食品工業(yè)3D打印技術(shù)運用
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摘要：3D打印技術(shù)是將計算機設(shè)計的三維數(shù)字模型分解成若干層平面切片，然后由3D打印機把粉末狀、液狀或絲狀可黏合材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整物體的技術(shù)。該技術(shù)正成為新產(chǎn)業(yè)革命的標(biāo)志性技術(shù)。本文綜述了3D打印技術(shù)在焙烤食品、巧克力、糖果、肉類等食品中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對該技術(shù)在食品工業(yè)中的未來應(yīng)用進行了展望。
3D打印(3Dprinting)，又稱“三維打印”、“增材制造(additivemanufacturing，AM)，是快速成型(rapidprototyping，RP)技術(shù)的一種，是將計算機輔助設(shè)計(computeraideddesign，CAD)而成的三維數(shù)字模型分解成若干層平面切片，然后由3D打印機把粉末狀、液狀或絲狀塑料、金屬、陶瓷、組織細(xì)胞等可黏合材料，按切片圖形采用分層加工和疊加成型的方式，逐層增加材料而生成三維實體的技術(shù)。由于分層加工過程與噴墨打印類似，因此稱之為3D打印。該技術(shù)綜合了數(shù)字建模技術(shù)、信息技術(shù)、機電控制技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識，是一種具有很高科技含量的綜合性應(yīng)用技術(shù)［1～2］。由于該技術(shù)具有節(jié)約原材料、可實現(xiàn)個性化生產(chǎn)、可制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的外形等優(yōu)點，因此在汽車、船舶、航空航天、武器裝備、建筑、工業(yè)設(shè)計、家電、服裝、鞋類、珠寶、首飾、醫(yī)療、教育、文化創(chuàng)意、文物修復(fù)、影視等領(lǐng)域正得到日益廣泛的應(yīng)用［3～6］。近年來，3D打印技術(shù)在食品工業(yè)中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。本文就3D打印技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用進行綜述，并對其未來的應(yīng)用前景進行展望。
1打印食品的工藝過程
傳統(tǒng)的烹飪器械，如切割刀具和烘烤模具，因精準(zhǔn)度低而不能加工出復(fù)雜多變的形狀。采用食品打印機和數(shù)字食譜，可以加工出傳統(tǒng)烹飪技術(shù)無法實現(xiàn)的口味和形狀，開拓新的烹飪市場。實現(xiàn)食品打印需滿足以下幾個條件:首先是正確使用機械力;其次是精心設(shè)計數(shù)字食譜;最后是調(diào)整合適的食材進料順序。食材必須要軟硬合適，既要能從打印頭流出，又要能維持打印后的形狀。另外，還要考慮食材的耐熱性、烹飪方式等影響因素。食品打印的基本過程是:首先要將食品混合物編寫成設(shè)計文檔?？梢灾苯訌木W(wǎng)上下載，，也可以通過工程設(shè)計軟件自己從頭開始創(chuàng)建。目前還沒有研發(fā)出類似“食品CAD”的商業(yè)軟件。通過與之相連的空氣壓縮機所產(chǎn)生的壓力，打印頭把食材擠出。不同的食物配方需要施加不同的壓強。有時室溫也會影響食品混合物通過打印頭的流速。打印頭的大小和直徑很關(guān)鍵，太小會導(dǎo)致擠壓速度過慢，太大又會使打印出的食物表面粗糙。一般來說，打印出的食品不能直接食用?，F(xiàn)在的3D食品打印技術(shù)還不能對打印的食材進行煎、烤或炸，但可以烘焙。例如，餅干一旦被打印出來，打印頭下的加熱平臺就馬上烘焙，使餅干烘熟定型。3D打印的食品形狀是否完整，外觀是否誘人，關(guān)鍵在于打印機的分辨率。目前，多食材的打印仍處于起步階段，水果或蔬菜等天然食品的打印還不能實現(xiàn)，高仿真度合成食品的打印也非常困難［7］。
23D打印的食品種類
2．1焙烤食品
2010年12月，美國康奈爾大學(xué)的科研人員研制出3D食物打印機，只要把奶酪、巧克力和蛋糕糊等食材“墨水”預(yù)先放進一組注射器內(nèi)，再下載食譜軟件“FabApp”，機器便會依照CAD軟件提供的電子圖紙，將注射器內(nèi)各種食材“墨水”按照行列、層疊順序依次“打印”出立體食物。使用者可利用電子圖紙控制食物的風(fēng)味、質(zhì)地和其他特性。目前已成功“打印”出嵌入字母的小甜餅和杯形蛋糕［8，9］。2014年1月，西班牙Natu-ralMachines公司發(fā)明了一款名為“Foodini”的3D食物打印機，能制作漢堡、比薩、意大利面和各類蛋糕等食物。Foodini內(nèi)設(shè)的五個膠囊可用來儲存不同食材。在使用Foodini時，首先把新鮮食材攪拌成的泥狀材料裝入膠囊內(nèi)，然后在該設(shè)備的控制面板上選擇想要做的食物圖標(biāo)就可啟動制作。Foodini上有6個噴嘴，可以通過不同的組合，制作出各種各樣的食物。用戶可通過Foo-dini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。Foodini不能烹煮食物，用戶需把打印好的食物加熱煮熟后才能享用。此外，還有用3D打印機制作曲奇餅干的報道［7］。福建省某食品有限公司利用3D打印技術(shù)做出色彩繽紛的個性化餅干，受到兒童和年輕女孩的喜愛，市場銷路非常好［10］。孫鐵波等［11］分析了奶油3D打印的特點，給出了奶油3D打印機機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及奶油噴嘴的設(shè)計方案。
2．2巧克力和糖果
早在2006年，美國高中生諾伊•沙爾就用改進后的Fab@Home打印機，打印出了肯塔基州形狀的巧克力［7］。2011年7月，英國?？巳卮髮W(xué)的研究人員開發(fā)出世界上第一款使用液態(tài)巧克力作為“油墨”的3D巧克力打印機，并于2012年4月推向市場［9，12］。2013年5月，NASA批準(zhǔn)一項12．5萬美元的資助計劃，授權(quán)一名機械工程師及其公司(Systems＆amp;MaterialsResearchCorporation)研制新型3D打印機，使太空中的宇航員可以打印出巧克力等食物［13］。2010年，Hao等［14］開發(fā)了一種新的被稱為“巧克力增層制造(chocolateadditivelayermanufacture，ChocALM)”的制造方法，即采用逐層疊加的方式制備個性化的三維巧克力產(chǎn)品。研究結(jié)果表明，噴嘴孔徑、噴嘴距離加工床面的高度、擠壓速度、軸運動速度等工藝參數(shù)是決定產(chǎn)品幾何精度的關(guān)鍵參數(shù)。2014年3月，全球最大3D打印機制造商之一的3DSystems公司，在SXSW音樂節(jié)上推出了3D打印糖果，并分發(fā)給了與會者。這些糖果五顏六色，由該公司的ChefJet系列打印機打印出，使用了糖、水、酒精作為3D打印的原材料，嘗起來有甜味和水果味。ChefJet系列打印機能夠利用砂糖、巧克力和奶油等原料打印出糖果和巧克力，打印產(chǎn)品主要面向高端面包店和蛋糕店。跳跳糖、寶塔糖和娃娃臉雪糕等現(xiàn)在也可用3D打印機制作出來。砂糖3D打印機CandyFab4000可以通過噴射加熱過的砂糖，直接做出具有各種形狀、美觀又美味的甜品［2］。
2．3肉類
美國紐約的ModernMeadow公司用3D打印技術(shù)打印出了“鮮肉”。其制作過程是:通過活體穿刺方式從動物身上采集皮膚、肌肉細(xì)胞;用胰酶處理以破壞細(xì)胞之間的粘連，將組織分散為單個細(xì)胞;在細(xì)胞培養(yǎng)基中將細(xì)胞擴增培養(yǎng);誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生膠原蛋白;將細(xì)胞和膠原蛋白延展鋪開成片狀，再將薄片一層層疊放;通過生物聚合過程將細(xì)胞黏合到一起;將整合好的細(xì)胞層置于體外反應(yīng)器皿中，繼續(xù)培養(yǎng);數(shù)周后，終止細(xì)胞的營養(yǎng)供給，收集細(xì)胞用于打印成品。細(xì)胞密度、流速和溫度都可能影響肉類的口感和質(zhì)地。如果溫度過高，細(xì)胞失水，打印出的肉口感會偏老［10，15，16］。2012年7月，美國賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員宣布，用改進的3D打印技術(shù)打印出了生肉。這種利用糖、蛋白質(zhì)、脂肪和肌肉細(xì)胞等原材料打印出的肉，具有與真正肉類相似的紋理和口感，連肉里的微細(xì)血管都能打印出來。在打印鮮肉時，先用微小的人造血管構(gòu)造一塊肉的立體框架，再在血管之間填充脂肪、蛋白質(zhì)，形成肌纖維和肌肉組織。打印肉類食品的關(guān)鍵在于原材料的調(diào)配。研究人員以牛肉為例，先在實驗室嘗試培育人造肉，并按照真正肉類所含的營養(yǎng)元素配制打印原料。配制的材料以水基溶膠為黏合劑，并配以特殊的糖類分子。由于用了水基溶膠，打印肉最大的特點是溶于水，長時間在水中浸泡后可自動溶化。
2．4其他
2005年2月，美國芝加哥市莫托(Moto)餐廳的廚師霍馬羅•砍圖利用食物打印機制作出壽司［15］。2013年初，畢業(yè)于紐約大學(xué)的MarkoManriquez推出了制作墨西哥薄餅的3D打印機原型［12］。2014年4月，德國Biozoon公司推出一款3D食物擠壓機，能夠打印出各種不同類型的食物，由明膠基制成。食物能入口融化，特別適于有吞咽困難癥的人群。這款打印機使用48個噴嘴，通過噴射技術(shù)，混合一些新鮮食材泥，包括蘆筍、雞肉、豬肉、豌豆、意大利面、土豆以及該公司保密的一種物質(zhì)，然后就可根據(jù)用戶的喜好，把這些食材打印成各種形狀的食物。上面提到的那種秘密物質(zhì)的作用，是讓食材泥保持形狀，但當(dāng)打印成的食物入口后會融化。打印的材質(zhì)通常是調(diào)過味的食物泥，因此用戶不能調(diào)整食物的味道，只能通過編寫軟件調(diào)整其形狀。最近該公司又推出了一種叫“Smoothfood”的3D打印食品，以解決老人進食困難的問題。該食品是將原料液化并凝結(jié)成膠狀物，然后通過3D打印機制造出各種各樣容易咀嚼和吞咽的食物。在該公司開發(fā)的3D打印機Foodini3D的幫助下，肉類、糖類食品和蔬菜被擠壓成立即可食、容易咀嚼的食物。目前已有6種食材可以制作成3D打印食物，即花椰菜、豌豆、雞肉、豬肉、土豆和面食。
3展望
未來，3D打印技術(shù)將體現(xiàn)精密化、智能化、通用化和便捷化等發(fā)展趨勢。3D打印機的體積將小型化、桌面化，成本將更低廉，操作將更簡便［17］。展望未來，3D食品打印也許會在以下幾方面得到應(yīng)用:
3．1制作太空食物
為了使宇航員在太空中的飲食種類多樣、味道鮮美、營養(yǎng)豐富，科學(xué)家已在考慮用3D打印機在太空為宇航員制造食物。2014年11月，由美國太空制造公司(MadeinSpace)設(shè)計制造的世界上首臺零重力3D打印機，搭乘美國太空探索技術(shù)公司的“龍”號貨運飛船抵達國際空間站后完成首次打印，打印出了用于制作打印頭外殼的小型塑料面板。
3．2助解糧食危機
在這方面，3D打印食物具有很大的優(yōu)勢。首先，3D食物打印機的食材多為粉末，可以植物的莖桿、昆蟲、藻類等為原料，極大程度地增加食物來源;其次，使用的營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)過脫水處理，呈粉末狀，避免了食物在儲存、運輸過程中因腐敗變質(zhì)而導(dǎo)致的浪費，還可大大延長保質(zhì)期;此外，3D打印可以個性化定制，可嚴(yán)格按照人們的飯量精確準(zhǔn)備食物，從而有效減少浪費。2014年6月，美國紐約的ModernMeadow公司已用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出皮革，他們最終希望能用同樣的方法生產(chǎn)肉類，以減輕全球?qū)ι蟮囊蕾?。如果能夠打印出合成魚肉和牛肉，就可以減輕過量捕魚和養(yǎng)牛對環(huán)境造成的壓力。
3．3個性化定制食物
3D打印可根據(jù)不同年齡段定制個性化的營養(yǎng)配方，也可根據(jù)個人喜好打印口味各異的食物，還可根據(jù)需要自由設(shè)計形狀和添加顏色。未來，廚房用的3D打印機將會利用內(nèi)置的智能數(shù)控系統(tǒng)，依據(jù)使用者每天不同的需求量，調(diào)整食譜中各種營養(yǎng)成分的比例，為其量身打印食物［7］。糖尿病患者可以上傳血糖數(shù)據(jù)，然后用軟件計算出他們下一餐的營養(yǎng)均衡食譜，并將食譜發(fā)送給廚房里的3D食品打印機。如此自身量化飲食，就可以更科學(xué)地預(yù)防或減緩糖尿病和肥胖癥。目前，食品3D打印技術(shù)尚處于萌芽階段，只有少數(shù)學(xué)術(shù)機構(gòu)在進行實驗。大多數(shù)食品打印機出現(xiàn)在實驗室，商用3D食品打印機還沒有面向市場。但隨著3D打印技術(shù)的日趨成熟、打印材料的不斷擴充、打印機價格的持續(xù)下降，相信在不久的將來，3D打印服務(wù)將會像發(fā)送電子郵件、即時微信通訊一樣普及，3D食品打印機會像電腦、照相機、微波爐一樣進入千家萬戶。
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作者：井樂剛 沈麗君 單位：哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院
