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3D打印技术在我国食品加工中的发展前景和建议

2015/9/16    来源:互联网    作者:吴世嘉  张辉  贾敬敦      
关键字:3D打印  食品加工制造  
目前我国食品加工业正处于高速发展时期,在科技创新发展战略的驱动下,传统食品加工技术必然迎来革命性的变革。3D打印技术是一种以数字模型文件为基础构造物体的新技术,概述了3D打印技术在我国食品加工应用中的发展前景,并提出了目前存在的问题和挑战。

    党的十八大明确提出“科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑,必须摆在国家发展全局的核心位置”。强调要坚持走中国特色的自主创新道路、实施创新驱动发展战略。食品工业在世界经济中一直占据着举足轻重的地位。目前我国食品行业正处于高速发展时期,但同时也存在消耗大、利润低、缺乏自主研发技术等问题。尤其随着经济的发展和人民生活水平的提高,我国居民的饮食习惯和饮食结构也发生了巨大的变化,人们不再仅仅满足于温饱需要,开始重视食品的营养、质量安全和加工工艺,越来越多的人开始追求个性品味。因此,加快食品科技创新是食品行业持续稳定发展的根本出路,现代食品行业的发展需要科技创新的支持,只有拥有强大的自主创新能力,我国的食品技术和食品行业才能在激烈的国际竞争中把握先机、赢得主动。3D打印(3D printing)技术是20世纪80年代诞生的一项革命性技术,目前3D打印技术正处于蓬勃发展时期。本文阐述了3D打印技术的发展过程以及在各行业中的应用现状,提出了3D打印技术在我国食品加工业中的发展前景和面临的挑战,给出了我国食品加工业发展3D打印技术的若干建议,以期为实现科技创新、驱动食品行业快速发展提供新思路。

1 3D打印技术的发展简史

    3D打印技术以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成形系统,利用激光束、电子束等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结、最终叠加成形,制造出实体产品。

    3D打印技术起源于18世纪西欧的雕塑艺术,最早由美国麻省理工学院发明。20世纪末到21世纪初是3D打印技术蓬勃发展的重要时期,这一时期科学家发明了立体光固化成型技术、熔融沉积成型技术、选择性激光烧结技术等多种3D打印技术,并且诞生了多家3D打印设备制造企业,包括3D Systems公司、Stratasys公司和Z Corporation公司等。

    随着打印材料不断取得突破,技术不断成熟,近年来3D打印已被成功应用到国防、航空航天、汽车、工业设计、生物医学等众多领域,并取得了很多突破性进展。3D打印而成的汽车、飞机、人工颚骨、火箭引擎喷嘴等物件相继问世。

    近年来,3D打印技术已经开始逐步从高、精、尖的工业制造开始渗透到我们日常生活的方方面面。2011年6月,全球第一款3D打印的泳衣问世。2013年3月,美国运动品牌New Balance推出了一款专用于赛道的跑鞋,该跑鞋使用3D打印技术来定制鞋底板。特别是2011年7月,英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机,这也预示着3D打印食品成为现实。

2 我国食品加工业的现状和需求

    我国食品加工业纵向来看发展良好,产量、产值呈现逐年增长态势;产品质量提高、种类丰富;加工企业整体效益提升。但是横向比较而言,食品加工业自身还有许多问题,与世界发展水平相比差距较大。我国食品加工企业整体特点是生产和加工集约化程度低、规模小,加工设备、技术工艺落后、技术人才匮乏,无法采用先进的加工技术,加工技术水平偏低,使得加工层次少、增值低、浪费和污染严重、产品质量不稳定。

    当前我国正处于全面建设小康社会的进程之中,我国居民的膳食结构也正处于温饱到小康的转型期,随着人们保健意识的增强和对自身健康状况的关注,对营养合理、符合健康要求的食品需求十分迫切。然而多年来,我国食品加工业比较注重技术、设备方面的改进和提高,产业规模的扩大,但对改善、提升食品的营养品质和指导居民合理膳食、均衡营养重视不够,没有将现代营养科学纳入食品加工业发展的指导方针中去,而且流水线的产品无法满足日益突出的食物营养健康需求。这些问题能否解决直接影响到我国能否最终建立现代化的食物生产和营养保障体系。

    因此,目前我国食品加工业面临着新的挑战,要求对食品加工技术和加工设备进行革命性的创新。

3 3D打印技术在食品加工中的发展情况

    国外3D打印技术应用于食品加工业的研究已经取得了一些成果,主要方向还是着重在开发新的食物来源、均衡的营养饮食、航天食品以及个性化食品等方面。欧美国家有专业的研究团队和明确的研究目标,形成了自己的专利技术,并且已有成品设备在出售;西班牙的“Foodini”食物打印机已经接受预定;英国科学家们经过欧盟和世界粮食组织同意,开发了一种方法可以把食用昆虫转换成面粉,再通过3D食物打印机打印出来。这个项目被称为“昆虫焗”,所制作出来的昆虫面粉富含蛋白质和矿物质,可以和奶油、奶酪、巧克力或香料混合打印成面包等其他食物,而且经过加工的昆虫食品并没有虫子外观,人们更容易入口;美国国家航空航天局开发出了一种可打印出“匹萨”、营养面糊及各种其他食品3D食品打印机,特供宇航员在空间使用;北美最大的巧克力制造商Hershey和3D打印公司(3D System)达成了合作开发协议,双方将共同探索和开发使用3D打印技术来生产可食用食品,包括糖果和点心。荷兰应用科学研究院研发的3D食品打印机,通过在电脑里预存100多种立体图形,从而可以打印出上百种形状的立体小点心。

    我国早在20世纪90年代初开始3D打印技术的研究,研究力量主要集中在清华大学、华中科技大学、北京航空航天大学、西北工业大学、西安交通大学、华南理工大学、上海大学和中国科学院等单位。目前,这几所高校仍是我国3D打印技术的研究重地,其中华中科技大学的优势在于激光粉末烧结技术,清华大学侧重塑料堆积技术和生物医学领域,北京航空航天大学和西北工业大学主要集中在金属3D打印机领域,西安交通大学则主要集中在光固化领域。但是在食品生产加工方面仍主要停留在探索尝试阶段,并未实现大规模的实际应用。然而结合我国复杂的国情,如食品加工设备、加工技术水平低、食品浪费和污染严重;人口众多、环境污染严重、耕地面积越来越少,导致粮油等必需品不充足。相对地,随着经济的发展人们的营养问题从营养不良转变为营养过剩,特别是不合理的饮食结构,摄入大量高脂、高糖、高盐的“三高”食品,导致新陈代谢紊乱、体重超标,提高了冠心病、癌症、糖尿病、高血压、中风和其他疾病的患病风险。另一方面,我国的空间站工程已正式启动,随着航天飞行时间的延长,作为航天员健康保障基础的航天食品将发挥越来越重要的作用。综上所述,我国更应该充分挖掘3D打印技术在食品加工中的应用潜力。

责任编辑:程玥
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