3D打印技术在食品行业的研究应用和发展前景

1、文章编号：1671-9646 （2014） 08b-0057-043D 打印技术在食品行业的研究应用和发展前景陈妮（福建农林大学 食品科学学院，福建 福州 350002）摘要：3D 打印作为一项新兴的快速成型技术，按照“逐层打印，堆叠成型”生产产品，具有方便、灵活、速度快、精度高等特点，在航天、医学、食品、建筑、生化、工业、文物保护、配件饰品等诸多领域得以广泛应用。简要介绍 3D 打印技术的原理和材料使用情况，对其应用进展进行综述。重点阐述 3D 打印技术在食品行业的研究应用，介绍 3D 食品打印机的特点，对其潜在问题进行详细分析并作出建议，对 3D 打印技术的发展前景作出展望，旨在为 3D打

2、印技术在食品行业的研究应用提供理论参考。关键词：3D 食品打印；快速成型技术；应用进展；发展前景中图分类号：TS201文献标志码：Adoi：10.3969/jissn.1671-9646（X）.2014.08.0523D Printing Technology's Research and Application andDevelopment Prospects in Food IndustryCHEN Ni（College of Food Science and Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou

3、，Fujian 350002，China） Abstract： 3D printing as a new rapid prototyping technology which print products step by step， then stack molding， have convenient， flexible， high speed， high precision and other features is widely used in the aerospace， medical， food， architecture， biochemical， industrial， cul

4、tural relics protection， accessories， jewelry， and many other fields. This paper briefly introduces the principle of 3D printing and it's material usage，make a summarize to it's application progress. Emphasis on the research and application of 3D printing technology in food industry，introduc

5、es the features of food printer，then makea detailed analysis of the potential problem and give some suggest. Finally，make a prospect of the development of 3D printing technology. This paper aims at provide theoretical reference for the used of 3D printing technology in food industry.Key words：3D foo

6、d printing；rapid prototyping technology；application progress；development prospect3D 打印技术是迅猛发展的快速成型技术催生而出的一项新兴技术，它代替传统制造业的机床、刀 具和流水作业等繁琐工序，以快速 、方便、灵活、 高精度、高质量、低成本等特点受到国内外研究人 员和社会人员的广泛关注1。自 1986 年美国推出第 一台 3D 打印机以来，3D 打印技术已有近 30 年的发展时间，在此期间 3D 打印技术经历了从萌芽阶段到 快速发展阶段的巨大变化，主要体现在核心技术发 展、设备大小得到改良、应用领域逐渐拓宽、打印

7、 成本不断降低等方面2。同时，3D 打印技术被认为 是推动第三次工业革命的重要因素之一，以新材料、 新技术为主要优势，在医学、航天、食品工业、建 材工业等领域得以广泛应用。3D 食品打印机是在 3D 打印技术的基础上发展 的一种快速食品制造机械，不仅可以人性化的改变 食物形状，改良食品品质，还可以自由搭配均衡营养。3D 食品打印机让人们无须满身大汗的在炉火前烹煮，轻轻松松就能制作出美味食品，其目的在于帮助人们节省手工烹煮时间，精简制作过程，从而鼓励人们养成健康的饮食习惯，多吃自制食品。13D 打印技术1.1 3D 打印技术原理通过计算机软件设计出产品的数字程序，将信 息传达给特定的成型设备即

8、3D 打印机，机器接受程 序信息后，采用分层加工方式，逐层将原料进行堆 叠生成 3D 产品实体，因其加工过程与喷墨打印相似故称其为“3D 打印技术”。用于打印的原料可根据产品特征进行搭配和更换，如使用生物细胞打印皮肤 、生物组织 、 器官， 使用砂砾、塑料、金属等高强度的材料打印建筑材 料和房屋，使用该改进后的生物陶瓷粉打印牙齿 、收稿日期：2014-06-17作者简介：陈 妮 （1993 ），女，在读本科，研究方向为粮油食品加工。· 58 ·农产品加工（学刊）2014 年第 8 期骨骼，使用巧克力液浆打印巧克力，使用纳米粒子打印纳米材料，使用淀粉葡聚糖复合物打印装配式脚手

9、架等3-8。3D 打印主要工艺技术有熔融沉积成型 （FDM）、立体光固化成型 （SLA）、选择性烧结成型 （SLS）、三维打印 （3DP） 9-10，其中技术最成熟且应用较广的是立体光固化成型技术。3D 打印技术具有制作周期短、制作速度快、材料来源广、价格便宜、制作成本低、应用范围广等优点，同时也存在设备仪器成本高、大型物件打印耗时长、技术推广局限等诸多缺点。1.2 3D 打印技术的应用现状3D 打印技术的主要应用领域见图 1。图 2 3D 打印产品 （鞋、服装、皮肤组织、汽车、房屋、飞机模型）和操作方法与 3D 打印机相似。其使用的打印材料是 可食用的食物材料和相关配料，将其预先放入容器 内

10、，将食谱输入机器，开启按键后注射器上的喷头 就会将食材均匀喷射出来，按照“逐层打印、堆叠 成型”制作出立体食物产品。使用者可以自主决定食物的形状、高度、体积 等，不仅能做出扁平的饼干，也能完成巧克力塔，甚至还能在食物上完成卡通人物等造型。用于食品打印的材料来源丰富，可以是生的 、熟的、新鲜的或冰冻的各种食材，将其绞碎、混合、浓缩成浆、泡沫或糊状，打印出的食品口感各样，方便咀嚼下咽，同时还可自由搭配营养。对于咀嚼困难或有吞咽困难的老年人、病人，3D 打印食品不仅人性化地改变食物形状以及改良食品品质，更提供了均衡营养。世 界首款 3D 食品打印机是西班牙创业公司 Natural Machines

11、研制出的名为“Foodini”的食品打印机，是一款融“技术、食物、艺术和设计”于一身的家用食品机械，通过多个喷嘴的不同组合，可以制作出各种各样的食物，如汉堡、披萨、意面和 糕点等多种食品。Foodini 食品打印机打印产品 （饼干、面包） 见 图 3。、 主要应 用领域图 1 3D 打印技术的主要应用领域3D 打印技术的主要应用领域有航天、医学、食 品、建筑、生化、工业、文物保护、配件饰品等11-15。 我国从 20 世纪 90 年代即开展对 3D 打印技术的 研究工作16，虽然已有部分企业能自主制造 3D 打印 设备，但规模较小，研发力量不足。同时，3D 打印 机造价高，打印材料安全方面存在

12、隐患，打印速度 和打印精度影响打印效率17。与 3D 技术较发达的美 国、日本相比，缺少自主创新技术，企业分散、社 会影响力有限，且 3D 打印产品的市场缺乏宏观规划 和政策引导。但随着技术及设备开发的不断进步，中国 3D 打印市场也呈现良好发展势头，逐步实现了商品化，技术设备在产品设计、快速模具制造、铸 造、医学等领域的应用也日趋深入。3D 打印产品 （鞋、服装、皮肤组织、汽车、房 屋、飞机模型） 见图 2。23D 打印技术在食品行业的应用图 3 Foodini 食品打印机打印产品 （饼干、面包）2.23D 食品打印机的应用进展2011 年，英国埃克塞特大学研究人员开发出世 界首台 3D 巧

13、克力打印机 18，此后经过技术 改 进 与2012 年正式上市。3D 巧克力打印机使用巧克力浆代2.1 3D 食品打印机3D 食品打印机是将 3D 打印技术应用到食品制造层面上的一种机器，主要由控制电脑、自动化食 材注射器、输送装置等几部分组成，它所制作出的 食物形状、大小和用量都由电脑操控，其工作原理建筑：建筑工 程 、 施 工 模 拟、效果展示生物医疗：骨骼 、 生 物 组 织、牙齿、皮 肤、假体植入机械制造：汽 车 、 零 件 生 产、家电产品食 品 ： 甜 品糕点、巧克力 肉制品、披萨 汉堡、零食配 件 服 饰 ：服装、鞋类、 珠宝、创意、 DIY 作品工业制造：模具 模 型 、 玩

14、具 、 原 型 制 造、概念设计航天：外形验证、直接产品 制造、精密熔 模铸造文物保护：文化创意、数码 娱乐、个性化 定制2014 年第 8 期· 59 ·陈 妮：3D 打印技术在食品行业的研究应用和发展前景替油墨进行巧克力打印，同时使用保温和冷却系统，每层巧克力打印后经过凝固过程，再打印下一层，打印形状丰富各异，受到了消费者的广大喜爱。3D 巧克力打印见图 4。常见 3D 打印食品 （披萨） 见图 5。图 4 3D 巧克力打印FabHome 是国外很受欢迎的一个网络实验室项目，旨在利用 3D 打印技术将个人制造送到消费者身边。Fab Home 的注射器工具功能独特，可以生

15、产 包括不锈钢、水泥、自行车链轮、玩具零件以及各 种食品，其中食品打印是最受欢迎的产品之一。3D 打印食品原料简易，多为粉末或液浆，搭配 方便，易保存且保质期长，这些特征使其在航天食品领域得以应用。2013 年美国宇航局19-20投资研究经费开发 3D 食品打印机，方便宇航员在空间作业时使用。可以带去太空的新鲜食品类型有限，而 3D 食品 打印机即能提供新鲜食物又保证营养，同时设备体积小节省空间。Lipton J 等人21研究发现，在使用简单的添加剂和修改传统的食谱之后可以打印复杂的几何图形，经过煮制后成型完好。该试验在扇贝肉泥和火鸡肉 泥中添加转谷氨酰胺酶，打印成半球型，经行煮制后发现成品可

16、达到期望的良好球面形状。在此基础 上，又成功打印凝胶芹菜夹心的土耳其肉饼，肉饼 形状保持立方体，且内部的凝胶夹心也完好保留并 无露馅。传统的饼干多采用模具来进行表面图案的印刻 和形状的固定，由于油脂作用，经过烘焙之后往往无法保持应有形状，不适合复杂细致的几何印花 。而该研究采用 3D 打印技术，在适当的改变配方之后，制成的饼干可以保持完美的形状，可以印制复杂的形状。该研究在打印糕点的制作实验中还发现， 糕点打印后先速冻、后烤制可以有效地保留内部夹 层图案跟形状。Periard D 等人22表示，食品打印多用于难以手工 制作的食品制造上，例如某些食品虽然材料单一， 但需要比较复杂的制作方式，手工

17、很难完成，而采用食品打印就方便快捷多了。Periard D 认为食品打印有两大优点：适用性广，操作简单方便使用，即使没有技术背景的用户也可以很快熟悉食品打印机的使用；食品打印具有很大的创作空间，灵活 性高，对于创意非凡的厨师以及其他使用者，是很大的创意施展平台。图 5 常见 3D 打印食品 （披萨）33D 食品打印机的潜在问题及解决方案相比与当前包括打印机等大多数挤压系统，3D食品打印系统还有很长的路要走。一些物品，如加 工过的奶酪、巧克力等很容易打印。例如，使用装 满融化的巧克力浆注射器浇筑一个计算机程序规定的形状，但其他材料 （如水果、蔬菜和肉类等） 具 有不同的黏度、弹性、加工温度，对食

18、品打印是一 个挑战，这需要更进一步的研究和试验。对于 3D 食品打印的应用和推广，主要存在三大 问题：3D 食品打印机由于上市时间短，价格较 高，属高端家电，购置需要定制，导致其销售范围 受局限，商业化能力相对较弱，一般购置对象是企业机构、研究所或一些商户，而不适合中小家庭消费；国内的 3D 食品打印技术相对薄弱且研究资金投入不足，虽然已有部分企业能自主制造 3D 打印设 备，但还不具备制造 3D 食品打印机的能力；3D打印缺乏教育培训和社会推广，现今市面上关于 3D打印技术的教材书籍数量有限，导致 3D 技术的认识和了解仅限于部分研究学者、产业制造者以及兴趣 爱好人士的小范围人群，使 3D

19、食品的推广受到牵制23。对于上述问题，解决的首要关键在于教育宣传 和技术强化，可以将 3D 打印设为课程，人才培养与 资金投入同步，加强技术强化，推动产业化生产。4 3D 食品打印机的发展前景3D 打印技术是经济危机下催生出的一项新技 术，被誉为推进第三次工业革命发展的因素之一 。 经过 30 多年的探索和发展，3D 打印技术已取得了 很大进步。在 Gartner 2012 年发布的 新技术炒作周期 24中表示，3D 打印技术将在 5 年之内发展成熟并进入收益市场。Frost & Sullivan 机构发布的 2012 年全 球 3D 打印市场研究报告 中，对中国 3D 打印市场 的现

20、状及发展方向进行重点关注。美国 时代周刊· 60 ·农产品加工（学刊）2014 年第 8 期将 3D 打印产业列为“2012 年美国十大增长最快的工业”，而我国在 2013 年“两会”后首次将 3D 打印产业列入“国家高技术研究发展计划 （863 计划）”。我国的 3D 打印技术虽然还不娴熟，研究进度慢、市场小，但随着后期的开发和不断进步，中国3D 打印在各领域的应用将日趋见长，市场潜力大，有着良好的发展空间，有望逐步实现商品化。发展 3D打印产业，可以促进我国各领域的发展，带动经济发展。政府应加强关注和重视，在资金上予以支持，重 点培养技术，促进我国的 3D 打印产业快速

21、发展。3D 食品打印操作简便，制作速度快，食材搭配灵活，创作空间高。产品特征鲜明多样，口感独特， 方便咀嚼，有趣好玩，营养好吃，其消费人群不受年龄限制，不仅吸引孩童，更方便老年人以及进食 困难、吞咽困难的病人等。相信随着 3D 技术的高速 发展和广泛应用，3D 食品打印的市场空间和销售范 围也会不断增大。参考文献：Characterization and biocompatibility investigations J . Journal of Biomedical Materials Research Part B： Applied Biomaterials，2010，93 （1）：212

22、-217.余冬梅，方奥，张建斌. 3D 打印：技术和应用 J . 金 属世界，2013 （6）：6-11.赵 阳 . 3D 打 印 技 术 及 应 用 J . 电脑知识与技术， 2013 （6）：115-117.杨恩泉. 3D 打印技术对航空制造业发展的影响 J . 航 空科学技术，2013 （1）：13-17.贺超良，汤朝晖，田华雨，等. 3D 打印技术制备生物医 用高分子材料的研究进展 J . 高分子学报，2013 （6）：722-732.兀旦晖，赵晨飞. 3D 打印技术在教学中的应用研究 J .课程教育研究，2013 （21）：185-186.杨永强，刘洋，宋长辉. 金属零件 3D 打印

23、技术现状及 研究进展 J . 机电工程技术，2013 （4）：1-7.Yaxiong L，Dichen L，Bingheng L，et al. The customized mandible substitute based on rapid prototyping J . RapidPrototyping Journal，2003，9 （3）：167-174.陈 丽 娜 . 关 于 “ 3D 打 印 ” 技术及产业发展情况的研 究 J . 信息系统工程，2013 （6）：64-65.王雪莹. 3D 打印技术与产业的发展及前景分析 J . 中 国高新技术企业，2012，26 （3）：6-8.简

24、堃. 3D 巧克力打印机问世 J . 食品开发，2011 （4）：33-34.华盛. 美国宇航局研制 3D 食物打印机 J . 科学大观园，2013 （13）：5-7.一平. 给驾车远行者带来福音的 3D 打印食品 J . 交通 与运输，2013，29 （6）：49-50.Lipton J，Arnold D，Nigl F，et al. Multi-material food print ing with complex internal structure suitable for conventional post - processing C . Solid Freeform Fabric

25、ation Sympo sium，2010.Periard D，Schaal N，Schaal M，et al. Printing Food C . Proceedings of the 18th Solid Freeform Fabrication Sympo sium，Austin TX，2007：564-574.王忠宏，李扬帆，张曼茵. 中国 3D 打印产业的现状及 发展思路 J . 经济纵横，2013 （1）：90-93.Tweet. Gartner's 2012 hype cycle for emerging technologiesidentifies“ Tipping P

26、oint” technologies that will unlock long- awaited technology scenarios：Gartner EB/OL . （2012-04-16） . 910111213141516171梁晨光. 3D 打印技术纵览“印”出来的真实世界 J .微型计算机，2008 （6）：106-109.李不言，杨丽. 3D 打印技术 J . 印刷质量与标准化，2013 （5）：8-11.张继松. 3D 打印技术的应用和发展前景 J . 磁性元件 与电源，2013 （10）：151-160.陈坚伟，张迪. 3D 打印技术医学应用综述与展望 J .电脑知识与技术，2013 （15）：3 632-3 633.Lam C X F，Mo X M，Teoh S H，et al. Scaffold develop ment using 3D printing with a starch -based polymer J .