香港科技大學(xué)創(chuàng)新食品3D打印機(jī)，集成AI和石墨烯紅外加熱功能

2025年3月14日，南極熊獲悉，來自香港科技大學(xué)（HKUST）的研究人員提出了一種 3D 打印食物的新方法，這種方法省去了通常的額外步驟，可以在制作過程中進(jìn)行烹飪。

該方法以題為“Advanced 3D Food Printing withSimultaneous Cooking and Generative AI Design”的論文發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202408282

新方法提供了一種更可控、更高效的食物制備工藝。大多數(shù)現(xiàn)有的食品 3D 打印機(jī)分兩步操作，先擠出冷食品糊，然后轉(zhuǎn)移到烤箱或炸鍋中進(jìn)行烹飪。

雖然這種方法有用，但它也帶來了污染和結(jié)構(gòu)不一致的風(fēng)險。為了解決這些問題，新系統(tǒng)利用人工智能 (AI) 和基于石墨烯的紅外加熱，旨在提高精度、效率和食品安全。

△打印和在線烹飪設(shè)備一步步制作 3D 食品的過程。圖片來自香港科技大學(xué)。

紅外加熱可實現(xiàn)精確烹飪并提高食品安全

香港科技大學(xué)食品打印技術(shù)的核心是激光誘導(dǎo)石墨烯 (LIG) 紅外加熱器，它在打印時對每一層進(jìn)行即時和受控的加熱。

據(jù)研究人員介紹，打印系統(tǒng)可保持表面溫度為 278.6°F (137°C)，同時確保側(cè)面溫度保持在 221°F (105°C) 或以上。除了精度高之外，打印機(jī)的運行功率僅為 14 瓦，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)烤箱和空氣炸鍋通常所需的 1,000-2,000 瓦。

為了評估性能，研究人員測試了一種以淀粉為基礎(chǔ)的餅干面團(tuán)，并使用掃描電子顯微鏡(SEM) 和 X 射線成像分析結(jié)果。

研究結(jié)果顯示，紅外線烹飪的樣品保持了一致的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而烤箱烘烤的樣品則會出現(xiàn)膨脹和不均勻的孔隙率。熱量分布也得到控制，滲透范圍限制在離表面 1-2 毫米以內(nèi)，從而防止底層過度烹飪。

食品安全是研究的另一個重點領(lǐng)域。與使用傳統(tǒng)方法烹飪的樣品相比，紅外處理過的樣品細(xì)菌生長明顯減少。

48 小時后，紅外烹飪的食物在212°F (100°C) 的溫度下有 0 到 6 個細(xì)菌菌落，而烤箱烘烤和空氣煎炸的樣品則有超過 200 個細(xì)菌菌落。研究人員將此歸因于在打印每一層時立即暴露在高溫下會消滅細(xì)菌。

除了實驗室測試之外，研究人員認(rèn)為這項技術(shù)還可以在商業(yè)廚房中實際應(yīng)用，因為能源效率和精確度在商業(yè)廚房中變得越來越重要。

想要提供定制食品而無需復(fù)雜流程的餐館和面包店可能會受益于自動化功能。在醫(yī)療保健環(huán)境中，嚴(yán)格的份量控制和配料準(zhǔn)確性至關(guān)重要，打印系統(tǒng)可以為特殊飲食提供可靠的解決方案。

3D 打印方法仍處于研究階段，它為食品的自動化制備提供了一種獨特的方法。打印系統(tǒng)采用精確的構(gòu)造和受控的加熱，一步到位，可以為商業(yè)和專業(yè)食品生產(chǎn)提供更實用的替代方案。

△LIG加熱膜示意圖和掃描電子顯微鏡圖像。圖片來自香港科技大學(xué)。

食品 3D 打印機(jī)的新發(fā)展

香港科技大學(xué)的 3D 打印機(jī)采用略有不同的方法，加入了現(xiàn)有食品 3D 打印系統(tǒng)的行列。

去年，奧地利食品科技公司Revo Foods推出了 Food Fabricator X2，這是一款高通量食品 3D 打印機(jī)，專為大規(guī)模生產(chǎn)全切肉替代品和其他定制食品而設(shè)計。公司聲稱這是 3D 打印食品的首個工業(yè)化生產(chǎn)方法，采用多噴嘴系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)制造，同時允許將多種成分組合成精確的結(jié)構(gòu)。憑借高精度擠出技術(shù)，X2 3D 打印機(jī)可以大規(guī)模生產(chǎn)具有定制質(zhì)地、形狀和成分的食品。

早在 2022 年，食品 3D 打印公司Digital Patisserie就推出了 Patiss3，這是一款專為糕點制作而設(shè)計的 3D 打印機(jī)，目標(biāo)客戶是廚師、餐廳和工業(yè)餅干制造商�；�于擠壓的系統(tǒng)可以打印出毫米級精度的剛性糕點結(jié)構(gòu)。

它使用兩種粉末材料，一種結(jié)構(gòu)性無味粉末用于保持形狀，另一種可可基粉末用于平衡口味，同時允許用戶整合自己的蛋糕面糊以獲得定制的質(zhì)地和口味。這款系統(tǒng)無需使用硅膠和鋼制模具，可將盈利能力提高高達(dá) 26%。