。Lupton 等［25］通過研究發(fā)現(xiàn)，消費(fèi)者可能會(huì)對(duì)品嘗打印食品感興趣，或?qū)υ摷夹g(shù)感興趣，但對(duì)完全接受該技術(shù)作為生產(chǎn)食品的新手段，人們普遍持懷疑態(tài)度。

3 3D食品打印的未來(lái)發(fā)展方向

將微膠囊技術(shù)整合到3D 打印中是3D 食品打印未來(lái)發(fā)展方向之一。將微膠囊技術(shù)整合到食品打印中，可使用多個(gè)打印頭系統(tǒng)，其中至少有一個(gè)打印頭在制造的食品中創(chuàng)造和分配微膠囊［26］。與該技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用包括測(cè)試制作、穩(wěn)定性增強(qiáng)和控制釋放，這將使脆弱和敏感的成分在加工制造和包裝過程中存活下來(lái)，延長(zhǎng)活性化學(xué)物質(zhì)的保質(zhì)期，并提供有吸引力的香味釋放、味道、氣味和顏色掩蓋。該技術(shù)簡(jiǎn)化了功能性食品的制造過程，從而提高功能性成分的穩(wěn)定性，如益生菌和生物活性化合物，并允許調(diào)味劑和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的控釋［11］。

4 結(jié)語(yǔ)

食品打印技術(shù)在食品制造方面具有巨大的潛力。食品打印可能會(huì)對(duì)眾多食品工藝產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，使食品設(shè)計(jì)師或消費(fèi)者能夠?qū)π问胶筒牧线M(jìn)行個(gè)性化處理。個(gè)性化的營(yíng)養(yǎng)使消費(fèi)者能精確地嘗試新奇的味道、質(zhì)地和形式，從而創(chuàng)造全新的飲食體驗(yàn)。雖然已有幾種食品打印技術(shù)，但3D 打印技術(shù)要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，還要進(jìn)一步改進(jìn)打印技術(shù)和創(chuàng)新加工方法。