3D打印技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用概述

朱天海

摘要：伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，功能強(qiáng)化食品越來越受到人們的關(guān)注，但個(gè)性化食品配方對(duì)功能強(qiáng)化食品提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)與要求，而運(yùn)用3D食品打印技術(shù)可為個(gè)性化食品的研發(fā)提供前提保障。3D打印具有靈活、便捷、個(gè)性化的特點(diǎn)，在食品工業(yè)中得到較快發(fā)展，簡(jiǎn)述3D打印技術(shù)的原理，概述幾種食品3D打印技術(shù)，并對(duì)可打印材料的特點(diǎn)進(jìn)行分析，重點(diǎn)闡述了目前3D打印技術(shù)在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用，以期為食品3D打印技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);食品工業(yè);應(yīng)用概述

引言

近年來，隨著技術(shù)的不斷成熟，3D打印技術(shù)開始在更多的領(lǐng)域中發(fā)揮作用，如航空航天、醫(yī)藥醫(yī)學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及日常用品等領(lǐng)域都出現(xiàn)了該技術(shù)的身影。與此同時(shí)，在咖啡廳、商場(chǎng)等地方也開始應(yīng)用3D食品打印技術(shù)，其顛覆了傳統(tǒng)模具制造的理念，可以滿足人們的個(gè)性化需求。在應(yīng)用的過程中，3D打印技術(shù)可以直接根據(jù)計(jì)算機(jī)中的圖形數(shù)據(jù)生成食物形狀，在不需要模具的情況下就可以加工食物，這不僅縮短了食品研制的周期，同時(shí)還有效降低了生產(chǎn)成本。

1①3D打印的原理。3D打印作為目前工業(yè)制造領(lǐng)域的前沿技術(shù)，集合了多種技術(shù)，包括分層制造技術(shù)、機(jī)械工程、數(shù)控技術(shù)、CAD、激光技術(shù)、逆向工程技術(shù)、材料科學(xué)等，可以直接、快速、自動(dòng)、精確地將設(shè)計(jì)電子模型轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂卸üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩鵀榱慵椭谱鳌⑿略O(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種低成本而高效的實(shí)現(xiàn)手段。3D打印技術(shù)的基本原理是斷層掃描的逆過程。斷層掃描是把某個(gè)東西“切”成無數(shù)疊加的片，3D打印則是通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加。②3D打印的特點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的打印技術(shù)與制造工藝，3D打印的特點(diǎn)集中體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，一次性完成打印，不需要反復(fù)的切割、磨削，簡(jiǎn)化了產(chǎn)品制作流程，縮短了生產(chǎn)周期。技術(shù)人員需要提前獲取產(chǎn)品的三維坐標(biāo)和結(jié)構(gòu)特征，然后在計(jì)算機(jī)上利用特定的軟件生成三維模型，最后由計(jì)算機(jī)控制3D打印機(jī)，完成產(chǎn)品的打印和制造，真正實(shí)現(xiàn)了“所見即所得”。其次，成本較低，尤其是在批量化生產(chǎn)方面，相比于傳統(tǒng)的加工制造有更加顯著的成本優(yōu)勢(shì)。從生產(chǎn)方式上來看，3D打印技術(shù)只需要前期獲取產(chǎn)品的三維坐標(biāo)和設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的三維模型即可，剩下的工作全部由設(shè)備自動(dòng)完成，只需要1個(gè)人即可完成，人工成本、時(shí)間成本較低。最后，產(chǎn)品的精密化程度更高，特別是在精密零件制造方面，利用3D打印所得產(chǎn)品的精確度可以達(dá)到0.01mm級(jí)別，并且支持32位色彩的彩色打印。

23D打印技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用概述

2.13D食品打印技術(shù)在肉制品中的應(yīng)用

3D打印人造肉可實(shí)現(xiàn)人們對(duì)肉制品的各種需求，消費(fèi)者對(duì)原料的搭配可以根據(jù)所需營(yíng)養(yǎng)的比例，根據(jù)對(duì)肉制品的形態(tài)和質(zhì)構(gòu)的需求對(duì)3D模型進(jìn)行調(diào)整。3D打印的肉制品，不僅可以是魚、雞等大眾食物，還可以是高檔緊缺的魚翅菜系。這樣既可以打印出適合于兒童、青少年、老人、孕婦和病人等所需要的營(yíng)養(yǎng)科學(xué)美觀又能產(chǎn)生食欲的肉制品，同時(shí)又能降低對(duì)環(huán)境的危害。不至于傷害海洋中的鯊魚。在3D打印食材中添加食品添加劑可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原材料屬性、儲(chǔ)藏和加工特性的改善。如LIPTON等研究發(fā)現(xiàn)，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，煮制后成品可達(dá)到期望的良好球面形狀。該研究還表明在使用簡(jiǎn)單的添加劑和修改傳統(tǒng)食譜之后可以打印復(fù)雜的幾何形狀，經(jīng)過煮制后成型完好。此外還可以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。

2.23D食品打印技術(shù)在冰激凌中的應(yīng)用

冰激凌是一種半流固態(tài)冷凍甜品，口感細(xì)膩、香滑，與奶油相似，具有一定的塑性，也是3D食品打印的主要研究對(duì)象。保證冰激凌成功打印的首要條件是運(yùn)用螺旋式擠出噴頭，雙向均速擠出原料的方式可以防止回流。冰激凌擠出裝置的精度應(yīng)該在1mm以下，冰激凌具有一定的粘度，若孔徑過大，會(huì)使摩擦力增大，擠出困難，若孔徑過小，影響打印速度。冰激凌的原料含有乳脂肪、非脂乳固體、甜味劑、固形物、穩(wěn)定劑、乳化劑等成分，可通過控制穩(wěn)定劑的配比使其黏度為120-140MPa·S。冰激凌的擠出過程與巧克力的類似，不同之處在于擠出的冰激凌原料需要在成型系統(tǒng)中快速冷卻成型。

2.33D食品打印技術(shù)在航空制品中的應(yīng)用

3D食品打印機(jī)設(shè)備體積小，便于攜帶，原料簡(jiǎn)易，可隨意搭配，且碳水化合物、蛋白質(zhì)及微量元素在粉末狀態(tài)下保存可達(dá)三十年，這樣宇航員就可以根據(jù)食譜的配方，利用3D食品打印機(jī)打印出新鮮又營(yíng)養(yǎng)的美味食物，滿足了宇航員的心理和生理需求，以及保障了宇航員的身體健康和工作效率，更好的輔助人類完成更具有挑戰(zhàn)性的太空探索任務(wù)。食物打印最重要的優(yōu)點(diǎn)，就是可以根據(jù)個(gè)人的喜好和需求定制食品——新的口味、質(zhì)感和形狀，以及獨(dú)特的進(jìn)食體驗(yàn)。美國(guó)航空航天局（NASA）和SMRC公司正在研究在太空中使用3D打印機(jī)打印食物。這將降低在太空中運(yùn)輸食品的難度。

2.43D食品打印技術(shù)在糖果中的應(yīng)用

常見的打印糖果分為軟糖跟硬糖。軟糖是由淀粉糖漿為主要原料，以明膠、果膠等作為凝固劑，有利于糖果打印成型，且不用擔(dān)心食品安全問題。在進(jìn)行配制打印原料時(shí)，用卡拉糖等高粘度糖做原料時(shí)，糖漿濃度不能過高，否則后續(xù)添加的物料會(huì)受到限制，且不利于轉(zhuǎn)移、擠出、成型;用明膠等低粘度糖做原料時(shí)，糖漿濃度需要大量添加，有利于成型、擠出，但不利于干燥，提高了生產(chǎn)成本。硬糖以白砂糖、果葡糖漿為主要原料，硬糖含水量較低，3D打印過程中溫度控制比較困難，在生產(chǎn)中相對(duì)困難。

2.53D食品打印技術(shù)在肉制品中的應(yīng)用

我國(guó)人口眾多，對(duì)肉類產(chǎn)品的需求量大，在肉制品生產(chǎn)中應(yīng)用3D打印技術(shù)可以滿足人們對(duì)肉制品的多樣化需求。在這個(gè)過程中，消費(fèi)者可以根據(jù)自身所需要的營(yíng)養(yǎng)比例來提高原料品質(zhì)，根據(jù)自身對(duì)肉制品的形態(tài)和質(zhì)構(gòu)需求來對(duì)3D模型進(jìn)行調(diào)整，從而打印出適應(yīng)不同年齡段和不同人群所需要的肉制品，尤其是可以生產(chǎn)出兒童、病人、孕婦等特殊群體所需要的產(chǎn)品，在滿足營(yíng)養(yǎng)需求的同時(shí)增加他們的食欲。除此之外，3D打印人造肉還可以在原材料上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，可以應(yīng)用新的食材來加工成更為健康有營(yíng)養(yǎng)的肉制品。例如，應(yīng)用蛋白質(zhì)豐富的昆蟲和植物蛋白作為原材料，由此打印出的食物在未來可能會(huì)緩解糧食供應(yīng)不足的問題，開辟一種糧食生產(chǎn)和食品來源的新途徑。

結(jié)語

3D打印技術(shù)的應(yīng)用對(duì)食品加工行業(yè)起到了推動(dòng)作用，為食品生產(chǎn)與加工領(lǐng)域開辟出了一條新的道路，在甜點(diǎn)、肉制品以及航空食品的加工生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用，能夠解決食品供應(yīng)問題、實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)的合理搭配。從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)食品加工行業(yè)是互補(bǔ)性的關(guān)系，雖然3D打印技術(shù)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)食品加工技術(shù)的不足，但并沒有成為食品加工行業(yè)的主流技術(shù)。在未來，3D打印技術(shù)與食品加工的關(guān)系將會(huì)越來越密切，也將會(huì)有越來越多的消費(fèi)者可以接受、認(rèn)可和喜愛3D打印食品。

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