想吃什麼,直接列印出來!3D列印技術正掀起一場食物革命,本地科學家也加入其中,致力研發完善3D食物印表機,突破目前的局限,以期在不久的將來,列印出既美味又可安全食用的食品。這項技術除了能緩解全球糧食危機,也可幫助有吞咽困難的年長病患進食,確保他們攝取所需的營養。

3D食物印表機可以列印出各種形狀的食物,例如盤中的雪花形蘿蔔泥,口感細膩,像雪糕般入口即化。
像列印文件那樣列印想吃的食物,你可能覺得是天方夜譚,其實現在的3D列印技術正掀起一場食物革命,而革命的中心就在新加坡,我們離吃列印食品的未來或許不遠。
新加坡科技設計大學的工程產品開發核心課程主任蔡志楷教授研究3D列印科技32年,他從七年開始把研究焦點放在食物列印技術,目前已研發出一款食物印表機的原型,計劃不久後推出市場。
蔡志楷接受《聯合早報》專訪時說:「科技領域中最先進的航空業,已經在噴射引擎中採用3D列印的噴嘴,說明這項技術非常安全。在建築業也能看到3D列印出來的房子,它們可以安全居住。相比之下,3D食物列印技術卻比其他產業落後,如果可以提升這方面的技術,潛力是非常巨大的。」
根據調研公司Vantage的最近市場調查報告,3D食品列印市場非常龐大,估計會從2021年的7690萬美元(約1億新元)增長到2028年的8.7億美元(約12億新元),復合年均增長率(compound annual growth rate)為49.9%,而北美洲預料將成為最大的3D食品列印市場。
蔡志楷以體積像素或體素(voxel)解釋3D食物列印技術,體素是三維空間的最小單位,概念跟磚塊相似,如果將磚塊(體素)堆疊起來就能建造出三維結構。他說:「在食物列印中,我可以決定體素用什麼食材,它們在列印食物中的位置等,創造出不同味道和質感,獨一無二的食品。」

蔡志楷教授(左)和陳慧星計劃將研發的食物印表機推向市場。(林澤銳攝) 助吞咽困難病患進食
邱德拔醫院高級資深營養師黃慧嫥,幾年前就看到3D食物列印的潛力,認為這項技術可以幫助有吞咽困難(dysphagia)的年老病人進食。她解釋說,患有吞咽困難或失智症的年長病人,只能吃泥狀食物,不能太稠或太硬,以方便他們吞咽。不過,泥狀食物往往不美觀,導致病人不吃或吃得不多,形成體重下降或營養不足等問題。此外,醫院得以人工方式準備這些泥狀食品,營養師和團隊須一一審查,確保食品安全且質地一致,相當費時費力。

黃慧嫥希望用3D食物列印技術幫有吞咽困難的年老病人進食。(龍國雄攝)
黃慧嫥在2015年聯絡蔡志楷,兩人決定一起研究如何用3D列印技術為有吞咽困難的年老病人,列印出有營養又好看的食品。她說:「3D食物列印技術可以去除人為錯誤,重複地列印出質地一致的食品,方便病人吞咽。此外,食物能列印成各種形狀,看起來更美觀開胃,病人願意吃下肚就能攝取所需營養。」研究團隊曾列印出班蘭椰絲卷和水粿,希望以後能列印出較複雜的炒粿條。
此外,3D食物列印能根據不同人的健康需求或喜好,提供客制化的營養配方。黃慧嫥舉例說,印表機能使用人工智慧為不同病人的食物,加入所需的維他命或營養。
蔡志楷說:「人們都喜歡個性化的東西,也願意付更多錢獲得,例如很多人喜歡客制化的包包、鞋子、家具等。你可以利用印表機製作自己獨特的食品,如果味道不錯,甚至能在線上銷售賺錢。」
緩解全球糧食短缺問題
聯合國預測全球人口在未來幾十年將持續增長,到2030年將達到85億人,意味著未來糧食供應不足的問題將更加嚴峻。3D食物列印為今後可能出現的糧食不足問題,提供了一個解決方案,可從人類目前不太食用或丟棄的食物部分,提取所需的營養成分,然後列印出新食品。新科大的研究團隊曾用過橙皮、豆渣和波羅蜜種子等丟棄材料列印出食物。
黃慧嫥說:「現在大家很注重可持續的食物供應。多數人平時不吃昆蟲,但它們具有豐富蛋白質和其他營養。通過3D食物列印,我可以把昆蟲磨成粉,混入列印原料,列印成肉,味道跟真肉一模一樣,人們根本不會知道,甚至會吃得津津有味。」
列印食物的挑戰
3D食物列印技術的發展前景光明,不過目前仍得克服一些技術挑戰,其中一大難題是如何維持列印食物的形狀。蔡志楷說:「在所有類型的3D列印中,材料是最大困難,不是所有原料都容易列印出來。有些食材列印出來後容易碎裂或坍塌,例如我曾經列印出水粿,但是它一下子就碎裂、坍塌了。」
為讓3D列印的食物能維持形狀,研究人員通常會添加水膠體(hydrocolloid)。蔡志楷說:「水膠體在食品業被廣泛使用,能安全食用。問題在於列印配方,我們不清楚哪一種水膠體適合哪一類食材,所以得花時間不斷實驗。」
另一個挑戰是印表機的成本和速度。3D食品列印效率低,成本相對較高,使批量化、規模化生產受到限制,與普通食品生產方式相比,存在不少缺點。黃慧嫥說:「現在的3D印表機速度很慢,可以在家裡或餐館印出精緻的小食品,不過要印出醫院病人所需的食物須要花很長時間。」不過她相信這個問題遲早能解決,「就像20年前大家都使用傳呼機,從來沒人想到有一天會出現智慧型電話,科技會不斷進步。」、

新科大最近舉行3D食品列印比賽,來自初級學院、理工學院,以及廚師學院的78名學生,以芋頭製作出各種創意料理。(新科大提供) 研發高效印表機推出市場
蔡志楷團隊在研究過程中使用某知名品牌的3D食物印表機,卻面對不少局限,例如列印速度慢,沒加熱功能,甚至無法支持業界常用的STL三維圖形文件格式等。他因此意識到,只有研發出自己的3D食物印表機才能提升效率,降低成本,讓技術普及化。
由於涉及商業機密,蔡志楷不願透露太多關於新印表機原型的細節,只說它擁有市場上最快的列印速度。「我們把擠壓(extrusion)列印技術推向極限。列印三樣食品,容積約250毫升,需要大約四小時。關鍵技術在於其噴嘴,如何讓它快速列印又不影響食物質量。」
對於列印食品的價格,蔡志楷認為不能定得太貴,「消費者願意付多少錢吃列印食品?我們不能賣得比現有食物貴很多。我們的目標是讓消費者付稍微多一點錢,就能享用更好看,更美味,質感更好的列印食品。」
蔡志楷今年初開始籌劃成立初創公司Digital Gastronomy,計劃將印表機推向市場。他說:「現階段是要把原型轉成商業產品,估計需要300萬元投資,開發硬體、食譜和列印原料。如果能找到相信我們的投資者,我有把握能在一年內量產上市,成為這技術的領導者。」
負責募資和拓展業務的是Digital Gastronomy另一個創辦人陳慧星。她說:「新加坡科技設計大學已同意提供12萬5000元的資金,讓我們先展開為期半年的測試。我們已經跟一些安老院接洽,希望讓老人家試吃列印食物,並收集他們的意見。團隊之後會改良產品,希望籌到更多資金,推動上市計劃。」
問到列印食物的安全性,蔡志楷回應:「團隊有食品安全專家,在列印前後測量了食物的細菌數量,發現沒有變化,代表印表機沒有帶入更多細菌。」
陳慧星說:「3D食物列印技術非常新,目前本地沒有相關的食品安全條例。我覺得公開透明很重要,除了讓消費者知道我們使用什麼列印原料,印表機的外觀也會透明,讓大家看得到整個列印過程。」
蔡志楷對未來充滿憧憬,「食物印表機的價格會大眾化,操作簡單,市面上會售賣各種列印原料膠囊,概念跟現在的膠囊咖啡機一樣。」
黃慧嫥的夢想更大,她希望看到食物印表機像自動販賣機那樣進駐組屋樓下。「年老病人未來只要掃描身份證,印表機會根據他們的健康需求列印出量身定做的食物。這樣可省去他們上超市買食材,在家烹煮的麻煩,醫療社工也會獲得通知,知道老人家每天都定時吃東西,身體無恙。」
食品列印過程
食品列印過程相當簡單,大致可分為以下五個步驟。

1)首先準備可食用原料,一些常用材料包括巧克力、糖、乳酪、芋頭、紅蘿蔔等。(林澤銳攝)

2)將裝有原料的不鏽鋼膠囊放進印表機中。(林澤銳攝)

3)通過觸控屏輸入食物形狀設計、體積大小、位置等。(林澤銳攝)

4)一切就緒後,按下按鈕便能開始列印。(林澤銳攝)

5)列印出的食品看起來美觀開胃。(林澤銳攝)
3D食物列印的發展
3D列印技術誕生於1983年,由美國工程師查爾斯赫爾(Charles Hull)發明。1986年,赫爾獲得專利授權,成立了3D Systems公司,致力於將3D列印技術商業化,該公司是目前全球3D列印設備的最大生產商之一。
2006年,美國宇航局(NASA)開始研究3D食物列印,一些人稱這是3D食品列印的開始。2013年,美國宇航局展開載人火星計劃,為了讓太空人在漫長的太空旅程中更加愉快舒適,宇航局研製出能夠列印比薩的「Chef3D」印表機,列印出來後,放進烤箱就能吃。
2014年,3D Systems與著名巧克力品牌合作,開發了全新的3D食物印表機,可以列印巧克力、糖果等零食,不過當時這些看起來很漂亮的零食價錢都很貴。2015年,德國知名糖果製造商Katjes開發出世界上第一台軟糖3D印表機「神奇糖果工廠」(The Magic Candy Factory)。
2019年9月,國際太空站的俄羅斯實驗室用一台3D印表機成功列印出人造肉。太空人利用從地球帶去的動物細胞,結合生長素,作為印表機的「生物墨水」,印表機把細胞層層疊放,讓它們長成一小塊牛肉。
西班牙初創公司Novameat去年在世界移動通信大會上,展示其最新3D印表機,稱能列印出模仿牛肉或豬肉質地和味道的素食牛排。公司計劃今年將素食牛排出售給消費者和餐館等,進軍替代肉類的龐大市場。
食品列印技術近年漸漸普及化,開始走進餐館和住家。目前市面上有好幾種3D食物列印技術,最廣泛使用的是熔融沉積技術(Fused Deposition Modeling,FDM)或俗稱擠壓列印,其材料選擇多,設備簡單,局限較少。FDM通過印表機噴頭加熱原料使其熔融,之後擠壓出來塗敷在工作平台上,形成層層截面,疊加後成為三維實物。其他列印方式包括:選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering,SLS)、立體光固化成型(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、雷射成型(Digital Light Processing,DLP)等。
文:黃少偉
