文| Foodaily每日食品 Miriam Zhang
不久前，以3D打印為行業(yè)所熟知的食品科技初創(chuàng)公司Moodles魔斗仕攜手盒馬工坊，推出新品“牛肉做的面”。每份產(chǎn)品由超過60g的進口牛上腦肉經(jīng)3D打印而成。產(chǎn)品在沸水中加熱90秒，撈出后拌上醬料即可食用。面條口感勁道，比純牛肉更容易咀嚼消化。據(jù)foodaily了解，這是Moodles繼今年3月推出的雞肉面和蝦肉面后開發(fā)的新款蛋白主食面制品。
作為備受行業(yè)矚目的未來食品科技，食品打印技術正加速走出實驗室，尋找最佳的商業(yè)落地方式。
在民間，3D打印早已揭開神秘面紗，以更趣味和個性化的方式接近大眾。2019年6月，哈爾濱街頭驚現(xiàn)巧克力3D打印自助售賣機，圓滾滾的小豬、呆萌的皮卡丘、活靈活現(xiàn)的小章魚......只需微信掃碼，上傳手繪圖文，各式各樣的私人訂制美食就從打印機噴頭中徐徐生成。
圖源：小紅書
目前在我國，食品打印技術主要應用于餐飲、食品工業(yè)和醫(yī)療保健領域。一批批科技初創(chuàng)企業(yè)各持所長，通過產(chǎn)品和線下活動，向公眾展示食品打印技術的無窮魅力：MOODLES魔斗仕將3D打印、現(xiàn)代營養(yǎng)學和分子料理等多個學科相融合，用各種優(yōu)質(zhì)動物蛋白制作出具有米飯、面條等傳統(tǒng)主食形態(tài)的食品；時印科技旗下的盼打款自助式3D巧克力打印機被公認為世界上巧克力打印速度最快的設備，如今放在各個城市的科技館、博物館及游樂園等場地，吸粉無數(shù)；細胞農(nóng)業(yè)科技公司CellX在上海舉行細胞培養(yǎng)肉產(chǎn)品原型的閉門交流活動，國內(nèi)各大高校從事食品3D打印研究工的專家學者悉數(shù)到場。
在近年舉辦的眾多食品行業(yè)論壇上，食品打印更是被寄予“打破傳統(tǒng)食品生產(chǎn)模式，帶動中國食品工業(yè)界變革與發(fā)展”的厚望和歷史重任。
起源于20世紀后期的增材制造技術，成為食品打印產(chǎn)業(yè)的肇始起點。而它真正成為食品加工的一項新技術，則是本世紀的事情。過去的30年里，食品打印走過了怎樣不尋常的發(fā)展歷程？目前已經(jīng)發(fā)展到怎樣的階段？除了糕點、面條這些普通食品外，打印機里還藏著哪些商機？食品打印技術的未來會是一路坦途嗎？
01 創(chuàng)新三十載，食品打印技術的進化之路
3D打印技術最早可以追溯到上世紀80年。1986年，美國麻省理工學院發(fā)明出了最早的3D打印機。2006年，第一臺用于打印巧克力、餅干面團和奶酪的多材料 3D 打印機Fab@Home，誕生于由康奈爾大學一群學生領導的項目中，開啟3D食品打印技術真正的浪潮。發(fā)展至今即將步入4D時代，5D和6D食品打印技術也在研究進程中。
自Fab@Home問世之后，2007-2009年，美國一家小型創(chuàng)新公司研制出CandyFab，通過使用熱空氣選擇性地將糖粒熔化并融合在一起來打印大型糖雕。
2012年，第一臺商用 3D 巧克力打印機Choc Edge橫空出世。2013年，Modern Meadow首次推出生物打印機來打印肉制品。不久之后，西班牙的一家創(chuàng)業(yè)公司又開發(fā)出一臺名為Foodini的3D打印食品機，進一步完善了3D打印機的各項功能，正式開啟食品3D打印的商業(yè)化之路。
2016年4月，全球第一家3D打印餐廳Food Ink在荷蘭開業(yè)。該餐廳使用3D打印機生產(chǎn)商Byflow開發(fā)的便捷式多材料3D打印機，打印針頭來回移動將食材一層層疊加，最終呈現(xiàn)出電腦設定好的形狀，為客戶制作各種造型獨特的菜肴除了打印食物外，餐廳里的桌子、椅子、燈具甚至是餐具也都由3D打印技術打印而成。
圖源：Daily MaiL
2020年，以色列初創(chuàng)公司Redefine Meat推出一款3D打印的高蛋白、無膽固醇的植物肉牛排“Alt-Steak”。同年，日本初創(chuàng)公司Open Meals發(fā)布了一套未來主義餐廳計劃，將基因科學與3D打印食品技術結合，推出為顧客健康狀況量身設計的壽司餐廳Sushi Singularity。2022年，工業(yè)塑料 FDM 3D 打印機制造商FELIXprinter推出 FELIX FOODprinters 系列。
據(jù)估計，全球3D打印食品市場將從2022年的20.1億美元大幅增長到2027年底的194.1億美元，復合年增長率為57.3%。
圖源：marketsandmarkets
在國內(nèi)，食品打印技術的落地和商業(yè)化起點，大致可追溯到2015年至2016年。2015年11月，北科光大推出的巧客食品亮相京東眾籌；2016年6月，時印科技旗下食品打印機SHINNIOVE-S系列上市，成為國內(nèi)首款支持多食材的多功能食品3D打印機。
此后，在政策引導和資本扶持下，在增材制造技術、3D打印設備、食材研發(fā)、終端應用等環(huán)節(jié)，涌現(xiàn)出一批科技初創(chuàng)企業(yè)，成為中國追趕食品打印領域全球制高點的核心力量。
到2022年，中國增材制造新型標準體系已基本建立，增材制造國際標準轉化率達到90%；增材制造設備安裝量市場占全球市場10.60%，中國對全球食品3D打印領域文章的貢獻率達到29.27%。
3D-6D打印，科幻還是現(xiàn)實？
單看打印設備的發(fā)展節(jié)點，也許很難勾勒出食品打印技術前行的清晰脈絡。我們不妨換個視角，從打印升維的過程，來認識這項神秘科技的進階路徑。
2022年，來自希臘的一位教授在MDPI科學雜志上發(fā)表了一篇論文，詳細談及3D技術到6D技術的升級過程。盡管3D打印技術提供了一種相對便捷的制造途徑，但對于制造更復雜的物體來說還相對有限。針對級別和技術難度更高的4D、5D、6D打印技術的研究已經(jīng)在學術界和產(chǎn)業(yè)界展開。
圖源：MDPI
讓我們從最基礎的3D打印技術開始談起。
3D打印食品是通過半自動化增材制造工藝制成的，該工藝將可食用長絲分層制成各種可食用食品。通俗理解3D 打印食物就像模擬糕點師在蛋糕上裱花，當手臂沿著海綿狀的周邊移動時，彩色的攪打糖就會呈現(xiàn)出處理者設計的形狀。
3D打印利用糊狀或可延展的食品，包括面食、巧克力、奶酪、餅干面團、糖基糖果、明膠、培養(yǎng)肉、土豆泥和披薩等，逐層構建，適合創(chuàng)建具有復雜幾何形狀、定制質(zhì)地和營養(yǎng)成分的定制食品。3D 打印技術有四種類型，即擠壓打印、選擇性燒結、粘合劑噴射和噴墨打印。
正在打印中的人造肉，源自人造肉公司。圖片來源：Steakholder
4D食品打印技術于2012年推出，在3D打印基礎上增加了時間維度的延伸。4D 打印是 3D 打印物體隨著時間的推移改變其結構的過程，通常由濕度、熱量或微波能等環(huán)境因素觸發(fā)。
從變身為新形狀的甜甜圈到隨時間變化顏色的餅干，4D 打印食品目前令人興奮的原因在于其新穎性，而且這項技術有潛力幫助吞咽困難患者。
可用于4D打印食品的材料主要有巧克力、面粉、水果蔬菜混合物、大豆分離蛋白和凝膠類原料，已經(jīng)可以與多種烹飪工藝相結合制作美味佳肴，如利用巧克力凝膠制作的可綻放的花朵。
貝扎爾藝術與設計學院畢業(yè)生Meydan Levy利用4D打印技術開發(fā)了五種可食用的人造水果，里面充滿了營養(yǎng)，旨在養(yǎng)活不斷增長的人口。其中包括打印的纖維素皮，里面填充了多種維生素和礦物質(zhì)的混合物，也可謂是一大創(chuàng)舉。
可以發(fā)現(xiàn)，4D相比3D更具有趣味性，可以實現(xiàn)3D打印無法實現(xiàn)的懸浮結構，增強食客和食品原料之間的互動。此外4D打印食品更加實用，可以降低成本和運輸空間。3D打印食品不適合干燥，而4D打印有利于控制干燥過程中的結構變化，用于制作一些健康的零食。
4D打印食品技術仍處于研究階段，全面實現(xiàn)商業(yè)化仍然需要進一步的研究與開發(fā)。在歐美發(fā)達國家，已經(jīng)開發(fā)出幾種可直接用于廚房烹調(diào)的4D打印食品，如巧克力制成的甜品以及玉米淀粉類制成的玉米餅和煎餅等。這些4D打印食品可以實現(xiàn)在一定外界刺激下自發(fā)變形，并且產(chǎn)品外觀更加精致。
談到5D，就要涉及到很多人的知識盲區(qū)了。其實現(xiàn)在有很多科研院所已經(jīng)開啟5D的應用研究。
5D食品打印技術于2016年問世，相比4D更顯高級。5D打印使物體能夠從5個軸打印，而不是在3D打印技術中僅從三個軸(X、Y和Z)打印。
在食品領域，5D打印能夠以更少的材料生產(chǎn)最復雜、最曲面的食品結構，并提高強度以在運輸過程中保持其獨特的形狀，這是3D打印技術無法做到的。5D打印亦可以打印任何填充類型和填充密度的食品材料，同時保持打印后的產(chǎn)品形狀，有利于制造不同質(zhì)地的食品來滿足各種消費者喜好。此外，5D打印使打印頭和打印床能夠自由移動，有助于制造邊緣光滑彎曲的食品，使產(chǎn)品對消費者更具吸引力。
6D打印是迄今為止最為前沿的打印技術。鑒于它已經(jīng)超出大多人的理解力，我們這里僅從官方概念中做一下粗淺了解。
6D打印技術在2021年被首次提出，目前還尚未應用于任何領域。6D打印技術源于4D和5D打印技術的結合。6D打印物體可以被認為是在刺激條件下使用FDM技術和智能材料的五軸打印機的產(chǎn)物。
如前所述，4D打印能夠以更高的強度和更少的材料打印最復雜的結構；5D打印能夠響應刺激隨時間改變形狀、顏色或其他屬性，從而制造出比4D打印物體更堅固、更有效的物體。融合兩者優(yōu)勢的6D打印就具有無與倫比的先天靈活性和復雜處理能力。由于其固有的加工靈活性，輔以適當?shù)脑O置，就可以大大減少材料的使用量和加工時間。
圖源：sciencedirect
02 從個性化營養(yǎng)到太空食品：“印”你所想
在一般公眾眼中，食品打印更像是一臺彰顯科技神威的精靈寶盒。巧克力、面條、肉類......大多數(shù)日常食物都能在方寸之地被打印出來。然而，食品打印的志向絕不僅僅只是日常食物，其觸角早已伸向更多的創(chuàng)新領域，比如個性化營養(yǎng)定制、醫(yī)療健康、創(chuàng)意設計等。
個性化定制營養(yǎng)食品
如今，“精準營養(yǎng)”已經(jīng)逐漸成為食品健康產(chǎn)業(yè)的新熱點。隨著大眾健康飲食需求的升級和健康意識的普遍增強，個性化營養(yǎng)食品定制開始受到市場追捧。
根據(jù)Markets and markets數(shù)據(jù)顯示，個性化營養(yǎng)市場規(guī)模增長勢頭強勁，預計2025年將增至164億美元。在國內(nèi)，國家衛(wèi)生健康委發(fā)布的《“十四五”國家臨床?？颇芰ㄔO規(guī)劃》，將精準醫(yī)療作為臨床?？颇芰ㄔO的主要方向之一。
通過食品打印技術，可以根據(jù)個體的需求和健康狀況，定制營養(yǎng)豐富、符合個人口味偏好的食品。例如，根據(jù)個人的營養(yǎng)需求和口味選擇，制作出特定的蛋白質(zhì)酒精飲料、維生素補充劑等。
2020年，世界上第一個通過 3D 打印制造定制維生素的公司Melissa Snover 旗下Nourished品牌推出了定制維生素軟糖，每顆軟糖均采用創(chuàng)新的 3D 打印技術制成，可實現(xiàn)真正的定制，并將七種營養(yǎng)素成分疊加在一起融入到產(chǎn)品中。這些個性化復合維生素軟糖還有助于改善消化、幫助減肥等，軟糖采用無塑料包裝單獨包裝，比常規(guī)藥片更容易吞咽。
圖源：Nourished
Open Meals 旗下Sushi Singularity 餐廳是一家在東京開業(yè)的日本餐廳，旨在通過 3D 打印餐食徹底改變壽司的餐廳飲食體驗。如果想要吃到定制壽司，則需要提前預定，預定完成后就可以收到健康檢測套件，提交樣品至餐廳進行評估。到達餐廳你只需要坐在柜臺前，個人信息數(shù)據(jù)就會通過面部識別輸入計算機，餐廳以收集到的生物信息和 DNA 數(shù)據(jù)為基礎，為每位客人的個性化壽司進行編碼，再通過 3D 打印機和激光技術巧妙地生產(chǎn)出來。
老齡化正成為全球面臨的一項社會挑戰(zhàn)。在龐大的老年群體中，咀嚼或吞咽困難者需要食品開發(fā)商給予更多關注。對于無法咀嚼的老年人選擇合適的紋理劑并借助3D 打印，就可以創(chuàng)造出視覺誘人的光滑食品，而這些食品也更容易吞咽。大多數(shù)為吞咽困難者設計的飲食往往以果泥和預搗碎的食物為基礎，寡淡樸素的口感難以激發(fā)食用者的食欲，而3D 打印食物則能復制真實食物的外觀和味道，并根據(jù)個人需求量身定制。
醫(yī)療健康
食品打印技術可用來制作適合特定疾病患者的醫(yī)療食品。例如，在牙科領域，可以使用可咀嚼的材料打印出適合牙齦和牙齒狀況的食品，幫助患者攝取營養(yǎng)而不影響治療。
印度食品加工技術研究所 (IIFPT) 的科學家們正在使用 3D 打印技術將白藜蘆醇和姜黃素輸送到人體周圍，因為它們很難被人體吸收。研究人員現(xiàn)已探索使用基于蜂蠟的 3D 打印中鏈甘油三酯 (MCT) 油凝膠作為營養(yǎng)物質(zhì)的共同輸送載體。白藜蘆醇和姜黃素被稱為營養(yǎng)保健品，是一種聲稱對健康有益的膳食補充劑。 研究人員表示，這兩種化合物的組合“經(jīng)過充分研究并被廣泛認為是一種協(xié)同健康促進劑”。
創(chuàng)立于2019年的新加坡初創(chuàng)公司 Craft Health 開發(fā)出一種用于營養(yǎng)保健品和藥品的 3D 打印技術，該技術不會使精細活性成分降解或者產(chǎn)生紫外線固化。該公司已經(jīng)開發(fā)了一個由3D打印機、活性成分配方數(shù)據(jù)庫和技術硬件解決方案組成的平臺。打印一塊重量為100毫克的藥片大約需要10秒，可根據(jù)每臺平板電腦的大小或設計的復雜程度來擴大或縮小規(guī)模。
“為自己開藥”已經(jīng)借助遠程診療和個性化營養(yǎng)而已實現(xiàn)，而為自己生產(chǎn)藥物，讓普通人在看病治病這件事上擁有更大的主動性和話語權，則全要拜3D打印技術所賜。這樣看來，3D打印實在是惠及億萬民眾的科技創(chuàng)舉！
太空食品
食品打印技術在太空探索中同樣具有巨大潛力。通過將各種營養(yǎng)成分和食材壓縮為粉末或液體形式，并利用食品打印機進行制造，可以為宇航員提供更加多樣化和營養(yǎng)豐富的食品選擇。
Aleph Farms 與俄羅斯實驗室 3D Bioprinting Solutions 以及另外兩家英國公司合作。該合作伙伴在國際空間站上進行了實驗，從活體動物身上采集細胞，再將動物細胞與生長因子混合，形成“生物墨水”，供 3D 打印使用。然后打印機會創(chuàng)建多層細胞，這些細胞會長成一塊肌肉組織，再從肌肉組織長成一塊牛排。
硅谷初創(chuàng)公司 BeeHex 已利用這項技術來打印披薩?，F(xiàn)在，預編程的機器人可以打印可食用、奶酪味、美味的披薩。這項發(fā)明由美國宇航局資助，旨在幫助宇航員在執(zhí)行任務時為自己選擇和生產(chǎn)美味食物。隨著載人火星探測任務實施的可能性越來越大，宇航員可能會在太空中度過更多時間。為了讓太空旅行者避免日復一日地吞咽凍干預包裝“太空食品”，美國宇航局決定開發(fā)一種在太空烹飪的新方法。
可持續(xù)食品制造
可持續(xù)如今是全球關注的重要話題，其中，對于廢棄物的再利用，成為諸多創(chuàng)新技術瞄準的領域，食品打印技術當然也不例外。例如，使用植物基材料和可再生資源作為打印材料，就可以減少對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的依賴，降低環(huán)境影響。
豆渣是豆奶和豆腐生產(chǎn)過程中一種營養(yǎng)豐富的食用副產(chǎn)品，盡管其膳食纖維和蛋白質(zhì)含量極高，但通常被丟棄或用于動物飼料。2021年11月，新加坡科技與設計大學聯(lián)合南洋理工大學的研究人員開發(fā)出一種無需食品添加劑即可3D 打印清潔標簽豆渣零食的方法。研究人員從當?shù)囟節(jié){供應商那里收集到豆渣后，將其烘干、磨粉、篩分，在不添加任何食品添加劑的情況下，只加水配置成不同濃度的豆渣油墨，并進行直接墨水書寫3D打印。打印出的豆渣可以直接食用，也可以進行蒸、烤、凍干等后序加工。
據(jù)悉，開發(fā)團隊正在尋找其他可以利用的食品廢物，包括果皮、種子、啤酒槽等。相信不久的將來，3D打印的“新生”食物，將會喚起大眾對于廢物利用的更大熱情！
科技教育
食品打印技術可以應用于教育領域，通過將科學、技術、工程和數(shù)學（STEM）原理與食品制作相結合，激發(fā)學生的創(chuàng)造力和興趣。同時，也可以用于制作藝術品、展覽品和活動裝飾等，為人們帶來視覺和味覺上的雙重享受。
2022年8月30日，享有"數(shù)字面包房"美譽的洛杉磯食品3D打印公司Sugar Lab利用專利工藝與藝術進行巧妙結合，制作出世界上最獨特的一組創(chuàng)意糖果。Sugar Lab是一家位于東洛杉磯的公司，專門從事 3D 打印食品。這家“數(shù)字面包店”由一群由建筑師轉型為設計師的團隊領導，專門從事精心設計的 3D 打印食品設計，范圍從糖果到蛋糕裝飾以及即將推出的巧克力甜點。 該公司還會在一些特殊節(jié)日設計個性化糖果甜點，并結合卡通人物及動畫影片等進行創(chuàng)意設計。
圖源：sugar lab
這些充滿藝術美感的科技作品，不僅是大眾認知食品打印技術的最好物證，也是向青少年和青年學子們傳播科技思想、激發(fā)科學研究熱情的理想載體。
03 前路漫漫，挑戰(zhàn)與憧憬同在
食品打印技術確實能給我們帶來許多更新奇的體驗，也勢必會迸發(fā)出更多創(chuàng)新趨勢。
然而，食品打印技術仍然存在很多負面評價。
的制造行業(yè)解決方案提供商Jabil在其發(fā)布的《2021年3D打印技術趨勢調(diào)查報告》中指出：從2017年到2021年，受訪的制造型企業(yè)對于3D打印技術的認知有了較大變化。2021年，42%的人認為前處理和后處理工序的成本是應用3D打印時面臨的最大挑戰(zhàn)；而打印材料選擇受限和技術本身的局限性居于挑戰(zhàn)榜單的第2、3位。整體上看，與2017年相比，制造企業(yè)眼中的3D打印光環(huán)不再，阻力重重。
圖片來源：www.jabil.com
法國北方高等商學院教授Sachin Kamble在《The Conversation》一文中闡述了食品打印技術仍需克服的障礙。首先是成分和產(chǎn)品本身的挑戰(zhàn)，比如食品結構、食品設計、耗材成本及打印食品的保質(zhì)期等；其次來自打印機，打印生產(chǎn)速度、對食品的預處理及后處理、以及成本控制上都具有很多不確定性；最后在生態(tài)系統(tǒng)上，環(huán)境安全及勞動力短缺也是需要考慮的問題。
Foodaily認為，從商業(yè)化的視角上看，食品打印最需要解決三個方面的困擾。第一是食品安全性。由于每件打印食品都可能被食用，所以需要在3D打印機上進行嚴格的食品操作。必須證明食品材料通過設備整個路徑的安全性，而這通常極為困難。 此外，打印食品的保質(zhì)期如何明確測定，也是一個令人擔憂的問題。
第二是成本問題。目前3D打印機和材料價格還比較昂貴。雖然具體制作時間會因打印機和食物而異，但整體來說仍然非常耗時。打印一個簡單的六層設計可能需要7分鐘，更精細的模型則需要耗費40分鐘以上，這會嚴重阻礙食品打印技術的工業(yè)化發(fā)展。
第三是打印材料偏少導致的產(chǎn)品口感單一。目前應用于食品打印技術的食材還比較少，只有巧克力、面糊、肉類和部分果蔬可用，難以滿足大多數(shù)人的需求。另外，還需要開發(fā)更多在風味、顏色、大小、粘度上滿足需求的功能性食材。未來，對打印原料的研發(fā)廣度和深度將決定打印技術走向市場的速度。
生態(tài)環(huán)境可持續(xù)一直是全人類共同追求的目標，食品安全和污染是任何創(chuàng)新技術發(fā)展中都需要正視的問題。食品供應鏈中的每個利益相關者都必須具備足夠的食品可追溯性、非接觸式共享和實時信息共享系統(tǒng)的能力，遵守嚴格的食品質(zhì)量標準并避免污染。在食品打印邁向工業(yè)化的進程中，則需要格外注重安全與環(huán)境污染問題。
04 總結
2015年兩會上，“中國制造2025”國家戰(zhàn)略對外公布。其中，食品3D打印技術被列為重要分項。8年后的今天，各類打印食品不斷上市，正在悄悄改變我們未來的飲食方式。
需要看到，即便是在起步較早的歐美發(fā)達國家，食品打印技術依然仍處于從實驗室向商業(yè)化探索的階段，并未跑出可以被大眾廣泛接受，且擁有一定市場滲透率的產(chǎn)品和品牌。
然而，在人造食物、數(shù)字烹飪、個性化營養(yǎng)等市場趨勢的推動下，食品打印技術必將持續(xù)加速向前。
也許在不久的未來，“一機在手，吃遍全球”，不再是夢想......
參考資料：
1、科技與食品相結合，3D打印食品你聽過嗎？，第一推動力
2、關于3D打印食品：需要知道的一切，3D打印科技
3、3D打印出來的食物，你愿意嘗嘗嗎？世界互聯(lián)網(wǎng)大會
4、東北農(nóng)業(yè)大學孔保華教授等：4D打印技術在食品加工領域的研究進展，食品放大鏡
5、食品3D打印 頭豹詞條報告系列 2023/8