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食品工業(yè)3D打印技術(shù)運用
糕點(diǎn)行業(yè)中的奶油食品是快速消費品,具有厚、稠、粘特性,針對奶油類(lèi)食品加工的特點(diǎn),結合微機技術(shù),設計了主要由電源模塊、控制模塊、執行模塊和驅動(dòng)模塊組成3D奶油打印機方案。下面是小編搜集整理的相關(guān)內容的論文，歡迎大家閱讀參考。
摘要：3D打印技術(shù)是將計算機設計的三維數字模型分解成若干層平面切片，然后由3D打印機把粉末狀、液狀或絲狀可黏合材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整物體的技術(shù)。該技術(shù)正成為新產(chǎn)業(yè)革命的標志性技術(shù)。本文綜述了3D打印技術(shù)在焙烤食品、巧克力、糖果、肉類(lèi)等食品中的應用現狀，并對該技術(shù)在食品工業(yè)中的未來(lái)應用進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：3D打印;食品;應用
1.3D打印(3Dprinting)，又稱(chēng)“三維打印”、“增材制造(additivemanufacturing，AM)，是快速成型(rapidprototyping，RP)技術(shù)的一種，是將計算機輔助設計(computeraideddesign，CAD)而成的三維數字模型分解成若干層平面切片，然后由3D打印機把粉末狀、液狀或絲狀塑料、金屬、陶瓷、組織細胞等可黏合材料，按切片圖形采用分層加工和疊加成型的方式，逐層增加材料而生成三維實(shí)體的技術(shù)。
2.由于分層加工過(guò)程與噴墨打印類(lèi)似，因此稱(chēng)之為3D打印。該技術(shù)綜合了數字建模技術(shù)、信息技術(shù)、機電控制技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識，是一種具有很高科技含量的綜合性應用技術(shù)[1～2]。由于該技術(shù)具有節約原材料、可實(shí)現個(gè)性化生產(chǎn)、可制造出傳統生產(chǎn)技術(shù)無(wú)法制造出的外形等優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車(chē)、船舶、航空航天、武器裝備、建筑、工業(yè)設計、家電、服裝、鞋類(lèi)、珠寶、首飾、醫療、教育、文化創(chuàng )意、文物修復、影視等領(lǐng)域正得到日益廣泛的應用[3～6]。近年來(lái)，3D打印技術(shù)在食品工業(yè)中展現出巨大的應用潛力。本文就3D打印技術(shù)在食品工業(yè)中的應用進(jìn)行綜述，并對其未來(lái)的應用前景進(jìn)行展望。
一、打印食品的工藝過(guò)程
1.1傳統的烹飪器械，如切割刀具和烘烤模具，因精準度低而不能加工出復雜多變的形狀。采用食品打印機和數字食譜，可以加工出傳統烹飪技術(shù)無(wú)法實(shí)現的口味和形狀，開(kāi)拓新的烹飪市場(chǎng)。實(shí)現食品打印需滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件:首先是正確使用機械力;其次是精心設計數字食譜;最后是調整合適的食材進(jìn)料順序。食材必須要軟硬合適，既要能從打印頭流出，又要能維持打印后的形狀。另外，還要考慮食材的耐熱性、烹飪方式等影響因素。食品打印的基本過(guò)程是:首先要將食品混合物編寫(xiě)成設計文檔�？梢灾苯訌木W(wǎng)上下載，，也可以通過(guò)工程設計軟件自己從頭開(kāi)始創(chuàng )建。
1.2目前還沒(méi)有研發(fā)出類(lèi)似“食品CAD”的商業(yè)軟件。通過(guò)與之相連的空氣壓縮機所產(chǎn)生的壓力，打印頭把食材擠出。不同的食物配方需要施加不同的壓強。有時(shí)室溫也會(huì )影響食品混合物通過(guò)打印頭的流速。打印頭的大小和直徑很關(guān)鍵，太小會(huì )導致擠壓速度過(guò)慢，太大又會(huì )使打印出的食物表面粗糙。一般來(lái)說(shuō)，打印出的食品不能直接食用�，F在的3D食品打印技術(shù)還不能對打印的食材進(jìn)行煎、烤或炸，但可以烘焙。例如，餅干一旦被打印出來(lái)，打印頭下的加熱平臺就馬上烘焙，使餅干烘熟定型。3D打印的食品形狀是否完整，外觀(guān)是否誘人，關(guān)鍵在于打印機的分辨率。目前，多食材的打印仍處于起步階段，水果或蔬菜等天然食品的打印還不能實(shí)現，高仿真度合成食品的打印也非常困難[7]。
二、3D打印的食品種類(lèi)
2.1焙烤食品
2010年12月，美國康奈爾大學(xué)的科研人員研制出3D食物打印機，只要把奶酪、巧克力和蛋糕糊等食材“墨水”預先放進(jìn)一組注射器內，再下載食譜軟件“FabApp”，機器便會(huì )依照CAD軟件提供的電子圖紙，將注射器內各種食材“墨水”按照行列、層疊順序依次“打印”出立體食物。使用者可利用電子圖紙控制食物的風(fēng)味、質(zhì)地和其他特性。目前已成功“打印”出嵌入字母的小甜餅和杯形蛋糕[8，9]。2014年1月，西班牙Natu-ralMachines公司發(fā)明了一款名為“Foodini”的3D食物打印機，能制作漢堡、比薩、意大利面和各類(lèi)蛋糕等食物。Foodini內設的五個(gè)膠囊可用來(lái)儲存不同食材。在使用Foodini時(shí)，首先把新鮮食材攪拌成的泥狀材料裝入膠囊內，然后在該設備的控制面板上選擇想要做的食物圖標就可啟動(dòng)制作。Foodini上有6個(gè)噴嘴，可以通過(guò)不同的組合，制作出各種各樣的食物。用戶(hù)可通過(guò)Foo-dini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。Foodini不能烹煮食物，用戶(hù)需把打印好的食物加熱煮熟后才能享用。此外，還有用3D打印機制作曲奇餅干的報道[7]。福建省某食品有限公司利用3D打印技術(shù)做出色彩繽紛的個(gè)性化餅干，受到兒童和年輕女孩的喜愛(ài)，市場(chǎng)銷(xiāo)路非常好[10]。孫鐵波等[11]分析了奶油3D打印的特點(diǎn)，給出了奶油3D打印機機械系統、控制系統及奶油噴嘴的設計方案。
2.2巧克力和糖果
早在2006年，美國高中生諾伊沙爾就用改進(jìn)后的Fab@Home打印機，打印出了肯塔基州形狀的巧克力[7]。2011年7月，英國�？巳卮髮W(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出世界上第一款使用液態(tài)巧克力作為“油墨”的3D巧克力打印機，并于2012年4月推向市場(chǎng)[9，12]。2013年5月，NASA批準一項12.5萬(wàn)美元的資助計劃，授權一名機械工程師及其公司(Systems&MaterialsResearchCorporation)研制新型3D打印機，使太空中的宇航員可以打印出巧克力等食物[13]。2010年，Hao等[14]開(kāi)發(fā)了一種新的被稱(chēng)為“巧克力增層制造(chocolateadditivelayermanufacture，ChocALM)”的制造方法，即采用逐層疊加的方式制備個(gè)性化的三維巧克力產(chǎn)品。研究結果表明，噴嘴孔徑、噴嘴距離加工床面的高度、擠壓速度、軸運動(dòng)速度等工藝參數是決定產(chǎn)品幾何精度的關(guān)鍵參數。2014年3月，全球最大3D打印機制造商之一的3DSystems公司，在SXSW音樂(lè )節上推出了3D打印糖果，并分發(fā)給了與會(huì )者。這些糖果五顏六色，由該公司的ChefJet系列打印機打印出，使用了糖、水、酒精作為3D打印的原材料，嘗起來(lái)有甜味和水果味。ChefJet系列打印機能夠利用砂糖、巧克力和奶油等原料打印出糖果和巧克力，打印產(chǎn)品主要面向高端面包店和蛋糕店。跳跳糖、寶塔糖和娃娃臉雪糕等現在也可用3D打印機制作出來(lái)。砂糖3D打印機CandyFab4000可以通過(guò)噴射加熱過(guò)的砂糖，直接做出具有各種形狀、美觀(guān)又美味的甜品[2]。
2.3肉類(lèi)
美國紐約的ModernMeadow公司用3D打印技術(shù)打印出了“鮮肉”。其制作過(guò)程是:通過(guò)活體穿刺方式從動(dòng)物身上采集皮膚、肌肉細胞;用胰酶處理以破壞細胞之間的粘連，將組織分散為單個(gè)細胞;在細胞培養基中將細胞擴增培養;誘導細胞產(chǎn)生膠原蛋白;將細胞和膠原蛋白延展鋪開(kāi)成片狀，再將薄片一層層疊放;通過(guò)生物聚合過(guò)程將細胞黏合到一起;將整合好的細胞層置于體外反應器皿中，繼續培養;數周后，終止細胞的營(yíng)養供給，收集細胞用于打印成品。細胞密度、流速和溫度都可能影響肉類(lèi)的口感和質(zhì)地。如果溫度過(guò)高，細胞失水，打印出的肉口感會(huì )偏老[10，15，16]。2012年7月，美國賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員宣布，用改進(jìn)的3D打印技術(shù)打印出了生肉。這種利用糖、蛋白質(zhì)、脂肪和肌肉細胞等原材料打印出的肉，具有與真正肉類(lèi)相似的紋理和口感，連肉里的微細血管都能打印出來(lái)。在打印鮮肉時(shí)，先用微小的人造血管構造一塊肉的立體框架，再在血管之間填充脂肪、蛋白質(zhì)，形成肌纖維和肌肉組織。打印肉類(lèi)食品的關(guān)鍵在于原材料的調配。研究人員以牛肉為例，先在實(shí)驗室嘗試培育人造肉，并按照真正肉類(lèi)所含的營(yíng)養元素配制打印原料。配制的材料以水基溶膠為黏合劑，并配以特殊的糖類(lèi)分子。由于用了水基溶膠，打印肉最大的特點(diǎn)是溶于水，長(cháng)時(shí)間在水中浸泡后可自動(dòng)溶化。
2.4其他
2005年2月，美國芝加哥市莫托(Moto)餐廳的廚師霍馬羅砍圖利用食物打印機制作出壽司[15]。2013年初，畢業(yè)于紐約大學(xué)的MarkoManriquez推出了制作墨西哥薄餅的3D打印機原型[12]。2014年4月，德國B(niǎo)iozoon公司推出一款3D食物擠壓機，能夠打印出各種不同類(lèi)型的食物，由明膠基制成。食物能入口融化，特別適于有吞咽困難癥的人群。這款打印機使用48個(gè)噴嘴，通過(guò)噴射技術(shù)，混合一些新鮮食材泥，包括蘆筍、雞肉、豬肉、豌豆、意大利面、土豆以及該公司保密的一種物質(zhì)，然后就可根據用戶(hù)的喜好，把這些食材打印成各種形狀的食物。上面提到的那種秘密物質(zhì)的作用，是讓食材泥保持形狀，但當打印成的食物入口后會(huì )融化。打印的材質(zhì)通常是調過(guò)味的食物泥，因此用戶(hù)不能調整食物的味道，只能通過(guò)編寫(xiě)軟件調整其形狀。最近該公司又推出了一種叫“Smoothfood”的3D打印食品，以解決老人進(jìn)食困難的問(wèn)題。該食品是將原料液化并凝結成膠狀物，然后通過(guò)3D打印機制造出各種各樣容易咀嚼和吞咽的食物。在該公司開(kāi)發(fā)的3D打印機Foodini3D的幫助下，肉類(lèi)、糖類(lèi)食品和蔬菜被擠壓成立即可食、容易咀嚼的食物。目前已有6種食材可以制作成3D打印食物，即花椰菜、豌豆、雞肉、豬肉、土豆和面食。
三、展望
未來(lái)，3D打印技術(shù)將體現精密化、智能化、通用化和便捷化等發(fā)展趨勢。3D打印機的體積將小型化、桌面化，成本將更低廉，操作將更簡(jiǎn)便[17]。展望未來(lái)，3D食品打印也許會(huì )在以下幾方面得到應用:
3.1制作太空食物
為了使宇航員在太空中的飲食種類(lèi)多樣、味道鮮美、營(yíng)養豐富，科學(xué)家已在考慮用3D打印機在太空為宇航員制造食物。2014年11月，由美國太空制造公司(MadeinSpace)設計制造的世界上首臺零重力3D打印機，搭乘美國太空探索技術(shù)公司的“龍”號貨運飛船抵達國際空間站后完成首次打印，打印出了用于制作打印頭外殼的小型塑料面板。
3.2助解糧食危機
在這方面，3D打印食物具有很大的優(yōu)勢。首先，3D食物打印機的食材多為粉末，可以植物的莖桿、昆蟲(chóng)、藻類(lèi)等為原料，極大程度地增加食物來(lái)源;其次，使用的營(yíng)養物質(zhì)經(jīng)過(guò)脫水處理，呈粉末狀，避免了食物在儲存、運輸過(guò)程中因腐爛變質(zhì)而導致的浪費，還可大大延長(cháng)保質(zhì)期;此外，3D打印可以個(gè)性化定制，可嚴格按照人們的飯量精確準備食物，從而有效減少浪費。2014年6月，美國紐約的ModernMeadow公司已用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出皮革，他們最終希望能用同樣的方法生產(chǎn)肉類(lèi)，以減輕全球對牲畜的依賴(lài)。如果能夠打印出合成魚(yú)肉和牛肉，就可以減輕過(guò)量捕魚(yú)和養牛對環(huán)境造成的壓力。
3.3個(gè)性化定制食物
3D打印可根據不同年齡段定制個(gè)性化的營(yíng)養配方，也可根據個(gè)人喜好打印口味各異的食物，還可根據需要自由設計形狀和添加顏色。未來(lái)，廚房用的3D打印機將會(huì )利用內置的智能數控系統，依據使用者每天不同的需求量，調整食譜中各種營(yíng)養成分的比例，為其量身打印食物[7]。糖尿病患者可以上傳血糖數據，然后用軟件計算出他們下一餐的營(yíng)養均衡食譜，并將食譜發(fā)送給廚房里的3D食品打印機。如此自身量化飲食，就可以更科學(xué)地預防或減緩糖尿病和肥胖癥。目前，食品3D打印技術(shù)尚處于萌芽階段，只有少數學(xué)術(shù)機構在進(jìn)行實(shí)驗。大多數食品打印機出現在實(shí)驗室，商用3D食品打印機還沒(méi)有面向市場(chǎng)。但隨著(zhù)3D打印技術(shù)的日趨成熟、打印材料的不斷擴充、打印機價(jià)格的持續下降，相信在不久的將來(lái)，3D打印服務(wù)將會(huì )像發(fā)送電子郵件、即時(shí)微信通訊一樣普及，3D食品打印機會(huì )像電腦、照相機、微波爐一樣進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)。
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