食品3D打印技术相关专利分析

陈瑶，张蕊,，于文静，潘禹希，董秀萍，姜鹏飞

1.大连工业大学食品学院，国家海洋食品工程技术研究中心（大连 116034）；2.大连格智知识产权代理有限公司（大连 116034）

3D打印，又称三维打印、增材制造、重塑成型等，归属于快速成型技术，以数字模型文件为依据，运用可黏合材料（如粉末状金属、塑料等），通过逐层打印的方式构造物体。由于该技术是将数字化操作应用于复杂的加工工艺中，具有精确度高、速度快、成本低等优势，因此被认为是推动工业4.0变革的重要技术手段[1]。三维打印技术最早出现于20世纪90年代中期，在生物器官、汽车制造、房屋建造等方面取得突破进展，近年来通过不断尝试，3D打印技术在食品领域中崭露头角。

食品3D打印是一种新型高科技应用技术，汇集三维建模、机电控制、食品科学等诸多学科。食品3D打印可以节省食品工艺过程所需要的时间，减少资源消耗，降低生产成本，能够根据顾客对食品的尺寸、感官、营养特性等需求打印产品，提供食品的新型制作方式，改善食品营养结构，根据个人不同身体状况，科学地定制出健康食谱，给人类带来福音[2]。

食品原料的主要成分如蛋白质、碳水化合物、脂类和维生素等及其性质是决定食品3D打印技术成功的关键[3]。3D打印机通过挤压和“喷墨”方式将液体原料打印成型；通过应用热源（激光或热风）或颗粒黏结剂沉积将粉状原料打印成形，细胞培养原料的打印（生物冲洗）技术应用于打印肉类类似物[4]。随着食品原料的不断丰富，可以通过3D打印的食品也越来越多，如将多种果蔬按比例混合，鱼胶原蛋白来增加浆料的黏度，得到营养更丰富的“可打印冰沙”，并设计新颖的金字塔形状，以期对消费者更具吸引力[5]；利用小麦淀粉作为浓缩橙汁3D打印的添加剂改变食品体系的流变学和力学性能影响打印材料的特性[6]；利用鲢鱼糜和海参浆复配打印一种新型食品用以提高海参的高值化利用[7]，及应用3D打印技术打印巧克力、冰淇淋、糖果、奶片等食品。

1 研究方法

应用Incopat数据库中的数据作为依据，使用3D打印相似或含义等同的关键词：3D打印、三维打印、增材制造、重塑成型。使用公式ALL=（TIABC=（3D打印 or 三维打印 or 增材制造 or 重塑成型）and（食品））对国内外专利申请进行检索，简单同族合并后，去除与食品领域不相关的专利申请，共获得中国申请专利403件，国际申请专利234件；检索日期2020.07.15。

2 国内外食品3D打印技术相关专利申请情况分析

2.1 国内外食品3D打印技术相关专利历年申请数量趋势

通过软件检索结果表明，2012年以前，国内没有食品3D打印技术相关研究；2013—2015年，国内食品3D打印技术开始兴起并逐渐增加；2016年，食品3D打印专利申请出现急速增长，当年申请专利量达到112件；随后申请专利数量开始逐渐减少，但申请数量均在50件以上。国外虽然在2003年出现首例关于食品3D打印技术的专利的申请，但是一直处于低谷期，直到2013年食品3D打印技术相关专利开始逐渐增加，到2017年达到专利申请的鼎盛时期（57件），此后食品3D打印技术热潮减退，专利申请数量开始逐年降低。

图1 国内外3D打印专利历年申请情况

通过对比国际国内专利数量发现，国内食品3D打印技术研究的增加可能与国际食品研究的大环境有关。在2013—2019年，国内年度专利申请数量均高于国际，甚至在2016年出现高于国际2倍的申请数量，这可能与国内学者对食品3D打印技术的重视度及国内科技发展环境等因素有关。

2.2 国内外食品3D打印技术相关专利当前法律状态

在中国食品3D打印技术相关专利申请中，获授权专利116件，处于审中状态专利168件（其中实质审查专利164件、公开未实审专利4件），失效专利119件（其中撤回62件、驳回27件、未缴年费28件、避重放弃2件）。在国际上，食品3D打印技术相关专利申请共234件，以世界知识产权组织、美国、韩国申请量为主，分别占总量的33%，28%和20%。在申请的专利中，未确认专利61件、PCT-有效期满专利51件、有效专利49件、失效专利35件、PCT-有效期内专利26件、处于审中状态专利12件。

图2 中国专利当前法律状态

图3 国际专利当前法律状态

3 国内外食品3D打印技术相关专利申请人分析

通过对国内外食品3D打印技术相关专利申请人分析，全球食品3D打印技术相关专利主要以企业申请为主，占57.66%；其次为院校申请，占29.20%；个人申请占13.14%。通过对国内专利申请人分析，中国食品3D打印技术相关专利也是以企业为主，在已公开的专利中数量占领先地位的是长兴时印科技有限公司，公开量为13件，该公司主要以设备的创新与改良为主，并对混合食品3D打印进行布局，如一种混合食品3D打印机（CN107125280A）、一种混合食品3D打印装置（CN207136199U）、一种混合食品3D打印挤出组件（CN106983171A）和一种混合食品3D打印挤出装置（CN207136080U），在设备上申请了冰淇淋3D打印机、食品3D打印机的科教版和mini版及食品3D打印机柜，此外在巧克力的3D打印和奶糖的3D打印技术方面也进行创新。公开专利量第二的企业是合肥中农科泓智营养健康有限公司，为12件；主要分布于3D打印机的技术领域，如一种封闭式食品3D打印机（CN111053267A）、一种紧凑型食品3D打印机（CN111053268A）、一种连续式食品3D打印机（CN111053269A）、一种食品3D打印机的多物料出料装置（CN109007942A），以及一种协同式精准营养食品3D打印系统及方法（CN109007945A）等；此外，该公司还在食品3D打印机的外观设计申请了专利，如食品3D打印机（CN305423501S、CN305423502S、CN305423503S）和3D打印机（三角洲传送式，CN305775501S）。在院校公开量中，以江南大学公开量最多，主要涉及果蔬食品和新型食品3D打印，以及食品材料和加工工艺技术领域。个人公开量最多的是庞用，公开量为11件，涉及巧克力制备技术领域和蛋糕原材料制备技术领域。

在国外以DECOPAC INC和SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD专利公开量较多，均为5件。DECOPAC INC主要以食品装饰系统为主，US20160278426A1用于用户上传的图像的可食用媒体片材的装饰和印刷，US20160278427A1基于用户选择的图像在可打印基本媒体上装饰和打印可食用图案，US20160262442A1基于用户选择的图像在可打印基本介质上装饰和打印三维可食用介质，US20180228201A1对用户选择的图像在可打印基本媒体上装饰和打印可食用图案，在技术层面也有一项公开专利，为US20200184530A1，用于定制食品的订购和制备的系统和方法。而Samsung electronics CO TED是对烹饪设备进行布局，包括烹调装置和烹调系统（EP3448179A4），钉仓组件，夹头单元，食品成形模块和烹饪设备（KR1020180006834A），盒组件、盒单元、食品形成模块和烹调设备（US20180007949A1），盒组件，盒单元，食品形成模块和烹饪设备（EP3435789B1），用户设备，烹饪设备和烹饪系统（EP17827878）。院校公开量最多的是江南大学，为7件，主要涉及果蔬食品加工和食品材料制备技术领域：一种易吞咽的双色土豆泥/紫薯泥冷盘3D精确打印方法（WO2019169802A1），一种利用浓缩果浆3 D 打印双色夹心点心的方法（WO2019165733A1），一种利用浓缩果浆预后处理改善3D打印效果的方法（WO2019165735A1），配方调整和控制方法的高精度的印刷性能改善的可模塑性和第三蔗糖的系统（AU2017206188A1），一种提高解冻鱼糜制品成型和三维精确印刷性能的控制方法（US20180199614A1），快速调理马铃薯泥三维打印精确成形的调控方法（US20180199615A1），一种通过添加功能性碳水化合物提高高纤维面团体系成型性和三维精密印刷性能的方法（US20180049464A1）。

综合国内外食品3D打印技术相关专利申请人分析，江南大学在食品3D打印技术相关专利申请量排名第一，在公开授权的24件专利中，涉及加工过程领域包括果蔬食品加工技术5件、新型食品加工技术4件、食品材料制备技术3件及提高3D打印精确性技术12件，主要包括微波3D打印和改善体系、性能的3D或4D打印。

图4 国内3D打印专利申请数量排名

图5 国际3D打印专利申请数量排名

4 国内外食品3D打印专利主要技术分布

通过对检索所得的国内外公开食品3D打印相关专利统计分析，主要技术分布为食品3D打印加工技术和食品3D打印加工设备2个方面，食品3D打印加工技术方面占44.89%，3D打印设备方面占55.11%。

4.1 食品3D打印加工技术

在食品3D打印加工技术方面，73%的公开量为国内专利申请。其中，江南大学在果蔬食品加工技术领域、食品材料制备技术领域和新型食品加工技术领域合计公开专利23件。3D打印应用在果蔬食品加工技术领域缩短了复杂的长时间处理过程，节约成本，操作性强，完整提供了加工与储运的全过程工艺及建议事项；应用在食品材料制备技术领域简化打印工艺，操作便捷，对环境没有严格要求，提高3D打印的适应性、可操作性；应用在新型食品加工技术领域使食品具有更丰富的口味和视觉效果，实现产品多元化、个性化、自动化的制作。庞用作为独立申请人，在食品3D打印加工技术方面公开专利11件，主要涉及3D打印用巧克力和3D打印用蛋糕的制备，不仅保留原有产品的特性和口味，而且造型新颖美观。安徽省中日农业环保科技有限公司公开专利11件，该公司采用纳米米粉和富硒米粉，不仅可以满足3D打印的工艺要求，还补充了人体所需的硒元素，满足不同消费者的需求，实现产品的多元化、个性化、自动化的制作，丰富3D打印食品材料的种类。芜湖启泽信息技术有限公司公开专利8件，提供一种3D打印的适合特定人群食用的养生饼干，不仅可以使口感更加清新，而且更有利于健康。广西筑梦三体科技有限公司公开专利6件，主要是对巧克力3D打印制备方法的研究，制成既保留有巧克力原有特性和口味，又造型新颖美观的巧克力产品。芜湖凯奥尔环保科技有限公司公开专利5件，采用3D打印的方式进行米粉制备，可实现米粉的多元化、个性化、自动化的制作，丰富3D打印食品材料的种类，可以满足不同消费者的需求。大连工业大学公开专利5件，将食品3D打印技术应用到海产领域，实现创意制作的多元化，制作出高精度、造型独特的3D打印鱼糜制品，完全摆脱模具束缚，满足人们对食品的个性化定制的需求。

通过对国外公开的食品3D打印技术相关专利进行分析，其主要涉及食品组合物的打印和对食品性质的研究，其中食品组合物的打印包括3D打印感光性组合物、预防变态反应的组合物和方法、固体食物废料和副产品再生营养产品、生产生物基复合材料、易吞咽双色土豆泥/紫薯泥精确打印、复合淀粉制备等；对食品性质的研究包括3D打印技术调节青稞淀粉消化性能、用移动装置的系统和方法对核酸和蛋白质的分析、用变温变压和溶剂材料从生物质固体中提取油添加功能性碳水化合物提高高纤维面团体系成型性和三维精密印刷性能等；此外还有打印口香糖巧克力等甜品、薯类淀粉制备及马铃薯泥的精确打印调配等。

4.2 食品3D打印加工设备

在国内公开的食品3D打印设备专利中，涉及的设备功能有可加热、可调温、可清洗、避免堵塞、方便换料、自动加料、独立供料、多料盒、耐磨抗菌、防撞以及回抽和快速成型等，其目的总和就是使工艺设备更简单、打印速率更快、打印精度更高、打印设备更节能；还有专门针对具体食品设计的3D打印装置，如仿生海珍品3D打印机（CN205033607U）、一种巧克力3D打印机（CN204949368U）、一种蛋糕3D打印机（CN106509014A）、冰淇淋3D打印机、冰淇淋3D打印方法及其产品（CN106578317A）等。

国外公开的食品3D打印设备主要是对适配器、云操作系统、刀片、喷嘴、打印机灯丝、接口、清洁机构等部件进行改造和适配，用以提高机械的稳定性，降低经济负担，操作性强，同时拓展3D打印的范围，使食品具有丰富的口味和视觉效果。此外，在烹饪领域对3D打印机进行研发与适配，如3D打印机与同步烹饪（ES2739028A1）、盒组件，盒单元，食品形成模块和烹饪设备（EP3435789B1）、准备和/或执行自动烹饪过程的系统（WO2018134072A1）、钉仓组件，夹头单元，食品成形模块和烹饪设备（KR1020180006834A）等。

5 结语

食品3D打印发展至今，打印技术逐渐成熟。各种食品3D打印方式应运而生，能满足不同人群对形状、感官、营养等多种需求[8]，主要集中在新食品来源的利用上，如个性化食品的开发、印刷参数优化以及印刷设备的设计[9]。由于打印食材的限制，设备价格高，打印效率低，打印食品安全性，打印人才等因素使3D打印技术在食品工业中的广泛应用仍然存在许多困难。3D食品打印已经被证实可以制备某些食品，如巧克力或者工艺单一的休闲食品[10]，食品3D打印具有传统食品加工不可替代的优势，如产品结构多样化，减少原材料浪费，单位生产空间小，可进行个性化定制等[11]，因此，应加大政策和经济对3D打印技术的科普宣传力度，让更多消费者认识并认可这项新兴技术对人类饮食健康生活的改变，鼓励人们积极探索，推动家庭制作式和社会化供应式的3D打印食品产业并驾齐驱[8]。