論3D列印食品的趨勢


食品資訊第280期(2017年8月號)p.28~33

第一、二次工業革命造就規格化、大量生產的製造業,但隨著個人主義抬頭,少量多樣的客製商品已成消費趨勢。3D列印的普及正帶動一波自造者運動,全民製造、量身客製,人人都能擁有一座小工廠。這不是未來,而是全球正風起雲湧的第三次工業革命(經濟學人雜誌,2012),也在各行各業(不只是製造業,也包括服務業)造成風潮,當然包括我們身處的食品產業囉!我們絕不能置身於外,我們與國際專家看法一致,食品產業應該將3D列印技術納入企業發展規劃當中。

到底3D列印食品離我們多遠?我們認為離我們不遠了!一個能被稱為工業革命的技術發展,其翻轉產業的速度絕對是很快的,通常主要牽涉到產業趨勢、技術趨勢與消費趨勢的結合,其發展就是一瀉千里,你如果沒跟上車,自然只能望著競爭者絕塵遠去!今日我們不討論技術趨勢細節的探討,有興趣的朋友可以參考食品工業發展研究所出版的食品工業[食品3D列印技術之發展與應]專輯(第48卷6月刊)。我們在此討論一下產業趨勢與消費趨勢的部分。

Tips:該開發什麼樣的產品,應透過產品概念調查服務找出消費者心中的缺口

顛覆製造業生產思維

3D列印的商業發展,其技術、專利、材料、營運模式等,都將是影響該項技術發展與應用的關鍵,但是商業化影響因素卻是網路(internet)、成本(cost)、能源(energy)、生產效率(production time)等經營因素,3D列印技術在這些影響因素的層面都佔據優勢。

從技術面來看製造業本質,3D列印技術的關鍵在於設備(無論是哪種成型技術)與素材(無論是液態/粉態/細胞態,目前3D列印材料也是新興商品,大致可分為塑膠、金屬、陶瓷、蠟和可食用材料),過去3D列印技術受限於可用的原材料種類有限以及硬體設備價格高昂,如今硬體成本降低,正是3D列印得以日漸普及的關鍵因素。美國科技雜誌《Wired》前總編輯Chris Anderson曾說:當製造一個產品原型,和製造1萬個產品的固定成本幾乎一樣時,任何人都可以成為製造業的創業家。因此成本降低,勢必促進普及。英國拉夫堡大學3D列印專家Richard Hague則表示,3D列印對經濟有深遠的影響,企業再也用不著把各種商品堆積在倉庫中,再將其配送出去,因為,產品可以按照用戶需求在當地列印出來。這種類型的3D列印模式,不但大規模減少倉儲需求,也削減運輸成本。

再者3D列印技術與傳統製造最大的不同在於無須模具,上一次工業革命帶領製造業走向量產與規格化,然而3D列印則實現了少量/快速/多樣/客製化,讓少量/快速/多樣/客製化變成簡單。Anderson認為,未來有更多獨特的小量市場,這種市場最大需求量未必達傳統的生產規模,但毛利會比現在高出很多。以前須顧及開模成本、最低生產件數的限制,以量製價,但3D列印無須開模,要多少就印多少,有訂單才生產,沒有庫存、沒有廢料,唯一庫存就是3D設計圖。這項技術帶來的全新產製流程,正一點一滴顛覆製造業。

「少量多樣」正是台灣製造業轉型機會,如何充分讓客製和極度量產可互相搭配,以模組概念重新思考將可以改變製造業的價值。中華經濟研究院認為,3D列印技術革新生產流程,大幅縮短設計到製造之間的步驟,並可做出傳統製造方法無法達成的複雜幾何形狀。未來製造業者更可能把工廠規模縮小,並分散至各國主要市場,提供即時、平價,且迎合各市場口味的產品。

國際食品技術學會學者指出,3D列印機在1980年代動輒50萬美金以上,而今天一台已不到美金1,000元,未來勢必衝擊食品製造業模式,不但可以列印客製化食物,也可迅速將食物送至消費者面前。「3D列印與食品業十分合拍,能讓食品業者以低成本提供消費者多樣化及客製化食品。」美國哥倫比亞大學工程學教授霍德‧利普森表示。傳統的食品業只能大量製造單一食品,而透過3D食物列印,可以省下許多時間和金錢,滿足消費者的複雜需求,未來將成為顯學。

「美國軍隊計畫利用3D食物列印取代軍用廚房」,美軍納提克士兵研究院發展與工程中心食品技術師瑪莉‧史嘉瑞表示,2025年至2030年,人在遠方的士兵可以利用3D食物列印來印出任何想吃的食物,「有些士兵肌肉痠痛,有些則很久沒有好好休息,有些士兵缺乏熱量,有些則需要電解質,甚至有些人只是單純想吃披薩,都可以立即獲得相應的營養美食。」

因此對產業的研發來說,創新變成更多選擇,不只食品加工業,還包括食材業與餐飲業等服務業態,因為3D列印的真正革命在於列印的地點,如果將3D列印機置於客戶端,那麼產業鏈會變成產品儲存於線上、在網路上客製化、最後數位遞送給客戶。這更會完全顛覆原有的產業鏈與商業模式。這裡面客製化未必需要整個產品客製化,例如年節食品、伴手禮,大體相同,但可能顏色/造型/個人化等元素進行客製化而已;遞送給客戶的是素材(還不必每次送),只要如何知道他快缺料了,某個程度會變成服務業概念來進行。3D列印在個人化的市場上將掀起一場新革命。

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食品產業應用

在可應用的食品型態方面,顯而易見,這項技術一定是應用於固態或半固態的食品品項,不可能應用於液態食品,因此包括調理食品、糖果/巧克力(Hershey已進行)、糕點烘焙、年節食品、休閒食品、銀髮族食品等等都可以是應用範圍。我們來看看世界各地紛紛投入食品相關產業應用的案例。 如在銀髮族食品方面,德國公司Biozoon針對咀嚼與吞嚥困難的銀髮族開發適當的質地化食品,採用新鮮食物,透過3D列印改質成不同的質地,但外觀仍像原本的食物,因此3D列印機可以提供便利及個人化的產品,該公司也獲得歐盟官方的經費補助,因為這個方向完全符合德國政府讓銀髮族可以盡可能地在家而非都必須搬去照護機構。

澳洲則有3D列印肉品技術是以可食性蛋白質(來自於液態內臟與筋膜)為列印[墨水],提供肉品廠副產物的附加價值,其列印機則是丹麥的byFlow公司的商品(每台2790歐元),其實相較於傳統肉品,其衛生條件反而更易控制(尤其是微生物汙染部分),也可以客製化特定營養與質地的肉品,並不會直接威脅傳統肉品產業,比較可能是成為新的一種肉品類別。至於有美國Modern Meadow開發免養殖的(來自人造細胞) 3D列印肉技術,香港首富李嘉誠有投資此家公司,但對我們來說,這種模式還有比較遠的路要走。 英國研究單位則致力於將纖維素作為3D列印的素材,顯示除了蛋白質/脂肪/澱粉之外,3D列印蔬果類別的可行性將出現。愛爾蘭的研究發現3D列印起士與傳統起士比較下呈現較軟較有咀嚼感。美國德州研發公司 Systems and Materials Research Consultancy研發可製作pizza的3D印表機,作法是將人類一天所需的營養素磨成粉後,透過機器列印成pizza,簡單加熱後就能讓太空人難得一嘗pizza餅皮酥脆的口感。同團隊另成立3D列印食物公司BeeHex,專門在演唱會、體育賽事及遊樂園等地提供客製化的3D列印pizza,顧客可透過BeeHex的app點餐及付款,從製作pizza到完成只需4分鐘,比廚師製作pizza的時間快5分鐘,大幅縮短在人潮擁擠場所等待食物的時間。

在東京的FabCafe咖啡廳推出了一項特別的服務:做一個人像巧克力及一個全身的人像軟糖,吸引消費者排隊等待,他們甚至與3D印表機經銷商iGUAZU合作,讓消費者下訂購買3D印表機回家自己做。由荷蘭3D印表機製造商by flow成立的Food Ink團隊,2016年在倫敦推出全球首間提供3D列印食品的概念性餐廳,店內的桌椅、吊燈及餐具,以及從開胃菜至甜點的9道菜,全由3D印表機製成,即使這頓飯吃下來,需花費250英鎊,依舊成功引爆話題,Food Ink在倫敦餐廳提供魚子醬、牛排、炸魚薯條等餐點,由於3D印表機的機械手臂穩定度比廚師的雙手更好,在製作作工精細的分子料理時可展現絕佳的技術。

以上可以看出3D列印食品儼然成為潮流,我們甚至預測將成為主流之一,就像現今已無企業會反對投入on line或O2O的情境一樣。

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消費趨勢引領發展

我們在從另一個角度來看,3D列印食品非常符合新世代的消費趨勢,甚至可以將之視為商機的方向。

首先在社群化趨勢上,3D列印技術可以是社群式製造概念,Chris Anderson則認為,未來十年人們將把過去在網路虛擬世界所學到協同合作式的生產方式,應用在實體世界中,所謂協同合作生產方式,正是製造業前所未有的新商機[社群式製造](social manufacturing),構成社群製造的三大要素包括:開放的軟硬體、群眾募資平台,以及最重要的就是讓點子能快速成真的3D列印技術。

例如2009年成立的Quirky就是基於此概念成立的美國新創公司,Quirky從網路上募集創意清單,使用者只要繳交10元美元,就能在網站上提出自己想做的產品,構思不完整也沒關係,因為有廣大的網路社群做為你的產品顧問,Quirky每周會選兩個最熱門的計畫登上網站「頭條」,再讓社群幫忙出意見和訂價。最終,Quirky便會利用3D列印做出原型(prototype),並和通路商議上架,真正商品化。

《經濟學人》討論到一個重點消費趨勢,[人們想要自己製造的產品,而不是向工廠買現成的]。這種趨勢某種程度來說,[家庭就是工廠的時代回來了]或是改成[社群就是工廠的時代來了]!

再來,DIY的消費趨勢(包括自行烹飪)已越來越明顯,不論是親子概念或獨食概念或聚會概念,DIY就是一種流行與樂趣。

3D列印食品讓一般消費者也可以從線上資料庫下載無數食譜,只要將各式營養原料盒放入3D食物列印機中,隨時可以在家中享受營養豐富又美味的客製化食物,所有營養素或原料都可以設計替換,適應每天不同的營養需求。因此3D列印時代,人人都是設計師。隨著3D列印技術發展,使用者可透過軟體自行設計產品,以現實模擬(reality simulation)、虛擬實境(virtual reality)的功能徹底檢視,再用3D列印方式製出客製化產品。為因應雲端、行動趨勢發展,3D設計軟體商也順勢推出社群協作平台與行動App,加速開拓行動設計。

未來家中廚房可能都會有一台食物印表機,以後出門買菜就像去買印表機墨水一般,僅需添購缺乏的原料。用餐時間一到,食物印表機就直接把原料組成一道道客製化且營養均衡的餐點。使用者要等到原料夾用完後才會添補,不僅可以有效解決食物浪費,也能改善許多人類吃的食物對環境並不友善的問題。

還有近幾年有關食安誠信問題的需求趨勢,某種程度來說,由於3D列印食品有可以DIY的元素,因此可以成為食安誠信問題的解決方案。 人們越來越講究食物的安全性,一名荷蘭設計師將這兩項概念結合,打造出「會自動生長的點心」,不單單有營養,且不必擔心食安問題。荷蘭設計師Chloe Rutzerveld 所打造出的自動生長糕點,是先用3D 列印製作食物容器,外型像個空心泡芙,在其中再放入香菇蕈類的孢子和植物種子,當種子經過三至五天發芽之後,就可以食用,而且如果放入不同的植物種子,還能做出不同口味的點心,完全沒有食安疑慮。Chloe Rutzerveld 表示,高科技的3D 食物不見得不天然,且透過科技,可以縮短食物生產鏈、減少運輸食物的成本、降低資源的浪費。

我們認為除了上述3大趨勢外,還有其他商機還包括個人化零食與”帶著走”(on the go)食品、用特定食材生產避免過敏或不耐證的食品、專門提供食材供應的服務、降低食物的浪費(只列印需要的部分)、遠距提供食品等等方向,也都是消費需求的趨勢。

面臨問題與挑戰

所以食品3D列印的技術有其優勢,包括:

1.少量/多樣/客製化/平價完全可行。
2.符合消費趨勢,包括健康/新奇好玩/減少浪費。
3.消費者可以成為行銷助力,創意資訊還可即時分享,社群的交流可令使用者樂在其中,並感到物超所值。
4.有很多次族群需求可以發展,如上述銀髮族產品、個人化營養與保健產品、個人化趣味餐飲、個人化休閒產品等。
5.提供企業發展創新食品的機會。

然而3D列印食品的發展,仍然面臨一些問題與挑戰,需要食品產業(包括機械業/包裝業/原物料業/服務業等)去研究與突破,包括技術面與商業模式,我們彙整如下:

供應端方面:

1.如何與量產公司結合(大型列印機還是多台小型列印機)?3D列印機到底要大還是要小?大型食品企業在何時會投入相關領域?
2.素材與設備的匹配性?可用原料的極限是哪些?
3.素材成分供應鏈的建立?可用原料供應商如何呈現?
4.商業模式如何建立?軟硬體供應商的配套?有人提出像咖啡機一樣,機器免費但綁原料配方know-how)的模式是否可行?
5.所面臨的法規挑戰,如食品藥物衛生管理法規、製造管理法規等,主管機關會怎樣看待?這將是從政策上需關注的課題。

消費端方面

任何新科技要讓消費者買單,好吃與安全永遠是最重要的評估指標。

Tips:可以委託感官品評實驗室進行消費者喜好的測試以評估上市的成功機率

1.新素材成品之感官品質的符合性?3D列印食品安全議題似乎並不明顯,因此關鍵突破點在於代表好吃的感官品質。Food Ink經理Sasha Mather曾表示,「在列印肉類食品時要保留肉的紋理及口感,是較大的挑戰。」
2.消費者如何認知?以3D列印食物來說,食物口感與傳統食物的差距,是消費者最大考量,畢竟若可以吃原形食物,誰會選擇將食物打成泥再印出來的3D列印食物?
3.列印食物可能相當耗時,無法短時間內大量製作食物,能否符合使用情境,例如冷凍年菜曾被抱怨,解凍時間太耗時了。
4.3D列印食品的供應鏈中是否真的無食安議題?
這些問題與挑戰有賴我們的產官學研投入去突破。

其他跨領域應用

除了食品產業的應用,3D列印技術也已在其他生技相關產業有很多應用,其應用能量可以是跨產業跨領域應用於食品產業的概念。

生技產業的應用如3D打印義眼、人造血管(採用洋菜膠與明膠為素材)、心臟/肺臟/肝臟等內臟、骨骼/脊椎/牙齒、綜合組織器官列印系統(Itop,以可生物分解塑膠與水性凝膠為素材)、人體皮膚活組織(化妝品L'Oreal公司)等等。其中凝膠類的應用於食品加工是可行的,可生物分解塑膠應用於食品包材是可行的。

甚至美國FDA最近核准首項3D列印的處方藥—「SPRITAM」,這項技術使用3D列印出多孔的藥物,用水服用即可迅速分解,可讓兒童、老人或吞嚥困難者正常服藥。該技術亦可應用於營養食品、保健食品與銀髮族食品。

Tips:特定的成分或技術,要確認可以在美國上市,必須經過美國FDA食品一般認可為安全的成份表列登記進行合規。


美國一款3D列印技術,用食用性墨水即可「印製」化妝品,其實該技術應該可應用於食品包材印刷上,甚至食品包材本身,從這些角度來看,飲料產業也有應用可能。

未來自然資源恐將不足,食物印表機將是一個有效率餵飽大眾的方法之一。由於食物印表機直接處理各式不同的原料,原料的來源可以很多元。例如現在人類蛋白質的攝取主要依賴吃肉或是豆類製品,食物印表機蛋白質的來源可以來自昆蟲,或是其他人類原本沒有在吃的東西。

目前已知我們國內工研院有一座金屬3D列印實驗室及3D列印醫材的研發;三鼎公司有在研發生物3D列印技術;三緯國際公司則有食品3D列印機。而大陸已提出[國家增材製造發展推進計畫(2014-2020年)]的國家級計畫,來進行3D列印技術的發展。有待大家結合力量來進行投入。

總結

「製造業腦袋要改變」,就跟要搭上虛擬通路的大潮流一樣的道理。我們呼籲我們產業腦袋要改變,找出可以結合這些不同元素的商業模式,我們可以充分利用台灣在ICT產業的優勢,創造全球華人新文化的領頭羊角色。