3D食品打印

3D食品打印是使用多种增材制造技术制造食品的过程。最常见的是，食品级注射器握住打印材料，然后将其通过食品级喷嘴逐层沉积。最先进的3D食品打印机在机上已预先加载了食谱，还允许用户在其计算机、电话或某些IoT设备上远程设计食物。可以定制食物的形状、颜色、质地、风味或营养，这使其在太空探索和医疗保健等各个领域都非常有用。

影响精确和准确的食品印刷的三个总体领域是：材料/成分（粘度、粉末尺寸）、工艺参数（喷嘴直径、印刷速度、印刷距离）和后处理方法（烘烤、微波、油炸）。

可用于打印的食物类型受打印技术的限制。

用于基于挤出的印刷中的常用成分固有地足够柔软，可以从注射器/打印头挤出，并且具有足够高的粘度以保持形状。在某些情况下，添加粉状成分（蛋白质、糖等）以增加粘度，例如，向水中添加面粉会形成可以印刷的糊状物。固有的软性材料包括：

• 菜泥
• 果冻
• 结霜
• 起司
• 土豆泥

可以通过熔化然后挤出该成分来使用某些固体成分，例如巧克力。

粉末状成分：

• 糖
• 巧克力粉
• 蛋白粉

低粘度成分用于表面填充：

• 调味料（比萨饼、辣酱、芥末酱、番茄酱等）
• 有色食品油墨

尽管基于挤出的打印有不同的方法，但是这些方法遵循相同的基本过程。在其上印刷食物的平台包括带有计算机控制挤出头的标准3轴工作台。该挤压头通常通过压缩空气或挤压将食物原料推过喷嘴。喷嘴可以根据要挤压的食物类型或所需的打印速度而变化（通常，喷嘴越小，食物打印所需的时间就越长）。在打印食物时，挤出头沿3轴工作台移动，以打印所需的食物。一些印刷食品在食用前需要进行额外的处理，例如烘烤或油炸。

基于挤出的食品打印机可以购买用于家用，通常尺寸紧凑、维护成本低。相比之下，基于挤出的打印为用户提供了更多的材料选择。然而，这些食物材料通常是柔软的，结果使印刷复杂的食物结构变得困难。此外，较长的制造时间和由于温度波动以及额外的烘烤或油炸而引起的变形需要进一步的研究和开发来克服。

在热熔挤出中，挤出头将食品材料加热到略高于材料熔点的温度。然后将熔化的材料从头部挤出，然后不久固化。这样可以轻松地将材料操纵为所需的形式或模型。这种技术使用了诸如巧克力之类的食品，因为它具有快速融化和固化的能力。

其他食品材料固有地不需要加热元件以便被印刷。食品材料（例如果冻、糖霜、果泥）和具有适当粘度的类似食品材料可以在室温下印刷而无需事先熔化。

在选择性激光烧结中，粉状食品原料被加热并粘结在一起，形成固体结构。该过程通过用激光作为热源将粉末状的材料逐层结合而完成。在完成一层具有所需粘合区域的涂层后，然后再覆盖一层新的未粘合粉末层。该新的未粘合层的某些部分被激光加热，以使其与结构粘合。该过程以垂直向上的方式继续进行，直到构建了所需的食物模型为止。施工后，未粘合的材料可以回收再用于印刷其他食品模型。

选择性激光烧结可以构建复杂的形状和模型，并具有创建不同食物质地的能力。它受到合适的食品原料（即粉状配料）范围的限制。^[3]由于此限制，选择性激光烧结主要用于制作糖果/糖果。

与选择性激光烧结相似，粘合剂喷射使用粉末状食品材料逐层创建模型。代替使用热量将材料粘合在一起，而是使用液体粘合剂。在粘结所需的层区域之后，将新的粉末层散布在覆盖该层的粘结层上。然后，将新层的某些部分绑定到上一层。重复该过程，直到构建了所需的食物模型为止。

与选择性激光烧结一样，粘合剂喷射可以构建复杂的形状和模型，并具有创建不同食物质地的能力。同样，它也受到适合的食品原料，即粉状配料的范围的限制。

喷墨印刷用于表面填充或图像装饰。通过利用重力，可食用的食品油墨被滴到食品的表面上，通常是饼干、蛋糕或其他糖果。这是一种非接触式方法，因此打印头不会接触食物，从而可以防止食物在图像填充过程中受到污染。墨滴可能包含多种颜色，允许用户创建独特的个性化食品图像。喷墨打印的一个问题是食品材料与墨水不兼容，导致没有图像或高图像失真。可以购买家用或商用喷墨打印机，而工业打印机则适合批量生产。

在多打印头和多材料打印中，同时或连续打印多种成分。有多种支持多材料打印的方法。在一个实例中，多个打印头用于打印多种材料/成分，因为这可以加快生产，效率并产生有趣的设计图案。在另一种情况下，有一个打印头，并且当需要不同的成分时，打印机会交换要打印的材料。多种材料/成分等同于可印刷的餐点范围更广、营养范围更广，并且对于食品印刷者来说是相当普遍的。

在后处理阶段，印刷食品在食用之前可能需要其他步骤。这包括诸如烘烤、油炸、清洁等加工活动。此阶段可能是3D打印食品最关键的阶段之一，因为该印刷食品需要安全食用。后处理中的另一个问题是由于这些附加过程的应变而导致印刷食品变形。当前的方法涉及反复试验。即，将食品添加剂与材料/成分结合以改善复杂结构的完整性并确保印刷结构保持其形状。添加剂，例如转谷氨酰胺酶和水解胶体已添加到配料中，以帮助在打印时和烹饪后保持打印的形状。

此外，最近的研究已经产生了视觉模拟，用于烘烤由面团或面糊（水、面粉、鸡蛋、脂肪、糖和膨松剂的混合物）组成的面包，饼干、煎饼和类似材料。通过在模拟中调整某些参数，可以显示出烘烤会对食物产生的现实影响。随着进一步的研究和开发，对3D打印食物进行可视化仿真可以预测出哪些食物容易变形。

满足个人营养需求的个性化饮食要求已与疾病预防联系在一起。因此，吃营养食品对健康生活至关重要。3D打印食品可以提供必要的控制，以将定制量的蛋白质、糖、维生素和矿物质放入我们消费的食品中。

定制食品的另一个领域是老年人营养。老年人有时不能吞咽食物，因此需要较软的托盘。然而，这些食物通常没有吸引力，导致某些人没有吃他们身体的营养需求。3D打印食物可以提供柔软且美观的食物，老年人可以在其中消耗身体的饮食需求。

在2019年10月，初创公司Nourished 3D打印了来自28种不同维生素的个性化营养胶。个人进行调查，然后根据他们的回答，为该个人打印个性化的营养软糖。

随着世界人口的持续增长，专家认为当前的粮食供应将无法为人口提供食物。因此，可持续的食物来源至关重要。研究表明，昆虫的食虫性具有维持不断增长的种群的潜力。昆虫需要的饲料更少、水也更少，并且提供与鸡、牛和猪相同数量的蛋白质。在一项研究中，研究人员概述了将昆虫粉3D打印到与昆虫不相似的食品中的过程。因此，保持昆虫的营养价值不变。

随着人类开始冒险进入太空更长的时间，维持机组人员健康所需的营养至关重要。目前，NASA正在探索将3D打印食品整合到太空中的方法，以维持机组人员的饮食要求。愿景是3D打印具有30年货架期的粉状食品层，而不是使用具有5年货架期的传统冷冻干燥食品。除了饮食要求外，太空中的3D打印食品还可以提高士气，因为宇航员将能够设计出美观的定制餐。

2019年9月，俄罗斯宇航员与以色列初创公司Aleph Farms一起从牛细胞中获取肉类，然后3D将这些细胞打印成牛排。

畜牧业是毁林、土地退化、水污染和荒漠化的最主要因素之一。除其他原因外，这导致了新的有前途的肉类生物印刷技术。牲畜养殖的一种替代方法是养殖肉，也称为实验室种植的肉。通过从动物身上进行少量活检，提取异种卫星细胞并添加生长血清使细胞繁殖来生产肉。然后将所得产品用作生物印刷肉的材料。除其他步骤外，后加工阶段还包括在产品中添加调味剂、维生素和铁。另一个选择是印刷肉类类似物。Novameat，一家西班牙创业公司已经能够打印植物性牛排，并模仿真肉的质地和外观。

针对个人的食品展示和食品外观定制是食品行业的一大趋势。迄今为止，食品定制和创意设计需要手工技能，这导致低生产率和高成本。3D食品打印可以通过提供即使是家庭用户也可以进行创意食品设计的必要工具来克服此问题。3D食品打印已经实现了一些复杂的设计，而这是传统食品制造无法实现的。品牌徽标、文字、签名、图片现在可以印在某些食品上，例如糕点和咖啡。也已经印刷了复杂的几何形状，主要使用糖。借助3D打印，厨师现在可以将其视觉灵感转化为招牌美食。另一个好处是能够打印出对儿童有吸引力的形状的营养餐。

在世界范围内，每年用于消费的食品总量的三分之一（约16亿吨）被浪费。食物浪费发生在加工，分配和消费过程中。3D食品打印是一种非常有前途的方法，它可以利用食用切碎的肉，扭曲的水果和蔬菜、海鲜副产品和易腐食品等食品来减少食用阶段的食品浪费。这些产品可以加工成适合印刷的形式。Upprinting Food，一家荷兰的初创公司，一直在将食物垃圾中的不同成分混合并混合在一起，制成果泥，然后将其用作3D打印材料。厨师还使用3D食物打印机从剩余食物中创造出不同的菜肴。

与传统制备的食物不同，可以使用3D打印制造的食物种类受到材料物理特性的限制。食品材料通常比3D打印中使用的最弱的塑料柔软得多，从而使打印的结构非常脆弱。到目前为止，大多数研究都使用反复试验作为克服这一挑战的方法，但是科学家们正在努力开发能够预测印刷过程中不同材料行为的新方法。通过分析材料的流变特性及其与印刷稳定性的关系来开发这些方法。

在设计食品3D模型时，应考虑印刷材料的物理和几何限制。这使设计过程成为一项非常复杂的任务，到目前为止，尚无可用的软件来解决这一问题。由于食品材料种类繁多，因此构建此类软件也是一项复杂的任务。考虑到将3D食品打印集成到他们的厨房中的个人用户占整体用户的很大一部分，因此软件界面的设计增加了复杂性。这样的软件的界面应该简单并且具有高可用性，同时仍然为用户提供足够的功能和自定义选项，而不会引起认知上的负担。

当前3D打印食品的速度足以满足家庭使用，但批量生产的过程非常缓慢。简单的设计需要1到2分钟，详细的设计需要3到7分钟，而更复杂的设计则需要更长的时间。印刷食物的速度与材料的流变性密切相关。研究表明，由于拖曳效应，高打印速度会导致低保真度的样本，而极低的速度会导致材料沉积的不稳定。

为了使3D食品打印能够进入食品行业，需要提高打印速度，或者这种技术的成本应足以让公司运营多台打印机。

食物的颜色、风味和质地在制造可食用产品时至关重要，因此在大多数情况下，要求食物打印机支持多材料打印。由于开发多种挤出机功能的挑战，当前可用的3D食品打印机仅限于使用几种不同的材料。这限制了可以3D打印的食品种类，从而省去了需要许多不同材料的复杂菜肴。

在3D打印食品时，安全性至关重要。食品印刷商必须确保食品材料沿整个路径的安全。由于食物可能会沿着路径卡在某处，因此细菌的积累是一个主要问题。微生物稳定性是印刷食品质量的关键参数，因此在打印机设计期间和印刷过程中都需要解决。另一方面，由于高品质的打印机使用不锈钢和不含BPA的材料，因此与食品接触的材料可能没有那么重要。

市场上的现有食品（例如各种形状的巧克力）可以轻松进行扫描，并且可以使用获得的3D模型来复制这些产品。然后可以通过Internet传播这些3D模型，从而导致版权侵权。有法律规范版权问题，但尚不清楚它们是否足以涵盖3D食品打印等领域的所有方面。