三D食品打印关键技术研究应用的最新进展.doc

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1、3D食品打印技术研究最新进展 摘要：3D食品打印是指运用3D打印技术将原料按照“逐级打印，堆叠成型”原理来生产食品。3D食品打印技术具备以便、灵活、个性化等特点， 对于老式食品加工以及人们生活方式正产生着巨大影响。回顾了3D食品打印技术发展历程， 系统地简介了3D食品打印技术软、硬件原理以及在甜点、肉制品和航空制品中应用状况， 指出了3D食品打印存在问题并提出了相应解决方案，引导3D食品打印技术健康迅速发展。核心词：3D食品打印； 原理； 软件； 问题； 前景3D打印（3D Printing）技术，此前普通称为迅速成型（RP）技术，按照“逐级打印，堆叠成型”来生产产品，这项革命性技术诞生于20

2、世纪80年代，英国经济学人杂志在第三次工业革命一文中，将该技术作为第三次工业革命重要标志之一，该技术在模具制造、工业设计、建筑、医疗产业、地理信息系统和航天等领域均有广泛应用。近年来，由于3D打印技术具备以便、灵活、速度快、精度高、个性化等特点，以及人们对3D打印技术在新领域不断尝试，3D打印在食品领域呈现了全新应用。3D食品打印技术不但可以丰富食品样式，改良食品品质，满足个性化需求，增长使用者生活乐趣，还可以提供科学合理营养饮食，消费者可以进行营养订制，计算机将依照不同人群所需营养比例对材料盒中食物原料进行配备，打印出合用于不同营养需求青少年、老人、孕妇和病人食品，而老式食品生产主线无法满足

3、人们这样需求，因而，3D食品打印技术具备非常好发展前景，对人们生活将会产生巨大影响。1 3D食品打印技术原理1.1 3D打印原理3D打印技术通过度层制造、逐级叠加方式生产产品，被称为“增材制造”，这种制造方式区别于老式“去除型”制造，3D打印技术可直接依照计算机图形数据，使用增材制造办法制成任何形状产品，还可以简化产品制造程序，缩短产品研制周期，从而提高效率。1.2 3D食品打印流程3D食品打印机工作原理和操作办法与普通3D打印机相似，重要由控制电脑、自动化食材注射器、输送装置等几某些构成。打印前将可食用食物材料和有关配料放入容器内，输入食谱，启动“打印”按键后，注射器上喷头就会将食材逐行、逐

4、级地铺上去，打印出立体食物产品。使用者可以充分发挥想象力和创造力，无需机械加工或模具，只需要通过调节电脑中CAD制作3D模型来自主决定食物形状、高度、体积等，打印出各式各样有趣食物产品。打印流程为：三维设计模型（或3D扫描）原料预解决墨盒加料切片解决叠加打印打印完毕表面修整。2 3D食品打印技术研究进展2.1 3D食品打印机械设备研究进展世界上第一台3D食品打印机是由西班牙创业公司Natural Machines研制，名为Foodini。内设5个所谓“墨盒”用来存储碳水化合物、蛋白质和其她营养物质制成食材，就犹如普通打印机装有不同颜色墨盒同样，但是Foodini并不能让烹饪过程完全实现自动化，

5、也不能烹制食品。但是，由于采用一种加热组件，它也许让食品保温。食品打印机还需不断完善。美国纽约康奈尔大学开发出专门用于制造食物3D注射型打印设备，原料重要是液态食物，可以逐点逐级打印出可口饭菜。同年，英国埃克塞特大学研究人员制作出世界首台以巧克力为原料3D打印机，可以用来打造属于自己个性巧克力，此打印机通过技术改进。于进入市场，它是以巧克力浆作为墨汁来进行打印，还具备保温和冷却系统。，德国公司Biozoon研发出一款食物3D打印机，用来为老年人制作美味可口又易于吞咽食品，其中食品级凝结剂可以让逐级形成食物融合为一种整体，保证打印出来食物形状完整并且精美。同年，美国Serizawa等也开发了一种

6、3D食用胶打印机来为不能吞咽食物老人打印柔软食品。5月，郝亮开发出第二代巧克力3D打印机Choc Creator 2.0，作为升级版本，新一代3D巧克力打印机以融化巧克力为“油墨”，可以迅速精准地打印出客户定制图案或模型，例如一只蝴蝶图案巧克力，打印只需5min。2.2 3D食品打印技术软件概述2.2.1 3D建模软件3D打印前提是打印模型建立，这就需要一款可以应用于打印设备建模软件。随着技术发展，当前可以绘制3D图形软件有诸多，但当前3D打印设备仅辨认STL格式文献。可以生成该文献3D建模软件大体分为两种类型，一种重要用于艺术创作设计，另一种则重要应用于工业设计。2.2.1.1 艺术创作设计

7、类艺术设计类软件可以通过调节点、线、面等进行细微勾勒，非常圆润进行过渡，能完美地呈现出物体，适合设计复杂工艺构造图形。建模软件重要涉及MAYA，3DMAX，Modo和Zbrush。MAYA和3DMAX功能超级强大，被广泛地应用于电视行业以及娱乐行业中；Modo是一款具备许多高档技术综合性3D软件，内部设立有各种3D建模板块；Zbrush优势是笔刷雕刻建模，普通对人物角色细微雕琢多使用Zbrush。2.2.1.2工业设计类工业设计类软件可以实现对物体参数化建模，通过参数设计，直接生成3D模型。建模软件重要涉及：Skech Up，Solid Works，PROE和UG。Sketch Up是Goog

8、le一种免费交互式3D模型程序，不但适合高档顾客，也适合初学者，比起CAD程序更为直观简便；Solid Works具备功能强大、易学易用和技术创新三大特点；UG可以满足顾客虚拟产品设计和工艺设计需求，提供通过实践验证解决方案，在产品设计上拥有强大参数化设计和直接建模设计能力，很适合做个性化产品设计；PROE比UG功能略弱某些，在绘制精度方面往往不如UG。2.2.23D扫描技术普通使用测量工具得到产品尺寸，存在这较大测量误差，往往不能满足建模精度。在某些状况下，甚至无法通过测量工具直接获得物体尺寸。因而，在3D打印过程中测量数据普通由3D扫描技术来完毕。3D扫描技术是运用三维扫描仪，用来侦测并分

9、析物体及环境形状、构造与外观数据。采集数据信息用于三维模型重塑计算，从而构建虚拟数字模型。可以将3D食品打印技术和3D扫描技术相结合，制作出更加具备特色新产品，例如，可以扫描并打印出带有新郎、新娘头像糖果、巧克力等礼物用以赠送亲友。2.3 3D食品打印技术在各类食品中应用3D食品打印对原料限制小，对于生熟、新鲜抑或冰冻没有规定，只需在使用前将其绞碎、混合后制成粉末、液浆或糊状。搭配以便，易保存且保质期长。随着食品打印原料不断丰富和食品打印技术不断完善，可以被3D打印食品越来越多，就3D食品打印重要应用领域作简要简介。2.3.1 3D食品打印技术在甜点中应用3D打印技术在食品领域最早应用是打印出

10、3D蛋糕。糖果实验室引进3D系统之后成功地使用白糖打印出自定义形状产品。康奈尔大学机械实验室依照内部几何学成功地打印出个性化3D曲奇。此外，3D食品打印在甜点领域发展最佳还是巧克力产品制作，巧克力具有各种营养成分，具备良好口感和风味，已经逐渐成为一种营养、健康、高档消费品。3D巧克力打印机浮现之后，消费者可以运用它自行设计、制造个性化巧克力产品，这使得巧克力生产不再局限于工厂，也使得巧克力消费进入一种新阶段。2.3.2 3D食品打印技术在肉制品中应用中华人民共和国是一种拥有13亿人口大国，肉类市场前景辽阔，潜力巨大。3D打印人造肉可以实现人们对于肉制品各种需求，消费者可以依照所需营养比例对原料

11、进行配备，依照对肉制品形态和质构需求对3D模型进行调节，打印出适合于小朋友、青少年、老人、孕妇和病人等饮食所需要科学又能产生食欲肉制品，同步又能减少对环境危害。李嘉诚率先运用3D打印出了人造肉，她先将真实肉打成肉糜，再用专用食品黏合剂、若干调料作为油墨，之后通过3D建模，设计出心仪形状进行打印，但打印出3D人造肉味道与肉糜味道相差无几，所想即所得仅只在形状上满足了而已。这种看起来很美，吃起来很软3D打印肉，目的消费人群基本上是老年人和吞咽、咀嚼困难病人。但如果用微小人造血管构造肉立体框架，再通过3D打印技术在血管之间填充脂肪、蛋白质，形成肌纤维和肌肉组织。提前设计好打印程序后，由技术人员按照真

12、正肉类所含营养元素往里添加原料，采用水基溶胶凝胶法，再配合特殊糖分子构造，做成鲜肉特别有弹性，并且烹饪后肉质松散有嚼头，丝毫不逊于真正肉。美国宾夕法尼亚大学已经运用糖、脂肪、蛋白质和肌肉细胞等原材料打印出人造肉，其在外观、口感和纹理上都与真肉十分相近，就连肉里微细血管都能打印出来。此外，Lipton J等向扇贝肉泥和火鸡肉泥中添加转谷氨酰胺酶，将其打印成半球型，通过煮制后发现成品可达到盼望良好球面形状；之后又成功打印凝胶芹菜夹心土耳其肉饼，肉饼形状可以保持立方体，且内部凝胶夹心也完好保存并无露馅。3D打印人造肉还可以运用全新食材，例如富含蛋白质昆虫、植物蛋白等，运用3D打印机制成健康营养人造肉

13、。打印成食品或允许以某些缓和与粮食产量有关食品供应问题，从而开辟一种粮食生产和食品来源新途径。2.3.33D打印技术在航空制品中应用宇宙空间是各国必争之地，随着载人航天技术和空间站技术成熟，宇航员在太空中停留时间将会越来越长，而在长期生命保障系统研制和应用中，食品供应与服务在整个生命保障系统中显得尤为重要。但可以带去太空新鲜食品类型有限，3D食品打印原料简易，可随意搭配，容易保存，并且碳水化合物、蛋白质及微量元素在无水分粉末状态下，可以保存30年，宇航员可以依照食谱配方，运用携带原料打印出各式各样新鲜又美味食品；不但如此，3D食品打印机还可以从食物和营养角度最大限度地满足宇航员心理和生理需求，

14、保障宇航员身体健康和高效工作。美国国家航空航天局已开发出了一种可打印出“披萨”、营养面糊及各种其她3D食品，特供宇航员在太空使用。3D食品打印可以使宇航员拥有一种超级浓缩厨房，有效地节约太空舱空间，可以辅助人类完毕更具备挑战性太空摸索任务。33D食品打印存在问题及解决方案3D食品打印加工技术是食品加工业革命性创新发展，可以在将来解决国内食品加工业和食品产业面临许多问题，但是当前仍处在起步研究阶段，要想成为主流生产制造技术，还面临着一系列疑问和挑战。3.13D食品打印安全性3D食品打印机打印出来每件产品都是用来食用，必要保证其安全性。此外，研究人员还需对选用有关食材、打印出食品微生物检测、剩余原

15、料保藏和产品贮藏等问题进行进一步摸索研究。3.2 3D食品打印价格与成本3D打印技术需要以CAD计算机设计为支撑，这就需要精通CAD软件设计和机械制图原理，同步具备高超编程实现技术专业人才，但当前这种人才比较缺少，并且国内研究资金投入局限性，导致3D食品打印技术比较薄弱，食品打印效率较低，成本相对较高，批量化、规模化生产受到限制，商业化能力相对较弱。但是，随着国内人工成本不断增长和3D打印技术成熟与推广，3D打印价格会不断下降。此外，在生产个性化、造型复杂食品生产中，3D打印成本反而比老式生产方式成本更低。3.33D食品打印推广3D食品打印技术当前还属于起步阶段，对于3D打印技术结识和理解不多

16、，仅限于研究学者、产业制造者以及兴趣兴趣人士，缺少教诲培训和社会推广。要解决上述问题，需要加强宣教、强化相应技术，还可以将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。3.43D食品打印原料限制3D打印食品原料需制成液体、糊状或粉状食材，当前多适应以浆料状等原料打印食品，如巧克力、糕点和糖果等。但中华人民共和国某些老式原料在打印过程中会产生产品质量得不到保证问题，如面粉糊打印精度过高会产生喷头堵塞，导致打印精度减少，产品质量得不到保障等问题，需要不断改进技术来加以解决。4 结语与展望3D打印技术是一种新兴高科技技术，有其独特运作模式和巨大作用，被誉为推动第三次工业革命

17、发展因素之一。它最突出优势就是无需机械加工或模具，只需通过电子制图、数据远程传播、激光扫描、熔化材料等一系列技术将材料叠层就可以打印出实物，大大地缩短了食品研发和加工时间。对于生产者来说，3D打印技术可大幅减少生产线从而减少生产成本，提高原材料使用效率和食品生产效率，减少对环境影响。许多专家以为，这种技术代表制造业发展新趋势。虽然当前3D食品打印技术仍处在起步阶段，尚有许多问题需要解决，但是随着技术不断发展，各种各样3D食品打印机将会浮现，在不久将来，人们应能打印各种人们构想食物。这样一来，可以丰富食品种类，而随之而来就是一种悠久职业厨师，有也许面临挑战。3D食品打印技术市场潜力巨大，有着辽阔发展空间，有望逐渐实现商业化生产。政府应高估注重，政策上积极引导，并在资金上予以大力支持，加强培养人才和增进技术进步，加快国内3D食品打印产业发展，同步带动国内有关领域发展。