业余爱好者和企业家正在制造独特形状的食物，从糖果到肉类替代物再到太空餐，无所不包。
2011年，研究生凯尔（Kyle）与利兹 · 冯 · 哈斯尔恩（Liz von Hasseln）在他们位于洛杉矶的家中，使用一台老旧的Z310型号3D石膏打印机制作建筑模型。他们突然灵机一动，意识到同样的3D打印技术能应用于食物，能用来制造糖果，而那些糖果将拥有以前绝不可能实现的结构。
哈斯尔恩夫妇最终研发出一种打印复杂食物的方法，并取得专利。2012年，他们成立糖果实验室公司（Sugar Lab），开始与全世界各地的著名主厨合作。糖果实验室公司是一家初创企业，刚刚开始研究3D打印食物的众多天马行空的可能性。许多人也在探索这个领域，比如高端餐厅主厨、试图用打印食物替代肉类和鱼类的公司，或许最激动人心的是广大家庭DIY爱好者，他们将食物带到了以前从未企及过的境地。
在过去10年间，3D打印机的规模迅速扩大，随之在3D打印食物方面出现创新，出现了在家庭厨房或创客空间里运用3D打印技术的能力。3D打印食物的制造方法包括挤制出一种能保持形状的液体材料，或者将食物颗粒“黏结”成特别的外形。一些主厨和企业家在探索形状、口味和应用方面的新可能性，包括精细的糖果、肉类替代品和太空人食物。
通过公共图书馆，创客空间或者购买（价格最低只有100美元）途径，能够接触到3D打印机，这大大降低了进入3D打印世界的门槛。此外，诸如Thingiverse、狂热崇拜（Cults）、我的迷你工厂（MyMiniFactory）之类的线上社群提供开放资源，包括可打印档案和3D打印的最佳操作法，给予新手宝贵的指导。单单Thingiverse一家，就有超过200万份档案。
我是一位化学家，工作是设计用于3D打印的新材料。在我的研究中，我曾打印过一些能够去除环境污染物或者能为燃料电池储存氢气，以及实现其他应用的东西。我也是一名食品化学家，尽管我本身从未开发过打印食物的流程，但我在研究中打印过食品，比如花生酱和榛子巧克力酱。在我眼里，榛子巧克力酱是某种基准。它拥有恰到好处的稠度（浓度和挤压性），与一些我正在开发的专用材料相似。身为父母，我需要喂饱对榛子巧克力酱永远吃不够的小孩，我偏向于认为这种榛子巧克力酱并不便宜。但在我的实验室里，研发工作很耗费时间，我使用的原料在相比之下让预算都不够用。打印榛子巧克力酱这种方式确保当我为实验打印东西时，一切都会恰好地产出。我的目标很实际，但我不得不承认，打印食物这件事很有趣。
糖果实验室公司提供的糖块和标准方糖块相比，拥有更多个面，更复杂的结构，能给咖啡、茶或鸡尾酒增添时髦派头，也可以增添其他风味。这种糖果用一种名叫“黏结剂喷射成型打印”的技术制作，白糖粉末混合黏结剂后，再通过一个类似喷墨打印机喷墨嘴的喷墨头
按下一个按钮，机器就能准备任何数量的菜肴，这是一件科幻而且具有未来感的事。对于业余爱好者而言，3D打印食物提供一个创意的出口，一个玩耍的机会。对于主厨来说，3D打印机是一个以全新方式制作食物的工具。从长久来看，3D打印技术有潜力创造出对于我们所有人而言更加可持续、较为不残忍、更具创意的食物。
如何3D打印食物
对于任何种类的3D打印——无论是可食用的东西还是别的——打印的方式决定了能够使用的材料类型，能用那些材料打印出什么。最容易识别的3D打印方式是基于挤出制作。儿时玩过塑型黏土的人会记得那个会挤出不同形状的黏土泥的模具。3D打印机干的也是这种差事。
意大利面公司百味来已经汲取这种童年乐事作为灵感，设计出一台能制造各种全新形状的意大利面的3D打印机。百味来旗下负责3D打印的公司BluRhapsody有若干别出心裁、大小和外形不一的意大利面供人购买。这些意大利面最吸引我的地方除了它们在餐盘上显现的样子外，就是它们锁住和隐藏酱汁的能力，要等到食客将它们咬开时，才会尝到酱汁。在美食世界里，我们知道，某一种类型的意大利面与特定类型的酱汁相容。譬如，以奶油为底的浓酱汁和肉酱汁与较为厚实的粗面（比如意大利宽面）更搭，而稠度均匀的稀酱汁与意大利细面或天使发面更搭。百味来公司凭借3D打印的意大利面全新形状，能帮助主厨们创新意大利面和酱汁的组合。
百味来旗下公司BluRhapsody制造的这款意大利面造型精巧，灵感来自古希腊陶器。餐盘上的意大利面被填入山羊奶酪和蚕豆，放在紫甘蓝汁上。自动注浆成型技术允许厨师在意大利面造型上发挥创意
3D打印可以完成常规意大利面制作无法实现的复杂挤制图案。在挤制中，一些材料被推动通过一个小小的喷嘴，沉积在一个平台上。喷嘴沿着水平方向在平台上方移动，按照计算机程序的指示让材料逐渐沉积，直至目标完全成型。
挤制打印机的原型采用一个塑料卷轴，在打印时，塑料通过一个加热喷嘴。这些就是熔融沉积成型（FDM）打印机。显然，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挤制的打印机类似于FDM打印机。然而，它们不使用塑料卷轴，一般采用装在注射器里的液体来打印。以这种方式工作的打印机被称为“直接墨水书写”“生物打印”或“自动注浆成型”。
对于自动注浆成型技术而言，最为重要的材料性质是挤出的材料（或者称为墨水）需要在它被置于平台上之后保持形状。譬如说，在我的实验室里，榛子巧克力酱是我打印所用的“墨水”之一。
设计可打印墨水的方法有很多种。一种系统是将液体保存于加热的注射器中，将其打印在一个室温平台之上，液体会在平台上迅速固化。打印巧克力以及含有明胶或琼脂的液体是以这种方式实现的。它们在加温的注射器里呈现液态，当被挤出到冷却平台上后，能立刻定型。
实现3D打印的第二个方法是使用一种化学固定剂来将打印出的液体凝结为固体。这种方法的一个例子是将具备黏性的水基海藻酸钠墨水打印至一个盛有钙离子水的容器内。钙离子能够让海藻酸盐凝结为固体。曾经在家中玩耍过分子烹饪技术的人会一眼看出，这些正是用来制作水果鱼子酱（像果冻一样的外壳里包裹着五颜六色的果汁球）的同一批原料。西班牙主厨费兰? · 阿德里亚（Ferran Adrià）使用相同的原料开发出了制作水果鱼子酱的技术，而勇敢的3D打印技术热衷者已经征用阿德里亚的创新技术派作己用。
两种主要的3D打印食物方法：用黏结剂（如食品级的蜂蜡或糖浆）把食物粉末“黏成”特定形状（左）；把液体材料从类似注射器的喷墨头中挤出来（右）。第二种方法要求液体材料在挤制之后保持形状，要么是通过冷却，要么是使用化学固定剂
还有一个设计可打印墨水的常见方法涉及触变性液体。触变性液体消除了对冷却和化学固定剂的需要。所谓触变性，是指当对材料施加压力时，材料像液体一样流动，当压力不存在后，材料就不会流动。这个性质也许看起来很奇特，但我们几乎每天都在依赖这项性质。番茄酱和牙膏（以及榛子巧克力酱和花生酱）都是触变性材料的例子。为了感知一下这种3D打印方法，请想象有一管牙膏，假如你旋下盖子，转动牙膏管，将敞开的管口朝向地面，什么事都没有发生。只有当你挤压牙膏管时，牙膏才会从管口出来。此外，当你把牙膏挤到牙刷上时，牙膏无限期地保持形状。自动注浆成型触变性墨水依赖的正是这种材料性质。
自动注浆成型是一项探索和实验不同3D打印材料的绝妙技术。唯一的要求是，使用者必须为墨水选择适合的流动性质。有一些可安全地作为食物的商用水胶体可以帮助优化这些墨水。一位专业化学家和现代主义烹饪专家马丁 · 莱尔施（Martin Lersch）在他的博客上汇编了一组名叫“纹理”的食谱，重点介绍了一些凝胶增稠液体。“纹理”对于想要自行制造自动注浆成型墨水的人来说是个良好的起点。尽管莱尔施没有将它们称为墨水，他还是列出多个能制造出可打印墨水的食谱。假如你好奇的话，就去试一下橄榄油荞麦面。这个食谱中使用的甲基纤维素是我在自己的研究实验室里设计可打印墨水时使用的材料，为的是赋予墨水适当的打印稠度。
这个由自然机器3D打印公司打印出的鹰嘴豆泥城堡是使用自动注浆成型技术制造精细结构的范例
3D打印机正在被改装，以便用可食用原料制造出定制食物，譬如图中用胡萝卜泥打印出的雕塑。对于这类自动注浆成型技术，需要研发出一种特别的“墨水”，当被施加压力时呈现流动性，一旦被打印出来后就保持形状
将自动注浆成型打印技术用于烹饪，最大的障碍也许是可否找到合适的打印机。你可以购买专门用于食物或巧克力的打印机，但他们的价格昂贵，一般售价都超过1 000美元。我在这儿提供两个选择。首先，市面上有多种更便宜、可商购的陶瓷/黏土打印机也能打印基于食物的墨水。其次，可以通过一些简单的改造，把一台FDM打印机改装为直接墨水书写打印机。我最近遵照卡内基 · 梅隆大学的材料科学家亚当 · 范伯格（Adam Feinberg）和他的同事整理出的指示说明，改装了我实验室里的一台打印机。3D打印的一个优点是硬件和软件的可获取性，人们能够从体验中得到他们想要的东西。
在自动注浆成型技术之外，还有另外一种完全不同的打印可食用物体的技术，叫作黏结剂喷射成型打印技术。黏结剂喷射成型打印技术基于一个将粉末微粒（譬如玉米淀粉或糖）黏结在一起的工序。譬如，糖果实验室使用黏结剂喷射成型打印来制造糖果和其他可食用装饰品。在这些打印机中，有一个粉末贮藏库，还有一个造型容器让粉末与黏结剂相混合。最后，有一个喷墨头（类似办公室喷墨打印机中的部件）含有能让粉末结合的黏结剂。打印开始时，贮藏库是满的，而造型容器是空的。打印开始后，贮藏库的底部升高，一些粉末被推入造型容器。喷墨头在造型容器表面的精确位置释放“胶水”（譬如食品级的蜂蜡或糖浆），从而选择性地黏合一些微粒。这时候，造型容器的表面降低，贮藏库表面升高，整个过程重新开始，不断重复这样的步骤，直到一个完整的对象被黏合在一起。
用户使用黏结剂喷射成型打印时有多个选项。第一步是决定使用哪种粉末。对于食物打印，最为常用的是基于糖的粉末。许多其他食品原料早已能以粉末形式获取，不过其中许多原料吃起来都不太愉悦。喜欢冒险的用户可以采用糖、玉米淀粉、巧克力和其他调料制造出独此一家的即食粉末混合物。另一种选择是使用环糊精（一种源自玉米的专用化学物质），环糊精能与油类原料混合，获得恰好的稠度，最终得到诸如粉末状黄油或粉末状榛子巧克力酱的原料。
使用黏结剂喷射成型打印时，另一个重要决定是使用哪种胶水。在实践中，大多数有趣的创造选择都出现在这一刻。这个过程类似于一台彩色喷墨打印机使用一组墨盒来在纸张上生成彩色图片。黏结剂喷射成型食品打印机也能使用多个彩色墨盒——每个墨盒里含有食品级色素——从而创造出复杂精美的食物图案。办公室里使用的打印机和黏结剂喷射成型打印机之间的主要差别在于，后者的墨盒需要含有胶水来让微粒黏结在一起。胶水能以多种形式添加，具体得看使用的粉末类型。
素肉代替品在3D打印食物世界中是一个关注焦点。图中基于植物的素肉模拟了牛肉，由重新定义肉类公司制造。目前，该公司的产品仅可以在少数餐厅品尝到
逼真的模拟食物
尽管3D打印使得创造五花八门的精细食物成为可能，但3D食物打印的一个最热门的应用是对于熟悉食物的模拟。对于3D打印食物的商业投资主要集中于制造素食或实验室培育的动物性食品的仿制品。投资者已经投入数十亿美元给这个领域的初创企业，细胞培养肉的生产成本已经显著下降，2013年一个人造肉汉堡售价33万美元，而到2022年，一个人造肉汉堡的售价大约为9.8美元。
基于植物的食物有潜力消除基于动物饮食的许多负面影响。减少土地、水资源和能源耗费，减少温室气体排放，提高营养价值，以上这些都是常常被专家引用的理由，然而以当前的植物肉替代方案来说，我们还无法达成以上的任何一个目标。生产植物肉有两种主要方法。第一种方法是使用全素食原料，这也是不可能汉堡（Impossible Burger）的制造方法。第二种方法是使用实验室培育的肉产品。这些人工培育出的肉与动物体内生长出的肌肉几乎一模一样，关键的区别在于它们是在实验室中从细胞发育生长而成的。2022年下半年，美国食品药品管理局（FDA）批准了第一种可供人类食用的实验室培育肉：由优势食物公司（Upside Foods）生产的人造鸡肉。尽管这两种制造方法都能生成具有类似肉口味的食物，但是要匹配上鸡胸肉、牛排或烤肉的纹理是只有3D打印才能满足的挑战。
全球第一块无需屠宰的肋眼牛排是用实验室培育的牛肉成分以3D打印方法制作而成，由阿尔法农场公司和以色列理工学院生物医学工程系合作研发。它和类似的产品正在慢慢进入市场，等待美国食品药品管理局的批准
3D打印机的价值在于，它能把原料以一种类似真实肉类结构的形式组合起来，而那是素食汉堡、甚至连“不可能汉堡”都无法办到的。无论是使用基于植物的肉类替代品，还是使用实验室培育的肉类，这场竞赛的目标是要将3D打印的牛肉推向市场。植物肉领域的重新定义肉类公司（Redefine Meat）和实验室培育肉领域的类牛排食品公司（Steakholder Foods）的目标都是要率先进入市场。问题在于，复制一块牛排有许多必须克服的特定困难。
牛排之所以是牛排，是因为它有很多不同的特性。首先是它的构成。牛排不是一块均质材料。它主要由肌肉构成，散布大理石花纹一般的脂肪。脂肪和肌肉有着不同的烹饪特性，3D打印能让逼真的“肌肉”和“脂肪”分布变得容易。烹饪后的牛排口感也很重要。我们对于烹饪后的牛排有着多种不同期待：沿着牛排“熟度”梯度，有着一分熟、五分熟、全熟等不同熟度，分别代表蛋白质——肌动蛋白和肌凝蛋白——的不同结构变化。
牛排的另一个特征是拥有明确的纤维。在吃烤牛肉时，最容易感受到纤维的存在，牛排也会展现出纤维的性质。此外，牛排必须能经受美拉德反应——它是煎牛排时发生的化学变化，赋予牛排外层一种脆感，以及变深的颜色和提升的口味。3D打印的牛排必须拥有适当的颜色、味道和香气，以便能诱惑食客。
美食家、爱好实验的主厨和初创企业正在将食物带往以前从未到过的地方——太空中的3D生物打印机。使用3D打印机为太空人研发出更优良的食物是一个活跃的研究领域。一支来自初创企业太空制造公司的团队在马歇尔太空飞行中心的微重力科学手套箱工程部门测试一台3D打印机
到目前为止，类牛排食品公司的牛肉块是一种即将进入商业市场的3D打印肉类。重新定义肉类公司的产品眼下只在少数餐厅可以吃到，它需要时间来扩大产量，以便能让这些产品在超级市场也能购买到。
那么，这两家公司迄今为止的表现如何？一位来自伦敦的主厨提姆 · 安德森（Tim Anderson）最近为3Dprint.com网站撰文，声称最新的3D打印牛排的质感是一次“胜利”，然而这些牛排的外观、多汁、口味方面还有很大的进步空间。
3D打印逼真模拟食物的其他推动力来自军事和太空探索领域。在这两个领域，由于食品变质和储存问题，人员的长期部署面临缺乏新鲜食物的难题。假如能用可稳定储存的3D打印墨水来制造出营养丰富、美味诱人的模拟食物，那么士兵和宇航员的生活质量会得到大幅提升。一个受到美国宇航局（NASA）资助的研究项目开发出一台能制造比萨的3D打印机，甚至培育出一家名叫BeeHex的公司来将该技术予以商品化。最近，NASA启动一个深空食物挑战活动，资助能制造熟悉食物、用于长期太空任务的设备的研究（包括BeeHex公司提出的一种食物复制机）。和3D打印的牛排一样，这些公司在慢慢努力，向着商业市场进发。
创意无限制
对于从食物爱好者、进行试验的主厨，再到商业初创企业的每个人来说，3D打印食物的首要吸引力在于，它使得与此前存在过的任何烹饪都不相同的全新烹饪创意成为可能。就目前来说，大多数的创造都出现在创客空间或时髦餐厅里，因为3D打印食物技术依然十分新颖，少有人探索。
用玉米制造出的环糊精和油类原料（譬如辣椒油或榛子酱）混合后，得到一种粉末。这种粉末能在黏结剂喷射成型打印中派上大用场
寿司奇点是一家位于东京的高端餐厅，正在研发许多3D打印的创新日本美食。他们的菜单中有：泉华海胆（左），将海胆粉末与米粉混合，创造出融化于口中的体验；各向异性刚度蒸虾（中），模拟了虾肉的口感；负刚度蜂窝章鱼（右），拥有章鱼一般的弹牙口感
寿司奇点（Sushi Singularity）是东京的一家高端日式餐厅，他们探索新奇的寿司结构，同时也保留寿司的口味和质感。他们的3D打印食物实验包括装在黄金细丝方块中的细胞培养金枪鱼、蜂巢格子里雕刻出的章鱼。他们的大多数打印作品似乎都是基于挤制，采用经过计算机控制的混合成分，从而生成恰好的味道和质感。他们也使用一种基于粉末的打印技术，用高能激光将粉末熔融在一起。
在糖果实验室公司，哈斯尔恩夫妇与研究团队一直在对粉末和胶水食谱缝缝补补，从而探索食物的全新几何形状。他们有以切割钻石外形出现的3D打印的鸡尾酒装饰物，能给酒水增添苦味和甜味。他们也探索食物的复杂几何外形，比如说二十面体的松露巧克力和为韩国偶像团体防弹少年团（BTS）成员制作的徽章外形的清汤浓缩块。
3D打印食物生产的第一批商品化实验必然是既奇异又昂贵的，因为它们是探索打印食物巨大潜力的早期冒险。3D打印是一种使能技术，人们借助3D打印技术能够将想象力转化为现实。作为一名科学家和食物爱好者，我对于人们到目前为止达成的成果十分着迷。我真心想要试吃一块3D打印的牛排！尽管这些人造牛排尚未达到一流牛排的水平，但只需要一些时间，它们的口味和外观就会有很大改观。我也激动地看到崭新类型的食物从3D打印食物的市场中出现。我希望大家认识到，改变通常出现得比我们预期中更加缓慢。我们需要过上一段时间，才能打印出完美的牛排或比萨。研究者需要有足够的时间去试验配方，让3D打印食物的口味和外观变得无可挑剔。商家也需要一定时间才能获得监管机构的批准，随后我们才会见到3D打印食品技术被实际采用。
然而，我认为当我们见到食物的边界被不断向前推进，最终的结果不会辜负我们的这番等待。我希望自己能尝试突破这些界限。也许，那意味着用可控缓释聚合物来打印出《查理与巧克力工厂》中糖果制造商威利 · 旺卡（Willy Wonka）的“三道菜正餐口香糖”（按照小说的设定，咀嚼这种口香糖，就像享用了一顿包含前菜、主菜和甜点的正餐）。或者这意味着需要琢磨出如何复制出复杂糕点的特性。3D打印食物的一大优点是，这个领域中大多数可能制造出的食物都尚未被人类制造过，我们有广袤的试验空间。我希望看到许多人也踏上这段3D打印食物的旅程。
资料来源 American Scientist
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本文作者马修·哈廷斯（Matthew Hartings）是位于华盛顿特区的美利坚大学化学系副教授。他的研究兴趣包括食物、矿物形成和3D打印，著有《厨房中的化学》（Chemistry in Your Kitchen）一书
