外焦里嫩！多波长激光3D打印美食玩转新型美拉德反应

AM易道美食分享

今天聊3D打印食物。

反正我们一听这个概念，脑子里首先出现的是一堆糊状物（paste）、凝胶在那儿慢悠悠地挤出来，摆个形状？

过去几年，这基本上就是主流。

好看不好吃，最大的痛点，就是质感。

那玩意儿根本没法模拟真实食物的口感。

但最近，哥伦比亚大学（Columbia University）做出了一些新的研究突破。

他们发在《食品工程杂志》（Journal of Food Engineering）上的最新研究，拿出的东西有点黑科技的意思：

多波长激光烹饪。

他们用三种不同波长的激光，蓝光、近红外、中红外，给3D打印食品做热处理，成功控制了食物从软到脆的质地变化。

更绝的是，他们打印并激光烹饪了一顿包含14种食材的完整三道菜：

菠菜蘑菇蛋饼、玛格丽特披萨、青柠派。

3D打印的数字化烹饪

3D打印食物最大的瓶颈，不是塑形，而是熟化和质构。

传统的烹饪，无论是煎、是烤、是炸，都是一个复杂的热力学过程。

例如它会在食物表面制造出酥脆的壳（比如美拉德反应），同时保持内部的湿润和嫩滑。

这种丰富的质感，是人脑判断好吃的关键。

而以往的3D打印食物，要么是打印完再去烤（后处理），要么就是打印的糊状物本身就是熟的。

这都太粗放了。

哥伦比亚团队这次的思路，是把烹饪这个动作，用激光像素化或者说体素化（voxelized），并且是在打印的同时进行的。

图1：左边是CAD设计的爆炸图，右边是实际打印出来的三道菜。

14种食材，从咸味饼干糊、菠菜蛋奶酱、蘑菇酸奶油，到花椰菜面团、番茄酱、意式乳清干酪、罗勒青酱、欧芹碎，再到甜味全麦饼干糊、青柠派馅料、糖霜和鲜奶油，每种材料都有自己的流变特性和结构功能。

哥伦比亚团队的做法是：打印的同时用激光分层加热。

不是打完了再烤，而是边打边用激光烤。

这样做的好处是可以精确控制每一层的加热程度，从而调节最终的质地。

三种激光，三种穿透深度

他们用了三种激光：

• 蓝光激光（波长445纳米，功率5瓦）

• 近红外激光（波长980纳米，功率8瓦）

• 中红外激光（波长10.6微米，功率8瓦）

为什么要用不同波长？

因为不同波长的光在食物里的穿透深度不一样。

蓝光穿透浅，近红外稍深，中红外更深。

通过调整激光的波长、功率、扫描路径，以及关键的一点—每隔几层加热一次，就能控制食物内部的热分布。

上图是不同加热方式的热量分布对比。

图c是烤箱加热，热量从外向内渗透，比较均匀但分辨率低。

图d、e、f分别是每层、每两层、每三层用激光加热，热量集中在被照射的层面上，可以做到毫米级的加热控制。

AM易道认为，这种分层加热的思路其实和增材制造的逐层构建逻辑是一脉相承的。

3D打印本来就是一层一层堆起来的，为什么食物所需热处理不能也一层一层做？

14种食材，三道菜，一次打印

这个团队设计了一顿完整的三道菜：前菜是菠菜蘑菇蛋饼风格的东西，主菜是玛格丽特披萨风格，甜点是青柠派。

总共用了14种食材，全部打印并激光烹饪完成。

上面两张是实际打印出来的成品，下面两张是CAD设计的渲染图。

比如蛋饼用硬的饼干糊先打一个碗状外壳，用蓝光激光固化，然后再往里填软的菠菜奶酪蛋液。

披萨也是类似逻辑，面团先打个浅槽，番茄酱填进去，奶酪盖在上面。

再看这张图：

左边两张是没有激光加热的全麦饼干糊打印样品，能明显看到层间塌陷和形变。

右边两张是边打边用蓝光激光加热的青柠派样品，形状保持得很好。

这张对比图说明了一个关键问题：没有即时加热，打印出来的形状会走样。

下层还没固化，上层压下来，整个结构就塌了。

激光的作用不只是改变口感，还包括维持几何精度。

这对打印复杂形状的食品来说是刚需。

看团队过去的另一个成果。

他们之前尝试过用单一波长的蓝光激光器（445nm，5-6W）来打印和烹饪一个7成分的蛋糕。

前面提到，445nm的蓝光，它在食物表面的吸收率很高，穿透性很差。

它的好处是能非常精准地在毫米尺度上实现炙烤和焦化，非常适合用来制造酥脆的表层。

但它的问题也很明显：只能烤皮，没法焖芯。

你想把内部也弄熟，要么就是把表面烤焦了，要么就是内部还是生的。

所以，多波长方案，是美味关键。

需要精准的表面加热的，需要脆的地方，就用蓝光扫射，激发美拉德反应，产生风味和质感。

而负责加热整个食物的场景中，就用红光。

红外光的穿透性更强，可以越过表面，直接加热食材内部的水分子，实现蒸熟或煮熟的效果。

AM易道认为，非常有趣的是，这和目前金属3D打印业界的激光预热/表面强化/多光协同思路出奇的一致。

这套系统等于可以对每一个打印的体素进行独立编程。

当打印机逐层沉积原材料时，激光头会根据预设的质感地图来切换不同的激光组合和功率。

这一层需要有嚼劲，就用红外光多照一会儿；

下一层需要酥脆，就用蓝光来烤。

这就是他们团队所说的将软件注入烹饪。

AM易道更愿意把这个概念称之为软件定义食物，Software Defined Food。

他们不再是简单地打印一个形状，而是在编程食物的物理特性。

这让精细调节咀嚼性、硬度和弹性成为了可能。

这才是3D食物打印从塑形走向烹饪的关键一步。

工业化VS实验室：两条平行的未来路线

当然，实验室的突破离商业化还很远。

哥伦比亚的方案目前更像是一个数字烹饪工作站，离规模化生产还有距离。

而在另一条赛道上，Revo Foods的商业化走得更快。

Revo Foods推出的Food FabricatorX2，号称是全球首个工业规模的3D食品打印机。

我们要看清楚，Revo Foods的路径和哥伦比亚大学是不同的。

Revo Foods的核心技术在于高精度挤出系统和多喷头。

他们的目标非常明确：

大规模、高产量地生产整块的肉类和鱼类替代品，比如他们已经出名的3D打印三文鱼柳。

他们的技术重点在于成型而非烹饪。

他们解决的是如何用植物基原料（比如菌丝体或藻类蛋白），通过复杂的喷头设计和材料配方，在冷加工状态下就模拟出肉或鱼的复杂纤维结构。

这更像是一种先进的增材成型技术，烹饪是后置步骤。

Food Fabricator X2的意义在于规模化和连续生产，它瞄准的是B端市场，是想替代现有的食品加工产线。

AM易道思考：两条路径的终极交汇？

在我们看来，3D食品打印的终极形态，很可能是这两条路径的结合。

或许未来的食品工厂：

一条产线上，RevoFoods那样的多喷头挤出系统，高速打印出具有复杂纤维结构的植物基生肉；

紧接着，哥伦比亚大学那样的多波长激光扫描系统，对这些生肉进行精准烹饪和质构编程。

这样就成了真正的数字化食品制造，而且还能规模化。

只不过目前要解决的无非就是工艺、效率和成本三条线。

激光的烹饪的效率肯定还是赶不上铁锅现炒；

激光工艺和食谱配方的协同还很有限；

规模化的成本还没有精确计算。

不过我们很乐观，毕竟不用像工业3D打印那样去深入研究性能和内部组织结构，只要食物做熟、无毒无害，只剩唯一的目标：好吃就完事了。

激光3D打印美食搞不好未来是个大赛道，个性化营养餐、植物基肉类仿制、甚至特殊医疗食品想象空间还是有的。

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