外焦里嫩！多波長激光3D打印美食玩轉新型美拉德反應

AM易道美食分享

今天聊3D打印食物。

反正我們一聽這個概念，腦子里首先出現的是一堆糊狀物（paste）、凝膠在那兒慢悠悠地擠出來，擺個形狀？

過去幾年，這基本上就是主流。

好看不好吃，最大的痛點，就是質感。

那玩意兒根本沒法模擬真實食物的口感。

但最近，哥倫比亞大學（Columbia University）做出了一些新的研究突破。

他們發在《食品工程雜志》（Journal of Food Engineering）上的最新研究，拿出的東西有點黑科技的意思：

多波長激光烹飪。

他們用三種不同波長的激光，藍光、近紅外、中紅外，給3D打印食品做熱處理，成功控制了食物從軟到脆的質地變化。

更絕的是，他們打印并激光烹飪了一頓包含14種食材的完整三道菜：

菠菜蘑菇蛋餅、瑪格麗特披薩、青檸派。

3D打印的數字化烹飪

3D打印食物最大的瓶頸，不是塑形，而是熟化和質構。

傳統的烹飪，無論是煎、是烤、是炸，都是一個復雜的熱力學過程。

例如它會在食物表面制造出酥脆的殼（比如美拉德反應），同時保持內部的濕潤和嫩滑。

這種豐富的質感，是人腦判斷好吃的關鍵。

而以往的3D打印食物，要么是打印完再去烤（后處理），要么就是打印的糊狀物本身就是熟的。

這都太粗放了。

哥倫比亞團隊這次的思路，是把烹飪這個動作，用激光像素化或者說體素化（voxelized），并且是在打印的同時進行的。

圖1：左邊是CAD設計的爆炸圖，右邊是實際打印出來的三道菜。

14種食材，從咸味餅干糊、菠菜蛋奶醬、蘑菇酸奶油，到花椰菜面團、番茄醬、意式乳清干酪、羅勒青醬、歐芹碎，再到甜味全麥餅干糊、青檸派餡料、糖霜和鮮奶油，每種材料都有自己的流變特性和結構功能。

哥倫比亞團隊的做法是：打印的同時用激光分層加熱。

不是打完了再烤，而是邊打邊用激光烤。

這樣做的好處是可以精確控制每一層的加熱程度，從而調節最終的質地。

三種激光，三種穿透深度

他們用了三種激光：

• 藍光激光（波長445納米，功率5瓦）

• 近紅外激光（波長980納米，功率8瓦）

• 中紅外激光（波長10.6微米，功率8瓦）

為什么要用不同波長？

因為不同波長的光在食物里的穿透深度不一樣。

藍光穿透淺，近紅外稍深，中紅外更深。

通過調整激光的波長、功率、掃描路徑，以及關鍵的一點—每隔幾層加熱一次，就能控制食物內部的熱分布。

上圖是不同加熱方式的熱量分布對比。

圖c是烤箱加熱，熱量從外向內滲透，比較均勻但分辨率低。

圖d、e、f分別是每層、每兩層、每三層用激光加熱，熱量集中在被照射的層面上，可以做到毫米級的加熱控制。

AM易道認為，這種分層加熱的思路其實和增材制造的逐層構建邏輯是一脈相承的。

3D打印本來就是一層一層堆起來的，為什么食物所需熱處理不能也一層一層做？

14種食材，三道菜，一次打印

這個團隊設計了一頓完整的三道菜：前菜是菠菜蘑菇蛋餅風格的東西，主菜是瑪格麗特披薩風格，甜點是青檸派。

總共用了14種食材，全部打印并激光烹飪完成。

上面兩張是實際打印出來的成品，下面兩張是CAD設計的渲染圖。

比如蛋餅用硬的餅干糊先打一個碗狀外殼，用藍光激光固化，然后再往里填軟的菠菜奶酪蛋液。

披薩也是類似邏輯，面團先打個淺槽，番茄醬填進去，奶酪蓋在上面。

再看這張圖：

左邊兩張是沒有激光加熱的全麥餅干糊打印樣品，能明顯看到層間塌陷和形變。

右邊兩張是邊打邊用藍光激光加熱的青檸派樣品，形狀保持得很好。

這張對比圖說明了一個關鍵問題：沒有即時加熱，打印出來的形狀會走樣。

下層還沒固化，上層壓下來，整個結構就塌了。

激光的作用不只是改變口感，還包括維持幾何精度。

這對打印復雜形狀的食品來說是剛需。

看團隊過去的另一個成果。

他們之前嘗試過用單一波長的藍光激光器（445nm，5-6W）來打印和烹飪一個7成分的蛋糕。

前面提到，445nm的藍光，它在食物表面的吸收率很高，穿透性很差。

它的好處是能非常精準地在毫米尺度上實現炙烤和焦化，非常適合用來制造酥脆的表層。

但它的問題也很明顯：只能烤皮，沒法燜芯。

你想把內部也弄熟，要么就是把表面烤焦了，要么就是內部還是生的。

所以，多波長方案，是美味關鍵。

需要精準的表面加熱的，需要脆的地方，就用藍光掃射，激發美拉德反應，產生風味和質感。

而負責加熱整個食物的場景中，就用紅光。

紅外光的穿透性更強，可以越過表面，直接加熱食材內部的水分子，實現蒸熟或煮熟的效果。

AM易道認為，非常有趣的是，這和目前金屬3D打印業界的激光預熱/表面強化/多光協同思路出奇的一致。

這套系統等于可以對每一個打印的體素進行獨立編程。

當打印機逐層沉積原材料時，激光頭會根據預設的質感地圖來切換不同的激光組合和功率。

這一層需要有嚼勁，就用紅外光多照一會兒；

下一層需要酥脆，就用藍光來烤。

這就是他們團隊所說的將軟件注入烹飪。

AM易道更愿意把這個概念稱之為軟件定義食物，Software Defined Food。

他們不再是簡單地打印一個形狀，而是在編程食物的物理特性。

這讓精細調節咀嚼性、硬度和彈性成為了可能。

這才是3D食物打印從塑形走向烹飪的關鍵一步。

工業化VS實驗室：兩條平行的未來路線

當然，實驗室的突破離商業化還很遠。

哥倫比亞的方案目前更像是一個數字烹飪工作站，離規模化生產還有距離。

而在另一條賽道上，Revo Foods的商業化走得更快。

Revo Foods推出的Food FabricatorX2，號稱是全球首個工業規模的3D食品打印機。

我們要看清楚，Revo Foods的路徑和哥倫比亞大學是不同的。

Revo Foods的核心技術在于高精度擠出系統和多噴頭。

他們的目標非常明確：

大規模、高產量地生產整塊的肉類和魚類替代品，比如他們已經出名的3D打印三文魚柳。

他們的技術重點在于成型而非烹飪。

他們解決的是如何用植物基原料（比如菌絲體或藻類蛋白），通過復雜的噴頭設計和材料配方，在冷加工狀態下就模擬出肉或魚的復雜纖維結構。

這更像是一種先進的增材成型技術，烹飪是后置步驟。

Food Fabricator X2的意義在于規模化和連續生產，它瞄準的是B端市場，是想替代現有的食品加工產線。

AM易道思考：兩條路徑的終極交匯？

在我們看來，3D食品打印的終極形態，很可能是這兩條路徑的結合。

或許未來的食品工廠：

一條產線上，RevoFoods那樣的多噴頭擠出系統，高速打印出具有復雜纖維結構的植物基生肉；

緊接著，哥倫比亞大學那樣的多波長激光掃描系統，對這些生肉進行精準烹飪和質構編程。

這樣就成了真正的數字化食品制造，而且還能規模化。

只不過目前要解決的無非就是工藝、效率和成本三條線。

激光的烹飪的效率肯定還是趕不上鐵鍋現炒；

激光工藝和食譜配方的協同還很有限；

規模化的成本還沒有精確計算。

不過我們很樂觀，畢竟不用像工業3D打印那樣去深入研究性能和內部組織結構，只要食物做熟、無毒無害，只剩唯一的目標：好吃就完事了。

激光3D打印美食搞不好未來是個大賽道，個性化營養餐、植物基肉類仿制、甚至特殊醫療食品想象空間還是有的。

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