3D食品印刷

3Dフードプリンティングは、さまざまな付加製造技術を使用して食品を製造するプロセスです。最も一般的な方法は、食品グレードの注射器に印刷材料を入れ、食品グレードのノズルから層ごとに印刷することです。最先端の3Dフードプリンターにはレシピがあらかじめロードされており、ユーザーはコンピューター、電話、またはIoTデバイスでリモートで食品をデザインすることもできます。食品は形、色、食感、味、栄養をカスタマイズできるため、宇宙探査やヘルスケアなどのさまざまな分野で非常に役立ちます。^[1]

精密で正確な食品印刷に影響を与える一般的な領域は3つあります。材料/成分（粘度、粉末サイズ）、プロセスパラメータ（ノズル径、印刷速度、印刷距離）、および後処理方法（焼く、電子レンジで加熱する、揚げる）です。^[11]

印刷可能な食品の種類は印刷技術によって制限されます。^[12]これらの印刷技術の概要については、以下の「印刷技術」のセクションを参照してください。

押し出し印刷で使用される一般的な材料は、本質的にシリンジ/プリントヘッドから押し出すのに十分な柔らかさがあり、形状を維持するのに十分な粘度を持っています。 ^[13]場合によっては、粉末状の材料（タンパク質、砂糖など）が粘度を高めるために追加されます。たとえば、小麦粉を水に加えると、印刷可能なペーストが作成されます。^[1]本質的に柔らかい材料には次のものがあります。^[14]

• ピューレ
• ゼリー
• フロスティング
• いくつかの種類のチーズ
• マッシュポテト

固体の特定の成分は、溶かしてから押し出すことで使用できます（例：チョコレート） 。^[15]

粉末成分: ^[16]

• 砂糖
• チョコレートパウダー
• プロテインパウダー

表面充填には低粘度の成分が使用される: ^{[17] [18]}

• ソース（ピザソース、ホットソース、マスタード、ケチャップなど）
• 着色食品インク

押し出しベースの印刷にはさまざまなアプローチがありますが、これらのアプローチは同じ基本的な手順に従います。食品が印刷されるプラットフォームは、コンピューター制御の押し出しヘッドを備えた標準的な 3 軸ステージで構成されています。この押し出しヘッドは、通常、圧縮空気または圧搾によってノズルから食品材料を押し出します。ノズルは、押し出される食品の種類や必要な印刷速度に応じて異なる場合があります^[19] (通常、ノズルが小さいほど、食品の印刷に時間がかかります)。食品が印刷されると、押し出しヘッドが 3 軸ステージに沿って移動し、目的の食品を印刷します。印刷された食品の中には、食べる前に焼いたり揚げたりするなどの追加の処理が必要なものもあります。

押し出しベースのフードプリンターは家庭用として購入でき、通常はサイズがコンパクトで、メンテナンス費用も低く抑えられます。比較すると、押し出しベースの印刷では、ユーザーにより多くの材料の選択肢が提供されます。ただし、これらの食品材料は通常柔らかいため、複雑な食品構造の印刷は困難です。さらに、製造時間が長く、追加の焼き付けや揚げ物による温度変動による変形を克服するには、さらなる研究開発が必要です。

ホットメルト押し出しでは、押し出しヘッドが食品材料を材料の融点よりわずかに高い温度に加熱します。溶けた材料はヘッドから押し出され、その後すぐに固まります。これにより、材料を希望の形状やモデルに簡単に加工できます。チョコレートなどの食品は、すぐに溶けて固まるため、この技術に使用されます。^[15]

その他の食品材料は、印刷するために本質的に加熱要素を必要としません。ゼリー、フロスティング、ピューレなどの適切な粘度を持つ食品材料は、事前に溶かすことなく室温で印刷できます。

選択的レーザー焼結では、粉末状の食品材料を加熱して結合し、固体構造を形成します。このプロセスは、レーザーを熱源として粉末材料を層ごとに結合することで完了します。目的の領域が結合された層が完成したら、新しい未結合の粉末層で覆います。この新しい未結合層の特定の部分をレーザーで加熱して、構造と結合します。このプロセスは、目的の食品モデルが構築されるまで、垂直上向きに継続されます。構築後、未結合材料はリサイクルして、別の食品モデルの印刷に使用できます。

選択的レーザー焼結は、複雑な形状やモデルの構築と、さまざまな食品の食感を作り出す能力を可能にします。適切な食品材料、つまり粉末材料の範囲によって制限されます。^[2]この制限のため、選択的レーザー焼結は主にお菓子やキャンディーの作成に使用されてきました。

選択的レーザー焼結法と同様に、バインダー ジェッティング法では粉末状の食品材料を使用して層ごとにモデルを作成します。材料を結合するために熱を使用する代わりに、液体バインダーを使用します。層の必要な領域を結合した後、結合した層の上に新しい粉末層を広げて覆います。次に、この新しい層の特定の部分を前の層に結合します。このプロセスは、必要な食品モデルが構築されるまで繰り返されます。

選択的レーザー焼結法と同様に、バインダージェッティング法では複雑な形状やモデルの構築が可能になり、さまざまな食品の食感を作り出すことができます。^[16]同様に、適切な食品材料、つまり粉末材料の範囲によっても制限されます。

インクジェット印刷は、表面充填や画像装飾に使用されます。^[17]重力を利用して、食用食品インクを食品、通常はクッキー、ケーキ、その他のキャンディーの表面に滴下します。これは非接触方式であるため、プリントヘッドは食品に触れず、画像充填中に食品が汚染されるのを防ぎます。インク滴は幅広い色で構成されているため、ユーザーはユニークで個性的な食品画像を作成できます。^[18]インクジェット印刷の問題点は、食品材料がインクと互換性がなく、画像がまったく印刷されなかったり、画像が大きく歪んだりすることです。^[20]インクジェットプリンターは家庭用または業務用に購入でき、産業用プリンターは大量生産に適しています。

マルチプリントヘッドとマルチマテリアル印刷では、複数の材料が同時に、または連続して印刷されます。^[21]マルチマテリアル印刷をサポートするにはさまざまな方法があります。1つの例では、複数のプリントヘッドを使用して複数の材料/材料を印刷します。これにより、生産と効率が向上し、興味深いデザインパターンにつながります。^[17]別の例では、プリントヘッドは1つで、別の材料が必要な場合は、プリンターが印刷する材料を交換します。^[22]複数の材料/材料は、印刷できる食事の範囲がより多様になり、栄養範囲が広くなることに相当し、フードプリンターでは非常に一般的です。^[12]

後処理段階では、印刷された食品は消費前に追加の手順が必要になる場合があります。これには、焼く、揚げる、洗浄などの処理活動が含まれます。印刷された食品は安全に消費される必要があるため、この段階は 3D 印刷された食品にとって最も重要な段階の 1 つです。後処理でのもう 1 つの懸念は、これらの追加プロセスの負担による印刷された食品の変形です。現在の方法には試行錯誤が伴います。つまり、食品添加物を材料/成分と組み合わせて、複雑な構造の完全性を改善し、印刷された構造がその形状を保持するようにします。^{[21]印刷中および調理後に印刷された形状を維持するために、}トランスグルタミナーゼ^[21]やハイドロコロイド^[13]などの添加物が成分に追加されています。

さらに、最近の研究では、パン、クッキー、パンケーキ、および生地やバッター（水、小麦粉、卵、脂肪、砂糖、膨張剤の混合物）からなる同様の材料を焼くための視覚的なシミュレーションが作成されました。^[23]シミュレーションで特定のパラメータを調整することにより、焼くことが食品に与える現実的な影響を示します。さらに研究開発を進めると、3Dプリントされた食品を調理する視覚的なシミュレーションで、変形しやすいものを予測できるようになります。

個人の栄養ニーズに合わせた食事要件のカスタマイズは、病気の予防につながります。^[24]そのため、栄養価の高い食品を食べることは健康的な生活を送るために最も重要です。3Dプリント食品は、私たちが消費する食品に必要な量のタンパク質、糖分、ビタミン、ミネラルをカスタム添加するために必要な制御を提供します。^[25]

カスタマイズ食品のもう一つの分野は、高齢者の栄養です。高齢者は食べ物を飲み込むことができない場合があり、そのため柔らかい味覚を必要とします。^[26]しかし、これらの食品は魅力的ではないことが多く、一部の人々は身体の栄養ニーズを満たすものを食べません。^[27] 3Dプリント食品は、高齢者が身体の食事ニーズを満たすことができる柔らかくて見た目に美しい食品を提供できます。^[28]

2019年10月、スタートアップ企業Nourishedは、 28種類のビタミンからパーソナライズされた栄養グミを3Dプリントしました。個人がアンケートに答え、その回答に基づいて、その個人向けにパーソナライズされた栄養グミがプリントされます。^[29]

世界の人口は増え続けており、専門家は現在の食糧供給では人口を賄えないと考えています。^[30]そのため、持続可能な食糧源が極めて重要です。研究によると、昆虫食、つまり昆虫の消費は、増加する人口を支える可能性があります。^[31]コオロギなどの昆虫は、必要な餌や水が少なく、鶏、牛、豚と同程度のタンパク質を供給します。^{[31]コオロギは}タンパク質粉に挽くことができます。ある研究^[32]では、研究者が昆虫粉を3Dプリントして昆虫に似ていない食品を作るプロセスの概要を示しています。これにより、昆虫の栄養価は損なわれません。

人類が宇宙に長期間滞在するようになるにつれ、乗組員の健康を維持するための栄養要件が重要になります。^[33]現在、NASAは、乗組員の食事要件を満たすために、3Dプリント食品を宇宙に取り入れる方法を模索しています。^[34]ビジョンは、従来の5年間の保存期間があるフリーズドライ食品を使用する代わりに、30年の保存期間を持つ粉末食品層を3Dプリントすることです。^[35]食事要件に加えて、宇宙で3Dプリント食品は士気を高める可能性があります。宇宙飛行士は見た目に美しいカスタム食事を設計できるからです。^[36]

2019年9月、ロシアの宇宙飛行士はイスラエルのスタートアップ企業アレフファームと共同で、牛の細胞から肉を育て、その細胞を3Dプリントしてステーキを作った。^[37]

畜産業は、森林破壊、土地の劣化、水質汚染、砂漠化の最大の原因の一つです。他の理由の中でも、これが肉のバイオプリンティングという新しい有望な技術につながっています。畜産業の代替案の1つは、培養肉、別名ラボで育てられた肉です。培養肉は、動物から小さな生検を採取し、ミオサテライト細胞を抽出し、成長血清を加えて細胞を増殖させることで生産されます。得られた製品は、肉のバイオプリンティングの材料として使用されます。後処理段階では、他のステップの中でも、製品に風味、ビタミン、鉄分を追加することが含まれます。さらに別の選択肢は、肉の類似品を印刷することです。スペインのスタートアップ企業Novameatは、植物ベースのステーキを印刷し、本物の肉の食感と外観を模倣することに成功しました。^[7] 2023年、オーストリアの食品技術企業Revo Foodsは、ドイツのREWEグループのスーパーマーケットで、マイコプロテインをベースにした3Dプリントサーモンフィレの代替品を発売しました。これは、世界中のスーパーマーケットで販売される最初の3Dプリント肉/シーフード代替品となり、3Dプリント食品の入手可能性向上に向けた重要なマイルストーンとなりました。^{[38] [39]}

食品業界では、個人向けの食品のプレゼンテーションや外観のカスタマイズが大きなトレンドになっています。これまで、食品のカスタマイズやクリエイティブなデザインには手作りのスキルが必要であり、その結果、生産率が低く、コストが高くなっていました。3Dフードプリンティングは、家庭ユーザーでもクリエイティブな食品デザインに必要なツールを提供することで、この問題を解決できます。^[12] 3Dフードプリンティングにより、従来の食品製造では実現できない複雑なデザインが可能になりました。ブランドロゴ、テキスト、署名、写真を、ペストリーやコーヒーなどの一部の食品に印刷できるようになりました。主に砂糖を使用して、複雑な幾何学的形状も印刷されています。3Dプリンティングにより、シェフは視覚的なインスピレーションを独自の料理作品に変えることができます。もう1つの利点は、子供たちが好む形で栄養価の高い食事を印刷できることです。^[1]

世界中で、消費用に生産される食品全体の3分の1、年間約16億トンが廃棄されています。食品廃棄物は、加工、流通、消費の過程で発生します。3Dフードプリンティングは、肉の切れ端、変形した果物や野菜、魚介類の副産物、生鮮食品などの食品製品を活用することで、消費段階での食品廃棄物を削減する非常に有望な方法です。これらの製品は、印刷に適した形で加工できます。^[40]オランダのスタートアップであるUpprinting Foodは、食品廃棄物からさまざまな材料をブレンドして組み合わせ、ピューレを作成し、それを3Dプリントの材料として使用しています。^[41]シェフも、3Dフードプリンターを使用して残り物からさまざまな料理を作っています。^[42]

従来の調理済み食品とは異なり、3Dプリントを使用して製造できる食品の種類は、材料の物理的特性によって制限されます。食品材料は一般に、3Dプリントで使用される最も弱いプラスチックよりもはるかに柔らかいため、印刷された構造は非常に壊れやすくなります。^[43]これまでのところ、ほとんどの研究では、この課題を克服するためのアプローチとして試行錯誤を使用していますが、科学者は印刷プロセス中のさまざまな材料の挙動を予測できる新しい方法の開発に取り組んでいます。これらの方法は、材料のレオロジー特性と印刷安定性との関係を分析することによって開発されています。 ^[44]

食品製品の3Dモデルを設計する場合、印刷材料の物理的および幾何学的制限を考慮する必要があります。これにより、設計プロセスが非常に複雑な作業になり、これまでのところ、それを考慮したソフトウェアは利用できません。食品材料の種類が多岐にわたるため、そのようなソフトウェアの構築も複雑な作業です。^[43]キッチンで3D食品印刷を取り入れている個人ユーザーが全体のユーザーの大部分を占めていることを考えると、ソフトウェアインターフェイスの設計は複雑さを増しています。このようなソフトウェアのインターフェイスは、シンプルで使いやすさが高く、認知負荷をかけずにユーザーに十分な機能とカスタマイズオプションを提供する必要があります。^[40]

現在の食品の3Dプリントの速度は、家庭での使用には十分かもしれませんが、大量生産するにはプロセスが非常に遅いです。^[45]シンプルなデザインには1〜2分、詳細なデザインには3〜7分、より複雑なデザインにはさらに時間がかかります。^[1]食品の印刷速度は、材料のレオロジー特性と密接に相関しています。研究によると、印刷速度が速いと引きずり効果によりサンプルの忠実度が低下し、速度が非常に遅いと材料の堆積が不安定になります。^[40]

3Dフードプリンティングが食品業界に普及するためには、印刷速度の向上、あるいは企業が複数のプリンターを運用できるほどのコスト削減が必要である。^[46]

食品を製造する際には、食品の色、風味、食感が非常に重要であるため、ほとんどの場合、フードプリンターはマルチマテリアル印刷をサポートする必要があります。現在利用可能な3Dフードプリンターは、複数の押し出し機能を開発することが難しいため、使用できる材料が限られています。これにより、3Dプリントできる食品の種類が制限され、さまざまな材料を必要とする複雑な料理は除外されます。^[43]

食品を3Dプリントする場合、安全性は非常に重要です。フードプリンターは、食品材料が通る経路全体にわたって安全性を確保する必要があります。^[43]経路のどこかで食品が詰まる可能性があるため、細菌の蓄積が大きな懸念事項です。微生物の安定性は、印刷された食品の品質の重要なパラメータであるため、プリンターの設計時と印刷プロセスの両方で対処する必要があります。^[40]一方、高品質のプリンターはステンレス鋼とBPAフリーの材料を使用しているため、食品と接触する材料はそれほど大きな懸念事項ではない可能性があります。^[1]

チョコレートなど、市場に出回っている様々な形の食品は簡単にスキャンでき、得られた3Dモデルを使ってそれらの製品を複製することができます。これらの3Dモデルはインターネットで配布され、著作権侵害につながる可能性があります。著作権の問題を規制する法律はありますが、3D食品印刷のような分野のすべての側面をカバーするのに十分かどうかは明らかではありません。^[47]