3D-печать продуктов питания — это процесс производства продуктов питания с использованием различных технологий аддитивного производства. Чаще всего пищевые шприцы удерживают печатный материал, который затем наносится через пищевую насадку слой за слоем. Самые передовые 3D-принтеры для продуктов питания имеют предварительно загруженные рецепты на борту, а также позволяют пользователю удаленно проектировать еду на своих компьютерах, телефонах или некоторых устройствах IoT . Пищу можно настраивать по форме, цвету, текстуре, вкусу или питанию, что делает ее очень полезной в различных областях, таких как исследование космоса и здравоохранение. [1]
.jpg/1280px-Fab@Home_Model_1_(2006).jpg)
На точность и аккуратность пищевой печати влияют три основные области: материалы/ингредиенты (вязкость, размер порошка), параметры процесса (диаметр сопла, скорость печати, расстояние печати) и методы последующей обработки (выпечка, микроволновая печь, жарка). [11]
Тип еды, доступной для печати, ограничен техникой печати. [12] Обзор этих техник печати см. в разделе « Техники печати» ниже:
Обычные ингредиенты, используемые в экструзионной печати, по своей природе достаточно мягкие, чтобы выдавливаться из шприца/печатающей головки, и обладают достаточно высокой вязкостью , чтобы сохранять форму. [13] В некоторых случаях для повышения вязкости добавляются порошкообразные ингредиенты (белок, сахар и т. д.), например, добавление муки в воду создает пасту, на которой можно печатать. [1] К изначально мягким материалам относятся: [14]
Некоторые твердые ингредиенты можно использовать путем расплавления и последующего выдавливания ингредиента, например, шоколада . [15]
Порошкообразные ингредиенты: [16]
Для поверхностного наполнения используются ингредиенты с низкой вязкостью : [17] [18]
Хотя существуют различные подходы к экструзионной печати, эти подходы следуют одним и тем же базовым процедурам. Платформа, на которой печатается еда, состоит из стандартного 3-осевого этапа с компьютерно-управляемой экструзионной головкой. Эта экструзионная головка проталкивает пищевые материалы через сопло, как правило, с помощью сжатого воздуха или сдавливания. Сопла могут различаться в зависимости от того, какой тип пищи экструдируется или от желаемой скорости печати [19] (обычно чем меньше сопло, тем больше времени займет печать еды). По мере печати еды экструзионная головка перемещается вдоль 3-осевого этапа, печатая желаемую еду. Некоторые напечатанные продукты требуют дополнительной обработки, такой как выпечка или жарка перед употреблением.
Экструзионные пищевые принтеры можно приобрести для домашнего использования, они обычно компактны по размеру и имеют низкую стоимость обслуживания. Для сравнения, экструзионная печать предоставляет пользователю больше выбора материалов. Однако эти пищевые материалы обычно мягкие, и в результате затрудняют печать сложных пищевых структур. Кроме того, длительное время изготовления и деформации из-за колебаний температуры при дополнительной выпечке или жарке требуют дальнейших исследований и разработок для их преодоления.
При экструзии горячего расплава экструзионная головка нагревает пищевой материал немного выше точки плавления материала. Расплавленный материал затем выдавливается из головки и вскоре затвердевает. Это позволяет легко манипулировать материалом в желаемую форму или модель. Такие продукты, как шоколад, используются в этой технике из-за его способности быстро плавиться и затвердевать. [15]
Другие пищевые материалы изначально не требуют нагревательного элемента для печати. Пищевые материалы, такие как желе, глазурь, пюре и аналогичные пищевые материалы с соответствующей вязкостью, могут печататься при комнатной температуре без предварительного расплавления.
При селективном лазерном спекании порошкообразные пищевые материалы нагреваются и связываются вместе, образуя твердую структуру. Этот процесс завершается путем связывания порошкообразного материала слой за слоем с помощью лазера в качестве источника тепла. После того, как слой завершен с желаемыми связанными областями, он затем покрывается новым несвязанным слоем порошка. Определенные части этого нового несвязанного слоя нагреваются лазером, чтобы связать его со структурой. Этот процесс продолжается вертикально вверх до тех пор, пока не будет построена желаемая пищевая модель. После построения несвязанный материал может быть переработан и использован для печати другой пищевой модели.
Селективное лазерное спекание позволяет создавать сложные формы и модели, а также создавать различные пищевые текстуры. Оно ограничено диапазоном подходящих пищевых материалов, а именно порошкообразных ингредиентов. [2] Из-за этого ограничения селективное лазерное спекание в основном использовалось для создания сладостей/конфет.
Подобно селективному лазерному спеканию, струйная обработка связующим использует порошкообразные пищевые материалы для создания модели слой за слоем. Вместо использования тепла для связывания материалов используется жидкое связующее. После связывания желаемых областей слоя новый слой порошка затем распределяется по связанному слою, покрывая его. Затем определенные части этого нового слоя связываются с предыдущим слоем. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет создана желаемая пищевая модель.
Как и селективное лазерное спекание, струйная обработка связующим позволяет создавать сложные формы и модели, а также создавать различные текстуры пищевых продуктов. [16] Кроме того, она также ограничена диапазоном подходящих пищевых материалов, а именно порошкообразных ингредиентов.
Струйная печать используется для заполнения поверхности или украшения изображения. [17] Используя силу тяжести, съедобные пищевые чернила капают на поверхность пищи, как правило, печенья, торта или других сладостей. Это бесконтактный метод, поэтому печатающая головка не касается пищи, защищая ее от загрязнения во время заполнения изображения. Капли чернил могут состоять из широкого спектра цветов, что позволяет пользователям создавать уникальные и индивидуальные изображения еды. [18] Проблема струйной печати заключается в том, что пищевые материалы несовместимы с чернилами, что приводит к отсутствию изображения или сильному его искажению. [20] Струйные принтеры можно приобрести для домашнего или коммерческого использования, а промышленные принтеры подходят для массового производства.
При печати с несколькими печатающими головками и несколькими материалами печатаются несколько ингредиентов одновременно или последовательно. [21] Существуют различные способы поддержки печати с несколькими материалами. В одном случае несколько печатающих головок используются для печати несколькими материалами/ингредиентами, поскольку это может ускорить производство, повысить эффективность и привести к интересным шаблонам дизайна. [17] В другом случае есть одна печатающая головка, и когда требуется другой ингредиент, принтер заменяет печатаемый материал. [22] Несколько материалов/ингредиентов означают более разнообразный ассортимент блюд, доступных для печати, более широкий диапазон питательных веществ и довольно распространены для пищевых принтеров. [12]
На этапе постобработки напечатанная еда может потребовать дополнительных шагов перед употреблением. Сюда входят такие процессы обработки, как выпечка, жарка, очистка и т. д. Этот этап может быть одним из самых критических для 3D-печатной еды, поскольку напечатанная еда должна быть безопасной для употребления. Дополнительной проблемой на этапе постобработки является деформация напечатанной еды из-за напряжения этих дополнительных процессов. Современные методы включают пробы и ошибки. То есть, объединение пищевых добавок с материалами/ингредиентами для улучшения целостности сложных структур и обеспечения того, чтобы напечатанная структура сохраняла свою форму. [21] Добавки, такие как трансглютаминаза [21] и гидроколлоиды [13], были добавлены к ингредиентам для того, чтобы помочь сохранить напечатанную форму во время печати и после приготовления.
Кроме того, недавние исследования создали визуальную симуляцию выпечки хлеба, печенья, блинов и подобных материалов, состоящих из теста или жидкого теста (смеси воды, муки, яиц, жира, сахара и разрыхлителей). [23] Регулируя определенные параметры в симуляции, можно показать реалистичный эффект, который выпечка окажет на еду. С дальнейшими исследованиями и разработками визуальная симуляция приготовления 3D-печатных продуктов может предсказать, что подвержено деформации.
Персонализированные диетические требования к потребностям человека в питании связаны с профилактикой заболеваний. [24] Таким образом, употребление в пищу питательных веществ имеет первостепенное значение для здоровой жизни. 3D-печатная еда может обеспечить контроль, необходимый для добавления индивидуального количества белка, сахара, витаминов и минералов в потребляемую нами пищу. [25]
Еще одна область в приготовлении пищи по индивидуальному заказу — это питание пожилых людей. Пожилые люди иногда не могут глотать пищу, и поэтому им требуется более мягкий поддон. [26] Однако эти продукты часто неаппетитны, из-за чего некоторые люди не едят то, что требуется их организму для удовлетворения пищевых потребностей. [27] Напечатанная на 3D-принтере еда может обеспечить мягкую и эстетически приятную пищу, с помощью которой пожилые люди могут удовлетворять диетические потребности своего организма. [28]
В октябре 2019 года стартап Nourished 3D печатает персонализированные питательные жевательные конфеты из 28 различных витаминов. Люди принимают участие в опросе, затем на основе их ответов для этого человека печатается персонализированная питательная жевательная конфета. [29]
Поскольку население мира продолжает расти, эксперты полагают, что текущие запасы продовольствия не смогут обеспечить население. [30] Таким образом, устойчивый источник продовольствия имеет решающее значение. Исследования показали, что энтомофагия , потребление насекомых, имеет потенциал для поддержания растущей популяции. [31] Насекомые, такие как сверчки, требуют меньше корма, меньше воды и обеспечивают примерно такое же количество белка, как куры, коровы и свиньи. [31] Сверчков можно измельчать в белковую муку . В одном исследовании [32] исследователи дают обзор процесса 3D-печати муки из насекомых в продукты, которые не похожи на насекомых; таким образом, сохраняя пищевую ценность насекомых нетронутой.
Поскольку люди начинают отправляться в космос на более длительное время, требования к питанию для поддержания здоровья экипажа становятся критически важными. [33] В настоящее время НАСА изучает способы интеграции 3D-печати продуктов питания в космос, чтобы поддерживать диетические потребности экипажа. [34] Видение заключается в 3D-печати порошковых пищевых слоев, которые имеют срок годности 30 лет, вместо использования традиционных сублимированных продуктов, которые имеют срок годности 5 лет. [35] В дополнение к диетическим требованиям, 3D-печать продуктов питания в космосе может обеспечить моральный подъем, поскольку астронавты смогут разрабатывать индивидуальные блюда, которые будут эстетически приятными. [36]
В сентябре 2019 года российские космонавты совместно с израильским стартапом Aleph Farms вырастили мясо из коровьих клеток, а затем напечатали из этих клеток стейки на 3D-принтере. [37]
Животноводство является одним из главных факторов вырубки лесов, деградации земель , загрязнения воды и опустынивания. Среди прочих причин это привело к появлению новой многообещающей технологии мясной биопечати. Одной из альтернатив животноводству является культивированное мясо, также известное как выращенное в лаборатории мясо. Культивированное мясо производится путем взятия небольшой биопсии у животных, извлечения миосателлитных клеток и добавления сыворотки роста для размножения клеток. Полученный продукт затем используется в качестве материала для биопечати мяса. Фаза постобработки, среди прочих шагов, включает добавление ароматизатора, витаминов и железа в продукт. Еще одной альтернативой является печать мясного аналога . Novameat , испанский стартап, смог напечатать стейк на растительной основе и имитировать текстуру и внешний вид настоящего мяса. [7] В 2023 году австрийская компания пищевых технологий Revo Foods запустила в продажу в супермаркетах немецкой группы REWE альтернативу филе лосося, напечатанную на 3D-принтере, на основе микопротеина . Она стала первой альтернативой мясу/морепродуктам, напечатанной на 3D-принтере, доступной в супермаркетах по всему миру, что стало важной вехой на пути к повышению доступности продуктов питания, напечатанных на 3D-принтере. [38] [39]
Презентация и внешний вид еды для отдельных лиц — это большая тенденция в пищевой промышленности. До сих пор индивидуализация еды и креативный дизайн требовали ручных навыков, что приводило к низкой производительности и высокой стоимости. 3D-печать еды может решить эту проблему, предоставляя необходимые инструменты для креативного дизайна еды даже для домашних пользователей. [12] 3D-печать еды позволила реализовать некоторые сложные проекты, которые невозможно реализовать при традиционном производстве продуктов питания. Логотипы брендов, текст, подписи, изображения теперь можно печатать на некоторых продуктах питания, таких как выпечка и кофе. Также печатались сложные геометрические фигуры, в основном с использованием сахара. С помощью 3D-печати повара теперь могут превращать свое визуальное вдохновение в фирменные кулинарные творения. Еще одним преимуществом является возможность печатать питательные блюда в формах, которые нравятся детям. [1]
Во всем мире треть от общего объема производимой для потребления пищи, около 1,6 млрд тонн в год, идет в отходы. Пищевые отходы возникают во время обработки, распределения и потребления. 3D-печать продуктов питания — очень перспективный способ сокращения пищевых отходов на этапе потребления за счет использования таких пищевых продуктов, как мясные обрезки, деформированные фрукты и овощи, побочные продукты морепродуктов и скоропортящиеся продукты. Эти продукты можно перерабатывать в форму, подходящую для печати. [40] Голландский стартап Upprinting Food смешивает и объединяет различные ингредиенты из пищевых отходов для создания пюре, которые затем используются в качестве материалов для 3D-печати. [41] Шеф-повара также создают различные блюда из остатков пищи с помощью 3D-принтеров продуктов питания. [42]
В отличие от традиционно приготовленной пищи, разнообразие продуктов, которые можно производить с помощью 3D-печати, ограничено физическими характеристиками материалов. Пищевые материалы, как правило, намного мягче, чем самый слабый пластик, используемый в 3D-печати, что делает напечатанные структуры очень хрупкими. [43] До сих пор большинство исследований использовали метод проб и ошибок в качестве подхода к преодолению этой проблемы, но ученые работают над разработкой новых методов, которые способны предсказывать поведение различных материалов в процессе печати. Эти методы разрабатываются путем анализа реологических свойств материалов и их связи со стабильностью печати. [44]
При проектировании 3D-модели для пищевого продукта следует учитывать физические и геометрические ограничения материалов для печати. Это делает процесс проектирования очень сложной задачей, и до сих пор нет доступного программного обеспечения, которое бы это учитывало. Создание такого программного обеспечения также является сложной задачей из-за огромного разнообразия пищевых материалов. [43] Учитывая, что личные пользователи, которые включают 3D-печать продуктов питания на своих кухнях, представляют значительную часть от общего числа пользователей, дизайн интерфейса программного обеспечения добавляет сложности. Интерфейс такого программного обеспечения должен быть простым и иметь высокую степень удобства использования , при этом предоставляя достаточно функций и возможностей настройки для пользователя, не вызывая когнитивной перегрузки. [40]
Текущая скорость 3D-печати продуктов питания может быть достаточной для домашнего использования, но этот процесс очень медленный для массового производства. [45] Простые проекты занимают от 1 до 2 минут, подробные проекты занимают от 3 до 7 минут, а более сложные проекты занимают еще больше времени. [1] Скорость печати продуктов питания тесно связана с реологическими свойствами материалов. Исследования показывают, что высокая скорость печати приводит к получению образцов с низкой точностью из-за эффекта перетаскивания, в то время как очень низкая скорость вызывает нестабильность в осаждении материала. [40]
Для того чтобы 3D-печать продуктов питания нашла применение в пищевой промышленности, необходимо повысить скорость печати или сделать стоимость такой технологии достаточно доступной, чтобы компании могли использовать несколько принтеров. [46]
Цвет, вкус и текстура пищи имеют решающее значение при изготовлении съедобного продукта, поэтому в большинстве случаев требуется, чтобы пищевой принтер поддерживал печать несколькими материалами. Текущие доступные 3D-принтеры для еды ограничены использованием нескольких различных материалов из-за проблемы разработки возможностей нескольких экструдеров. Это ограничивает разнообразие пищевых продуктов, которые можно печатать на 3D-принтере, оставляя без внимания сложные блюда, требующие большого количества различных материалов. [43]
При 3D-печати продуктов питания безопасность имеет решающее значение. Пищевой принтер должен обеспечивать безопасность на всем пути прохождения пищевого материала. [43] Из-за возможности застревания продуктов где-то на пути накопление бактерий является серьезной проблемой. Микробная устойчивость является важнейшим параметром качества напечатанных продуктов питания, поэтому ее необходимо учитывать как при проектировании принтера, так и в процессе печати. [40] С другой стороны, материалы, которые контактируют с продуктами питания, могут не вызывать столь серьезного беспокойства, поскольку высококачественные принтеры используют нержавеющую сталь и материалы, не содержащие бисфенол А. [1]
Существующие на рынке продукты питания, такие как шоколад в различных формах, можно легко отсканировать, а полученные 3D-модели можно использовать для копирования этих продуктов. Затем эти 3D-модели можно распространять через Интернет, что приводит к нарушению авторских прав. Существуют законы, регулирующие вопросы авторских прав, но не ясно, будут ли они достаточными для охвата всех аспектов такой области, как 3D-печать продуктов питания. [47]