การพิมพ์อาหาร 4 มิติ: เทคโนโลยีการสร้างสรรค์อาหารแห่งอนาคต
Translated and Compiled By:
Rawiporn Polpued
Senior Writer
Food Focus Thailand Magazine
editor@foodfocusthailand.com
การพิมพ์อาหาร 4 มิติเป็นการผสมผสานระหว่างเทคโนโลยีการพิมพ์อาหารสามมิติแบบดั้งเดิมร่วมกับมิติของเวลาเมื่ออาหารได้รับสิ่งกระตุ้น เช่น ความร้อน ความชื้น หรือแสง แม้ว่าเทคโนโลยีการพิมพ์อาหาร 3 มิติจะประสบความสำเร็จเป็นอย่างมาก แต่อาหารส่วนใหญ่ยังคงได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป ด้วยเหตุนี้ จึงทำให้เกิดการพัฒนาผลิตภัณฑ์อาหารที่สามารถควบคุมการเปลี่ยนแปลงลักษณะทางกายภาพ รูปร่าง ฟังก์ชัน และคุณสมบัติเพื่อเพิ่มความหลากหลายและช่วยสร้างประสบการณ์ในการบริโภคอาหารแนวใหม่อีกด้วย
กระบวนการขึ้นรูปด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์อาหาร 4 มิติ
ในกระบวนการพิมพ์อาหาร 4 มิติ สามารถควบคุมสภาวะการขึ้นรูปให้เหมาะสมได้ ผ่าน 4 ปัจจัยหลัก ได้แก่
1. การปรับค่าพารามิเตอร์ของการพิมพ์
การพิมพ์อาหาร 4 มิติส่วนใหญ่ยังคงใช้เครื่องพิมพ์อาหาร 3 มิติในการสร้างผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเช่น เทคนิคการพิมพ์แบบอัดรีดขึ้นรูป (extrusion-based printing) การพิมพ์แบบพ่นหมึก (inkjet printing) ซึ่งนิยมใช้กับวัสดุที่มีความหนืดต่ำและเหมาะกับผลิตภัณฑ์ที่มีโครงสร้างไม่ซับซ้อน การพิมพ์แบบพ่นสารประสานบนผงวัสดุ (binder jetting) เหมาะกับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการโครงสร้างซับซ้อนและให้เนื้อสัมผัสแข็ง และการพิมพ์แบบหลอมด้วยแสงเลเซอร์ (selective laser sintering) เป็นต้น
2. การประยุกต์ใช้ซอฟต์แวร์จำลอง
การใช้ซอฟต์แวร์จำลอง (simulation software) และเทคโนโลยีเชิงตัวเลข (numerical technology) สามารถลดขั้นตอนการลองผิดลองถูกและให้ทางเลือกที่มีความแม่นยำสำหรับการปรับปรุงกระบวนการพิมพ์ได้ดียิ่งขึ้น
3. การพัฒนาหมึกพิมพ์อาหาร
คุณสมบัติของหมึกพิมพ์อาหารที่ต้องคำนึงถึง ประกอบด้วย 3 ประการ ได้แก่ (1) สมบัติด้านความหนืดและพฤติกรรมการไหลแบบ shear-thinning เพื่อให้วัสดุสามารถไหลออกจากหัวฉีดได้อย่างราบรื่น (2) yield stress และสมบัติ viscoelastic modulus เพื่อให้โครงสร้างที่พิมพ์แล้วสามารถรับน้ำหนักของตัวเองได้ และ (3) สมบัติ thixotropy เพื่อช่วยให้หมึกพิมพ์สามารถคืนตัวได้อย่างรวดเร็วหลังจากได้รับแรงเฉือนระหว่างการพิมพ์
4. การควบคุมกระบวนการหลังพิมพ์
กระบวนการแปรรูปหลังการพิมพ์ถือเป็นปัจจัยสำคัญที่จะช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง สี หรือเนื้อสัมผัสตามความต้องการ แม้ว่าผลิตภัณฑ์บางชนิดจะเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างได้เองเมื่อระยะเวลาผ่านไป แต่
การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญนั้นจำเป็นต้องอาศัยการกระตุ้นจากภายนอกผ่านกระบวนการแปรรูปหลังการพิมพ์
ที่เหมาะสม โดยวิธีที่นิยมใช้ ได้แก่ การให้ความร้อน (การอบ การทอด ไมโครเวฟ อินฟราเรด หรือลมร้อน)
การเปลี่ยนแปลงค่า pH การควบคุมความชื้น และการฉายแสง (แสงยูวี)
4D food printing integrates traditional three-dimensional food printing technology with the dimension of time, enabling food structures to undergo controlled transformations in response to external stimuli such as heat, humidity, or light. While 3D printing has achieved significant technological success, several printed food products still experience spontaneous physical changes over time. Therefore, 4D food printing has been developed to design food products whose physical appearance, shape, function, and properties can be intentionally controlled, enhancing diversity and creating a novel sensory experience during consumption.
Forming Techniques by the 4D Food Printing Process
The formation of the printed structure in the 4D food printing process can be effectively controlled by adjusting four key factors as follows:
1. Optimization of printing parameters
Most 4D food printing processes still rely on 3D food printers to create the initial structures. Common printing techniques include extrusion-based printing, inkjet printing, which is suitable for low-viscosity materials and simple structures, binder jetting, which is ideal for creating more complex geometries with a firmer texture, and selective laser sintering.
2. Application of simulation software
The use of simulation software and numerical technologies plays a vital role in optimizing the 4D food printing process. These tools help minimize trial-and-error steps by providing accurate predictions and guidance for process improvement.
3. Development of food printing inks
Three critical rheological properties of food printing inks must be considered: (1) viscosity and shear-thinning behavior, which allow the material to flow smoothly through the nozzle; (2) yield stress and viscoelastic modulus, which enable the printed structure to support its own weight and retain its form; and (3) thixotropy, which ensures that the material quickly recovers its structure after the shear force applied during printing.
4. Post-processing control
Post-processing plays a critical role in enabling desired transformations in the shape, color, or texture of 4D printed foods. While certain products may undergo spontaneous structural changes over time, key transformations often require external stimuli facilitated by appropriate post-processing techniques. These methods include thermal treatments (such as baking, frying, microwave heating, infrared, or hot air), pH modification, moisture control, and light exposure (UV light).