Персонализированное питание является одним из новых трендов в пищевой промышленности. Персонализированную еду можно разрабатывать и производить для детей дома, для пациентов с дисфагией, в больницах или ресторанах и даже на космических кораблях для космонавтов. Трёхмерная печать продуктов питания (3DFP) является многообещающим подходом к персонализации питания посредством проектирования новых сочетаний ингредиентов. 3DFP является быстро развивающейся областью, которая в последние годы привлекает все большее внимание. Не исключено, что через несколько десятков лет это станет обычным делом, а в интернет сфере появится новая услуга, когда на множестве серверов будут размещаться огромные коллекции готовых рецептов для 3D-печати изысканных блюд.
Новый подход предоставляет новые возможности обработки продуктов питания, которые часто недостижимы с помощью традиционных методов обработки продуктов питания, что облегчает создание новых структур и персонализированных продуктов, которые соответствуют вкусовым, текстурным и питательным потребностям потребителей. Это может быть особенно полезно для потребителей с особыми потребностями, таких как пациенты с расстройством пищеварения, спортсмены и дети, или для потребителей, которые хотят попробовать новые органолептические ощущения.
Печать на основе экструзии является наиболее используемым методом, где пищевой продукт формируется слой за слоем до тех пор, пока не будет полностью создан. Наиболее важными проблемами производства пищевых продуктов в 3D-формате являются настройка желаемой текстуры и скорости печати для целей масштабирования. В настоящее время настройка текстуры часто выполняется с помощью различных специальных добавок. Известно, что настройка пористости пищи часто может влиять на текстуру и ощущение во рту. Нестабильность жидкости, присущая процессу экструзии, часто является одной из основных проблем, связанных с процессом, приводя к снижению разрешения печати или структурным несоответствиям. Эта нестабильность может возникать по множеству причин, но часто она возникает из-за высокоскоростной экструзии, неадекватной конфигурации принтера или несоответствий в филаменте. Одна из таких нестабильностей возникает из-за хорошо известного явления, называемого эффектом намотки жидкого каната (LRC), которое происходит, когда высота сопла превышает критическое значение. Это заставляет падающий поток вязкой жидкости сворачиваться при контакте с подложкой.
Как правило, когда тонкая струя вязкой жидкости падает с достаточной высоты на поверхность, она образует спиральную катушку. Распространённый пример LRC в повседневной жизни наблюдается при выливании мёда на крекер или тост. Основная причина лежит в неустойчивости изгиба, когда тонкая струя жидкости, подвергающаяся осевому сжатию, становится нестабильной и начинает изгибаться. Основными силами, участвующими в процессе намотки, являются гравитация, инерция и силы, которые из-за высокой вязкости сопротивляются деформации (растяжение, изгиб и скручивание). Различный баланс этих сил приводит к четырём различным режимам намотки, которые появляются последовательно по мере увеличения высоты падения. В то время как поведение ньютоновских жидкостей при скручивании хорошо исследовано, изучение неньютоновских процессов, которое часто имеет отношение к 3D-печати, остаётся не вполне изученным.
Одним из основных ограничений в 3D-печати продуктов питания является формула печатных материалов. Эти материалы должны обладать определёнными реологическими свойствами, чтобы обеспечить плавную экструзию, структурную стабильность и послойную адгезию. Для достижения этого требуется правильный баланс между твёрдыми и жидкими компонентами, что часто может противоречить целям питания. Например, добавление волокон может повысить полезность продукта, но эта модификация может оказать отрицательное влияние на пригодность для печати и изменить сенсорные текстурные свойства продукта. Поэтому пока разработка рецептов, которые одновременно пригодны для печати и питательны, но при этом привлекательны для потребителей, является сложной задачей.
Разработка 3D-печатных продуктов питания из злаков, таких как пшеница, широко изучается, поскольку это позволяет создавать различные продукты с широким спектром текстур и может быть адаптировано как для сладких, так и для солёных блюд. К ним относятся печенье, закуски, хлеб, пицца, которые популярны из-за их простой формулы и широкого признания потребителями. Например, 3D-печатное тесто для пиццы было исследовано для применения в космических полётах, где свежая, настраиваемая еда необходима для длительных миссий. Аналогичным образом, хлеб и крекеры были напечатаны для использования в медицинских учреждениях, особенно для пациентов с дисфагией, которым требуются изменённые текстуры. Печатные продукты на основе пшеницы и нескольких других злаков, богатых крахмалом, предлагают надёжную текстуру и структурную целостность, что делает их идеальными кандидатами для 3D-печати.
Для пшеничной муки термомеханический процесс во время обработки теста при 3D-печати позволяет гранулам крахмала набухать, а глютеновому белку образовывать непрерывную плотно упакованную сеть, встраивающую набухшие гранулы крахмала. Эта структура придаёт тесту хорошие вязкоупругие свойства и липкость, которые важны для экструзии, создание связей адгезионных слоёв и поддержания формы в процессе наслаивания печатной головкой принтера. Независимо от того, на какой основе основана матрица, крахмал и глютен являются важными компонентами благодаря своей водоудерживающей способности. Когда глютен частично заменяется другими гидрофобными белками, на водоудерживающую способность теста можно повлиять, снижая его вязкость.
Аналогичное явление может также наблюдаться в рецептах с зерновыми без глютена. Например, для рисовой муки, содержащей другие белки и для муки тапиоки, не содержащей почти никаких белков, текстура печатных изделий будет более хрупкая и текучая. Но эту проблему можно исправить, добавив гидроколлоиды или отрегулировав содержание воды, сахара или липидов в тесте, поскольку рисовая и тапиоковая мука, по крайней мере, обе богаты крахмалом. Однако, несмотря на универсальность рецептов на основе богатых крахмалом злаков, остаются проблемы с обеспечением питательного качества этих продуктов без ущерба для их пригодности для печати, текстуры, сенсорной привлекательности и принятия потребителями.
Промышленность сейчас разрабатывает рецепты на основе псевдозлаков, орехов, корнеплодов и бобовых с небольшим содержанием крахмала или без него, которые предлагают различные питательные преимущества. Тесто для печенья — это обычные пищевые чернила. Обычно печенье и закуски изготавливаются из пшеничной муки с добавлением рафинированного сахара и жира, для создания желаемой текстуры и свойств продукта. Использование этих ингредиентов также тесно связано с их свойствами в процессе производства. Но разработчики не ограничиваются обычными ингредиентами, а стремятся внедрять различные альтернативные устойчивые компоненты, включая морковную и гороховую пасты. Эти два вида пищевых чернил интересны в качестве печатных материалов, как представители побочных потоков и сезонного перепроизводства с интересом к их переработке в пищевые продукты.
В настоящее время 3D-принтеры используются в основных пищевых отраслях, включая мясную, молочную, крупяную, фруктовую и овощную, и способны успешно производить в небольших масштабах. Пищевые добавки (камеди, ферменты, белки, крахмалы, полифенолы, специи, пробиотики, водоросли, масла, соли, витамины, ароматизаторы и побочные продукты) являются одним из основных компонентов рецептуры, которые могут быть эффективны в производстве. Функциональные добавки, такие как пробиотики, могут быть полезны для определённых целей. Сегодня производство мясных продуктов на растительной основе с использованием 3D-принтеров приобрело большую популярность, и добавки, такие как ферменты, растительные/бактериальные белки и белки водорослей, являются наиболее широко используемыми. Например, производство 3D-печатных стейков на растительной основе невозможно без присутствия гидроколлоидов, поскольку правильная подача выбранной рецептуры является одним из ключевых факторов улучшения качества и внешнего вида.
Кроме того, использование УФ-излучения и холодной плазмы может помочь в безопасном производстве в больших масштабах. Используя эти новые технологии, можно имитировать гамбургеры и мясо, используя растительные белки, и создавать структуры, похожие на продукты животного происхождения с использованием соевого белка или продуктов, при приготовлении дающих хрустящую текстуру, снижающих риск ожирения благодаря замене сахарозы (например, низкокалорийный шоколад). Жиры, используемые в процессе печати — это сливочное масло, маргарин или кулинарный жир. Они содержат множество витаминов, включая витамин K2, в дополнение к витаминам A, B, E и D, которые повышают пищевую ценность. Другие используемые добавки включают аравийскую камедь (AG), каррагинан, карнаубский воск, шеллак и карбоксиметилцеллюлозу.
Смесь овощей и рыбного желатина представляет собой новую стратегию оптимизации питательного профиля блюд для 3D-печати продуктов питания. Овощи могут значительно дополнять рыбную основу при создании сбалансированных, богатых питательными веществами блюд. Рыбий желатин, известный своим высоким содержанием белка и усвоением, обеспечивает стабильную матрицу, которая может инкапсулировать и удерживать питательные вещества из овощей. Такое сочетание гарантирует, что блюда будут не только богаты необходимыми питательными веществами, такими как витамины, минералы и волокна, но сохранят необходимую текстуру и консистенцию.
