เทคโนโลยีการพิมพ์อาหาร 3 มิติ: นวัตกรรมการผลิตอาหารแห่งอนาคต

เพื่อรองรับความต้องการของผู้บริโภค ทั้งในด้านคุณภาพเนื้อสัมผัส โภชนาการ รวมถึงสุนทรียภาพในการรับประทาน

เรียบเรียงโดย ทีมวิจัยวัสดุศาสตร์อาหาร

นวัตกรรมด้านอาหารและการเกษตรเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา ส่งผลให้มีผลิตภัณฑ์อาหารหลากหลายรูปแบบเพื่อรองรับความต้องการของผู้บริโภค ทั้งในด้านคุณภาพเนื้อสัมผัส โภชนาการ รวมถึงสุนทรียภาพในการรับประทาน

นวัตกรรมอาหารแห่งอนาคตมุ่งเน้นผลิตภัณฑ์อาหารเฉพาะบุคคล (personalised diets) ที่ให้คุณค่าทางโภชนาการที่เหมาะสมต่อความต้องการทางร่างกายของบุคคลแต่ละกลุ่ม เช่น เด็ก ผู้สูงอายุ นักกีฬา ผู้ที่มีโรคประจำตัว หรือทหารในกองทัพที่ต้องรับการฝึกร่างกายหรือออกลาดตระเวนเป็นประจำ

นวัตกรรมการผลิตรูปแบบหนึ่งที่สามารถตอบสนองความต้องการดังกล่าวได้คือ เทคโนโลยีการพิมพ์อาหาร 3 มิติ หรือ 3D food printing เทคโนโลยีนี้อาจตอบโจทย์ท้าทายใหม่ของอุตสาหกรรมอาหารในการจัดเตรียมหรือผลิตอาหารให้เพียงพอต่อประชากรโลกที่คาดการณ์ว่าจะมีจำนวนสูงถึง 9 พันล้านคนภายในปี 2050 ทั้งนี้เนื่องจาก เทคโนโลยีการพิมพ์อาหาร 3 มิติเป็นกระบวนการผลิตอาหารที่ใช้ทรัพยากรธรรมชาติและวัตถุดิบอย่างคุ้มค่า รักษาคุณค่าทางโภชนาการได้ครบถ้วน และไม่เกิดของเหลือทิ้งในกระบวนการ

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติมีพัฒนาการมานานกว่า 30 ปีแล้ว ในช่วงเริ่มต้นใช้เตรียมต้นแบบรวดเร็ว จึงเรียกแบบรวม ๆ ว่า การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว (rapid prototyping) ส่วนในปัจจุบันเทคโนโลยีนี้ใช้ในการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (additive manufacturing) ในระดับอุตสาหกรรม

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติมีวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วในช่วง 5 ปีที่ผ่านมา เนื่องจากการปรับเปลี่ยนเข้าสู่โลกดิจิทัล และการผลักดันแนวคิดอุตสาหกรรม 4.0 (Industry 4.0) ในอุตสาหกรรมการผลิต ดังจะเห็นได้จากชิ้นส่วนหรือผลิตภัณฑ์จาก 3D printing ที่มีการผลิตแบบเฉพาะบุคคล เช่น ชิ้นส่วนสะโพกเทียม อุตสาหกรรมก่อสร้าง หรือแม้กระทั่งอุปกรณ์เครื่องแต่งกาย เช่น ผลิตภัณฑ์รองเท้ายี่ห้อ ADIDAS ที่มีพื้นรองเท้าออกแบบให้รับแรงแตกต่างกันในแต่ละส่วนขึ้นกับรูปร่างของผู้ใส่
อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมอาหารยังไม่แพร่หลายมากนัก แม้ว่าจะเริ่มเห็นการเติบโตมากขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาจากการที่เชฟชั้นนำตามร้านอาหารหรู (fine dining) ในต่างประเทศนำไปใช้งาน หรือในงานวิจัยพื้นฐานที่เริ่มมีจำนวนบทความวิจัยเกิดขึ้นเป็นจำนวนมาก

รูปที่ 1 จำนวนบทความวิชาการที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในช่วงปี 2010-2020

เนื่องจากเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติเป็นการขึ้นรูปทีละชั้น ทำให้สามารถออกแบบผลิตภัณฑ์ที่มีโครงสร้างซับซ้อนหลากหลายรูปทรงได้ ดังนั้นนำมาประยุกต์ใช้กับผลิตภัณฑ์อาหาร ผู้ผลิตยังสามารถเติมส่วนผสมสารอาหารต่างๆ เข้าไปในองค์ประกอบอาหารเพื่อเพิ่มคุณค่าทางโภชนาการ โดยสามารถควบคุมปริมาณองค์ประกอบต่างๆ ได้อย่างละเอียดและแม่นยำ อีกทั้งยังมีลักษณะปรากฏที่ดึงดูดใจผู้บริโภคอีกด้วย

เทคโนโลยีการพิมพ์อาหาร 3 มิติ แบ่งออกเป็น 3 เทคนิคหลัก ได้แก่

1 . การพิมพ์แบบ Extrusion-based หรือ Fused Deposition Method (FDM)

เทคนิคนี้แพร่หลายมากที่สุด เนื่องจากขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์อาหารได้ง่าย และคล้ายคลึงกับกระบวนการแปรรูปอาหารแบบอัดรีดผ่านเกลียว (food extrusion) นอกจากนี้ เครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ใช้มีราคาไม่สูงมากสำหรับรุ่นเริ่มต้น เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคอื่น
ตัวอย่างผลิตภัณฑ์อาหารที่ขึ้นรูปโดยเทคนิคนี้ ได้แก่ ช็อกโกแลต พาสต้ารูปทรงฟรีฟอร์ม เนื้อสัตว์ รวมถึงผลิตภัณฑ์อาหารผู้สูงอายุ โดยเฉพาะผู้ที่มีภาวะเคี้ยวกลืนลำบาก

รูปที่ 2 ตัวอย่างการพิมพ์อาหารด้วยเทคนิค Fused Deposition Method

2. การพิมพ์แบบ Powder Bed Fusion หรือ Selective Laser Scanning

เทคนิคนี้พิมพ์ชิ้นงานโดยการเกลี่ยวัตถุดิบอาหารที่มีลักษณะเป็นผงให้เป็นชั้นบางๆ แล้วใช้ลำแสงเลเซอร์ยิงไปยังตําแหน่งที่ต้องการพิมพ์ เพื่อให้ผงวัตถุดิบหลอมตัวประสานเข้าด้วยกัน จากนั้นจึงเกลี่ยผงวัตถุดิบใหม่ สําหรับการพิมพ์ชั้นถัดไป แล้วใช้ลำแสงเลเซอร์ยิงไปยังตำแหน่งที่ต้องการ ทำซ้ำ ๆ จนกว่าจะได้ผลิตภัณฑ์ที่มีลักษณะตามที่ออกแบบไว้
แม้ว่าเทคนิคนี้ยังมีต้นทุนการผลิตที่สูงกว่าเทคนิค FDM แต่ก็มีศักยภาพสูงในการพิมพ์วัตถุดิบที่มีลักษณะเป็นผง และสามารถใช้ออกแบบผลิตภัณฑ์ขนมหวานที่ทำจากน้ำตาล (confectionery) ให้มีขนาดและรูปร่างเฉพาะหรือซับซ้อน และยังช่วยลดปริมาณวัตถุดิบในกระบวนการผลิตได้

รูปที่ 3 ตัวอย่างการพิมพ์อาหารด้วยเทคนิค Powder Bed Fusion

3 . การพิมพ์แบบ Binder Jetting

เทคนิคนี้คล้ายกับการพิมพ์แบบ Powder Bed Fusion แต่ใช้การพ่นของเหลวที่เป็นน้ำหรือส่วนผสมวัตถุดิบอาหารอีกชนิดหนึ่งที่เรียกว่าตัวประสาน (binder) เพื่อประสานผงเข้าด้วยกันในตำแหน่งที่ต้องการ (รูปที่ 4) กระบวนการนี้จะทำซ้ำไปซ้ำมาตามจำนวนชั้นที่ต้องการ จนได้ผลิตภัณฑ์ที่ฝังอยู่ในผงวัตถุดิบคล้ายกับซากฟอสซิล จากนั้นจึงกำจัดวัตถุดิบส่วนที่ไม่ได้เกาะติดกับตัวประสานออกจากผลิตภัณฑ์ วัตถุดิบที่ถูกกำจัดออกยังสามารถนำกลับมาใช้ในการพิมพ์ครั้งต่อไปได้อีก ส่วนผลิตภัณฑ์ที่ได้จะนำไปผ่านกรรมวิธีต่อในขั้นตอนสุดท้ายโดยใช้กระบวนการที่เหมาะสม เช่น การอบ เทคนิคนี้สามารถนำไปใช้ออกแบบผลิตภัณฑ์ในกลุ่มเบเกอรี่ และขนมหวาน ให้มีลักษณะเนื้อสัมผัสที่เป็นเอกลักษณ์และตอบสนองต่อความต้องการของผู้บริโภค

รูปที่ 4 ตัวอย่างการพิมพ์อาหารด้วยเทคนิค Binder Jetting

การพิมพ์อาหาร 3 มิติเป็นเทคโนโลยีที่มีศักยภาพต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมอาหารในอนาคตอย่างมาก อีกทั้งจะช่วยลดปริมาณอาหารเหลือทิ้ง (food waste) ซึ่งเป็นความท้าทายหนึ่งของอุตสาหกรรมอาหารที่ต้องการจัดการกับของเหลือทิ้งจากขั้นตอนการเตรียมอาหารเพื่อบริการ รวมถึงอาหารที่บริโภคและของเหลือจากการบริโภค ทั้งนี้อาหารเหลือทิ้งบางชนิดยังอุดมไปด้วยสารอาหารสำคัญและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพ (bioactive compounds) ที่สามารถนำมาเปลี่ยนสภาพให้เป็นฟูดอิงก์ (food ink) เพื่อนำไปใช้ในการขึ้นรูปด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์อาหาร 3 มิติได้ นับเป็นการสร้างมูลค่าเพิ่มให้แก่อาหารเหลือทิ้ง และลดปริมาณการสูญเสียในห่วงโซ่การผลิตอาหารอีกด้วย

ลักษณะผลิตภัณฑ์ที่สามารถผลิตได้ด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ

เทคโนโลยีการพิมพ์อาหาร 3 มิติสามารถนำไปพัฒนาผลิตภัณฑ์อาหารได้หลากหลาย เช่น

อาหารสำหรับผู้ที่มีภาวะกลืนลำบาก (Dysphagia diets): ส่วนใหญ่มักอยู่ในลักษณะอาหารปั่นข้นหนืด เมื่อผู้บริโภคต้องบริโภคอาหารปั่นเป็นเวลานานทำให้ความอยากอาหารลดลง ส่งผลให้บริโภคได้น้อยลง และนำมาสู่ภาวะขาดสารอาหารหรือทุพโภชนาการได้ จึงมีการนำเทคโนโลยีการพิมพ์อาหาร 3 มิติมาใช้ขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ที่หลากหลาย เช่น มันฝรั่งต้ม แครอท และเนื้อสัตว์ โดยทำให้มีรูปร่างคล้ายผลิตภัณฑ์จริง กระตุ้นให้ผู้บริโภคมีความอยากอาหารมากขึ้น

นอกจากนี้ ผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ขึ้นยังสามารถเสริมด้วยสารอาหาร เช่น โปรตีน วิตามินหรือแร่ธาตุ ได้อีกด้วย ทำให้สามารถปรับเปลี่ยนคุณค่าทางโภชนาการให้ตรงต่อความต้องการของผู้ป่วยที่มีภาวะกลืนลำบากได้อย่างเฉพาะเจาะจง สถานบริการโรงพยาบาลบางแห่งในต่างประเทศจึงเริ่มนำเทคโนโลยีนี้มาปรับใช้งานแล้ว

อาหารเฉพาะบุคคล (Personalised diets) : การผลิตอาหารในอนาคตด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์อาหาร 3 มิติสนับสนุนแนวคิดโภชนาการส่วนบุคคลมากขึ้น ปัจจุบันเริ่มมีข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับปัจจัยส่วนบุคคลที่มีอิทธิพลต่อความต้องการสารอาหารมากขึ้น เช่น ปริมาณและชนิดของโพรไบโอติกในลำไส้ใหญ่ ความผิดปกติทางพันธุกรรม พฤติกรรมการใช้ชีวิตประจำวัน เป็นต้น

เนื่องจากการพิมพ์ 3 มิติเป็นเทคโนโลยีมีความยืดหยุ่นจึงสามารถปรับเปลี่ยนชนิดและปริมาณส่วนผสมสารอาหารที่แม่นยำ ทำให้สามารถผลิตอาหารที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะบุคคลที่ตรงตามพฤติกรรมการใช้ชีวิตและความต้องการทางโภชนาการได้อย่างสมบูรณ์แบบ เช่น กลุ่มนักกีฬาที่อาจต้องการพลังงานและปริมาณสารอาหารที่สมดุลก่อนและหลังการออกกำลังกายหรือการแข่งขัน นอกจากนี้การขึ้นรูปทีละชั้นยังสามารถใช้ออกแบบโครงสร้างอาหารเพื่อควบคุมการปลดปล่อยสารอาหารที่สำคัญได้อีกด้วย

อาหารเพื่อสุขภาพ: เทคโนโลยีการพิมพ์อาหาร 3 มิติช่วยสร้างโอกาสในการผลิตอาหารรูปแบบใหม่ที่สามารถควบคุมรูปร่าง คุณภาพเนื้อสัมผัส และคุณภาพทางประสาทสัมผัสได้อย่างแม่นยำ จึงสามารถพัฒนาผลิตภัณฑ์อาหารเพื่อสุขภาพที่ต้องการลดเกลือ ลดน้ำตาล หรือลดไขมันได้ โดยประยุกต์ใช้แนวคิดด้านการออกแบบโครงสร้างอาหาร (food structure design)

จากตัวอย่างที่กล่าวมาทั้งหมด สามารถกล่าวได้ว่าการพิมพ์อาหาร 3 มิติเป็นเทคโนโลยีการผลิตอาหารแบบใหม่ที่มีความยืดหยุ่นสูง ผู้บริโภคสามารถออกแบบ และทำอาหารตามรูปร่าง สัดส่วนของผสม และรสชาติได้เองอย่างที่ต้องการ ช่วยลดการสูญเสียของอาหารได้มาก