ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วิธีการพิมพ์สามมิติ (3D) มีการใช้กันอย่างแพร่หลายโดยการสร้างการออกแบบโดยใช้ซอฟต์แวร์ด้วยการใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในการออกแบบ(CAD) และการพิมพ์โดยการทับทีละชั้น ผู้ผลิตอาหารสามารถพัฒนารูปร่างที่ซับซ้อนและโครงสร้างผลิตภัณฑ์อาหารโดยละเอียด (17) การพิมพ์อาหาร 3 มิติได้สร้างผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าเพิ่มและความพึงพอใจของลูกค้ามากขึ้นผ่านการออกแบบที่ซับซ้อนในการพิมพ์และทำให้สิ่งที่เป็นไปไม่ได้เป็นไปได้ การนำการพิมพ์หลายมิติเข้ามา ผลิตภัณฑ์และการใช้งานเชิงพาณิชย์ ผลกระทบต่อความปลอดภัยและคุณภาพของอาหาร ข้อดีและข้อเสีย และมุมมองการพิมพ์ 4D/5D/6D จะถูกกล่าวถึงในบล็อกนี้

การพิมพ์หลายมิติคืออะไร

            การพิมพ์ 3 มิติ (3DP) หรือที่รู้จักในชื่อ กระบวนการผลิตอาหารแบบทีละชั้น(FLM) เป็นกระบวนการผลิตอาหารแบบใหม่ที่ใช้การผลิตแบบเติมเนื้อเข้าไปโดยใช้หุ่นยนต์ (AM) (16) กระบวนการเริ่มต้นด้วยการฟลูอิไดซ์ซิ่งอาหารให้เป็นน้ำซุปข้น โดยใช้วิธีการอัดรีดและการเติมไฮโดรคอลลอยด์เพื่อให้ได้เนื้อสัมผัสที่ต้องการและการก่อตัวของเจลโมเลกุลขนาดใหญ่ (13) การพิมพ์ 3 มิติเป็นรูปแบบ “ชั้นต่อชั้น” เพื่อสร้างวัตถุ 3 มิติจากข้อมูล 3 มิติที่ได้มาจากซอฟต์แวร์ด้วยการใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในการออกแบบ(CAD)  เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์อาหารที่ปรับแต่งเองและมีลักษณะเฉพาะ เนื่องจากได้พิสูจน์แล้วว่าสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต ผู้ผลิตจึงได้รับความนิยมมากขึ้น (11) ต้นแบบแรกของวัตถุอาหาร 3 มิติคือเค้กวันเกิดที่ปรับแต่งเอง ซึ่งได้รับการจดสิทธิบัตรและเผยแพร่สู่สาธารณะ อย่างไรก็ตาม มันไม่ได้ถูกสร้างขึ้นทางกายภาพ (12)

ตัวอย่างของผลิตภัณฑ์และการใช้งานเชิงพาณิชย์

            ช็อกโกแลตถือเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์อาหารพิมพ์ 3 มิติที่ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ที่สุดเนื่องจากคุณสมบัติของช็อกโกแลตรวมถึงความชื้นและคุณสมบัติทางรีโอโลยีกำหนดว่าเหมาะสมสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ (7) รวมถึงความสามารถในการหลอมละลายและเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูง (5) มีสินค้าหลายประเภท เช่น ช็อกโกแลตแท่ง เคลือบถั่ว หรือเวเฟอร์ (4)

            การพิมพ์ 3 มิติมักใช้ในอาหารกลืนลำบากหรืออาหารสำหรับผู้ที่มีปัญหาในการเคี้ยวและกลืน (1) โดยให้เนื้อสัมผัสที่น่าดึงดูดและน่ารับประทาน และเป็นทางเลือกที่ปรับแต่งได้สำหรับอาหารบดรสจืด ตัวอย่างเช่น อาหารพิมพ์ 3 มิติ ที่มีเนื้อสัมผัสที่ปรับแต่งให้นุ่มกว่าลง ซึ่งทำให้มีอยากอาหารมากขึ้น แม้จะผ่านขั้นตอนการเตรียมอาหารต่างๆ เช่น การแช่เย็นและการให้ความร้อน (8)

ผลกระทบต่อความปลอดภัยและคุณภาพอาหาร

            ความปลอดภัยและคุณภาพของอาหารมักเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดความสามารถของวิธีการแปรรูปอาหารใดๆ มีปัญหาด้านความปลอดภัยของอาหารมากมาย เช่น ความผันผวนของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการให้ความร้อนในการอัดรีดและการทำความเย็นหลังการพิมพ์อาจส่งผลกระทบต่อความเสถียรของจุลินทรีย์ เนื่องจากอาหารมีความเสี่ยงที่จะเกิดการเน่าเสียของแบคทีเรียหรือเชื้อรา (15) นอกจากนี้ จำเป็นต้องมีสุขอนามัยของพื้นผิวที่สัมผัสกับอาหารทั้งหมด เนื่องจากการทำความสะอาดที่ไม่เหมาะสมอาจนำไปสู่การสร้างไบโอฟิล์มจากเชื้อโรคที่เกิดจากอาหาร เช่น ลิสเตอเรีย โมโนไซโตเจนส์ ซูโดโมแนส แอรูจีโนซา และ เอสเคอริเคีย โคไล (15)

            แม้ว่าจะมีความผันผวนของอุณหภูมิในการแปรรูป แต่ไม่มีงานวิจัยใดที่รายงานการปนเปื้อนของจุลินทรีย์ที่เน่าเสียเมื่อมีแนวปฏิบัติด้านการผลิตที่ดีและการฆ่าเชื้อพื้นผิวที่สัมผัสกับอาหารที่ถูกต้อง และไม่ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อลักษณะทางประสาทสัมผัส คุณสมบัติของสารต้านอนุมูลอิสระ และปริมาณฟีนอลิกทั้งหมด (10 )

ข้อดีและข้อเสีย

            การพิมพ์ 3 มิติ มีข้อดีมากมาย เช่น ความสามารถในการให้โภชนาการส่วนบุคคลสำหรับแต่ละบุคคล เช่น สำหรับผู้ที่มีอาการกลืนลำบากหรือความต้องการอาหารพิเศษ อาหารที่ปรับแต่งเองในรูปร่างหรือขนาดที่ซับซ้อน การลดเศษอาหาร และการปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิต (15) อย่างไรก็ตาม ข้อเสียหลักคือความกังวลในประเด็นที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยของอาหารตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ (15) และการพิมพ์ 3 มิติต้องใช้ซอฟต์แวร์ CAD เฉพาะ ซึ่งยังคงซับซ้อนและใช้งานยาก จึงไม่เป็นมิตรกับผู้ใช้ตามบ้าน (9) นอกจากนี้ พารามิเตอร์การพิมพ์ เช่น ความเร็วในการพิมพ์ อัตราการอัดรีด หรืออุณหภูมิการพิมพ์เป็นปัจจัยสำคัญที่ต้องตั้งค่าในสภาวะที่เหมาะสมที่สุดเพื่อรักษาคุณภาพของผลิตภัณฑ์อาหารพิมพ์ 3 มิติ (6)

มุมมองการพิมพ์ 4D/5D/6D

            เทคโนโลยีการพิมพ์ชีวภาพ 4 มิติ เป็นการขยายวิธีการแปรรูปอาหารแบบใหม่ของการพิมพ์ 3 มิติ ที่ไม่เพียงแต่คงอยู่ในโครงสร้างคงที่แบบ 3 มิติ แต่ยังสร้างอาหารแบบอินเทอร์แอคทีฟด้วยการเพิ่ม “แกนกาล-อวกาศ” (2) เช่น การเปลี่ยนแปลงที่ต้องการในสี รูปร่าง โภชนาการ รสชาติเมื่อเวลาผ่านไป (14) คุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ของการพิมพ์ 4 มิติ ได้แก่ การลดค่าขนส่งและพื้นที่จัดเก็บ หรือทำให้ประสบการณ์การกินดีขึ้นโดยคุณสมบัติการเปลี่ยนรูปร่าง รสชาติ คุณค่าทางโภชนาการ และอัตราการคงสีที่ดีขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับผลิตภัณฑ์อาหาร3 มิติ ที่เสื่อมสภาพระหว่างการเก็บรักษา (14)

            การพิมพ์ 5 มิติ สามารถพิมพ์ได้จากห้าแกน ทำให้สามารถมีการหมุนวัตถุได้สำหรับการออกแบบที่ซับซ้อนสูง ซึ่งเครื่องพิมพ์3 มิติ ไม่สามารถทำได้ ส่งผลให้โครงสร้างแข็งแรงขึ้นโดยใช้วัสดุน้อยลง (3) และสุดท้าย การพิมพ์ 6 มิติ เป็นการผสมผสานระหว่างโครงสร้างไดนามิกอัจฉริยะของการพิมพ์ 4 มิติ และวัสดุคงที่ที่แข็งแกร่งของการพิมพ์ 5 มิติ (3) เทคโนโลยีการพิมพ์ 5 มิติ และ 6 มิติ มีศักยภาพสูงมากในการสร้างสรรค์ผลิตภัณฑ์อาหารอัจฉริยะ อย่างไรก็ตาม ยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนาเบื้องต้นซึ่งต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเพื่อเติมเต็มช่องว่างที่จำเป็น (3)

            ตามที่กล่าวไว้ การพิมพ์ 3 มิติ สามารถใช้ได้ในอุตสาหกรรมอาหารเพื่อคงความเสถียรของจุลินทรีย์ และยังคงรักษาลักษณะทางประสาทสัมผัสของอาหารไว้ได้ นอกจากนี้ การพิมพ์ 3 มิติ ยังสามารถบรรเทาปัญหาความมั่นคงด้านอาหาร เมื่อโภชนาการส่วนบุคคลสามารถทำได้ตามความต้องการทางโภชนาการเฉพาะบุคคล รวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพด้วยสูตรที่มีคุณค่าทางโภชนาการสูง เช่น อาหารที่มีโปรตีนสูงหรือไฟเบอร์สูง อิโตะ ไทยแลนด์ สนับสนุนนวัตกรรมเทคโนโลยีแปรรูปอาหาร เช่น การพิมพ์ 3 มิติ เนื่องจากให้การผลิตอาหารอย่างยั่งยืน 

เอกสารอ้างอิง

1.Dick, A., Bhandari, B., Dong, X., & Prakash, S. (2020). Feasibility study of hydrocolloid incorporated 3D printed pork as dysphagia food. Food Hydrocolloids, 107, 105940. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2020.105940

2.Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y., & Xu, F. (2016). 4D Bioprinting for Biomedical Applications. Trends in Biotechnology, 34(9), 746–756. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2016.03.004

3.Ghazal, A. F., Zhang, M., Mujumdar, A. S., & Ghamry, M. (2022). Progress in 4D/5D/6D printing of foods: applications and R&D opportunities. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 1–24. https://doi.org/10.1080/10408398.2022.2045896

4.Lanaro, M., Desselle, M. R., & Woodruff, M. A. (2019). 3D Printing Chocolate. Fundamentals of 3D Food Printing and Applications, 151–173. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-814564-7.00006-7

5.Lanaro, M., Forrestal, D. P., Scheurer, S., Slinger, D. J., Liao, S., Powell, S. K., & Woodruff, M. A. (2017). 3D printing complex chocolate objects: Platform design, optimization and evaluation. Journal of Food Engineering, 215, 13–22. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2017.06.029

6.Liu, L., & Ciftci, O. N. (2021). Effects of high oil compositions and printing parameters on food paste properties and printability in a 3D printing food processing model. Journal of Food Engineering, 288, 110135. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2020.110135

7.Liu, Z., Zhang, M., Bhandari, B., & Wang, Y. (2017). 3D printing: Printing precision and application in food sector. Trends in Food Science & Technology, 69, 83–94. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2017.08.018

8.Ministry of Health, British Columbia. (2009). MEALS AND MORE: A Foods and Nutrition Manual for Homes of Adults and Children with 24 Persons or Fewer in Care. Retrieved 23 October 2022, from https://www2.gov.bc.ca/assets/gov/health/accessing-health-care/finding-assisted-living-residential-care-facilities/residential-care-facilities/meals_and_more_manual.pdf

9.Pallottino, F., Hakola, L., Costa, C., Antonucci, F., Figorilli, S., Seisto, A., & Menesatti, P. (2016). Printing on Food or Food Printing: a Review. Food and Bioprocess Technology, 9(5), 725–733. https://doi.org/10.1007/s11947-016-1692-3

10.Severini, C., Derossi, A., Ricci, I., Caporizzi, R., & Fiore, A. (2018). Printing a blend of fruit and vegetables. New advances on critical variables and shelf life of 3D edible objects. Journal of Food Engineering, 220, 89–100. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2017.08.025

11.Sun, J., Peng, Z., Yan, L., Fuh, J., & Hong, G. S. (2015). 3D food printing—An innovative way of mass customization in food fabrication. International Journal of Bioprinting, 1(1), 27–38. https://doi.org/10.18063/ijb.2015.01.006

12.Sun, J., Zhou, W., Huang, D., Fuh, J. Y. H., & Hong, G. S. (2015). An Overview of 3D Printing Technologies for Food Fabrication. Food and Bioprocess Technology, 8(8), 1605–1615. https://doi.org/10.1007/s11947-015-1528-6

13.Tan, C., Toh, W. Y., Wong, G., & Lin, L. (2018). Extrusion-based 3D food printing – Materials and machines. International Journal of Bioprinting, 4(2). https://doi.org/10.18063/ijb.v4i2.143

14.Teng, X., Zhang, M., & Mujumdar, A. S. (2021). 4D printing: Recent advances and proposals in the food sector. Trends in Food Science &Amp; Technology, 110, 349–363. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2021.01.076

15.Tomašević, I., Putnik, P., Valjak, F., Pavlić, B., Šojić, B., Markovinović, A. B., & Kovačević, D. B. (2021). 3D printing as novel tool for fruit-based functional food production. Current Opinion in Food Science, 41, 138–145. https://doi.org/10.1016/j.cofs.2021.03.015

16.Wegrzyn, T. F., Golding, M., & Archer, R. H. (2012). Food Layered Manufacture: A new process for constructing solid foods. Trends in Food Science & Technology, 27(2), 66–72. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2012.04.006

17.Yang, F., Zhang, M., & Bhandari, B. (2017). Recent development in 3D food printing. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 57(14), 3145–3153. https://doi.org/10.1080/10408398.2015.1094732