Una revisione generale di metodi e materiali per la stampa 3D di alimenti
I ricercatori dell’Università di Birmingham hanno pubblicato un documento che esamina vari metodi e materiali relativi all’ambito della stampa 3D di alimenti , che scrivono è “un’area di grande promessa di fornire un’esperienza indulgente o divertente, un prodotto alimentare personalizzato o esigenze nutrizionali specifiche “.
“Una delle aree più difficili e complesse di AM si trova nel campo emergente della gastronomia, o in altre parole,” 3D Food printing “[ 4 ]. La capacità di depositare selettivamente materiale all’interno di un volume 3D e, quindi, di gradare la composizione offre la possibilità di produzione controllata di strutture complesse per alterare consistenza, gusto e morfologia nei prodotti alimentari ”, scrivono. “La manipolazione delle microstrutture regolando la miscelazione e la deposizione selettiva dei materiali può consentire la regolazione della meccanica di frattura, rottura o dissoluzione durante l’uso del prodotto, il che offre la possibilità di una gamma di alimenti funzionali e nuovi”.
AM ha molti vantaggi, tra cui una maggiore efficienza, libertà di progettazione, riduzione degli sprechi e tempi di risposta più rapidi. La tecnologia consente la personalizzazione e la personalizzazione e ha visto un uso promettente in diverse aree di applicazione, tra cui assistenza sanitaria, aerospaziale, edilizia, moda e gastronomia.
Negli ultimi anni sono state fatte diverse recensioni su vari aspetti della stampa 3D di alimenti, tra cui formulazioni di alimenti stampabili in 3D , metodi applicati alla progettazione di materiali alimentari , implicazioni ambientali e possibili sfide legali e vantaggi e svantaggi di varie stampanti 3D per alimenti . Ma il campo sta crescendo e “è necessario raccogliere e classificare i report pubblicati e consolidare questi sviluppi”.
“In quanto tale, possiamo avere una migliore comprensione dei risultati finora raggiunti e delle potenziali aree per studi futuri”, affermano i ricercatori.
ASTM F2792-12a ha classificato sette specifiche voci AM, sebbene spesso vengano usati acronimi diversi per descrivere lo stesso processo:
Polimerizzazione iva
Estrusione materiale
Deposizione di energia diretta (DED)
Powder Bed Fusion (PBF)
Jinder Betting
Materiale getti d’acqua
Laminazione di fogli
Cinque di questi finora – polimerizzazione in vasca, estrusione, PBF, getti leganti e stampa a getto d’inchiostro – sono stati usati per stampare alimenti .
“Gli stessi principi di processo, per AM in generale, si applicano anche alla stampa 3D di alimenti”, scrivono. “Tuttavia, diversi gradi di pre-elaborazione, come la messa a punto delle ricette alimentari e la post-elaborazione, come la cottura e l’essiccazione al forno, potrebbero essere necessari per la stampa 3D di alimenti [ 4 ].”
Ci sono alcune sfide uniche legate alla stampa 3D di alimenti . Ad esempio, alcuni campioni di alimenti stampati in 3D mostrano un’alta concentrazione microbica se conservati in aria, il che potrebbe significare che è necessaria un’ulteriore considerazione per la progettazione di attrezzature igieniche. Inoltre, molti consumatori spesso vedono negativamente gli alimenti che “sembrano aver subito molta trasformazione”. Ma il potenziale sembra superare di gran lunga qualsiasi problema.
In primo luogo, ridurre gli sprechi alimentari e “aumentare l’utilizzo dei materiali alimentari esistenti” può aiutare a semplificare la catena di approvvigionamento e risolvere la carenza di alimenti. Un esempio è Upprinting Food , un’azienda che utilizza i rifiuti alimentari come “inchiostro” per stampanti 3D per alimenti combinando ingredienti come frutta, pane e verdure per realizzare una purea che può essere stampata in 3D. Le stampe vengono quindi stagionate, cotte e disidratate “in modo che il prodotto risultante sia piacevolmente croccante e duraturo a lungo.”
Molti processi di produzione alimentare, come la cottura e la modellatura, vengono eliminati mediante l’uso della stampa 3D, che consente di risparmiare tempo e la tecnologia semplifica anche il trasporto degli alimenti. Gli alimenti stampati in 3D possono anche essere utilizzati per personalizzare gli alimenti al fine di curare la malnutrizione o aiutare le persone con esigenze dietetiche speciali, come quelle con celiachia o disfagia . Può promuovere prodotti alimentari a basse emissioni di carbonio, come gli insetti , e la stampa 3D di carne senza carne riduce l’impatto ambientale.
È possibile visualizzare un riepilogo cronologico dei metodi di stampa 3D riportati e dei materiali alimentari, come cioccolato al latte, pasta di grano, Vegemite, broccoli e carote in polvere e pasta di tuorlo d’uovo indotta dal calore, che sono stati utilizzati nella Tabella 1 .
“Affinché la stampa 3D di alimenti diventi pratica, è necessario eseguire una calibrazione precisa dei parametri di stampa, dettata dalle proprietà meccaniche del materiale. Inoltre, lo studio della relazione tra le caratteristiche reologiche e la loro connessione con i parametri di stampa è la chiave per migliorare la qualità complessiva degli alimenti stampati in 3D [ 2 ] ”, hanno osservato i ricercatori.
“In generale, i materiali stampabili in 3D devono presentare una risposta viscoelastica controllabile, devono formare strutture stabili in grado di resistere alle sollecitazioni di compressione da forze capillari e non devono ridursi troppo quando sottoposti a essiccazione, per evitare deformazioni e / o formazione di fessure [ 58 ]. Questi materiali devono essere in grado di mantenere la loro forma una volta depositati. Devono essere stampabili in forme definite senza cedimenti, distese o ponti. “
È importante classificare i materiali in esempi “nativamente stampabili”, come idrogel e prodotti lattiero-caseari e “non nativamente stampabili”, come carne e piante. Ma questo sarà difficile, poiché molteplici fattori influenzano la stampabilità, non esiste un consenso su come prevedere o valutare la fedeltà della forma, e solo perché un materiale è stampabile in 3D con un metodo AM non significa che sia il caso di un altro.
I materiali di stampa 3D per alimenti più adatti sono carboidrati, grassi, fibre, componenti funzionali e proteine, insieme a idrogel come alginato e gelatina, e l’estrusione è la tecnica AM più ampiamente adottata per la stampa 3D di alimenti. A tal fine, un materiale deve mostrare un comportamento al diradamento, il che significa che può essere estruso da un ugello.
Per quanto riguarda le informazioni dalla Tabella 1 , i ricercatori hanno elencato quelle che ritengono essere le pietre miliari più importanti, a partire dalla ricerca sullo sviluppo di materie prime per la stampa 3D di alimenti nel 2009 . L’anno successivo, dopo “risultati promettenti di trame alimentari su misura”, i ricercatori hanno studiato l’effetto degli additivi sulla fedeltà delle forme delle strutture stampate in 3D prima e dopo la cottura e la frittura.
“La stampa 3D di alimenti è stata impiegata per progettare prodotti adeguati per insetti come nuova fonte di proteine per superare il disgusto dei consumatori consumando interi insetti. Un esempio di tecnologia di stampa 3D applicata agli insetti commestibili è rappresentato da Soares e Forkes [ 82 ] nel 2014, che ha stampato la farina a base di insetti secchi commestibili in combinazione con il fondente per produrre glassa per la decorazione delle migliori torte ”, ha scritto il team.
“Ulteriori lavori sono stati eseguiti da Severini et al. [ 83 ] per ottenere spuntini dall’impasto di farina di grano arricchita con insetti come nuova fonte di proteine. “
I ricercatori hanno utilizzato la stampa a getto d’inchiostro nel 2015 per i processi di microincapsulazione – hanno sviluppato una testina di stampa con 500 ugelli in grado di fabbricare goccioline monodisperse che, una volta asciutte, si trasformano in polveri altamente monodisperse. Ciò ha permesso loro di stampare gocce di alginato attraverso una soluzione di cloruro di calcio per produrre particelle di gel di alginato di calcio .
“Nel 2018, Vancauwenberghe et al. [ 86 ] ha progettato una testina di estrusione coassiale per depositare un inchiostro a base di pectina e una soluzione di reticolazione Ca 2+ nei flussi interno ed esterno, rispettivamente. Questo design facilita un controllo accurato delle proprietà materiche e della gelificazione dell’oggetto di stampa, nonché elimina la fase di pre-trattamento o post-trattamento “, hanno scritto i ricercatori.
Nello stesso anno, un’altra squadra ha confrontato le proprietà meccaniche e le trame dei campioni di formaggio stampati in 3D , non trattati , e ha determinato che i globuli di grasso si rompono durante la stampa, ma si fondono parzialmente mentre la stampa si solidifica. Sempre nel 2018, i ricercatori hanno confrontato gli effetti della liofilizzazione e dell’essiccazione al forno sulla fedeltà della forma dei campioni stampati in 3D realizzati con set di materiali combinati di “amido gelido freddo, latte in polvere, crusca di segale, avena e concentrati di proteine di fagioli di faba e nanofibra di cellulosa “.
“Le proprietà strutturali dell’oggetto 3D variando la struttura di riempimento sono state studiate principalmente nei polimeri e nella bio-stampa”, hanno spiegato in riferimento alla ricerca sulle purè di patate .
“La qualità strutturale e strutturale delle purè di patate è stata studiata [ 96 ] modificando le percentuali di riempimento (10%, 40%, 70% e 100%) con diversi schemi di riempimento (rettilinei, nido d’ape e curva di Hilbert) e variazioni nei perimetri delle coperture (3, 5 e 7 shell). “
Per non dimenticare il dessert, i ricercatori nel 2019 hanno presentato ai “panelisti semi-addestrati” tre campioni di cioccolato stampati in 3D a nido d’ape con percentuali di riempimento del 25%, 50% e 100%, per vedere se gli oggetti stampati con 100 % di riempimento ha una resistenza alla rottura inferiore rispetto a quelli fabbricati con la tecnologia di colata.
“Dalle opere raccolte, è chiaro che, sebbene gli studi siano stati condotti costantemente negli ultimi dieci anni, ci sono stati pochi sviluppi sequenziali collegati di complessità e comprensione delle formulazioni scelte. Da ciò, un fattore importante nella futura diffusione e avanzamento sarebbe quello di concentrarsi sullo sviluppo ulteriore di questi materiali per prodotti più personalizzati e una comprensione più dettagliata “, osservano i ricercatori.
Concludendo con il futuro della stampa 3D nel settore alimentare, il team osserva che mentre l’accettazione da parte dei consumatori è ancora una sfida , le aziende alimentari globali stanno usando la tecnologia, creando stampanti 3D per alimenti e investendo nella ricerca.
