食品3D打印技术的发展现状

第34卷第16期农业工程学报Vol.34No.162018年8月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringAug.2018265食品3D打印技术的发展现状刘倩楠1，张春江1，张良1，胡小佳1，余永名2，胡宏海1，黄峰1，田芳1，谭瑶瑶1,2，戴小枫1,2，张泓1,2※（1.中国农业科学院农产品加工研究所，农业部农产品加工重点实验室，北京100193；2.中国农业科学院合肥食品营养与健康创新研究院，合肥238000）摘要：近年来，食品3D打印技术发展迅速，呈现的形式也多样化。该文介绍了挤出型、粉体凝结型和喷墨型食品3D打印技术的工作原理、应用范围、优缺点及市场应用情况。同时，3D打印的食品原料需要满足3个特性：打印性、适宜性和后加工性。目前，制约食品3D打印技术发展的因素主要是打印原料的局限性、流动性、打印速度、打印后模型的稳定性等。同时亟需将食品3D打印技术与食品营养学科相结合，在开发不同人群或个性化营养需求食品制造上寻找到突破口，为营养健康食品产业带来新革命。关键词：食品；加工；3D打印；成型原理；个性化营养doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.034中图分类号：TS219文献标志码：A文章编号：1002-6819(2018)-16-0265-09刘倩楠，张春江，张良，胡小佳，余永名，胡宏海，黄峰，田芳，谭瑶瑶，戴小枫，张泓.食品3D打印技术的发展现状[J].农业工程学报，2018，34(16)：265－273.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.034[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2018,34(16):265－273.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.034引言3D打印是迅猛发展的快速成型技术催生而出的一项新兴技术。3D打印技术又称为“增材技术”，可将金属、塑料、橡胶、石膏等材料通过熔融挤出、粉末烧结、光敏反应等途径制造出预先设定的形状。由于该技术能将复杂的加工工艺进行数字化操作，具有精度高、速度快、成本低等优势，因此被认为是推动工业4.0变革的重要技术手段。3D打印技术首先在生物器官、汽车制造、房屋建造等方面取得了突破进展，但是在食品制造领域也已崭露头角[1-3]。目前消费者对食品的关注主要集中在营养、口味、外观和方便性等方面。中国居民的膳食营养结构不平衡是影响国民健康的重要因素，因此越来越多的消费者更关注食品的营养[4-8]。将3D打印技术引入营养健康食品加工领域，采用多品种的原料混合复配，使蛋白、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质及其他功能因子等营养素成分按照需求比例加以平衡[2]，在满足原料3D加工适宜性的前提下，打印成为营养均衡、美味可口、外观优美、方便食用的新型食品，实现对团体人群或个性化精准营养的配餐供应，应用前景十分广阔。收稿日期：2017-11-16修订日期：2018-06-12基金项目：中央级科研院所基本科研业务费专项（S2016CB02），中国农业科学院科技创新工程协同创新任务（CAAS-XTCX2016005）和公益性行业（农业）科研专项（201503001-2）联合资助作者简介：刘倩楠，助理研究员，主要从事食品装备和食品3D打印的研究。Email：[e-mail]※通信作者：张泓，研究员，博士，主要从事传统食品加工与装备的研究。Email：[e-mail]1食品3D打印的方式1.1挤出型食品3D打印挤出型食品3D打印通过数字化控制挤出过程，按照设定的路径一层一层地打印，昀终得到三维食品。挤出型食品3D打印是食品打印的一种重要形式，可以实现数字化的三维设计和食品的营养控制[2]。该打印方式操作简单，但是对食品物料的流动特性要求较高。挤出型3D打印首先根据加工需要设计三维模型，然后通过三维软件建立立体模型，随后将建立的立体模型输入到3D打印机系统内，在3D打印机上设定操作参数，并结合物料加工特性制定物料的加工流程，如图1所示[3]。图1挤出型食品3D打印的工艺流程Fig.1Processflowchartofextrusion-basedfood3Dprinting农业工程学报（）2018年2661.1.1挤出型食品3D打印坐标形式挤出型食品3D打印的驱动路径需通过坐标系实现。目前应用到食品3D打印机中的坐标系主要有4种形式：笛卡尔（Cartesian）坐标、三角（delta）坐标、极（polar）坐标和平面关节（scara）坐标，如图2所示[2]。图2挤出型食品3D打印坐标形式Fig.2Extrusion-basedfood3Dprinterconfiguration1）笛卡尔（Cartesian）坐标笛卡尔坐标的食品3D打印机共有x、y和z3个坐标轴，打印喷头和模型之间可以前后、左右和上下的相对运动，如图2a所示。该坐标应用在3D打印上，目前有3种常用的实现形式。第1种是下方底板不动，上方打印喷头按照预定的程序实现x、y和z3个坐标轴的运动，例如西班牙NaturalMachines食品3D打印机Foodini[9]如图3a；第2种是底板实现Z轴方向的上下运动，上方打印喷头实现x-y坐标轴方向的运动，例如江苏食品药品职业技术学院孙铁波等人研制的3D奶油打印机[10]和中国农业科学院农产品加工研究所研制的食品3D打印机，如图3b；第3种是底板实现Y轴方向的前后运动，上方打印喷头实现x-z坐标轴方向的运动[2]。由于笛卡尔坐标系的3D食品打印机设计简单，容易维护和校准，控制精准，控制程序简单，昀初的3D食品打印机多采用该坐标系完成打印。但打印速度慢、组成机构复杂和价格相对昂贵等因素是制约该坐标系打印机发展的瓶颈。图3笛卡尔坐标食品3D打印机Fig.3Food3DprinterofCartesianconfiguration2）三角（delta）坐标三角（delta）坐标的食品3D打印机喷头通过3个机械手臂控制，类似于机械手，其底座固定不动，通过3个机械手臂带动打印喷头实现空间的几何运动，如图2b所示。目前，市场上常见的三角（delta）坐标的食品3D打印机有Pinya3[11]和波兰的Tytan3D[12]（图4）。图4三角坐标食品3D打印机Fig.4Food3DprinterofDeltaconfiguration与笛卡尔坐标的食品3D打印机相比，三角坐标的食品3D打印机由于结构简单，使得3D打印机制造成本更低。三角坐标食品3D打印机的打印速度较快，能在短时间内制作1个体积比较大的食品，但是打印的精度相对较低，控制程序比较复杂。由于三角坐标的食品3D打印机加速或者减速比较快，容易造成振动，不利于打印食品的稳定性[2]。3）极（polar）坐标极坐标的食品3D打印机由底盘、挤出喷头和支杆组成。底盘可实现旋转运动，挤出喷头可实现上下移动和绕支杆的旋转运动[2]。目前市场上的极坐标食品3D打印机有荷兰的TNO食品3D打印机（图5a）[3,8]和XOCO巧克力3D打印机（图5b）[13]。根据极坐标的食品3D打印机的机械构成特点，该形式的食品3D打印机的打印速度较快，但是打印的食品形状受限制，仅能打印以圆形为基础路径的空间形状。图5极坐标食品3D打印机Fig.5Food3DprinterofPolarconfiguration4）平面关节（scara）坐标平面关节坐标的食品3D打印机设计思想源于机器人的手臂，2根可相对旋转的连杆实现x、y方向的运动；连杆机构固定在主机上，可实现z方向的上下运动。该类型的食品3D打印机由哥伦比亚大学设计，并制作了许多产品[14-15]，如图6所示。该种形式的食品3D打印机结构设计相对简单，制造成本亦相对较低。不同坐标形式的3D打印机均有优缺点，主要体现在打印速度和打印精度不同。在选择打印机的时候，需综合考虑打印速度和打印精度的影响，选择合适的坐标形式打印机。1.1.2挤出食品3D打印的挤出原理挤出型3D打印机的挤出原理主要有3种方式：注射器式挤出、气压式挤出和螺杆式挤出[2]，如图7所示。第16期刘倩楠等：食品3D打印技术的发展现状2671）注射器式挤出原理注射器式挤出原理的食品3D打印机挤出系统由电机、注射器、柱塞和挤出喷头组成，如图7a。注射器腔体可用于储存食品物料，柱塞由电机转动向下运动，使得注射器内部的物料通过挤出喷头均匀挤出。运用该挤出原理的食品3D打印机主要有英国的ChocCreator（图8a）[9]、3DSystems公司与巧克力食品巨头好时公司合作开发的CocoJet（图8b）[16]以及台湾三维公司的XYZ食品3D打印机（图8c）。注射器式食品3D打印机适用于半固态和固态物料的挤出，例如土豆泥、豆沙等原料。图6哥伦比亚大学的平面关节坐标食品3D打印机Fig.6Food3DprinterofScaraconfigurationmadebyColumbiaUniversity图7挤出型食品3D打印的挤出原理[2]Fig.7Extrusionmechanismsofextrusion-based3Dprinting[2]图8注射器式挤出食品3D打印机Fig.8Syringe-BasedExtrusionfood3Dprinter2）气压式挤出原理气压式挤出原理的食品3D打印机挤出系统由气泵、物料盒和挤出喷头组成，如图7b。物料存放在物料盒中，在气泵中压缩空气的推动下，物料通过挤出喷头挤出。目前应用该挤出原理的食品3D打印机有TNO和Barilla共同开发的意大利面3D打印机（图9）[3]。气压式挤出原理的食品3D打印机适合打印流体状物料，物料流动性较好。压缩空气需要通过消毒和过滤再连接到食品3D打印机。3）螺杆式挤出原理螺杆式挤出原理的食品3D打印机挤出系统由电机、螺杆、物料盒、原料入口处和挤出喷头组成，如图7c。物料通过原料入口处进入物料盒，电机带动螺杆向前挤出物料，昀终物料通过挤出喷头挤出成型[2]。此种挤出形式的空间控制不易实现，目前应用较少。3种挤出原理的食品3D打印机，适合挤出的原料不同。在选择打印机时，根据原料的特性，选择相对应挤出原理的食品3D打印机，从而得到满意的打印食品。图9意大利面3D打印机Fig.9Pasta3Dprinter1.1.3挤出食品3D打印的成型原理挤出食品3D打印机的打印原料状态不同，成型原理也不同，主要有3种形式：常温挤出、加热熔融挤出和凝胶形成挤出，如图10所示[2]。图10挤出型食品3D打印成型原理Fig.10Formingprincipleofextrusion-based3Dprinting1）常温挤出成型常温挤出成型的食品3D打印原料，自身具有一定的黏度，可以相互黏连成型。此种形式打印出来的产品需要通过焙烤、油炸、蒸制等形式进行熟化，如图11所示[15]。打印出来的产品包括披萨、饼干、煎饼等。原料多采用黄油、芝士、面粉、鸡蛋、牛奶等，需要将上述原料混合均匀，形成均匀的固态、半固态或流体状的打印原料。图11常温挤出成型的3D打印食品Fig.113Dprintingfoodofroomtemperatureextrusion农业工程学报（