想吃什麽，直接打印出來！3D打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食物打印機，突破目前的局限，以期在不久的將來，打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食物打印機可以打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。
像打印文件那樣打印想吃的食物，你可能覺得是天方夜譚，其實現在的3D打印技術正掀起一場食物革命，而革命的中心就在新加坡，我們離吃打印食品的未來或許不遠。
新加坡科技設計大學的工程産品開發核心課程主任蔡志楷教授研究3D打印科技32年，他從七年開始把研究焦點放在食物打印技術，目前已研發出一款食物打印機的原型，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，已經在噴射引擎中采用3D打印的噴嘴，說明這項技術非常安全。在建築業也能看到3D打印出來的房子，它們可以安全居住。相比之下，3D食物打印技術卻比其他産業落後，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食品打印市場非常龐大，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），複合年均增長率（compound annual growth rate）爲49.9%，而北美洲預料將成爲最大的3D食品打印市場。
蔡志楷以體積像素或體素（voxel）解釋3D食物打印技術，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：“在食物打印中，我可以決定體素用什麽食材，它們在打印食物中的位置等，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打印機推向市場。（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食物打印的潛力，認爲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，醫院得以人工方式准備這些泥狀食品，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食物打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打印技術爲有吞咽困難的年老病人，打印出有營養又好看的食品。她說：“3D食物打印技術可以去除人爲錯誤，重複地打印出質地一致的食品，方便病人吞咽。此外，食物能打印成各種形狀，看起來更美觀開胃，病人願意吃下肚就能攝取所需營養。”研究團隊曾打印出班蘭椰絲卷和水粿，希望以後能打印出較複雜的炒粿條。
此外，3D食物打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，打印機能使用人工智能爲不同病人的食物，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。你可以利用打印機制作自己獨特的食品，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食物打印爲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，然後打印出新食品。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打印出食物。
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食物打印，我可以把昆蟲磨成粉，混入打印原料，打印成肉，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。”
打印食物的挑戰
3D食物打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打印食物的形狀。蔡志楷說：“在所有類型的3D打印中，材料是最大困難，不是所有原料都容易打印出來。有些食材打印出來後容易碎裂或坍塌，例如我曾經打印出水粿，但是它一下子就碎裂、坍塌了。”
爲讓3D打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。問題在于打印配方，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。”
另一個挑戰是打印機的成本和速度。3D食品打印效率低，成本相對較高，使批量化、規模化生産受到限制，與普通食品生産方式相比，存在不少缺點。黃慧嫥說：“現在的3D打印機速度很慢，可以在家裏或餐館印出精致的小食品，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能電話，科技會不斷進步。”、
新科大最近舉行3D食品打印比賽，來自初級學院、理工學院，以及廚師學院的78名學生，以芋頭制作出各種創意料理。（新科大提供） 研發高效打印機推出市場
蔡志楷團隊在研究過程中使用某知名品牌的3D食物打印機，卻面對不少局限，例如打印速度慢，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食物打印機才能提升效率，降低成本，讓技術普及化。
由于涉及商業機密，蔡志楷不願透露太多關于新打印機原型的細節，只說它擁有市場上最快的打印速度。“我們把擠壓（extrusion）打印技術推向極限。打印三樣食品，容積約250毫升，需要大約四小時。關鍵技術在于其噴嘴，如何讓它快速打印又不影響食物質量。”
對于打印食品的價格，蔡志楷認爲不能定得太貴，“消費者願意付多少錢吃打印食品？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，質感更好的打印食品。”
蔡志楷今年初開始籌劃成立初創公司Digital Gastronomy，計劃將打印機推向市場。他說：“現階段是要把原型轉成商業産品，估計需要300萬元投資，開發硬件、食譜和打印原料。如果能找到相信我們的投資者，我有把握能在一年內量産上市，成爲這技術的領導者。”
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，讓我們先展開爲期半年的測試。我們已經跟一些安老院接洽，希望讓老人家試吃打印食物，並收集他們的意見。團隊之後會改良産品，希望籌到更多資金，推動上市計劃。”
問到打印食物的安全性，蔡志楷回應：“團隊有食品安全專家，在打印前後測量了食物的細菌數量，發現沒有變化，代表打印機沒有帶入更多細菌。”
陳慧星說：“3D食物打印技術非常新，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麽打印原料，打印機的外觀也會透明，讓大家看得到整個打印過程。”
蔡志楷對未來充滿憧憬，“食物打印機的價格會大衆化，操作簡單，市面上會售賣各種打印原料膠囊，概念跟現在的膠囊咖啡機一樣。”
黃慧嫥的夢想更大，她希望看到食物打印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，打印機會根據他們的健康需求打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。”
食品打印過程
食品打印過程相當簡單，大致可分爲以下五個步驟。
1）首先准備可食用原料，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打印機中。（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，按下按鈕便能開始打印。（林澤銳攝）
5）打印出的食品看起來美觀開胃。（林澤銳攝）
3D食物打印的發展
3D打印技術誕生于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，致力于將3D打印技術商業化，該公司是目前全球3D打印設備的最大生産商之一。
2006年，美國宇航局（NASA）開始研究3D食物打印，一些人稱這是3D食品打印的開始。2013年，美國宇航局展開載人火星計劃，爲了讓太空人在漫長的太空旅程中更加愉快舒適，宇航局研制出能夠打印比薩的“Chef3D”打印機，打印出來後，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食物打印機，可以打印巧克力、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，德國知名糖果制造商Katjes開發出世界上第一台軟糖3D打印機“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打印機成功打印出人造肉。太空人利用從地球帶去的動物細胞，結合生長素，作爲打印機的“生物墨水”，打印機把細胞層層疊放，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打印機，稱能打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。
食品打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食物打印技術，最廣泛使用的是熔融沉積技術（Fused Deposition Modeling，FDM）或俗稱擠壓打印，其材料選擇多，設備簡單，局限較少。FDM通過打印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，疊加後成爲三維實物。其他打印方式包括：選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）、立體光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、激光成型（Digital Light Processing，DLP）等。
文：黃少偉
