摘要：3D食品打印是指利用3D打印技术将原料按照“逐层打印, 堆叠成型”的原理来生产食品。3D食品打印技术具有方便、灵活、个性化等特点, 对于传统的食品加工以及人们的生活方式正产生着巨大的影响。回顾了3D食品打印技术的发展历程, 系统地介绍了3D食品打印技术的软、硬件原理以及在甜点、肉制品和航空制品中的应用情况, 指出了3D食品打印存在的问题并提出了相应解决方案, 引导3D食品打印技术健康快速发展。
关键词：3D食品打印； 原理； 软件； 问题； 前景
3D打印（3D Printing）技术，以前通常称为快速成型（RP）技术，按照“逐层打印，堆叠成型”来生产产品，这项革命性的技术诞生于20世纪80年代，2012年英国《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的重要标志之一，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都有广泛应用。近年来，由于3D打印技术具有方便、灵活、速度快、精度高、个性化等特点，以及人们对3D打印技术在新领域的不断尝试，3D打印在食品领域呈现了全新的应用。
3D食品打印技术不仅能够丰富食品样式，改良食品品质，满足个性化的需求，增加使用者生活的乐趣，还可以提供科学合理的营养饮食，消费者可以进行营养订制，计算机将根据不同人群所需营养的比例对材料盒中的食物原料进行配置，打印出适用于不同营养需求的青少年、老人、孕妇和病人食品，而传统的食品生产根本无法满足人们这样的需求，因此，3D食品打印技术具有非常好的发展前景，对人们的生活将会产生巨大的影响。
1 3D食品打印技术的原理
1.1 3D打印原理
3D打印技术通过分层制造、逐层叠加的方式生产产品，被称为“增材制造”，这种制造方式区别于传统的“去除型”制造，3D打印技术可直接根据计算机图形数据，使用增材制造的方法制成任何形状的产品，还可以简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，从而提高效率。
1.2 3D食品打印流程
3D食品打印机的工作原理和操作方法与普通3D打印机相似，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。打印前将可食用的食物材料和相关配料放入容器内，输入食谱，开启“打印”按键后，注射器上的喷头就会将食材逐行、逐层地铺上去，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制作的3D模型来自主决定食物的形状、高度、体积等，打印出各式各样有趣的食物产品。
打印的流程为：三维设计模型（或3D扫描）→原料预处理→墨盒加料→切片处理→叠加打印→打印完成→表面修整。
2 3D食品打印技术的研究进展
2.1 3D食品打印机械设备的研究进展
世界上第一台3D食品打印机是由西班牙创业公司Natural Machines研制的，名为Foodini。内设5个所谓“墨盒”用来存储碳水化合物、蛋白质和其他营养物质制成的食材，就如同普通的打印机装有不同颜色的墨盒一样，但是Foodini并不能让烹饪过程完全实现自动化，也不能烹制食品。不过，由于采用一个加热组件，它可能让食品保温。食品打印机还需不断完善。
2011年美国纽约康奈尔大学开发出专门用于制造食物的3D注射型打印设备，原料主要是液态食物，可以逐点逐层打印出可口的饭菜。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的3D打印机，可以用来打造属于自己的个性巧克力，此打印机经过技术改进。于2012年进入市场，它是以巧克力浆作为墨汁来进行打印，还具有保温和冷却系统。
2014年，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的食品，其中的食品级凝结剂能够让逐层形成的食物融合为一个整体，确保打印出来的食物形状完整并且精美。同年，美国的Serizawa等也开发了一个3D食用胶打印机来为不能吞咽食物的老人打印柔软的食品。
2014年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，新一代的3D巧克力打印机以融化的巧克力为“油墨”，能够快速精确地打印出客户定制的图案或模型，比如一只蝴蝶图案的巧克力，打印只需5min。
2.2 3D食品打印技术软件的概述
2.2.1 3D建模软件
3D打印的前提是打印模型的建立，这就需要一款能够应用于打印设备的建模软件。随着技术的发展，现在可以绘制3D图形的软件有很多，但目前3D打印设备仅识别STL格式的文件。能够生成该文件的3D建模软件大致分为两种类型，一种主要用于艺术创作设计，另一种则主要应用于工业设计。
2.2.1.1 艺术创作设计类
艺术设计类软件可以通过调整点、线、面等进行细微的勾勒，非常圆润的进行过渡，能完美地展现出物体，适合设计复杂的工艺结构图形。建模的软件主要包括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是一款具备许多高级技术的综合性3D软件，内部设置有多个3D建模板块；Zbrush的优势是笔刷雕刻建模，通常对人物角色的细微的雕琢多使用Zbrush。
2.2.1.2 工业设计类
工业设计类软件能够实现对物体的参数化建模，通过参数的设计，直接生成3D模型。建模软件主要包括：Skech Up，Solid Works，PROE和UG。Sketch Up是Google的一个免费交互式的3D模型程序，不仅适合高级用户，也适合初学者，比起CAD程序更为直观简便；Solid Works具有功能强大、易学易用和技术创新三大特点；UG可以满足用户虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供经过实践验证的解决方案，在产品设计上拥有强大的参数化设计和直接建模设计的能力，很适合做个性化产品的设计；PROE比UG功能略弱一些，在绘制精度方面往往不如UG。
2.2.2 3D扫描技术
通常使用测量工具得到的产品尺寸，存在这较大的测量误差，往往不能满足建模精度。在一些情况下，甚至无法通过测量工具直接获得物体的尺寸。因此，在3D打印过程中测量数据通常由3D扫描技术来完成。3D扫描技术是利用三维扫描仪，用来侦测并分析物体及环境的形状、构造与外观数据。采集的数据信息用于三维模型重塑计算，从而构建虚拟的数字模型。可以将3D食品打印技术和3D扫描技术相结合，制作出更加具有特色的新产品，例如，可以扫描并打印出带有新郎、新娘头像的糖果、巧克力等礼品用以赠送亲友。
2.3 3D食品打印技术在各类食品中的应用
3D食品打印对原料限制小，对于生熟、新鲜抑或冰冻没有要求，只需在使用前将其绞碎、混合后制成粉末、液浆或糊状。搭配方便，易保存且保质期长。随着食品打印原料的不断丰富和食品打印技术的不断完善，能够被3D打印的食品越来越多，就3D食品打印的主要应用领域作简要介绍。
2.3.1 3D食品打印技术在甜点中的应用
3D打印技术在食品领域的最早应用是打印出3D蛋糕。2013年糖果实验室引进3D系统之后成功地使用白糖打印出自定义形状的产品。康奈尔大学机械实验室根据内部几何学成功地打印出个性化的3D曲奇。
此外，3D食品打印在甜点领域发展最好的还是巧克力产品的制作，巧克力含有多种营养成分，具有良好的口感和风味，已经逐渐成为一种营养、健康、高档的消费品。3D巧克力打印机出现之后，消费者可以利用它自行设计、制造个性化的巧克力产品，这使得巧克力的生产不再局限于工厂，也使得巧克力的消费进入一个新的阶段。
2.3.2 3D食品打印技术在肉制品中的应用
中国是一个拥有13亿人口的大国，肉类市场前景广阔，潜力巨大。3D打印人造肉可以实现人们对于肉制品的各种需求，消费者可以根据所需营养的比例对原料进行配置，根据对肉制品的形态和质构的需求对3D模型进行调整，打印出适合于儿童、青少年、老人、孕妇和病人等饮食所需要的科学又能产生食欲的肉制品，同时又能降低对环境的危害。
李嘉诚率先利用3D打印出了人造肉，他先将真实的肉打成肉糜，再用专用的食品黏合剂、若干调料作为油墨，之后通过3D建模，设计出心仪的形状进行打印，但打印出的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，吃起来很软的3D打印肉，目标消费人群基本上是老年人和吞咽、咀嚼困难的病人。
但如果用微小的人造血管构造肉的立体框架，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，由技术人员按照真正肉类所含的营养元素往里添加原料，采用水基溶胶凝胶法，再配合特殊的糖分子结构，做成的鲜肉特别有弹性，而且烹饪后肉质松散有嚼头，丝毫不逊于真正的肉。美国宾夕法尼亚大学已经利用糖、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，就连肉里的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，经过煮制后发现成品可达到期望的良好球面形状；之后又成功打印凝胶芹菜夹心的土耳其肉饼，肉饼形状可以保持立方体，且内部的凝胶夹心也完好保留并无露馅。
3D打印人造肉还可以利用全新的食材，比如富含蛋白质的昆虫、植物蛋白等，运用3D打印机制成健康营养的人造肉。打印成的食品或许可以部分缓解与粮食产量相关的食品供应问题，从而开辟一种粮食生产和食品来源的新途径。
2.3.3 3D打印技术在航空制品中的应用
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的成熟，宇航员在太空中停留的时间将会越来越长，而在长期生命保障系统的研制和应用中，食品的供应与服务在整个生命保障系统中显得尤为重要。但可以带去太空的新鲜食品类型有限，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的粉末状态下，可以保存30年，宇航员可以根据食谱的配方，利用携带的原料打印出各式各样新鲜又美味的食品；不仅如此，3D食品打印机还能够从食物和营养的角度最大限度地满足宇航员心理和生理需求，保障宇航员的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”、营养面糊及各种其他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个超级浓缩的厨房，有效地节省太空舱的空间，可以辅助人类完成更具有挑战性的太空探索任务。
3 3D食品打印存在的问题及解决方案
3D食品打印加工技术是食品加工业革命性的创新发展，能够在未来解决我国食品加工业和食品产业面临的许多问题，但是目前仍处于起步研究阶段，要想成为主流的生产制造技术，还面临着一系列的疑问和挑战。
3.1 3D食品打印的安全性
3D食品打印机打印出来的每件产品都是用来食用的，必须保证其安全性。此外，研究人员还需对选用的相关食材、打印出的食品的微生物检测、剩余原料的保藏和产品贮藏等问题进行深入的探索研究。
3.2 3D食品打印的价格与成本
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，同时具有高超的编程实现技术的专业人才，但目前这种人才比较缺少，而且国内的研究资金投入不足，导致3D食品打印的技术比较薄弱，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，随着我国人工成本的不断增长和3D打印技术的成熟与推广，3D打印价格会不断下降。此外，在生产个性化、造型复杂的食品生产中，3D打印的成本反而比传统生产方式的成本更低。
3.3 3D食品打印的推广
3D食品打印技术目前还属于起步阶段，对于3D打印技术的认识和了解不多，仅限于研究学者、产业制造者以及兴趣爱好人士，缺乏教育培训和社会推广。要解决上述问题，需要加强宣传教育、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。
3.4 3D食品打印原料的限制
3D打印食品的原料需制成液体、糊状或粉状的食材，目前多适应以浆料状等原料打印的食品，如巧克力、糕点和糖果等。但中国一些传统原料在打印过程中会产生产品质量得不到保证的问题，如面粉糊打印精度过高会产生喷头堵塞，导致打印精度降低，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的高科技技术，有其独特的运作模式和巨大的作用，被誉为推进第三次工业革命发展的因素之一。它最突出的优势就是无需机械加工或模具，只需经过电子制图、数据远程传输、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的时间。对于生产者来说，3D打印技术可大幅减少生产线从而降低生产成本，提高原材料的使用效率和食品的生产效率，减少对环境的影响。许多专家认为，这种技术代表制造业的发展新趋势。虽然目前3D食品打印技术仍处于起步阶段，还有许多问题需要解决，但是随着技术的不断发展，各种各样的3D食品打印机将会出现，在不久的将来，人们应能打印各种人们构想的食物。这样一来，可以丰富食品的种类，而随之而来的就是一种悠久的职业——厨师，有可能面临挑战。
3D食品打印技术市场潜力巨大，有着广阔的发展空间，有望逐步实现商业化生产。政府应高估重视，政策上积极引导，并在资金上予以大力支持，加强培养人才和促进技术进步，加快我国的3D食品打印产业发展，同时带动我国相关领域的发展。
