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3D食物列印



3D食物列印是指利用积层制造（又称加法制造）的技术生产处食品的过程。通常，会以食品级的注射器承装列印原料，并透过食品级的喷嘴一层一层地列印出来。最先进的3D食物列印机可以预先载入食谱并让使用者远端地透过电脑、手机或其他科技产品来设计出自己专属的食物。不管是形状、颜色、口感、口味或营养成分都可以被完全客制化，可有效应用在许多领域像是航天产业或医疗相关产业。[1]

历史

 
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CandyFab
时间 团体 内容
2006 康乃尔大学 由一群学生创造出的Fab@Home是第一台用于列印食物原料的3D列印机，可以印出像是巧克力、饼干面团、起司等食物。
2006-2009 Evil Mad Scientist Laboratories CandyFab可以利用热空气选择性地融化并融合糖颗粒，列印出大量的糖雕。[2]
2012 Choc Edge Choc Edge是第一台商业性的3D巧克力列印机。[3]
2012-2015 biozoon GmbH PERFORMANCE是一个关注于年长者食物的计画，希望可以列印出易咬易吞的食物。[4]
2013 Modern Meadow 第一次利用生物列印机印出人造肉。[5]
2014 3D System & Hershey’s 用牛奶、黑白巧克力列印出各种大小形状的巧克力列印机。[6]
2014 Nature Machines Foodini是一个商业用的列印机，不仅可以列出广泛的食材，也配备应用程式让使用者远端地完成食物设计。[1]
2015 TNO & Barilla 义大利面影印机及年度的最佳义大利面设计比赛。[7]
2018 Novameat 列印出第一个不含肉但有肉口感的蔬菜排。[8]

原理介绍

会影响到食物列印结果之精细度的原因主要有三个面向：材料/成分(黏滞度,粉末粒径)、加工参数(喷嘴孔径,列印速度,列印范围大小)与列印后加工方式(烘烤,微波,油炸)[9]

材料与成分

 
3D列印巧克力

可以列印的食物种类受限于目前的列印技术[10] ，以下列印技术的段落将简介几种列印技术：

适用挤出成形法的材料

常见可用于挤出成型的材料都需要有一个足够柔软的状态让他可以从列印喷头中挤出，接著有足够的黏度让他可以维持形状[11] ，有时甚至会加入一些粉末成分(如：蛋白质、糖等)来增加黏性，例如：将面粉与水混合后做出可以用于列印的面糊[12] 。 具有适当柔软特性的材料包括：[12]

部分固体成分可以经由加热融化后即可由喷头挤出，例如：巧克力[13]

适用于选择性雷射烧结法与黏结剂喷射成型法的材料

粉末材料包括：[14]

  • 糖
  • 巧克力粉
  • 蛋白质粉

胶状墨水材料通常具有较低的黏度，用来填满表面，常见包括：[15][16]

  • 酱料(披萨酱,辣酱,芥末酱,番茄酱等)
  • 食用有色墨水

列印技术

挤出成型列印

尽管目前挤出成型列印有多种方式，它们的概念其实是相同的。食物原料由一个电脑控制并可以在三维度做出移动的喷头挤出，挤出方式可以是利用气体压力或挤压，同时喷头种类也可以随著不同种类的食物原料或列印速度做更换[17] (通常孔径越小的喷头列印时间越长)。列印时，喷头沿著三个轴向移动来印出该食物。一些列印的食物需要经由后续加工步骤例如：烘烤、油炸后才能食用。 挤出成形的列印机因为相对于他所能用的多种列印原料，通常较小台且维护成本较低，适合被买来家用。但另一方面，因为它使用的材料通常都相当柔软，在列印复杂的食物结构时会较为困难，而且较长的制作时间以及因后来加工的烘烤或油炸引起之温度变化所造成的型状改变，都是目前尚需要更多研究来克服的问题。

加热融化与室温制作

在加热融化挤出的方法中，挤出喷头会将食物原料加热到略高于其融点的温度，接著溶化后的食物原料会被从喷头挤出，然后没多久后降温凝固，食物如巧克力就因为其加热融化且冷却后能快速凝固的特性很适合使用这个方法[13]。 其他有些食物原料并不需要被加热就可以用来列印，例如：果冻、糖霜、菜泥以及其他黏滞度相当的食物原料，都可以直接在常温被用于列印，不需要额外的事先加热。

选择性雷射烧结

 
选择性雷射烧结法示意图

在选择性雷射烧结法（页面存档备份，存于互联网档案馆）中，粉末状的食物原料被加热并黏结成为一个固体结构，整个过程中经由铺上一整层的粉末状原料，接著以雷射作为热源选择性的加热某些需要成型的区域，使该区的粉末黏结成一体，完成一层，然后再次铺上一层粉末，再次以雷射加热选定区域使他们彼此黏结同时也与前一层结构黏结，重复动作一层一层垂直向上叠加直到整个作品完成为止。完成后，未黏结的材料可以回收之后再作使用。 选择性雷射烧结法拥有制作复杂结构以及不同食物质地的能力，不过它被受限于能使用的原料种类只能是粉末原料[18]，因为这个限制，选择性雷射烧结法目前主要被用于糖果的制作。

黏结剂喷射成型法

 
黏结剂喷射成型法示意图

与选择性雷射烧结法相似，黏结剂喷射成型法一样使用粉末状食物原料来一层一层的制作成品，不同的是它使用液体黏结剂取代加热来使原料黏结。在一层设定区域的粉末黏结后，铺上另一层新的粉末并成重复在特定区域喷上黏结剂来使粉末彼此以及与前一层黏结，不断重复动作直到该作品完成。 与选择性雷射烧结法一样，黏结剂喷射成型法拥有制作复杂结构以及不同食物质地的能力[14]，不过它被受限于能使用的原料种类只能是粉末原料

喷墨列印

喷墨列印法被用于表面填充或图像装饰[15] 。可食用的食物墨水利用重力滴落在食物表面，特别像是饼干、蛋糕或糖果等食物，这个过程中喷头并没有接触到食物，因此可以避免食物在加工过程中受到污染，此外墨水的颜色非常多元，使用者可以自己创造独特的图像[16]。喷墨列印法的一个问题是墨水和食物的不相容性可能会导致没有图像形成或图像失真[19]。 喷墨列印机可以买来用于商业或居家用途，工业级的机器则可用于批量生产。

多重喷头与多重原料

在多重喷头与多重原料列印（页面存档备份，存于互联网档案馆）中，多种原料在同时或者交替被列印.[20]，有很多种方式可以达成这种列印法。在一部分的方法中，多个不同的喷头被用来印不同的材料，这种方式可以加快生产速度也可以产生更多有趣的设计[15]，另外也有一部分的方法只有一个喷头，但在需要列印出不同材料时，机器会更换列印材料[21]。多重原料列印不仅让可使用的餐点范围更广，也让营养种类更广，目前在食物列印机的使用上非常普遍[10]。

后续加工

在后续加工的阶段中，列印出来的食物在食用之前可能会需要更进一步的处理例如：烘烤、油炸、清洗等，因为食品安全非常重要，此步骤可以说是列印食物的关键步骤。在此步骤需要面对的问题是成品可能因为一系列的处理而导致变形，目前用反复试验的方式加入食品添加剂以及部分食物原料来尽可能维持成品外型[20]。几种食品添加剂像是转谷氨酰胺酶 （页面存档备份，存于互联网档案馆） （页面存档备份，存于互联网档案馆）[20] 与水胶体 （页面存档备份，存于互联网档案馆） （页面存档备份，存于互联网档案馆）[20] 已经被用于添加来使列印的食物保持其外型。 此外，近年研究发表了一种视觉模拟方式（页面存档备份，存于互联网档案馆），可用于烤面包、饼干、派或其他以面粉与奶油作为原料之相似物(水、面粉、蛋、脂肪、糖与膨松剂之混合物)[22]，借由调整模拟时的参数，它可以显示出在烘烤时会对该食物造成的改变效果。随著更多的研究与开发，3D列印食物烹煮后的视觉模拟将可能在未来被用于预测食物的变形状况。

应用

营养

3D列印食物被人为可以用以预防疾病[23]，借由放入特定的原料，如定量的蛋白质、糖类、维他命、矿物质等，来达到人体所需要的营养成分[24]。另外，3D列印也可以列印出较软、易吞咽又兼具美观的食物，这可以应用在老年人的营养，能增加老年人对食物摄取的欲望，借此摄取到足够的营养[25]。而在2019年十月，Nourished 3D公司也用28种不同的维生素并根据个人需求列印出了客制化的营养软糖[26]。

解决粮食问题

随著人口的成长，专家认为未来粮食供应将出现问题[27]，而3D列印的食物或许能够解决此项问题—食用昆虫[28]。因为饲养昆虫相较于其他的家畜，如牛、猪、鸡等，在产生同等的蛋白质下所需的水和饲料都较少[28]，若将昆虫磨成粉末，透过3D食物列印制成胶囊，或许能解决未来粮食不足的问题。

太空探索

一直以来人们总在努力的探索太空，而在太空中不可避免的要摄取足够的养分[29]。近来NASA正在努力整合3D食物列印到太空食物[30]，目前冷冻干燥的食品在太空中能存放5年，而若3D食物列印能成功，将能存放30年之久[31]。另外同样能增加食物的美观，借此让飞行员有较好的身心状态[32]。

肉类印制

畜牧业是造成现今林木破坏、土地退化、水污染和荒漠化的重要原因之一，也因此肉类食物的列印也被视日前发展的方向之一。目前其中一种方式是透过“培植肉”(Cultured meat)，也就是从动物身上提取肌卫星细胞(myosatellite cells)并加入生长血清让细胞繁殖，能在实验室培养作为3D列印肉品的原料，后续在肉品中加入一些调味剂、维他命及铁等等，来模拟真正的肉品。

创意食物

针对个人化的食物外观和摆盘是现今食物产业的一大趋势，以往通常是透过手工制作，但是手工做成的时间和金钱成本都比较高，而且有些过于复杂的设计也无法透过手工来完成。而透过3D食物列印能够让人们在家中即能列印出个人化的食品[33]，其复杂成的也能大幅提升，像是品牌商标、文字、签名、图片等都可以列印在一些食品上面。目前主要透过糖类印制一些复杂几何图案等作为创意料理，另外也可以透过这些精巧的创意食物吸引幼童食用[34]。

减少食物浪费

目前每年约有1/3制作出来食物(约16亿吨)会被浪费掉，而3D食物列印可以再利用碎肉、压坏的蔬果、海鲜副食品等，列印出食物以减少食物的浪费[35]。目前荷兰的公司Upprinting Food即是透过利用不同的废弃食物作成酱汁，再以这些酱汁作为原料，透过3D列印制成其他菜肴[36]。

挑战

随著近年3D列印的普及，目前应用在3D食物列印正在蓬勃发展，是一项有前景的产业，其少量而能多样且客制化的特质是一个很大的优势。但同时3D食物列印也面临许多挑战，包括一些技术层面上的挑战，以及效率和普及度的问题[37]。

结构

3D食物列印受到制作过程的影响，其能够使用的原料十分受限，目前都是用较微柔软的材料作为列印时的原料，这使的列印出来的食物结构十分脆弱[38]。目前科学家们正在努力克服这个问题，希望借由材料的流变特性能突破3D食物稳定性的问题[39]。

设计

因为3D食物列印可能要涉及到运用许多原料，其软体的设计很复杂，因此目前尚未有一个良好的软体[38]。另外若要将3D食物列印普及，其软体的介面设计也需要兼具简单明了和实用性，以便能让所有的使用者简单使用，制作个人化的食物[35]。

速度

目前的3D食物列印速度不快[40]，若要大量印制食物需要耗费很多时间，越复杂的设计所需要的时间越长。而印制的速度与原料的流体性质有关，如果为了要提高效率而加快速度，会造成印出来的产品有拖曳的现象，与原本设计的样貌不同[41]。

安全

食品安全是3D食物列印的另一个挑战，因为在印制的过程中，有可能会因为一些原因而导致机器卡住、堵塞，可能会导致细菌的孳生，因此设计食物与其列印时间都需要良好管控[41]。

参考资料

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参见

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