Drukowanie żywności 3D
Drukowanie żywności 3D to proces wytwarzania produktów spożywczych przy użyciu różnych technik wytwarzania przyrostowego. Najczęściej strzykawki dopuszczone do kontaktu z żywnością zawierają materiał drukarski, który jest następnie nakładany warstwa po warstwie przez dyszę dopuszczoną do kontaktu z żywnością. Najbardziej zaawansowane drukarki 3D do żywności mają na pokładzie fabrycznie załadowane przepisy, a także umożliwiają użytkownikowi zdalne projektowanie żywności na komputerze, telefonie lub urządzeniu IoT . Jedzenie można dostosować pod względem kształtu, koloru, tekstury, smaku lub wartości odżywczej, co czyni je bardzo przydatnym w różnych dziedzinach, takich jak eksploracja kosmosu i opieka zdrowotna.
Historia
.jpg)
| Rok | Nazwa firmy/grupy | Opis |
|---|---|---|
| 2006 | Uniwersytet Cornella | Fab@Home , projekt prowadzony przez grupę studentów, był pierwszą wielomateriałową drukarką 3D do drukowania materiałów spożywczych, takich jak czekolada, ciasto na ciasteczka i ser. |
| 2006-2009 | Laboratoria złego szalonego naukowca | Firma CandyFab była w stanie drukować duże rzeźby z cukru, używając gorącego powietrza do selektywnego topienia i stapiania razem ziaren cukru. |
| 2012 | Czekoladowa Krawędź | str. |
| 2012-2015 | Biozoon GmbH | PERFORMANCE był projektem skoncentrowanym na drukowaniu łatwej do przeżucia i połknięcia żywności dla seniorów. |
| 2013 | Nowoczesna Łąka | Po raz pierwszy wydrukowano mięso in vitro za pomocą biodrukarki. |
| 2014 | Systemy 3D i Hershey's | Wprowadzono drukarkę do czekolady, która drukuje różne kształty, rozmiary i geometrie przy użyciu mlecznej, ciemnej i białej czekolady. |
| 2014 | Naturalne maszyny | Wprowadzono Foodini, dostępną na rynku drukarkę. Ta drukarka może drukować szeroką gamę składników i jest dostarczana z aplikacją, która pozwala użytkownikom na zdalne tworzenie projektów. |
| 2015 | TNO i Barilla | Wprowadza się drukarkę do makaronu i coroczny konkurs na najlepszy projekt makaronu. |
| 2018 | Nowe mięso | Wydrukowano pierwszy bezmięsny stek z warzyw, który naśladuje teksturę mięsa. |
| 2022 | FELIXdrukarki | FELIXprinter, producent profesjonalnych i przemysłowych drukarek 3D FDM do tworzyw sztucznych, wprowadza na rynek serię FELIX FOODprinters. Modele z pojedynczą, przełączaną i podwójną głowicą są udostępniane na rynku. |
Ogólne zasady
Istnieją trzy ogólne obszary, które mają wpływ na precyzyjne i dokładne drukowanie żywności: materiały/składniki (lepkość, wielkość proszku), parametry procesu (średnica dyszy, prędkość drukowania, odległość drukowania) oraz metody obróbki końcowej (pieczenie, podgrzewanie w kuchence mikrofalowej, smażenie).
Materiały i składniki
Rodzaj żywności dostępnej do drukowania jest ograniczony techniką drukowania. Aby zapoznać się z przeglądem tych technik drukowania, zobacz sekcję Techniki drukowania poniżej:
Składniki druku na bazie ekstruzji
Typowe składniki stosowane w druku opartym na wytłaczaniu są z natury wystarczająco miękkie, aby wytłaczać je ze strzykawki/głowicy drukującej i mają wystarczająco wysoką lepkość , aby zachować kształt. W niektórych przypadkach dodaje się sproszkowane składniki (białko, cukier itp.) w celu zwiększenia lepkości, np. dodanie mąki do wody tworzy pastę, którą można wydrukować. Z natury miękkie materiały obejmują:
- puree
- galareta
- lukier
- ser
- tłuczone ziemniaki
Niektóre składniki, które są stałe, można stosować przez stopienie, a następnie wytłaczanie składnika, np. czekolada.
Selektywne spiekanie laserowe i natryskiwanie składników spoiwa
Składniki w proszku:
- cukier
- proszek czekoladowy
- białko w proszku
Składniki druku atramentowego
Do szpachlowania powierzchniowego stosuje się składniki o niskiej lepkości :
- sosy (do pizzy, sos ostry, musztarda, ketchup itp.)
- kolorowy tusz do żywności
Techniki drukarskie
Druk oparty na ekstruzji
Chociaż istnieją różne podejścia do drukowania opartego na wytłaczaniu, te podejścia opierają się na tych samych podstawowych procedurach. Platforma, na której drukowana jest żywność, składa się ze standardowego 3-osiowego stolika ze sterowaną komputerowo głowicą ekstruzyjną. Ta głowica wytłaczająca przepycha materiały spożywcze przez dyszę, zazwyczaj za pomocą sprężonego powietrza lub wyciskania. Dysze mogą się różnić w zależności od rodzaju wytłaczanej żywności lub pożądanej prędkości drukowania (zwykle im mniejsza dysza, tym dłużej trwa drukowanie żywności). Gdy żywność jest drukowana, głowica wytłaczająca porusza się wzdłuż 3-osiowego etapu drukowania żądanej żywności. Niektóre drukowane produkty spożywcze wymagają dodatkowej obróbki, takiej jak pieczenie lub smażenie przed spożyciem.
Drukarki do żywności oparte na wytłaczaniu można kupić do użytku domowego, są one zazwyczaj kompaktowe i mają niskie koszty utrzymania. Dla porównania, druk oparty na wytłaczaniu zapewnia użytkownikowi większy wybór materiałów. Jednak te materiały spożywcze są zwykle miękkie, co utrudnia drukowanie złożonych struktur żywności. Ponadto długie czasy produkcji i odkształcenia spowodowane wahaniami temperatury przy dodatkowym pieczeniu lub smażeniu wymagają dalszych badań i rozwoju.
Topliwy i temperatura pokojowa
Podczas wytłaczania na gorąco głowica wytłaczająca podgrzewa materiał spożywczy nieco powyżej temperatury topnienia materiału. Stopiony materiał jest następnie wytłaczany z głowicy i wkrótce potem krzepnie. Pozwala to na łatwe manipulowanie materiałem w żądaną formę lub model. Żywność, taka jak czekolada, jest używana w tej technice ze względu na jej zdolność do szybkiego topnienia i zestalania.
Inne materiały spożywcze z natury nie wymagają elementu grzejnego w celu zadrukowania. Materiały spożywcze, takie jak galaretki, lukier, puree i podobne materiały spożywcze o odpowiedniej lepkości można drukować w temperaturze pokojowej bez uprzedniego topienia.
Selektywne spiekanie laserowe
W selektywnym spiekaniu laserowym sproszkowane materiały spożywcze są podgrzewane i łączone ze sobą, tworząc stałą strukturę. Proces ten kończy się spajaniem sproszkowanego materiału warstwa po warstwie za pomocą lasera jako źródła ciepła. Po zakończeniu warstwy z pożądanymi połączonymi obszarami, jest ona następnie pokrywana nową niezwiązaną warstwą proszku. Niektóre części tej nowej niezwiązanej warstwy są podgrzewane laserem w celu związania jej ze strukturą. Proces ten trwa pionowo w górę, aż do skonstruowania pożądanego modelu żywności. Po zbudowaniu niezwiązany materiał można następnie poddać recyklingowi i wykorzystać do wydrukowania innego modelu żywności.
Selektywne spiekanie laserowe umożliwia konstruowanie skomplikowanych kształtów i modeli oraz możliwość tworzenia różnych tekstur żywności. Jest to ograniczone zakresem odpowiednich materiałów spożywczych, a mianowicie składników w proszku. Ze względu na to ograniczenie selektywne spiekanie laserowe było stosowane głównie do wytwarzania słodyczy/cukierków.
Natryskiwanie spoiwa
Podobnie jak w przypadku selektywnego spiekania laserowego, metoda lepiszcza wykorzystuje sproszkowane materiały spożywcze do tworzenia modelu warstwa po warstwie. Zamiast stosowania ciepła do łączenia materiałów, stosuje się płynne spoiwo. Po sklejeniu żądanych obszarów warstwy nakłada się nową warstwę proszku na pokrywającą ją warstwę sklejoną. Niektóre części tej nowej warstwy są następnie łączone z poprzednią warstwą. Proces jest powtarzany aż do skonstruowania pożądanego modelu żywności.
Podobnie jak w przypadku selektywnego spiekania laserowego, natryskiwanie spoiwem umożliwia konstruowanie skomplikowanych kształtów i modeli oraz możliwość tworzenia różnych tekstur żywności. Podobnie, jest to również ograniczone zakresem odpowiednich materiałów spożywczych, a mianowicie składników w proszku.
Druk atramentowy
Druk atramentowy służy do wypełniania powierzchni lub dekoracji obrazu. Wykorzystując grawitację, jadalny atrament spożywczy jest upuszczany na powierzchnię żywności, zwykle ciastka, ciasta lub innego cukierka. Jest to metoda bezkontaktowa, dzięki czemu głowica drukująca nie styka się z żywnością, chroniąc żywność przed zanieczyszczeniem podczas wypełniania obrazu. Kropelki atramentu mogą składać się z szerokiej gamy kolorów, co pozwala użytkownikom na tworzenie unikalnych i zindywidualizowanych obrazów żywności. Problem z drukowaniem atramentowym polega na tym, że materiały spożywcze są niezgodne z atramentem, co powoduje brak obrazu lub duże zniekształcenie obrazu. Drukarki atramentowe można kupić do użytku domowego lub komercyjnego, a drukarki przemysłowe nadają się do produkcji masowej.
Wiele głowic drukujących i wiele materiałów
W przypadku drukowania wielogłowicowego i wielomateriałowego wiele składników jest drukowanych jednocześnie lub po sobie. Istnieją różne sposoby wspierania drukowania z wielu materiałów. W jednym przypadku wiele głowic drukujących jest używanych do drukowania wielu materiałów/składników, ponieważ może to przyspieszyć produkcję, wydajność i prowadzić do interesujących wzorców projektowych. W innym przypadku jest jedna głowica drukująca, a gdy potrzebny jest inny składnik, drukarka wymienia materiał do zadrukowania. Wiele materiałów/składników oznacza bardziej zróżnicowaną gamę posiłków dostępnych do druku, szerszy zakres wartości odżywczych i jest dość powszechne w drukarniach żywności.
Przetwarzanie końcowe
W fazie przetwarzania końcowego drukowana żywność może wymagać dodatkowych czynności przed spożyciem. Obejmuje to czynności przetwarzania, takie jak pieczenie, smażenie, czyszczenie itp. Ta faza może być jedną z najważniejszych dla żywności drukowanej w 3D, ponieważ wydrukowana żywność musi być bezpieczna do spożycia. Dodatkowym problemem związanym z przetwarzaniem końcowym jest deformacja zadrukowanej żywności spowodowana obciążeniem tych dodatkowych procesów. Obecne metody polegają na próbach i błędach. Oznacza to łączenie dodatków do żywności z materiałami/składnikami w celu poprawy integralności złożonych struktur i zapewnienia, że drukowana struktura zachowa swój kształt. Dodatki, takie jak transglutaminaza i hydrokoloidy, zostały dodane do składników, aby pomóc zachować wydrukowany kształt podczas drukowania i po ugotowaniu.
Ponadto ostatnie badania stworzyły wizualną symulację pieczenia chleba, ciastek, naleśników i podobnych materiałów składających się z ciasta lub ciasta (mieszaniny wody, mąki, jaj, tłuszczu, cukru i środków spulchniających). Dostosowując niektóre parametry w symulacji, pokazuje realistyczny wpływ pieczenia na żywność. Dzięki dalszym badaniom i rozwojowi wizualna symulacja gotowanej żywności drukowanej w 3D może przewidzieć, co jest podatne na odkształcenia.
Aplikacje
Odżywianie osobiste
Zindywidualizowane wymagania żywieniowe dla indywidualnych potrzeb żywieniowych zostały powiązane z zapobieganiem chorobom. W związku z tym spożywanie pożywnej żywności ma kluczowe znaczenie dla zdrowego życia. Żywność wydrukowana w 3D może zapewnić kontrolę niezbędną do dodania niestandardowej ilości białka, cukru, witamin i minerałów do spożywanej przez nas żywności.
Innym obszarem spersonalizowanej żywności jest żywienie osób starszych. Osoby starsze czasami nie mogą połykać pokarmu i jako takie wymagają bardziej miękkiej palety. Jednak te pokarmy są często nieatrakcyjne, co powoduje, że niektóre osoby nie jedzą tego, czego wymagają ich ciała. Żywność drukowana w 3D może zapewnić miękkie i estetyczne jedzenie, w którym osoby starsze mogą spożywać pokarm zgodnie z wymaganiami żywieniowymi swojego organizmu.
W październiku 2019 r. startup Nourished 3D drukuje spersonalizowane żelki odżywcze z 28 różnych witamin. Osoby biorą udział w ankiecie, a następnie na podstawie ich odpowiedzi drukowane są spersonalizowane żelki żywieniowe dla tej osoby.
Zrównoważony rozwój i rozwiązanie problemu głodu
Ponieważ światowa populacja wciąż rośnie, eksperci uważają, że obecne dostawy żywności nie będą w stanie zaspokoić potrzeb ludności. Dlatego zrównoważone źródło pożywienia ma kluczowe znaczenie. Badania wykazały, że entomofagia , czyli konsumpcja owadów, może potencjalnie utrzymać rosnącą populację. Owady, takie jak świerszcze, wymagają mniej paszy, mniej wody i dostarczają mniej więcej takiej samej ilości białka, jak kurczaki, krowy i świnie. Świerszcze można zmielić na mąkę białkową . W jednym z badań naukowcy przedstawiają przegląd procesu drukowania 3D mąki z owadów w żywności, która nie przypomina owadów; w ten sposób zachowując nienaruszoną wartość odżywczą owada.
Eksploracja kosmosu
Ponieważ ludzie zaczynają zapuszczać się w kosmos na dłuższy czas, wymagania żywieniowe dla utrzymania zdrowia załogi mają kluczowe znaczenie. Obecnie NASA bada sposoby integracji żywności drukowanej w 3D w przestrzeni kosmicznej, aby sprostać wymaganiom żywieniowym załogi. Wizją jest drukowanie w 3D sproszkowanych warstw żywności, których okres przydatności do spożycia wynosi 30 lat, zamiast używania tradycyjnej liofilizowanej żywności, której okres przydatności do spożycia wynosi 5 lat. Oprócz wymagań dietetycznych drukowanie żywności w 3D w kosmosie może zwiększyć morale, ponieważ astronauci byliby w stanie zaprojektować niestandardowe posiłki, które są estetyczne.
We wrześniu 2019 r. rosyjscy kosmonauci wraz z izraelskim startupem Aleph Farms wyhodowali mięso z krowich komórek, a następnie wydrukowali z nich steki w 3D.
Biodrukowanie mięsa
Hodowla zwierząt jest jedną z głównych przyczyn wylesiania, degradacji gruntów , zanieczyszczenia wody i pustynnienia. Doprowadziło to między innymi do nowej, obiecującej technologii biodrukowania mięsa. Jedną z alternatyw dla hodowli zwierząt jest hodowane mięso, znane również jako mięso hodowane w laboratorium. Mięso hodowlane jest wytwarzane poprzez pobranie małej biopsji od zwierząt, ekstrakcję komórek miosatelitowych i dodanie surowicy wzrostowej w celu namnożenia komórek. Powstały produkt jest następnie wykorzystywany jako materiał do biodrukowania mięsa. Faza post-processingu obejmuje między innymi dodanie aromatu, witamin i żelaza do produktu. Jeszcze inną alternatywą jest drukowanie analogu mięsa . Novameat , hiszpański startup, był w stanie wydrukować stek na bazie roślin i naśladować teksturę i wygląd prawdziwego mięsa.
Kreatywny projekt żywności
Prezentacja żywności i dostosowywanie wyglądu żywności do indywidualnych potrzeb to duży trend w branży spożywczej. Do tej pory dostosowywanie żywności i kreatywne projekty wymagały umiejętności ręcznego wykonania, co skutkuje niskim tempem produkcji i wysokimi kosztami. Drukowanie żywności 3D może rozwiązać ten problem, dostarczając niezbędnych narzędzi do kreatywnego projektowania żywności nawet dla użytkowników domowych. Drukowanie żywności 3D umożliwiło tworzenie skomplikowanych projektów, których nie można osiągnąć przy tradycyjnej produkcji żywności. Logo marki, tekst, podpisy, zdjęcia można teraz drukować na niektórych produktach spożywczych, takich jak ciasta i kawa. Drukowano również złożone kształty geometryczne, głównie przy użyciu cukru. Dzięki drukowaniu 3D szefowie kuchni mogą teraz zamienić swoje wizualne inspiracje w autorskie kreacje kulinarne. Kolejną korzyścią jest możliwość drukowania pożywnych posiłków w kształtach atrakcyjnych dla dzieci.
Zmniejszone marnowanie żywności
Na całym świecie marnuje się jedna trzecia całkowitej żywności produkowanej do spożycia, czyli około 1,6 miliarda ton rocznie. Marnowanie żywności ma miejsce podczas przetwarzania, dystrybucji i konsumpcji. Drukowanie żywności 3D to bardzo obiecujący sposób na ograniczenie marnotrawstwa żywności w fazie konsumpcji poprzez wykorzystanie produktów spożywczych, takich jak ścinki mięsa, zniekształcone owoce i warzywa, produkty uboczne z owoców morza i łatwo psujące się produkty. Produkty te można poddać obróbce w odpowiedniej formie do druku. Upprinting Food, holenderski startup, miesza i łączy różne składniki z odpadów spożywczych, aby stworzyć puree, które są następnie wykorzystywane jako materiały do drukowania 3D. Kucharze również tworzą różne dania z resztek jedzenia za pomocą drukarek 3D do żywności.
Wyzwania
Struktura
W przeciwieństwie do tradycyjnie przygotowywanej żywności, różnorodność żywności, którą można wyprodukować za pomocą druku 3D, jest ograniczona właściwościami fizycznymi materiałów. Materiały spożywcze są na ogół znacznie bardziej miękkie niż najsłabszy plastik używany w druku 3D, przez co drukowane struktury są bardzo kruche. Jak dotąd większość badań wykorzystuje metodę prób i błędów jako podejście do przezwyciężenia tego wyzwania, ale naukowcy pracują nad opracowaniem nowych metod, które są w stanie przewidzieć zachowanie różnych materiałów podczas procesu drukowania. Metody te są opracowywane poprzez analizę reologicznych materiałów i ich związku ze stabilnością druku.
Projekt
Projektując model 3D produktu spożywczego należy wziąć pod uwagę fizyczne i geometryczne ograniczenia materiałów do druku. To sprawia, że proces projektowania jest bardzo złożonym zadaniem i jak dotąd nie ma dostępnego oprogramowania, które by to uwzględniało. Zbudowanie takiego oprogramowania jest również złożonym zadaniem ze względu na ogromną różnorodność materiałów spożywczych. Biorąc pod uwagę, że użytkownicy indywidualni, którzy wykorzystują drukowanie żywności 3D w swoich kuchniach, stanowią znaczną część ogółu użytkowników, projekt interfejsu oprogramowania zwiększa złożoność. Interfejs takiego oprogramowania powinien być prosty i mieć wysoką użyteczność , a jednocześnie zapewniać użytkownikowi wystarczającą liczbę funkcji i opcji dostosowywania bez powodowania przeciążenia poznawczego.
Prędkość
Obecna prędkość drukowania żywności 3D może być wystarczająca do użytku domowego, ale proces ten jest bardzo powolny w przypadku masowej produkcji. Proste projekty zajmą od 1 do 2 minut, szczegółowe projekty od 3 do 7 minut, a bardziej skomplikowane projekty jeszcze dłużej. Szybkość drukowania żywności jest ściśle skorelowana z właściwościami reologicznymi materiałów. Badania pokazują, że wysoka prędkość drukowania skutkuje niską wiernością próbek ze względu na efekt przeciągania, podczas gdy bardzo niska prędkość powoduje niestabilność osadzania materiału.
Aby drukowanie żywności 3D trafiło do przemysłu spożywczego, należy poprawić szybkość drukowania lub koszt takiej technologii powinien być na tyle przystępny, aby firmy mogły obsługiwać kilka drukarek.
Druk wielomateriałowy
Kolor, smak i konsystencja żywności mają kluczowe znaczenie przy wytwarzaniu produktu jadalnego, dlatego w większości przypadków wymagane jest, aby drukarka spożywcza obsługiwała druk wielomateriałowy. Obecnie dostępne drukarki 3D do żywności są ograniczone do używania kilku różnych materiałów ze względu na wyzwanie związane z opracowaniem wielu możliwości ekstrudera. Ogranicza to różnorodność produktów spożywczych, które można wydrukować w 3D, pomijając złożone potrawy, które wymagają wielu różnych materiałów.
Bezpieczeństwo
Podczas drukowania żywności 3D bezpieczeństwo jest bardzo ważne. Drukarka spożywcza musi zapewnić bezpieczeństwo na całej drodze, jaką pokonuje materiał spożywczy. Ze względu na możliwość utknięcia żywności gdzieś na ścieżce, głównym problemem jest gromadzenie się bakterii. Stabilność mikrobiologiczna jest kluczowym parametrem jakości drukowanej żywności, dlatego należy się nią zająć zarówno podczas projektowania drukarki, jak i podczas procesu drukowania. Z drugiej strony materiały, które mają kontakt z żywnością, mogą nie być tak istotne, ponieważ wysokiej jakości drukarki używają materiałów ze stali nierdzewnej i wolnych od BPA.
Prawo autorskie
Istniejące na rynku produkty spożywcze, takie jak czekoladki o różnych kształtach, można łatwo zeskanować, a uzyskane modele 3D można wykorzystać do replikacji tych produktów. Te modele 3D mogłyby być następnie rozpowszechniane przez Internet, co prowadziłoby do naruszenia praw autorskich. Istnieją przepisy regulujące kwestie praw autorskich, ale nie jest jasne, czy będą one wystarczające, aby objąć wszystkie aspekty dziedziny, takiej jak drukowanie żywności 3D.