Η τρισδιάστατη τεχνολογία εκτύπωσης (3DP), εισήχθη το 1986 και ορίζεται ως μια διαδικασία προσθήκης υλικών για την κατασκευή αντικειμένων από ένα μηχανογραφημένο τρισδιάστατο μοντέλο με τρόπο επίπεδο. Το 2007, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Cornell παρουσίασαν τον πρώτο εκτυπωτή 3D χαμηλού κόστους.
Η εκτύπωση τροφίμων ξεκινά με πρώτες ύλες και προεπεξεργασία των συστατικών τροφίμων. Το δεύτερο στάδιο είναι το ίδιο το 3DP. Διατίθενται διάφορες τεχνικές, που γενικά περιλαμβάνουν εξώθηση υλικού από ένα στρώμα κεφαλής εκτύπωσης σε ένα στρώμα. Η τρίτη φάση είναι η μετατύπωση της επεξεργασίας για τον καθορισμό της τελικής δομής και μορφής του προϊόντος ή για να γίνει βρώσιμο. Η κατάψυξη, το ψήσιμο ή το βαθύ τηγάνισμα είναι τα πιο κοινά παραδείγματα.
Μεταξύ των πλεονεκτημάτων και των μελλοντικών ευκαιριών αυτής της τεχνολογίας είναι
α) η εξατομικευμένη διατροφή, καθώς τα τρόφιμα μπορούν να εκτυπωθούν ειδικά για να καλύψουν τις διατροφικές ανάγκες ενός ατόμου
β) ο εμπλουτισμός θρεπτικών ουσιών για την επίλυση προβλημάτων υγείας και υποσιτισμού
γ) η μείωση της σπατάλης τροφίμων με τη χρήση υποτιμημένων συστατικών τροφίμων και μέσω της επέκτασης της χρήσης των υφιστάμενων συστατικών (συμβάλλει στην καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής)
δ) ο προσαρμοσμένος σχεδιασμός τροφίμων με την προσφορά εξατομικευμένων προϊόντων υψηλής αξίας στους καταναλωτές (αξιοποιώντας το πλεονέκτημα της κατασκευής χαμηλού όγκου)
ε) η μείωση του κόστους στην προετοιμασία και τη μεταφορά τροφίμων που συνδέονται με την παραγωγή χαμηλού όγκου και την απλή αλυσίδα εφοδιασμού
στ) η καινοτομία, καθώς οι τεχνολογίες εκτύπωσης εξελίσσονται για τον έλεγχο της αρχιτεκτονικής των τροφίμων από μακροσκοπικό έως μικροσκοπικό επίπεδο και
ζ) η επεξεργασία της ψηφιοποίησης, καθώς οι καταναλωτές μπορούν να προεπισκοπούν τα προϊόντα τους κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, επιτρέποντας αλλαγές ή τροποποιήσεις σε ένα μοντέλο έτοιμο για εκτύπωση.
Παρά τα ελπιδοφόρα οφέλη του, η 3DFP εξακολουθεί να έχει σημαντικές προκλήσεις να ξεπεράσει, όπως (α) η εκτύπωση σύνθετων τροφίμων με πολλαπλά συστατικά, κομμάτια ή υφές (π.χ. μπιφτέκια) που απαιτούν εξελιγμένη επεξεργασία τροφίμων και (β) η χρήση υψηλής εγγενούς μεταβλητότητας των συστατικών τροφίμων, τα οποία παρουσιάζουν ένα στενό φάσμα φυσικοχημικών ιδιοτήτων (π.χ. ιξώδες ή θερμική αγωγιμότητα) για να εκτυπωθούν 3D.
Η τεχνολογία 3DFP μπορεί δυνητικά να αυξήσει την αποδοχή ορισμένων συστατικών τροφίμων που είναι εξαιρετικά θρεπτικά, όπως έντομα (πλούσια σε πρωτεΐνες), φύκια (πλούσια σε διαιτητικές ίνες), φρούτα και λαχανικά (πλούσια σε φυτικές ίνες και βιοδραστικές ενώσεις), λόγω της αλλαγής στη μορφή και την παρουσίαση, αποφέροντας ένα πιο ελκυστικό προϊόν για τους καταναλωτές.
Νέες χρήσεις και εφαρμογές της 3DFP
Ο αριθμός των δημοσιεύσεων που σχετίζονται με την 3DFP παρουσίασε θετική εκθετική τάση από το 2015 έως το 2019. Αυτή η έρευνα επικεντρώνεται στην εκτύπωση υλικών και την ανάπτυξη σκευών, τεχνολογίες και τεχνικές, βελτιστοποίηση διεργασιών (συμπεριλαμβανομένης της μελάνης εκτύπωσης) και μελέτες χαρακτηρισμού.
Από την άποψη αυτή, η έρευνα της βιομηχανίας τροφίμων περιλαμβάνει περισσότερο από το 60% των δημοσιευμένων εργασιών, ενώ οι υπόλοιπες αφορούν τη γαστρονομία. Αυτός ο ερευνητικός τομέας περιλαμβάνει μοριακή γαστρονομία, γαστρονομικούς μετασχηματισμούς και αισθητηριακές αντιλήψεις που σχετίζονται με τρισδιάστατα εκτυπωμένα τρόφιμα.
Η παραγωγή 3DFP πρέπει να θεωρείται τεχνική μηδενικών αποβλήτων για τη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Τα bioinks θα πωλούνται ως συσκευασμένο συστατικό που εισάγεται στον εκτυπωτή για να ληφθεί 3DFP. Το υλικό συσκευασίας πρέπει να είναι ανακυκλώσιμο ή βιοαποικοδομήσιμο και αβλαβές ώστε να ταιριάζει με τις έννοιες της βιώσιμης τεχνολογίας και της ασφάλειας των τροφίμων.
Σύμφωνα με τον FAO, οι απώλειες τροφίμων συμβαίνουν κατά μήκος της αλυσίδας εφοδιασμού τροφίμων από τη συγκομιδή, τη σφαγή ή τα αλιεύματα στο επίπεδο λιανικής πώλησης. Αντίθετα, η σπατάλη τροφίμων συμβαίνει μόνο σε επίπεδο λιανικής πώλησης και καταναλωτών. Ως εκ τούτου, οι απώλειες και τα υπολείμματα δημητριακών, κρέατος, γαλακτοκομικών προϊόντων, φρούτων και λαχανικών θα πρέπει να αξιοποιηθούν για να υποβληθούν σε επεξεργασία και να παραχθούν τρόφιμα τρισδιάστατης εκτύπωσης με προστιθέμενη αξία. Αυτό είναι ένα άλλο κύριο δυναμικό του 3DFP, μειώνοντας τη σπατάλη τροφίμων με την εκ νέου χρήση τροφίμων ή συστατικών και απλοποιώντας την αλυσίδα παραγωγής τροφίμων.
Τα διακοσμητικά και τα off-cuts από τις αγορές κρέατος πωλούνται συνήθως ως υποπροϊόντα χαμηλής αξίας. Τέτοιες απώλειες τροφίμων θα μπορούσαν να θεωρηθούν αντισυμβατική πηγή πρωτεϊνών υψηλής διατροφικής αξίας για την προσαρμογή υποπροϊόντων κρέατος με τη χρήση 3DFP.
Η βελτίωση της χρήσης των υποπροϊόντων θαλασσινών θα μπορούσε να είναι μια ευκαιρία για την ανάπτυξη της 3DFP. Επιπλέον, η 3DP ανοίγει τη δυνατότητα ανάπτυξης νέων σχημάτων και υφών, αυξάνοντας την ευκολία και την επισιτιστική ασφάλεια αυτού του τύπου τροφίμων.
Διατροφή, βελτίωση της υγείας και εξατομίκευση τροφίμων
Μια πρακτική εφαρμογή της τεχνολογίας 3DFP είναι η προσαρμογή των τροφίμων για τις διατροφικές ανάγκες ενός ατόμου, συμπεριλαμβανομένων των φαρμακευτικών απαιτήσεων και των απαιτήσεων διατροφής. Επιπλέον, το 3DFP αναπτύσσει ένα τεράστιο δυναμικό αγοράς με μια προσαρμοσμένη προσέγγιση προσαρμογής των τροφίμων στις ατομικές ανάγκες για εξατομικευμένη διατροφή. Η οργανοληπτική αποδοχή και οι νευροθεραπευτικές δυνατότητες που προσφέρονται από τα προϊόντα 3D σχετίζονται με τη γεωμετρική πολυπλοκότητα, την εκτεταμένη διάρκεια ζωής και τη μαζική προσαρμογή.
Θεραπεία των διαταραχών κατάποσης
Διατροφικές ασθένειες, όπως πεπτικά προβλήματα, αλλεργίες και δυσανεξίες, οδηγούν σε περιττές νοσηλείες λόγω της έλλειψης προσκόλλησης σε διαιτητικές και φαρμακευτικές θεραπείες. Η εξατομίκευση της 3DFP θα μπορούσε να ανταποκριθεί στις διατροφικές συστάσεις που σχετίζονται με τα περιορισμένα σχήματα τροφίμων, πιθανώς μειώνοντας τις επιπλοκές και τις νοσηλείες.
Επιπλέον, η τεχνολογία 3DP έχει εφαρμοστεί για το σχεδιασμό τροφίμων για άτομα με διαταραχές κατάποσης. Μπορεί να βοηθήσει τα άτομα με δυσφαγία. Στα πλαίσια έρευνας, το μπιζέλι κήπου, το καρότο και το bok choy πολτοποιήθηκαν και αναμίχθηκαν με διαφορετικά κόμμεα για να αναπτύξουν εξατομικευμένα τρόφιμα τρισδιάστατης εκτύπωσης που πληρούν τις κατηγορίες της Διεθνούς Πρωτοβουλίας Τυποποίησης Διατροφής Δυσφαγίας. Η κύρια ιδέα συνίστατο στη χρήση αφυδατωμένων λαχανικών και υδατανθράκων για την εκτύπωση αισθητικών και εύγευστων 3D-τυπωμένων τροφίμων, διατηρώντας τα θρεπτικά συστατικά και τις γεύσεις τους.
Εξαιρετικά θρεπτικά τρισδιάστατα τυπωμένα τρόφιμα για τα νήπια και τα παιδιά
Οι διατροφικές συνήθειες των νηπίων και των παιδιών θα μπορούσαν να βελτιωθούν χρησιμοποιώντας συσκευές εκτυπωτή τροφίμων 3D για να πιάσουν και να αυξήσουν το ενδιαφέρον τους για την κατανάλωση φρούτων, λαχανικών και οσπρίων. Η δημιουργία φυσικών, ισορροπημένων και ελκυστικών σνακ με επιθυμητές υφές και σχήματα προσαρμοσμένα στις διατροφικές τους ανάγκες θα μπορούσε να παρασκευαστεί απευθείας από τα παιδιά, δημιουργώντας δεινόσαυρους, πειρατές, υπερήρωες, νεράιδες, σκάφη και διαστημόπλοια, μεταξύ άλλων σχημάτων.
Η χρήση του 3DFP με προβιοτικά και πρεβιοτικά για τη θεραπεία πεπτικών διαταραχών
Μια άλλη ελκυστική εφαρμογή του 3DFP είναι η βελτίωση της πεπτικότητας και της γαστρεντερικής υγείας. Το γαστρεντερικό μικροβίωμα περιέχει περίπου 1014 βακτήρια που βρίσκονται κυρίως στο παχύ έντερο. Αυτό το μικροβίωμα εμποδίζει τον αποικισμό δυνητικά παθογόνων μικροοργανισμών. Έχουν γίνει ορισμένες προσπάθειες για την παραγωγή τρισδιάστατων τυπωμένων τροφίμων με προβιοτικά για τη βελτίωση των πεπτικών προβλημάτων που σχετίζονται με γαστρεντερικές διαταραχές.
Επίσης, έχουν γίνει αντίστοιχες προσπάθειες για τη βελτίωση της γαστρεντερικής υγείας με το σχεδιασμό ενός πολυ-φαρμάκου χρησιμοποιώντας την 3DFP. Αξιολογήθηκε η αποτελεσματικότητα της απελευθέρωσης φαρμάκων και τις επιδράσεις βελτίωσής της στο Bifidobacterium και τις ανασταλτικές επιδράσεις στο Escherichia coli in vitro σε μια τρισδιάστατη τυπωμένη μεμβράνη. Ο λόγος πολλαπλασιασμού του Bifidobacterium bifidum αυξήθηκε έως και 294, 2% και οι ανασταλτικές του επιδράσεις στο E. coli ήταν έως και 37%.
Φαρμακοτρόφιμα και λειτουργικά 3DFP
Οι πρόσφατες προσεγγίσεις στο σχεδιασμό 3D τροφίμων περιλαμβάνουν λειτουργικά και φαρμακοτρόφιμα συστατικά για την απόκτηση τροφίμων με δυνατότητες βελτίωσης της υγείας. Τα προϊόντα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προώθηση των οφελών για τη δημόσια υγεία ή για τη μείωση της υψηλής συχνότητας εμφάνισης μη μεταδοτικών ασθενειών.
Η αξιολόγηση της αντιοξειδωτικής ικανότητάς της in vitro και in vivo, είναι επίσης απαραίτητες για το σχεδιασμό λειτουργικών γευμάτων 3D. Μια νέα προσέγγιση για την παραγωγή “φυτικών” υλικών εκτύπωσης τροφίμων είναι η ενσωμάτωση φυτικών κυττάρων στη σύνθεση μελάνης για την απόκτηση ενός τυπωμένου τροφίμου που μοιάζει με φυτικούς ιστούς.
Επιπλέον, η 3DFP μπορεί επίσης να είναι ένα χρήσιμο και προσαρμόσιμο εργαλείο για την απόκτηση βρώσιμων αντικειμένων από φρούτα και λαχανικά για όσους δεν τρώνε ή δυσκολεύονται να καταναλώσουν αυτή την ομάδα τροφίμων. Αυτό περιλαμβάνει τα παιδιά, τους εφήβους και τους ηλικιωμένους που θα επωφεληθούν σε μεγάλο βαθμό από τη συχνή συμπερίληψη λαχανικών στη διατροφή τους.
Τέλος, η διατήρηση αυτών των 3D λειτουργικών τροφίμων θα πρέπει να διερευνηθεί προσεκτικά, καθώς τα κύρια συστατικά τους είναι πολύ ευαίσθητα σε μικροβιακή αλλοίωση.
Υψηλή περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες χρησιμοποιώντας διαφορετικές πηγές στην 3DFP
Έχει διερευνηθεί η εφαρμογή σε πάστες τροφίμων από πρωτεΐνες, άμυλο και υλικά πλούσια σε φυτικές ίνες σε 3DP με βάση την εξώθηση για την προσαρμογή λειτουργικών σνακ. Τα συστατικά που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή πάστας ήταν τροποποιημένο άμυλο τροφίμων (από κηρώδη αραβόσιτο), ψιλοκομμένα συμπυκνώματα σίκαλης, βρώμης και πρωτεΐνης φάβας, αποκορυφωμένη και ημι-αποκορυφωμένη σκόνη γάλακτος και νανοΐνη κυτταρίνης. Η μελέτη κατέδειξε ότι τα 3D-τυπωμένα τρόφιμα που λαμβάνονται από αυτά τα υλικά θα μπορούσαν να υποβληθούν σε περαιτέρω επεξεργασία με ξήρανση για την παραγωγή υγιεινών σνακ χαμηλής ενέργειας.
Στην ίδια ερευνητική γραμμή, έχουν αυξηθεί τα εναλλακτικά και μη παραδοσιακά συστατικά για την 3DFP στην παραγωγή υγιεινών σνακ. Οι πρωτεΐνες γάλακτος, τα λίπη γάλακτος και η λακτόζη διαθέτουν τεχνολογικές λειτουργίες για την παραγωγή εκτυπώσιμων γαλακτοκομικών δομών.
Η πρωτεΐνη ασπράδι αυγού (EWP) είναι ένα συστατικό με υψηλές διατροφικές και λειτουργικές αξίες. Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν το EWP ένα ελπιδοφόρο υλικό για την ανάπτυξη 3D-τυπωμένων τροφίμων.
Η ισπανική νεοφυής επιχείρηση NovaMeat δημιούργησε ένα μείγμα φυτικών πρωτεϊνών που εξάγονται από ρύζι, μπιζέλια και φύκια για να αποκτήσουν μια τρισδιάστατη τυπωμένη μπριζόλα με οργανοληπτικά χαρακτηριστικά κοτόπουλου ή βοείου κρέατος. Η ιδέα γεννήθηκε ως εναλλακτική λύση που περιέχει υψηλή συγκέντρωση αμινοξέων για χορτοφάγους καταναλωτές.
Θεραπεία και έλεγχος τροφικών αλλεργιών ή δυσανεξίας με 3DFP
Τα προσαρμοσμένα τρόφιμα με τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί να βρουν μια σημαντική θέση στη θεραπεία των τροφικών αλλεργιών και δυσανεξίας.
Για να βοηθήσει τους ασθενείς με κοιλιοκάκη να σχεδιάσουν τη διατροφή τους, η εταιρεία WASP διεξήγαγε ένα έργο για την ανάπτυξη ενός εκτυπωτή 3D για την προετοιμασία τροφίμων χωρίς γλουτένη μέσα σε μια παραδοσιακή κουζίνα εστιατορίου. Στο μέλλον, ένας εκτυπωτής τροφίμων 3D θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως προσωπική συσκευή. κάθε άτομο θα έχει στην κατοχή του τις κάψουλες του που περιέχουν συγκεκριμένα υλικά διατροφής απαλλαγμένα από διασταυρούμενη μόλυνση. Η εξατομίκευση της διατροφής με τη χρήση της 3DFP είναι προσβάσιμη στις ανεπτυγμένες κοινωνίες, αλλά εξακολουθεί να απέχει από τις αναπτυσσόμενες χώρες.
Σχεδιασμός τροφίμων και προσαρμογή διατροφικού προφίλ με χρήση του 3DFP
Σε ένα ψηφιακό όραμα γαστρονομίας, οι υπολογιστές και άλλοι διαθέσιμοι θα επιτρέψουν στους χρήστες να ελέγχουν τη δομή, την υφή, τη γεύση, την οσμή και την αισθητική κάθε πιάτου, παρέχοντας έλεγχο στα συστατικά του γεύματος. Οι ψηφιακές συσκευές θα μπορούσαν επίσης να συμβουλεύουν ή να προτείνουν τον καλύτερο τρόπο συμπερίληψης στοιχείων τροφίμων στα γεύματα για την ικανοποίηση των προτιμήσεων των καταναλωτών.
ΤΕΤΡΑΔΙΑΣΤΑΤΗ ΕΚΤΥΠΩΣΗ ΤΡΟΦΙΜΩΝ – 4DFP
Η ενσωμάτωση μιας τέταρτης διάστασης (της χρονικής διάστασης) έως το 3DP στην επιστήμη της υγείας επικεντρώνεται στη μίμηση βιολογικών λειτουργιών (βιοενέργεια και βιομιμητική). Τα τετραδιάστατα αντικείμενα είναι τρισδιάστατες δομές κατασκευασμένες με υλικά που ανταποκρίνονται στα ερεθίσματα (π.χ. θερμότητα ή υγρασία) που προκαλούν αλλαγές στο σχήμα.
Οι κύριοι παράγοντες που καθορίζουν την ποιότητα της τετραδιάστατης εκτύπωσης τροφίμων (4DFP) είναι η εκτύπωση, η προσομοίωση, η μοντελοποίηση και το λογισμικό. Έτσι, οι κύριες εφαρμογές της 4DFP είναι οι αλλαγές χρώματος, οι αλλαγές σχήματος (από διαφορετικούς μηχανισμούς ενυδάτωσης), η διατροφή και οι αλλαγές γεύσης.
Η τεχνολογία 4DFP έχει μερικά μοναδικά και ευοίωνα χαρακτηριστικά πάνω από το 3DFP μέχρι σήμερα: (1) κατά τη διάρκεια των επιδόσεων της 4DFP, οι ανασταλθείσες δομές που αντιδρούν νωρίτερα θα μπορούσαν να αποτελέσουν κίνητρο για την προσέλκυση όλων των ειδών καταναλωτών. (2) η ενίσχυση της γεύσης, της οσμής, και του χρώματος κατά τη διάρκεια του φαγητού ή της αποθήκευσης (3) τα 4D-τυπωμένα τρόφιμα, όπως τα σνακ, θα μπορούσαν να αφυδατωθούν για να αυξήσουν τη διάρκεια ζωής τους και (4) αυτή η τεχνολογία διευκολύνει την διανομή, επειδή είναι συμβατή με την “επίπεδη συσκευασία”, καθιστώντας τα προϊόντα πιο βιώσιμα με κάποιο τρόπο μειώνοντας τα ζητήματα εφοδιαστικής και το υλικό συσκευασίας.
Πηγή: IFT
Ακολουθήστε το Cibum 
