想吃什么，直接打印出来！3D打印技术正掀起一场食物革命，本地科学家也加入其中，致力研发完善3D食物打印机，突破目前的局限，以期在不久的将来，打印出既美味又可安全食用的食品。这项技术除了能缓解全球粮食危机，也可帮助有吞咽困难的年长病患进食，确保他们摄取所需的营养。
3D食物打印机可以打印出各种形状的食物，例如盘中的雪花形萝卜泥，口感细腻，像雪糕般入口即化。
像打印文件那样打印想吃的食物，你可能觉得是天方夜谭，其实现在的3D打印技术正掀起一场食物革命，而革命的中心就在新加坡，我们离吃打印食品的未来或许不远。
新加坡科技设计大学的工程产品开发核心课程主任蔡志楷教授研究3D打印科技32年，他从七年开始把研究焦点放在食物打印技术，目前已研发出一款食物打印机的原型，计划不久后推出市场。
蔡志楷接受《联合早报》专访时说：“科技领域中最先进的航空业，已经在喷射引擎中采用3D打印的喷嘴，说明这项技术非常安全。在建筑业也能看到3D打印出来的房子，它们可以安全居住。相比之下，3D食物打印技术却比其他产业落后，如果可以提升这方面的技术，潜力是非常巨大的。”
根据调研公司Vantage的最近市场调查报告，3D食品打印市场非常庞大，估计会从2021年的7690万美元（约1亿新元）增长到2028年的8.7亿美元（约12亿新元），复合年均增长率（compound annual growth rate）为49.9%，而北美洲预料将成为最大的3D食品打印市场。
蔡志楷以体积像素或体素（voxel）解释3D食物打印技术，体素是三维空间的最小单位，概念跟砖块相似，如果将砖块（体素）堆叠起来就能建造出三维结构。他说：“在食物打印中，我可以决定体素用什么食材，它们在打印食物中的位置等，创造出不同味道和质感，独一无二的食品。”
助吞咽困难病患进食
邱德拔医院高级资深营养师黄慧嫥，几年前就看到3D食物打印的潜力，认为这项技术可以帮助有吞咽困难（dysphagia）的年老病人进食。她解释说，患有吞咽困难或失智症的年长病人，只能吃泥状食物，不能太稠或太硬，以方便他们吞咽。不过，泥状食物往往不美观，导致病人不吃或吃得不多，形成体重下降或营养不足等问题。此外，医院得以人工方式准备这些泥状食品，营养师和团队须一一审查，确保食品安全且质地一致，相当费时费力。
黄慧嫥希望用3D食物打印技术帮有吞咽困难的年老病人进食。（龙国雄摄）
黄慧嫥在2015年联络蔡志楷，两人决定一起研究如何用3D打印技术为有吞咽困难的年老病人，打印出有营养又好看的食品。她说：“3D食物打印技术可以去除人为错误，重复地打印出质地一致的食品，方便病人吞咽。此外，食物能打印成各种形状，看起来更美观开胃，病人愿意吃下肚就能摄取所需营养。”研究团队曾打印出班兰椰丝卷和水粿，希望以后能打印出较复杂的炒粿条。
此外，3D食物打印能根据不同人的健康需求或喜好，提供客制化的营养配方。黄慧嫥举例说，打印机能使用人工智能为不同病人的食物，加入所需的维他命或营养。
蔡志楷说：“人们都喜欢个性化的东西，也愿意付更多钱获得，例如很多人喜欢客制化的包包、鞋子、家具等。你可以利用打印机制作自己独特的食品，如果味道不错，甚至能在线上销售赚钱。”
缓解全球粮食短缺问题
联合国预测全球人口在未来几十年将持续增长，到2030年将达到85亿人，意味着未来粮食供应不足的问题将更加严峻。3D食物打印为今后可能出现的粮食不足问题，提供了一个解决方案，可从人类目前不太食用或丢弃的食物部分，提取所需的营养成分，然后打印出新食品。新科大的研究团队曾用过橙皮、豆渣和波罗蜜种子等丢弃材料打印出食物。
黄慧嫥说：“现在大家很注重可持续的食物供应。多数人平时不吃昆虫，但它们具有丰富蛋白质和其他营养。通过3D食物打印，我可以把昆虫磨成粉，混入打印原料，打印成肉，味道跟真肉一模一样，人们根本不会知道，甚至会吃得津津有味。”
打印食物的挑战
3D食物打印技术的发展前景光明，不过目前仍得克服一些技术挑战，其中一大难题是如何维持打印食物的形状。蔡志楷说：“在所有类型的3D打印中，材料是最大困难，不是所有原料都容易打印出来。有些食材打印出来后容易碎裂或坍塌，例如我曾经打印出水粿，但是它一下子就碎裂、坍塌了。”
为让3D打印的食物能维持形状，研究人员通常会添加水胶体（hydrocolloid）。蔡志楷说：“水胶体在食品业被广泛使用，能安全食用。问题在于打印配方，我们不清楚哪一种水胶体适合哪一类食材，所以得花时间不断实验。”
另一个挑战是打印机的成本和速度。3D食品打印效率低，成本相对较高，使批量化、规模化生产受到限制，与普通食品生产方式相比，存在不少缺点。黄慧嫥说：“现在的3D打印机速度很慢，可以在家里或餐馆印出精致的小食品，不过要印出医院病人所需的食物须要花很长时间。”不过她相信这个问题迟早能解决，“就像20年前大家都使用传呼机，从来没人想到有一天会出现智能电话，科技会不断进步。”、
研发高效打印机推出市场
蔡志楷团队在研究过程中使用某知名品牌的3D食物打印机，却面对不少局限，例如打印速度慢，没加热功能，甚至无法支持业界常用的STL三维图形文件格式等。他因此意识到，只有研发出自己的3D食物打印机才能提升效率，降低成本，让技术普及化。
由于涉及商业机密，蔡志楷不愿透露太多关于新打印机原型的细节，只说它拥有市场上最快的打印速度。“我们把挤压（extrusion）打印技术推向极限。打印三样食品，容积约250毫升，需要大约四小时。关键技术在于其喷嘴，如何让它快速打印又不影响食物质量。”
对于打印食品的价格，蔡志楷认为不能定得太贵，“消费者愿意付多少钱吃打印食品？我们不能卖得比现有食物贵很多。我们的目标是让消费者付稍微多一点钱，就能享用更好看，更美味，质感更好的打印食品。”
蔡志楷今年初开始筹划成立初创公司Digital Gastronomy，计划将打印机推向市场。他说：“现阶段是要把原型转成商业产品，估计需要300万元投资，开发硬件、食谱和打印原料。如果能找到相信我们的投资者，我有把握能在一年内量产上市，成为这技术的领导者。”
负责募资和拓展业务的是Digital Gastronomy另一个创办人陈慧星。她说：“新加坡科技设计大学已同意提供12万5000元的资金，让我们先展开为期半年的测试。我们已经跟一些安老院接洽，希望让老人家试吃打印食物，并收集他们的意见。团队之后会改良产品，希望筹到更多资金，推动上市计划。”
问到打印食物的安全性，蔡志楷回应：“团队有食品安全专家，在打印前后测量了食物的细菌数量，发现没有变化，代表打印机没有带入更多细菌。”
陈慧星说：“3D食物打印技术非常新，目前本地没有相关的食品安全条例。我觉得公开透明很重要，除了让消费者知道我们使用什么打印原料，打印机的外观也会透明，让大家看得到整个打印过程。”
蔡志楷对未来充满憧憬，“食物打印机的价格会大众化，操作简单，市面上会售卖各种打印原料胶囊，概念跟现在的胶囊咖啡机一样。”
黄慧嫥的梦想更大，她希望看到食物打印机像自动贩卖机那样进驻组屋楼下。“年老病人未来只要扫描身份证，打印机会根据他们的健康需求打印出量身定做的食物。这样可省去他们上超市买食材，在家烹煮的麻烦，医疗社工也会获得通知，知道老人家每天都定时吃东西，身体无恙。”
食品打印过程
食品打印过程相当简单，大致可分为以下五个步骤。
1）首先准备可食用原料，一些常用材料包括巧克力、糖、乳酪、芋头、红萝卜等。（林泽锐摄）
2）将装有原料的不锈钢胶囊放进打印机中。（林泽锐摄）
3）通过触控屏输入食物形状设计、体积大小、位置等。（林泽锐摄）
4）一切就绪后，按下按钮便能开始打印。（林泽锐摄）
5）打印出的食品看起来美观开胃。（林泽锐摄）
3D食物打印的发展
3D打印技术诞生于1983年，由美国工程师查尔斯赫尔（Charles Hull）发明。1986年，赫尔获得专利授权，成立了3D Systems公司，致力于将3D打印技术商业化，该公司是目前全球3D打印设备的最大生产商之一。
2006年，美国宇航局（NASA）开始研究3D食物打印，一些人称这是3D食品打印的开始。2013年，美国宇航局展开载人火星计划，为了让太空人在漫长的太空旅程中更加愉快舒适，宇航局研制出能够打印比萨的“Chef3D”打印机，打印出来后，放进烤箱就能吃。
2014年，3D Systems与著名巧克力品牌合作，开发了全新的3D食物打印机，可以打印巧克力、糖果等零食，不过当时这些看起来很漂亮的零食价钱都很贵。2015年，德国知名糖果制造商Katjes开发出世界上第一台软糖3D打印机“神奇糖果工厂”（The Magic Candy Factory）。
2019年9月，国际太空站的俄罗斯实验室用一台3D打印机成功打印出人造肉。太空人利用从地球带去的动物细胞，结合生长素，作为打印机的“生物墨水”，打印机把细胞层层叠放，让它们长成一小块牛肉。
西班牙初创公司Novameat去年在世界移动通信大会上，展示其最新3D打印机，称能打印出模仿牛肉或猪肉质地和味道的素食牛排。公司计划今年将素食牛排出售给消费者和餐馆等，进军替代肉类的庞大市场。
食品打印技术近年渐渐普及化，开始走进餐馆和住家。目前市面上有好几种3D食物打印技术，最广泛使用的是熔融沉积技术（Fused Deposition Modeling，FDM）或俗称挤压打印，其材料选择多，设备简单，局限较少。FDM通过打印机喷头加热原料使其熔融，之后挤压出来涂敷在工作平台上，形成层层截面，叠加后成为三维实物。其他打印方式包括：选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、立体光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、激光成型（Digital Light Processing，DLP）等。
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文：黄少伟
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