業(yè)余愛好者和企業(yè)家正在制造獨特形狀的食物，從糖果到肉類替代物再到太空餐，無所不包。

2011年，研究生凱爾（Kyle）與利茲 · 馮 · 哈斯爾恩（Liz von Hasseln）在他們位于洛杉磯的家中，使用一臺老舊的Z310型號3D石膏打印機制作建筑模型。他們突然靈機一動，意識到同樣的3D打印技術能應用于食物，能用來制造糖果，而那些糖果將擁有以前絕不可能實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。

哈斯爾恩夫婦最終研發(fā)出一種打印復雜食物的方法，并取得專利。2012年，他們成立糖果實驗室公司（Sugar Lab），開始與全世界各地的著名主廚合作。糖果實驗室公司是一家初創(chuàng)企業(yè)，剛剛開始研究3D打印食物的眾多天馬行空的可能性。許多人也在探索這個領域，比如高端餐廳主廚、試圖用打印食物替代肉類和魚類的公司，或許最激動人心的是廣大家庭DIY愛好者，他們將食物帶到了以前從未企及過的境地。

在過去10年間，3D打印機的規(guī)模迅速擴大，隨之在3D打印食物方面出現(xiàn)創(chuàng)新，出現(xiàn)了在家庭廚房或創(chuàng)客空間里運用3D打印技術的能力。3D打印食物的制造方法包括擠制出一種能保持形狀的液體材料，或者將食物顆?！梆そY(jié)”成特別的外形。一些主廚和企業(yè)家在探索形狀、口味和應用方面的新可能性，包括精細的糖果、肉類替代品和太空人食物。

通過公共圖書館，創(chuàng)客空間或者購買（價格最低只有100美元）途徑，能夠接觸到3D打印機，這大大降低了進入3D打印世界的門檻。此外，諸如Thingiverse、狂熱崇拜（Cults）、我的迷你工廠（MyMiniFactory）之類的線上社群提供開放資源，包括可打印檔案和3D打印的最佳操作法，給予新手寶貴的指導。單單Thingiverse一家，就有超過200萬份檔案。

我是一位化學家，工作是設計用于3D打印的新材料。在我的研究中，我曾打印過一些能夠去除環(huán)境污染物或者能為燃料電池儲存氫氣，以及實現(xiàn)其他應用的東西。我也是一名食品化學家，盡管我本身從未開發(fā)過打印食物的流程，但我在研究中打印過食品，比如花生醬和榛子巧克力醬。在我眼里，榛子巧克力醬是某種基準。它擁有恰到好處的稠度（濃度和擠壓性），與一些我正在開發(fā)的專用材料相似。身為父母，我需要喂飽對榛子巧克力醬永遠吃不夠的小孩，我偏向于認為這種榛子巧克力醬并不便宜。但在我的實驗室里，研發(fā)工作很耗費時間，我使用的原料在相比之下讓預算都不夠用。打印榛子巧克力醬這種方式確保當我為實驗打印東西時，一切都會恰好地產(chǎn)出。我的目標很實際，但我不得不承認，打印食物這件事很有趣。

按下一個按鈕，機器就能準備任何數(shù)量的菜肴，這是一件科幻而且具有未來感的事。對于業(yè)余愛好者而言，3D打印食物提供一個創(chuàng)意的出口，一個玩耍的機會。對于主廚來說，3D打印機是一個以全新方式制作食物的工具。從長久來看，3D打印技術有潛力創(chuàng)造出對于我們所有人而言更加可持續(xù)、較為不殘忍、更具創(chuàng)意的食物。

如何3D打印食物

對于任何種類的3D打印——無論是可食用的東西還是別的——打印的方式?jīng)Q定了能夠使用的材料類型，能用那些材料打印出什么。最容易識別的3D打印方式是基于擠出制作。兒時玩過塑型黏土的人會記得那個會擠出不同形狀的黏土泥的模具。3D打印機干的也是這種差事。

意大利面公司百味來已經(jīng)汲取這種童年樂事作為靈感，設計出一臺能制造各種全新形狀的意大利面的3D打印機。百味來旗下負責3D打印的公司BluRhapsody有若干別出心裁、大小和外形不一的意大利面供人購買。這些意大利面最吸引我的地方除了它們在餐盤上顯現(xiàn)的樣子外，就是它們鎖住和隱藏醬汁的能力，要等到食客將它們咬開時，才會嘗到醬汁。在美食世界里，我們知道，某一種類型的意大利面與特定類型的醬汁相容。譬如，以奶油為底的濃醬汁和肉醬汁與較為厚實的粗面（比如意大利寬面）更搭，而稠度均勻的稀醬汁與意大利細面或天使發(fā)面更搭。百味來公司憑借3D打印的意大利面全新形狀，能幫助主廚們創(chuàng)新意大利面和醬汁的組合。

3D打印可以完成常規(guī)意大利面制作無法實現(xiàn)的復雜擠制圖案。在擠制中，一些材料被推動通過一個小小的噴嘴，沉積在一個平臺上。噴嘴沿著水平方向在平臺上方移動，按照計算機程序的指示讓材料逐漸沉積，直至目標完全成型。

擠制打印機的原型采用一個塑料卷軸，在打印時，塑料通過一個加熱噴嘴。這些就是熔融沉積成型（FDM）打印機。顯然，典型的3D打印塑料——譬如聚乳酸——不是非常美味或健康。3D食物制造中使用的基于擠制的打印機類似于FDM打印機。然而，它們不使用塑料卷軸，一般采用裝在注射器里的液體來打印。以這種方式工作的打印機被稱為“直接墨水書寫”“生物打印”或“自動注漿成型”。

對于自動注漿成型技術而言，最為重要的材料性質(zhì)是擠出的材料（或者稱為墨水）需要在它被置于平臺上之后保持形狀。譬如說，在我的實驗室里，榛子巧克力醬是我打印所用的“墨水”之一。

設計可打印墨水的方法有很多種。一種系統(tǒng)是將液體保存于加熱的注射器中，將其打印在一個室溫平臺之上，液體會在平臺上迅速固化。打印巧克力以及含有明膠或瓊脂的液體是以這種方式實現(xiàn)的。它們在加溫的注射器里呈現(xiàn)液態(tài)，當被擠出到冷卻平臺上后，能立刻定型。

實現(xiàn)3D打印的第二個方法是使用一種化學固定劑來將打印出的液體凝結(jié)為固體。這種方法的一個例子是將具備黏性的水基海藻酸鈉墨水打印至一個盛有鈣離子水的容器內(nèi)。鈣離子能夠讓海藻酸鹽凝結(jié)為固體。曾經(jīng)在家中玩耍過分子烹飪技術的人會一眼看出，這些正是用來制作水果魚子醬（像果凍一樣的外殼里包裹著五顏六色的果汁球）的同一批原料。西班牙主廚費蘭 · 阿德里亞（Ferran Adrià）使用相同的原料開發(fā)出了制作水果魚子醬的技術，而勇敢的3D打印技術熱衷者已經(jīng)征用阿德里亞的創(chuàng)新技術派作己用。

還有一個設計可打印墨水的常見方法涉及觸變性液體。觸變性液體消除了對冷卻和化學固定劑的需要。所謂觸變性，是指當對材料施加壓力時，材料像液體一樣流動，當壓力不存在后，材料就不會流動。這個性質(zhì)也許看起來很奇特，但我們幾乎每天都在依賴這項性質(zhì)。番茄醬和牙膏（以及榛子巧克力醬和花生醬）都是觸變性材料的例子。為了感知一下這種3D打印方法，請想象有一管牙膏，假如你旋下蓋子，轉(zhuǎn)動牙膏管，將敞開的管口朝向地面，什么事都沒有發(fā)生。只有當你擠壓牙膏管時，牙膏才會從管口出來。此外，當你把牙膏擠到牙刷上時，牙膏無限期地保持形狀。自動注漿成型觸變性墨水依賴的正是這種材料性質(zhì)。

自動注漿成型是一項探索和實驗不同3D打印材料的絕妙技術。唯一的要求是，使用者必須為墨水選擇適合的流動性質(zhì)。有一些可安全地作為食物的商用水膠體可以幫助優(yōu)化這些墨水。一位專業(yè)化學家和現(xiàn)代主義烹飪專家馬丁 · 萊爾施（Martin Lersch）在他的博客上匯編了一組名叫“紋理”的食譜，重點介紹了一些凝膠增稠液體。“紋理”對于想要自行制造自動注漿成型墨水的人來說是個良好的起點。盡管萊爾施沒有將它們稱為墨水，他還是列出多個能制造出可打印墨水的食譜。假如你好奇的話，就去試一下橄欖油蕎麥面。這個食譜中使用的甲基纖維素是我在自己的研究實驗室里設計可打印墨水時使用的材料，為的是賦予墨水適當?shù)拇蛴〕矶取?/p>

將自動注漿成型打印技術用于烹飪，最大的障礙也許是可否找到合適的打印機。你可以購買專門用于食物或巧克力的打印機，但他們的價格昂貴，一般售價都超過1 000美元。我在這兒提供兩個選擇。首先，市面上有多種更便宜、可商購的陶瓷/黏土打印機也能打印基于食物的墨水。其次，可以通過一些簡單的改造，把一臺FDM打印機改裝為直接墨水書寫打印機。我最近遵照卡內(nèi)基 · 梅隆大學的材料科學家亞當 · 范伯格（Adam Feinberg）和他的同事整理出的指示說明，改裝了我實驗室里的一臺打印機。3D打印的一個優(yōu)點是硬件和軟件的可獲取性，人們能夠從體驗中得到他們想要的東西。

在自動注漿成型技術之外，還有另外一種完全不同的打印可食用物體的技術，叫作黏結(jié)劑噴射成型打印技術。黏結(jié)劑噴射成型打印技術基于一個將粉末微粒（譬如玉米淀粉或糖）黏結(jié)在一起的工序。譬如，糖果實驗室使用黏結(jié)劑噴射成型打印來制造糖果和其他可食用裝飾品。在這些打印機中，有一個粉末貯藏庫，還有一個造型容器讓粉末與黏結(jié)劑相混合。最后，有一個噴墨頭（類似辦公室噴墨打印機中的部件）含有能讓粉末結(jié)合的黏結(jié)劑。打印開始時，貯藏庫是滿的，而造型容器是空的。打印開始后，貯藏庫的底部升高，一些粉末被推入造型容器。噴墨頭在造型容器表面的精確位置釋放“膠水”（譬如食品級的蜂蠟或糖漿），從而選擇性地黏合一些微粒。這時候，造型容器的表面降低，貯藏庫表面升高，整個過程重新開始，不斷重復這樣的步驟，直到一個完整的對象被黏合在一起。

用戶使用黏結(jié)劑噴射成型打印時有多個選項。第一步是決定使用哪種粉末。對于食物打印，最為常用的是基于糖的粉末。許多其他食品原料早已能以粉末形式獲取，不過其中許多原料吃起來都不太愉悅。喜歡冒險的用戶可以采用糖、玉米淀粉、巧克力和其他調(diào)料制造出獨此一家的即食粉末混合物。另一種選擇是使用環(huán)糊精（一種源自玉米的專用化學物質(zhì)），環(huán)糊精能與油類原料混合，獲得恰好的稠度，最終得到諸如粉末狀黃油或粉末狀榛子巧克力醬的原料。

使用黏結(jié)劑噴射成型打印時，另一個重要決定是使用哪種膠水。在實踐中，大多數(shù)有趣的創(chuàng)造選擇都出現(xiàn)在這一刻。這個過程類似于一臺彩色噴墨打印機使用一組墨盒來在紙張上生成彩色圖片。黏結(jié)劑噴射成型食品打印機也能使用多個彩色墨盒——每個墨盒里含有食品級色素——從而創(chuàng)造出復雜精美的食物圖案。辦公室里使用的打印機和黏結(jié)劑噴射成型打印機之間的主要差別在于，后者的墨盒需要含有膠水來讓微粒黏結(jié)在一起。膠水能以多種形式添加，具體得看使用的粉末類型。

逼真的模擬食物

盡管3D打印使得創(chuàng)造五花八門的精細食物成為可能，但3D食物打印的一個最熱門的應用是對于熟悉食物的模擬。對于3D打印食物的商業(yè)投資主要集中于制造素食或?qū)嶒炇遗嘤膭游镄允称返姆轮破?。投資者已經(jīng)投入數(shù)十億美元給這個領域的初創(chuàng)企業(yè)，細胞培養(yǎng)肉的生產(chǎn)成本已經(jīng)顯著下降，2013年一個人造肉漢堡售價33萬美元，而到2022年，一個人造肉漢堡的售價大約為9.8美元。

基于植物的食物有潛力消除基于動物飲食的許多負面影響。減少土地、水資源和能源耗費，減少溫室氣體排放，提高營養(yǎng)價值，以上這些都是常常被專家引用的理由，然而以當前的植物肉替代方案來說，我們還無法達成以上的任何一個目標。生產(chǎn)植物肉有兩種主要方法。第一種方法是使用全素食原料，這也是不可能漢堡（Impossible Burger）的制造方法。第二種方法是使用實驗室培育的肉產(chǎn)品。這些人工培育出的肉與動物體內(nèi)生長出的肌肉幾乎一模一樣，關鍵的區(qū)別在于它們是在實驗室中從細胞發(fā)育生長而成的。2022年下半年，美國食品藥品管理局（FDA）批準了第一種可供人類食用的實驗室培育肉：由優(yōu)勢食物公司（Upside Foods）生產(chǎn)的人造雞肉。盡管這兩種制造方法都能生成具有類似肉口味的食物，但是要匹配上雞胸肉、牛排或烤肉的紋理是只有3D打印才能滿足的挑戰(zhàn)。

3D打印機的價值在于，它能把原料以一種類似真實肉類結(jié)構(gòu)的形式組合起來，而那是素食漢堡、甚至連“不可能漢堡”都無法辦到的。無論是使用基于植物的肉類替代品，還是使用實驗室培育的肉類，這場競賽的目標是要將3D打印的牛肉推向市場。植物肉領域的重新定義肉類公司（Redefine Meat）和實驗室培育肉領域的類牛排食品公司（Steakholder Foods）的目標都是要率先進入市場。問題在于，復制一塊牛排有許多必須克服的特定困難。

牛排之所以是牛排，是因為它有很多不同的特性。首先是它的構(gòu)成。牛排不是一塊均質(zhì)材料。它主要由肌肉構(gòu)成，散布大理石花紋一般的脂肪。脂肪和肌肉有著不同的烹飪特性，3D打印能讓逼真的“肌肉”和“脂肪”分布變得容易。烹飪后的牛排口感也很重要。我們對于烹飪后的牛排有著多種不同期待：沿著牛排“熟度”梯度，有著一分熟、五分熟、全熟等不同熟度，分別代表蛋白質(zhì)——肌動蛋白和肌凝蛋白——的不同結(jié)構(gòu)變化。

牛排的另一個特征是擁有明確的纖維。在吃烤牛肉時，最容易感受到纖維的存在，牛排也會展現(xiàn)出纖維的性質(zhì)。此外，牛排必須能經(jīng)受美拉德反應——它是煎牛排時發(fā)生的化學變化，賦予牛排外層一種脆感，以及變深的顏色和提升的口味。3D打印的牛排必須擁有適當?shù)念伾⑽兜篮拖銡?，以便能誘惑食客。

到目前為止，類牛排食品公司的牛肉塊是一種即將進入商業(yè)市場的3D打印肉類。重新定義肉類公司的產(chǎn)品眼下只在少數(shù)餐廳可以吃到，它需要時間來擴大產(chǎn)量，以便能讓這些產(chǎn)品在超級市場也能購買到。

那么，這兩家公司迄今為止的表現(xiàn)如何？一位來自倫敦的主廚提姆 · 安德森（Tim Anderson）最近為3Dprint.com網(wǎng)站撰文，聲稱最新的3D打印牛排的質(zhì)感是一次“勝利”，然而這些牛排的外觀、多汁、口味方面還有很大的進步空間。

3D打印逼真模擬食物的其他推動力來自軍事和太空探索領域。在這兩個領域，由于食品變質(zhì)和儲存問題，人員的長期部署面臨缺乏新鮮食物的難題。假如能用可穩(wěn)定儲存的3D打印墨水來制造出營養(yǎng)豐富、美味誘人的模擬食物，那么士兵和宇航員的生活質(zhì)量會得到大幅提升。一個受到美國宇航局（NASA）資助的研究項目開發(fā)出一臺能制造比薩的3D打印機，甚至培育出一家名叫BeeHex的公司來將該技術予以商品化。最近，NASA啟動一個深空食物挑戰(zhàn)活動，資助能制造熟悉食物、用于長期太空任務的設備的研究（包括BeeHex公司提出的一種食物復制機）。和3D打印的牛排一樣，這些公司在慢慢努力，向著商業(yè)市場進發(fā)。

創(chuàng)意無限制

對于從食物愛好者、進行試驗的主廚，再到商業(yè)初創(chuàng)企業(yè)的每個人來說，3D打印食物的首要吸引力在于，它使得與此前存在過的任何烹飪都不相同的全新烹飪創(chuàng)意成為可能。就目前來說，大多數(shù)的創(chuàng)造都出現(xiàn)在創(chuàng)客空間或時髦餐廳里，因為3D打印食物技術依然十分新穎，少有人探索。

壽司奇點（Sushi Singularity）是東京的一家高端日式餐廳，他們探索新奇的壽司結(jié)構(gòu)，同時也保留壽司的口味和質(zhì)感。他們的3D打印食物實驗包括裝在黃金細絲方塊中的細胞培養(yǎng)金槍魚、蜂巢格子里雕刻出的章魚。他們的大多數(shù)打印作品似乎都是基于擠制，采用經(jīng)過計算機控制的混合成分，從而生成恰好的味道和質(zhì)感。他們也使用一種基于粉末的打印技術，用高能激光將粉末熔融在一起。

在糖果實驗室公司，哈斯爾恩夫婦與研究團隊一直在對粉末和膠水食譜縫縫補補，從而探索食物的全新幾何形狀。他們有以切割鉆石外形出現(xiàn)的3D打印的雞尾酒裝飾物，能給酒水增添苦味和甜味。他們也探索食物的復雜幾何外形，比如說二十面體的松露巧克力和為韓國偶像團體防彈少年團（BTS）成員制作的徽章外形的清湯濃縮塊。

3D打印食物生產(chǎn)的第一批商品化實驗必然是既奇異又昂貴的，因為它們是探索打印食物巨大潛力的早期冒險。3D打印是一種使能技術，人們借助3D打印技術能夠?qū)⑾胂罅D(zhuǎn)化為現(xiàn)實。作為一名科學家和食物愛好者，我對于人們到目前為止達成的成果十分著迷。我真心想要試吃一塊3D打印的牛排！盡管這些人造牛排尚未達到一流牛排的水平，但只需要一些時間，它們的口味和外觀就會有很大改觀。我也激動地看到嶄新類型的食物從3D打印食物的市場中出現(xiàn)。我希望大家認識到，改變通常出現(xiàn)得比我們預期中更加緩慢。我們需要過上一段時間，才能打印出完美的牛排或比薩。研究者需要有足夠的時間去試驗配方，讓3D打印食物的口味和外觀變得無可挑剔。商家也需要一定時間才能獲得監(jiān)管機構(gòu)的批準，隨后我們才會見到3D打印食品技術被實際采用。

然而，我認為當我們見到食物的邊界被不斷向前推進，最終的結(jié)果不會辜負我們的這番等待。我希望自己能嘗試突破這些界限。也許，那意味著用可控緩釋聚合物來打印出《查理與巧克力工廠》中糖果制造商威利 · 旺卡（Willy Wonka）的“三道菜正餐口香糖”（按照小說的設定，咀嚼這種口香糖，就像享用了一頓包含前菜、主菜和甜點的正餐）。或者這意味著需要琢磨出如何復制出復雜糕點的特性。3D打印食物的一大優(yōu)點是，這個領域中大多數(shù)可能制造出的食物都尚未被人類制造過，我們有廣袤的試驗空間。我希望看到許多人也踏上這段3D打印食物的旅程。

資料來源 American Scientist

本文作者馬修 · 哈廷斯（Matthew Hartings）是位于華盛頓特區(qū)的美利堅大學化學系副教授。他的研究興趣包括食物、礦物形成和3D打印，著有《廚房中的化學》（Chemistry in Your Kitchen）一書