文| Foodaily每日食品 Miriam Zhang
不久前，以3D打印为行业所熟知的食品科技初创公司Moodles魔斗仕携手盒马工坊，推出新品“牛肉做的面”。每份产品由超过60g的进口牛上脑肉经3D打印而成。产品在沸水中加热90秒，捞出后拌上酱料即可食用。面条口感劲道，比纯牛肉更容易咀嚼消化。据foodaily了解，这是Moodles继今年3月推出的鸡肉面和虾肉面后开发的新款蛋白主食面制品。
作为备受行业瞩目的未来食品科技，食品打印技术正加速走出实验室，寻找最佳的商业落地方式。
在民间，3D打印早已揭开神秘面纱，以更趣味和个性化的方式接近大众。2019年6月，哈尔滨街头惊现巧克力3D打印自助售卖机，圆滚滚的小猪、呆萌的皮卡丘、活灵活现的小章鱼......只需微信扫码，上传手绘图文，各式各样的私人订制美食就从打印机喷头中徐徐生成。
图源：小红书
目前在我国，食品打印技术主要应用于餐饮、食品工业和医疗保健领域。一批批科技初创企业各持所长，通过产品和线下活动，向公众展示食品打印技术的无穷魅力：MOODLES魔斗仕将3D打印、现代营养学和分子料理等多个学科相融合，用各种优质动物蛋白制作出具有米饭、面条等传统主食形态的食品；时印科技旗下的盼打款自助式3D巧克力打印机被公认为世界上巧克力打印速度最快的设备，如今放在各个城市的科技馆、博物馆及游乐园等场地，吸粉无数；细胞农业科技公司CellX在上海举行细胞培养肉产品原型的闭门交流活动，国内各大高校从事食品3D打印研究工的专家学者悉数到场。
在近年举办的众多食品行业论坛上，食品打印更是被寄予“打破传统食品生产模式，带动中国食品工业界变革与发展”的厚望和历史重任。
起源于20世纪后期的增材制造技术，成为食品打印产业的肇始起点。而它真正成为食品加工的一项新技术，则是本世纪的事情。过去的30年里，食品打印走过了怎样不寻常的发展历程？目前已经发展到怎样的阶段？除了糕点、面条这些普通食品外，打印机里还藏着哪些商机？食品打印技术的未来会是一路坦途吗？
01 创新三十载，食品打印技术的进化之路
3D打印技术最早可以追溯到上世纪80年。1986年，美国麻省理工学院发明出了最早的3D打印机。2006年，第一台用于打印巧克力、饼干面团和奶酪的多材料 3D 打印机Fab@Home，诞生于由康奈尔大学一群学生领导的项目中，开启3D食品打印技术真正的浪潮。发展至今即将步入4D时代，5D和6D食品打印技术也在研究进程中。
自Fab@Home问世之后，2007-2009年，美国一家小型创新公司研制出CandyFab，通过使用热空气选择性地将糖粒熔化并融合在一起来打印大型糖雕。
2012年，第一台商用 3D 巧克力打印机Choc Edge横空出世。2013年，Modern Meadow首次推出生物打印机来打印肉制品。不久之后，西班牙的一家创业公司又开发出一台名为Foodini的3D打印食品机，进一步完善了3D打印机的各项功能，正式开启食品3D打印的商业化之路。
2016年4月，全球第一家3D打印餐厅Food Ink在荷兰开业。该餐厅使用3D打印机生产商Byflow开发的便捷式多材料3D打印机，打印针头来回移动将食材一层层叠加，最终呈现出电脑设定好的形状，为客户制作各种造型独特的菜肴除了打印食物外，餐厅里的桌子、椅子、灯具甚至是餐具也都由3D打印技术打印而成。
图源：Daily MaiL
2020年，以色列初创公司Redefine Meat推出一款3D打印的高蛋白、无胆固醇的植物肉牛排“Alt-Steak”。同年，日本初创公司Open Meals发布了一套未来主义餐厅计划，将基因科学与3D打印食品技术结合，推出为顾客健康状况量身设计的寿司餐厅Sushi Singularity。2022年，工业塑料 FDM 3D 打印机制造商FELIXprinter推出 FELIX FOODprinters 系列。
据估计，全球3D打印食品市场将从2022年的20.1亿美元大幅增长到2027年底的194.1亿美元，复合年增长率为57.3%。
图源：marketsandmarkets
在国内，食品打印技术的落地和商业化起点，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东众筹；2016年6月，时印科技旗下食品打印机SHINNIOVE-S系列上市，成为国内首款支持多食材的多功能食品3D打印机。
此后，在政策引导和资本扶持下，在增材制造技术、3D打印设备、食材研发、终端应用等环节，涌现出一批科技初创企业，成为中国追赶食品打印领域全球制高点的核心力量。
到2022年，中国增材制造新型标准体系已基本建立，增材制造国际标准转化率达到90%；增材制造设备安装量市场占全球市场10.60%，中国对全球食品3D打印领域文章的贡献率达到29.27%。
3D-6D打印，科幻还是现实？
单看打印设备的发展节点，也许很难勾勒出食品打印技术前行的清晰脉络。我们不妨换个视角，从打印升维的过程，来认识这项神秘科技的进阶路径。
2022年，来自希腊的一位教授在MDPI科学杂志上发表了一篇论文，详细谈及3D技术到6D技术的升级过程。尽管3D打印技术提供了一种相对便捷的制造途径，但对于制造更复杂的物体来说还相对有限。针对级别和技术难度更高的4D、5D、6D打印技术的研究已经在学术界和产业界展开。
图源：MDPI
让我们从最基础的3D打印技术开始谈起。
3D打印食品是通过半自动化增材制造工艺制成的，该工艺将可食用长丝分层制成各种可食用食品。通俗理解3D 打印食物就像模拟糕点师在蛋糕上裱花，当手臂沿着海绵状的周边移动时，彩色的搅打糖就会呈现出处理者设计的形状。
3D打印利用糊状或可延展的食品，包括面食、巧克力、奶酪、饼干面团、糖基糖果、明胶、培养肉、土豆泥和披萨等，逐层构建，适合创建具有复杂几何形状、定制质地和营养成分的定制食品。3D 打印技术有四种类型，即挤压打印、选择性烧结、粘合剂喷射和喷墨打印。
正在打印中的人造肉，源自人造肉公司。图片来源：Steakholder
4D食品打印技术于2012年推出，在3D打印基础上增加了时间维度的延伸。4D 打印是 3D 打印物体随着时间的推移改变其结构的过程，通常由湿度、热量或微波能等环境因素触发。
从变身为新形状的甜甜圈到随时间变化颜色的饼干，4D 打印食品目前令人兴奋的原因在于其新颖性，而且这项技术有潜力帮助吞咽困难患者。
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、大豆分离蛋白和凝胶类原料，已经可以与多种烹饪工艺相结合制作美味佳肴，如利用巧克力凝胶制作的可绽放的花朵。
贝扎尔艺术与设计学院毕业生Meydan Levy利用4D打印技术开发了五种可食用的人造水果，里面充满了营养，旨在养活不断增长的人口。其中包括打印的纤维素皮，里面填充了多种维生素和矿物质的混合物，也可谓是一大创举。
可以发现，4D相比3D更具有趣味性，可以实现3D打印无法实现的悬浮结构，增强食客和食品原料之间的互动。此外4D打印食品更加实用，可以降低成本和运输空间。3D打印食品不适合干燥，而4D打印有利于控制干燥过程中的结构变化，用于制作一些健康的零食。
4D打印食品技术仍处于研究阶段，全面实现商业化仍然需要进一步的研究与开发。在欧美发达国家，已经开发出几种可直接用于厨房烹调的4D打印食品，如巧克力制成的甜品以及玉米淀粉类制成的玉米饼和煎饼等。这些4D打印食品可以实现在一定外界刺激下自发变形，并且产品外观更加精致。
谈到5D，就要涉及到很多人的知识盲区了。其实现在有很多科研院所已经开启5D的应用研究。
5D食品打印技术于2016年问世，相比4D更显高级。5D打印使物体能够从5个轴打印，而不是在3D打印技术中仅从三个轴(X、Y和Z)打印。
在食品领域，5D打印能够以更少的材料生产最复杂、最曲面的食品结构，并提高强度以在运输过程中保持其独特的形状，这是3D打印技术无法做到的。5D打印亦可以打印任何填充类型和填充密度的食品材料，同时保持打印后的产品形状，有利于制造不同质地的食品来满足各种消费者喜好。此外，5D打印使打印头和打印床能够自由移动，有助于制造边缘光滑弯曲的食品，使产品对消费者更具吸引力。
6D打印是迄今为止最为前沿的打印技术。鉴于它已经超出大多人的理解力，我们这里仅从官方概念中做一下粗浅了解。
6D打印技术在2021年被首次提出，目前还尚未应用于任何领域。6D打印技术源于4D和5D打印技术的结合。6D打印物体可以被认为是在刺激条件下使用FDM技术和智能材料的五轴打印机的产物。
如前所述，4D打印能够以更高的强度和更少的材料打印最复杂的结构；5D打印能够响应刺激随时间改变形状、颜色或其他属性，从而制造出比4D打印物体更坚固、更有效的物体。融合两者优势的6D打印就具有无与伦比的先天灵活性和复杂处理能力。由于其固有的加工灵活性，辅以适当的设置，就可以大大减少材料的使用量和加工时间。
图源：sciencedirect
02 从个性化营养到太空食品：“印”你所想
在一般公众眼中，食品打印更像是一台彰显科技神威的精灵宝盒。巧克力、面条、肉类......大多数日常食物都能在方寸之地被打印出来。然而，食品打印的志向绝不仅仅只是日常食物，其触角早已伸向更多的创新领域，比如个性化营养定制、医疗健康、创意设计等。
个性化定制营养食品
如今，“精准营养”已经逐渐成为食品健康产业的新热点。随着大众健康饮食需求的升级和健康意识的普遍增强，个性化营养食品定制开始受到市场追捧。
根据Markets and markets数据显示，个性化营养市场规模增长势头强劲，预计2025年将增至164亿美元。在国内，国家卫生健康委发布的《“十四五”国家临床专科能力建设规划》，将精准医疗作为临床专科能力建设的主要方向之一。
通过食品打印技术，可以根据个体的需求和健康状况，定制营养丰富、符合个人口味偏好的食品。例如，根据个人的营养需求和口味选择，制作出特定的蛋白质酒精饮料、维生素补充剂等。
2020年，世界上第一个通过 3D 打印制造定制维生素的公司Melissa Snover 旗下Nourished品牌推出了定制维生素软糖，每颗软糖均采用创新的 3D 打印技术制成，可实现真正的定制，并将七种营养素成分叠加在一起融入到产品中。这些个性化复合维生素软糖还有助于改善消化、帮助减肥等，软糖采用无塑料包装单独包装，比常规药片更容易吞咽。
图源：Nourished
Open Meals 旗下Sushi Singularity 餐厅是一家在东京开业的日本餐厅，旨在通过 3D 打印餐食彻底改变寿司的餐厅饮食体验。如果想要吃到定制寿司，则需要提前预定，预定完成后就可以收到健康检测套件，提交样品至餐厅进行评估。到达餐厅你只需要坐在柜台前，个人信息数据就会通过面部识别输入计算机，餐厅以收集到的生物信息和 DNA 数据为基础，为每位客人的个性化寿司进行编码，再通过 3D 打印机和激光技术巧妙地生产出来。
老龄化正成为全球面临的一项社会挑战。在庞大的老年群体中，咀嚼或吞咽困难者需要食品开发商给予更多关注。对于无法咀嚼的老年人选择合适的纹理剂并借助3D 打印，就可以创造出视觉诱人的光滑食品，而这些食品也更容易吞咽。大多数为吞咽困难者设计的饮食往往以果泥和预捣碎的食物为基础，寡淡朴素的口感难以激发食用者的食欲，而3D 打印食物则能复制真实食物的外观和味道，并根据个人需求量身定制。
医疗健康
食品打印技术可用来制作适合特定疾病患者的医疗食品。例如，在牙科领域，可以使用可咀嚼的材料打印出适合牙龈和牙齿状况的食品，帮助患者摄取营养而不影响治疗。
印度食品加工技术研究所 (IIFPT) 的科学家们正在使用 3D 打印技术将白藜芦醇和姜黄素输送到人体周围，因为它们很难被人体吸收。研究人员现已探索使用基于蜂蜡的 3D 打印中链甘油三酯 (MCT) 油凝胶作为营养物质的共同输送载体。白藜芦醇和姜黄素被称为营养保健品，是一种声称对健康有益的膳食补充剂。 研究人员表示，这两种化合物的组合“经过充分研究并被广泛认为是一种协同健康促进剂”。
创立于2019年的新加坡初创公司 Craft Health 开发出一种用于营养保健品和药品的 3D 打印技术，该技术不会使精细活性成分降解或者产生紫外线固化。该公司已经开发了一个由3D打印机、活性成分配方数据库和技术硬件解决方案组成的平台。打印一块重量为100毫克的药片大约需要10秒，可根据每台平板电脑的大小或设计的复杂程度来扩大或缩小规模。
“为自己开药”已经借助远程诊疗和个性化营养而已实现，而为自己生产药物，让普通人在看病治病这件事上拥有更大的主动性和话语权，则全要拜3D打印技术所赐。这样看来，3D打印实在是惠及亿万民众的科技创举！
太空食品
食品打印技术在太空探索中同样具有巨大潜力。通过将各种营养成分和食材压缩为粉末或液体形式，并利用食品打印机进行制造，可以为宇航员提供更加多样化和营养丰富的食品选择。
Aleph Farms 与俄罗斯实验室 3D Bioprinting Solutions 以及另外两家英国公司合作。该合作伙伴在国际空间站上进行了实验，从活体动物身上采集细胞，再将动物细胞与生长因子混合，形成“生物墨水”，供 3D 打印使用。然后打印机会创建多层细胞，这些细胞会长成一块肌肉组织，再从肌肉组织长成一块牛排。
硅谷初创公司 BeeHex 已利用这项技术来打印披萨。现在，预编程的机器人可以打印可食用、奶酪味、美味的披萨。这项发明由美国宇航局资助，旨在帮助宇航员在执行任务时为自己选择和生产美味食物。随着载人火星探测任务实施的可能性越来越大，宇航员可能会在太空中度过更多时间。为了让太空旅行者避免日复一日地吞咽冻干预包装“太空食品”，美国宇航局决定开发一种在太空烹饪的新方法。
可持续食品制造
可持续如今是全球关注的重要话题，其中，对于废弃物的再利用，成为诸多创新技术瞄准的领域，食品打印技术当然也不例外。例如，使用植物基材料和可再生资源作为打印材料，就可以减少对传统农业和畜牧业的依赖，降低环境影响。
豆渣是豆奶和豆腐生产过程中一种营养丰富的食用副产品，尽管其膳食纤维和蛋白质含量极高，但通常被丢弃或用于动物饲料。2021年11月，新加坡科技与设计大学联合南洋理工大学的研究人员开发出一种无需食品添加剂即可3D 打印清洁标签豆渣零食的方法。研究人员从当地豆浆供应商那里收集到豆渣后，将其烘干、磨粉、筛分，在不添加任何食品添加剂的情况下，只加水配置成不同浓度的豆渣油墨，并进行直接墨水书写3D打印。打印出的豆渣可以直接食用，也可以进行蒸、烤、冻干等后序加工。
据悉，开发团队正在寻找其他可以利用的食品废物，包括果皮、种子、啤酒槽等。相信不久的将来，3D打印的“新生”食物，将会唤起大众对于废物利用的更大热情！
科技教育
食品打印技术可以应用于教育领域，通过将科学、技术、工程和数学（STEM）原理与食品制作相结合，激发学生的创造力和兴趣。同时，也可以用于制作艺术品、展览品和活动装饰等，为人们带来视觉和味觉上的双重享受。
2022年8月30日，享有"数字面包房"美誉的洛杉矶食品3D打印公司Sugar Lab利用专利工艺与艺术进行巧妙结合，制作出世界上最独特的一组创意糖果。Sugar Lab是一家位于东洛杉矶的公司，专门从事 3D 打印食品。这家“数字面包店”由一群由建筑师转型为设计师的团队领导，专门从事精心设计的 3D 打印食品设计，范围从糖果到蛋糕装饰以及即将推出的巧克力甜点。 该公司还会在一些特殊节日设计个性化糖果甜点，并结合卡通人物及动画影片等进行创意设计。
图源：sugar lab
这些充满艺术美感的科技作品，不仅是大众认知食品打印技术的最好物证，也是向青少年和青年学子们传播科技思想、激发科学研究热情的理想载体。
03 前路漫漫，挑战与憧憬同在
食品打印技术确实能给我们带来许多更新奇的体验，也势必会迸发出更多创新趋势。
然而，食品打印技术仍然存在很多负面评价。
的制造行业解决方案提供商Jabil在其发布的《2021年3D打印技术趋势调查报告》中指出：从2017年到2021年，受访的制造型企业对于3D打印技术的认知有了较大变化。2021年，42%的人认为前处理和后处理工序的成本是应用3D打印时面临的最大挑战；而打印材料选择受限和技术本身的局限性居于挑战榜单的第2、3位。整体上看，与2017年相比，制造企业眼中的3D打印光环不再，阻力重重。
图片来源：www.jabil.com
法国北方高等商学院教授Sachin Kamble在《The Conversation》一文中阐述了食品打印技术仍需克服的障碍。首先是成分和产品本身的挑战，比如食品结构、食品设计、耗材成本及打印食品的保质期等；其次来自打印机，打印生产速度、对食品的预处理及后处理、以及成本控制上都具有很多不确定性；最后在生态系统上，环境安全及劳动力短缺也是需要考虑的问题。
Foodaily认为，从商业化的视角上看，食品打印最需要解决三个方面的困扰。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打印机上进行严格的食品操作。必须证明食品材料通过设备整个路径的安全性，而这通常极为困难。 此外，打印食品的保质期如何明确测定，也是一个令人担忧的问题。
第二是成本问题。目前3D打印机和材料价格还比较昂贵。虽然具体制作时间会因打印机和食物而异，但整体来说仍然非常耗时。打印一个简单的六层设计可能需要7分钟，更精细的模型则需要耗费40分钟以上，这会严重阻碍食品打印技术的工业化发展。
第三是打印材料偏少导致的产品口感单一。目前应用于食品打印技术的食材还比较少，只有巧克力、面糊、肉类和部分果蔬可用，难以满足大多数人的需求。另外，还需要开发更多在风味、颜色、大小、粘度上满足需求的功能性食材。未来，对打印原料的研发广度和深度将决定打印技术走向市场的速度。
生态环境可持续一直是全人类共同追求的目标，食品安全和污染是任何创新技术发展中都需要正视的问题。食品供应链中的每个利益相关者都必须具备足够的食品可追溯性、非接触式共享和实时信息共享系统的能力，遵守严格的食品质量标准并避免污染。在食品打印迈向工业化的进程中，则需要格外注重安全与环境污染问题。
04 总结
2015年两会上，“中国制造2025”国家战略对外公布。其中，食品3D打印技术被列为重要分项。8年后的今天，各类打印食品不断上市，正在悄悄改变我们未来的饮食方式。
需要看到，即便是在起步较早的欧美发达国家，食品打印技术依然仍处于从实验室向商业化探索的阶段，并未跑出可以被大众广泛接受，且拥有一定市场渗透率的产品和品牌。
然而，在人造食物、数字烹饪、个性化营养等市场趋势的推动下，食品打印技术必将持续加速向前。
也许在不久的未来，“一机在手，吃遍全球”，不再是梦想......
参考资料：
1、科技与食品相结合，3D打印食品你听过吗？，第一推动力
2、关于3D打印食品：需要知道的一切，3D打印科技
3、3D打印出来的食物，你愿意尝尝吗？世界互联网大会
4、东北农业大学孔保华教授等：4D打印技术在食品加工领域的研究进展，食品放大镜
5、食品3D打印 头豹词条报告系列 2023/8
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