1、文章編號：1671-9646 （2014） 08b-0057-043D 打印技術在食品行業的研究應用和發展前景陳妮（福建農林大學 食品科學學院，福建 福州 350002）摘要：3D 打印作為一項新興的快速成型技術，按照“逐層打印，堆疊成型”生產產品，具有方便、靈活、速度快、精度高等特點，在航天、醫學、食品、建筑、生化、工業、文物保護、配件飾品等諸多領域得以廣泛應用。簡要介紹 3D 打印技術的原理和材料使用情況，對其應用進展進行綜述。重點闡述 3D 打印技術在食品行業的研究應用，介紹 3D 食品打印機的特點，對其潛在問題進行詳細分析并作出建議，對 3D 打印技術的發展前景作出展望，旨在為 3D打

2、印技術在食品行業的研究應用提供理論參考。關鍵詞：3D 食品打??；快速成型技術；應用進展；發展前景中圖分類號：TS201文獻標志碼：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 打印技術是迅猛發展的快速成型技術催生而出的一項新興技術，它代替傳統制造業的機床、刀 具和流水作業等繁瑣工序，以快速 、方便、靈活、 高精度、高質量、低成本等特點受到國內外研究人 員和社會人員的廣泛關注1。自 1986 年美國推出第 一臺 3D 打印機以來，3D 打印技術已有近 30 年的發展時間，在此期間 3D 打印技術經歷了從萌芽階段到 快速發展階段的巨大變化，主要體現在核心技術發 展、設備大小得到改良、應用領域逐漸拓寬、打印

7、 成本不斷降低等方面2。同時，3D 打印技術被認為 是推動第三次工業革命的重要因素之一，以新材料、 新技術為主要優勢，在醫學、航天、食品工業、建 材工業等領域得以廣泛應用。3D 食品打印機是在 3D 打印技術的基礎上發展 的一種快速食品制造機械，不僅可以人性化的改變 食物形狀，改良食品品質，還可以自由搭配均衡營養。3D 食品打印機讓人們無須滿身大汗的在爐火前烹煮，輕輕松松就能制作出美味食品，其目的在于幫助人們節省手工烹煮時間，精簡制作過程，從而鼓勵人們養成健康的飲食習慣，多吃自制食品。13D 打印技術1.1 3D 打印技術原理通過計算機軟件設計出產品的數字程序，將信 息傳達給特定的成型設備即

8、3D 打印機，機器接受程 序信息后，采用分層加工方式，逐層將原料進行堆 疊生成 3D 產品實體，因其加工過程與噴墨打印相似故稱其為“3D 打印技術”。用于打印的原料可根據產品特征進行搭配和更換，如使用生物細胞打印皮膚 、生物組織 、 器官， 使用砂礫、塑料、金屬等高強度的材料打印建筑材 料和房屋，使用該改進后的生物陶瓷粉打印牙齒 、收稿日期：2014-06-17作者簡介：陳 妮 （1993 ），女，在讀本科，研究方向為糧油食品加工。· 58 ·農產品加工（學刊）2014 年第 8 期骨骼，使用巧克力液漿打印巧克力，使用納米粒子打印納米材料，使用淀粉葡聚糖復合物打印裝配式腳手

9、架等3-8。3D 打印主要工藝技術有熔融沉積成型 （FDM）、立體光固化成型 （SLA）、選擇性燒結成型 （SLS）、三維打印 （3DP） 9-10，其中技術最成熟且應用較廣的是立體光固化成型技術。3D 打印技術具有制作周期短、制作速度快、材料來源廣、價格便宜、制作成本低、應用范圍廣等優點，同時也存在設備儀器成本高、大型物件打印耗時長、技術推廣局限等諸多缺點。1.2 3D 打印技術的應用現狀3D 打印技術的主要應用領域見圖 1。圖 2 3D 打印產品 （鞋、服裝、皮膚組織、汽車、房屋、飛機模型）和操作方法與 3D 打印機相似。其使用的打印材料是 可食用的食物材料和相關配料，將其預先放入容器 內

10、，將食譜輸入機器，開啟按鍵后注射器上的噴頭 就會將食材均勻噴射出來，按照“逐層打印、堆疊 成型”制作出立體食物產品。使用者可以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。用于食品打印的材料來源豐富，可以是生的 、熟的、新鮮的或冰凍的各種食材，將其絞碎、混合、濃縮成漿、泡沫或糊狀，打印出的食品口感各樣，方便咀嚼下咽，同時還可自由搭配營養。對于咀嚼困難或有吞咽困難的老年人、病人，3D 打印食品不僅人性化地改變食物形狀以及改良食品品質，更提供了均衡營養。世 界首款 3D 食品打印機是西班牙創業公司 Natural Machines

11、研制出的名為“Foodini”的食品打印機，是一款融“技術、食物、藝術和設計”于一身的家用食品機械，通過多個噴嘴的不同組合，可以制作出各種各樣的食物，如漢堡、披薩、意面和 糕點等多種食品。Foodini 食品打印機打印產品 （餅干、面包） 見 圖 3。、 主要應 用領域圖 1 3D 打印技術的主要應用領域3D 打印技術的主要應用領域有航天、醫學、食 品、建筑、生化、工業、文物保護、配件飾品等11-15。 我國從 20 世紀 90 年代即開展對 3D 打印技術的 研究工作16，雖然已有部分企業能自主制造 3D 打印 設備，但規模較小，研發力量不足。同時，3D 打印 機造價高，打印材料安全方面存在

12、隱患，打印速度 和打印精度影響打印效率17。與 3D 技術較發達的美 國、日本相比，缺少自主創新技術，企業分散、社 會影響力有限，且 3D 打印產品的市場缺乏宏觀規劃 和政策引導。但隨著技術及設備開發的不斷進步，中國 3D 打印市場也呈現良好發展勢頭，逐步實現了商品化，技術設備在產品設計、快速模具制造、鑄 造、醫學等領域的應用也日趨深入。3D 打印產品 （鞋、服裝、皮膚組織、汽車、房 屋、飛機模型） 見圖 2。23D 打印技術在食品行業的應用圖 3 Foodini 食品打印機打印產品 （餅干、面包）2.23D 食品打印機的應用進展2011 年，英國?？巳卮髮W研究人員開發出世 界首臺 3D 巧

13、克力打印機 18，此后經過技術 改 進 與2012 年正式上市。3D 巧克力打印機使用巧克力漿代2.1 3D 食品打印機3D 食品打印機是將 3D 打印技術應用到食品制造層面上的一種機器，主要由控制電腦、自動化食 材注射器、輸送裝置等幾部分組成，它所制作出的 食物形狀、大小和用量都由電腦操控，其工作原理建筑：建筑工 程 、 施 工 模 擬、效果展示生物醫療：骨骼 、 生 物 組 織、牙齒、皮 膚、假體植入機械制造：汽 車 、 零 件 生 產、家電產品食 品 ： 甜 品糕點、巧克力 肉制品、披薩 漢堡、零食配 件 服 飾 ：服裝、鞋類、 珠寶、創意、 DIY 作品工業制造：模具 模 型 、 玩

14、具 、 原 型 制 造、概念設計航天：外形驗證、直接產品 制造、精密熔 模鑄造文物保護：文化創意、數碼 娛樂、個性化 定制2014 年第 8 期· 59 ·陳 妮：3D 打印技術在食品行業的研究應用和發展前景替油墨進行巧克力打印，同時使用保溫和冷卻系統，每層巧克力打印后經過凝固過程，再打印下一層，打印形狀豐富各異，受到了消費者的廣大喜愛。3D 巧克力打印見圖 4。常見 3D 打印食品 （披薩） 見圖 5。圖 4 3D 巧克力打印FabHome 是國外很受歡迎的一個網絡實驗室項目，旨在利用 3D 打印技術將個人制造送到消費者身邊。Fab Home 的注射器工具功能獨特，可以生

15、產 包括不銹鋼、水泥、自行車鏈輪、玩具零件以及各 種食品，其中食品打印是最受歡迎的產品之一。3D 打印食品原料簡易，多為粉末或液漿，搭配 方便，易保存且保質期長，這些特征使其在航天食品領域得以應用。2013 年美國宇航局19-20投資研究經費開發 3D 食品打印機，方便宇航員在空間作業時使用?？梢詭ヌ盏男迈r食品類型有限，而 3D 食品 打印機即能提供新鮮食物又保證營養，同時設備體積小節省空間。Lipton J 等人21研究發現，在使用簡單的添加劑和修改傳統的食譜之后可以打印復雜的幾何圖形，經過煮制后成型完好。該試驗在扇貝肉泥和火雞肉 泥中添加轉谷氨酰胺酶，打印成半球型，經行煮制后發現成品可

16、達到期望的良好球面形狀。在此基礎 上，又成功打印凝膠芹菜夾心的土耳其肉餅，肉餅 形狀保持立方體，且內部的凝膠夾心也完好保留并 無露餡。傳統的餅干多采用模具來進行表面圖案的印刻 和形狀的固定，由于油脂作用，經過烘焙之后往往無法保持應有形狀，不適合復雜細致的幾何印花 。而該研究采用 3D 打印技術，在適當的改變配方之后，制成的餅干可以保持完美的形狀，可以印制復雜的形狀。該研究在打印糕點的制作實驗中還發現， 糕點打印后先速凍、后烤制可以有效地保留內部夾 層圖案跟形狀。Periard D 等人22表示，食品打印多用于難以手工 制作的食品制造上，例如某些食品雖然材料單一， 但需要比較復雜的制作方式，手工

17、很難完成，而采用食品打印就方便快捷多了。Periard D 認為食品打印有兩大優點：適用性廣，操作簡單方便使用，即使沒有技術背景的用戶也可以很快熟悉食品打印機的使用；食品打印具有很大的創作空間，靈活 性高，對于創意非凡的廚師以及其他使用者，是很大的創意施展平臺。圖 5 常見 3D 打印食品 （披薩）33D 食品打印機的潛在問題及解決方案相比與當前包括打印機等大多數擠壓系統，3D食品打印系統還有很長的路要走。一些物品，如加 工過的奶酪、巧克力等很容易打印。例如，使用裝 滿融化的巧克力漿注射器澆筑一個計算機程序規定的形狀，但其他材料 （如水果、蔬菜和肉類等） 具 有不同的黏度、彈性、加工溫度，對食

18、品打印是一 個挑戰，這需要更進一步的研究和試驗。對于 3D 食品打印的應用和推廣，主要存在三大 問題：3D 食品打印機由于上市時間短，價格較 高，屬高端家電，購置需要定制，導致其銷售范圍 受局限，商業化能力相對較弱，一般購置對象是企業機構、研究所或一些商戶，而不適合中小家庭消費；國內的 3D 食品打印技術相對薄弱且研究資金投入不足，雖然已有部分企業能自主制造 3D 打印設 備，但還不具備制造 3D 食品打印機的能力；3D打印缺乏教育培訓和社會推廣，現今市面上關于 3D打印技術的教材書籍數量有限，導致 3D 技術的認識和了解僅限于部分研究學者、產業制造者以及興趣 愛好人士的小范圍人群，使 3D

19、食品的推廣受到牽制23。對于上述問題，解決的首要關鍵在于教育宣傳 和技術強化，可以將 3D 打印設為課程，人才培養與 資金投入同步，加強技術強化，推動產業化生產。4 3D 食品打印機的發展前景3D 打印技術是經濟危機下催生出的一項新技 術，被譽為推進第三次工業革命發展的因素之一 。 經過 30 多年的探索和發展，3D 打印技術已取得了 很大進步。在 Gartner 2012 年發布的 新技術炒作周期 24中表示，3D 打印技術將在 5 年之內發展成熟并進入收益市場。Frost & Sullivan 機構發布的 2012 年全 球 3D 打印市場研究報告 中，對中國 3D 打印市場 的現

20、狀及發展方向進行重點關注。美國 時代周刊· 60 ·農產品加工（學刊）2014 年第 8 期將 3D 打印產業列為“2012 年美國十大增長最快的工業”，而我國在 2013 年“兩會”后首次將 3D 打印產業列入“國家高技術研究發展計劃 （863 計劃）”。我國的 3D 打印技術雖然還不嫻熟，研究進度慢、市場小，但隨著后期的開發和不斷進步，中國3D 打印在各領域的應用將日趨見長，市場潛力大，有著良好的發展空間，有望逐步實現商品化。發展 3D打印產業，可以促進我國各領域的發展，帶動經濟發展。政府應加強關注和重視，在資金上予以支持，重 點培養技術，促進我國的 3D 打印產業快速

21、發展。3D 食品打印操作簡便，制作速度快，食材搭配靈活，創作空間高。產品特征鮮明多樣，口感獨特， 方便咀嚼，有趣好玩，營養好吃，其消費人群不受年齡限制，不僅吸引孩童，更方便老年人以及進食 困難、吞咽困難的病人等。相信隨著 3D 技術的高速 發展和廣泛應用，3D 食品打印的市場空間和銷售范 圍也會不斷增大。參考文獻：Characterization and biocompatibility investigations J . Journal of Biomedical Materials Research Part B： Applied Biomaterials，2010，93 （1）：212

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