La impresión de alimentos en 3D es el proceso de fabricación de productos alimenticios utilizando una variedad de técnicas de fabricación aditiva. Por lo general, las jeringas de grado alimenticio sostienen el material de impresión, que luego se deposita a través de una boquilla de grado alimenticio capa por capa. Las impresoras de alimentos 3D más avanzadas tienen recetas precargadas a bordo y también permiten al usuario diseñar de forma remota su comida en sus computadoras, teléfonos o algún dispositivo IoT . La comida se puede personalizar en forma, color, textura, sabor o nutrición, lo que la hace muy útil en diversos campos como la exploración espacial y la salud. [1]
Historia
Año | Nombre de la empresa / grupo | Descripción |
---|---|---|
2006 | Universidad de Cornell | Fab @ Home , un proyecto dirigido por un grupo de estudiantes, fue la primera impresora 3D de múltiples materiales para imprimir materiales alimenticios como chocolate, masa para galletas y queso. [2] |
2006-2009 | Laboratorios de malvados científicos locos | CandyFab pudo imprimir grandes esculturas de azúcar usando aire caliente para derretir y fusionar selectivamente los granos de azúcar. [3] |
2012 | Choc Edge | págs. [4] |
2012-2015 | biozoon GmbH | PERFORMANCE fue un proyecto enfocado en imprimir alimentos fáciles de masticar y fáciles de tragar para personas mayores. [5] |
2013 | Prado moderno | La carne in vitro se imprimió por primera vez utilizando una bioimpresora. [6] |
2014 | 3D Systems y Hershey's | Se introdujo una impresora de chocolate que imprime varias formas, tamaños y geometrías utilizando chocolate con leche, negro y blanco. [7] |
2014 | Máquinas naturales | Se presentó Foodini, una impresora disponible comercialmente. Esta impresora puede imprimir una amplia gama de ingredientes y viene con una aplicación que permite a los usuarios crear diseños de forma remota. [1] |
2015 | TNO y Barilla | Se presenta una impresora de pasta y un concurso anual para el mejor diseño de pasta. [8] |
2018 | Novameat | Se imprimió el primer bistec sin carne elaborado con verduras que imita la textura de la carne. [9] |
Principios generales
Hay tres áreas generales que afectan la impresión de alimentos precisa y precisa: materiales / ingredientes (viscosidad, tamaño del polvo), parámetros del proceso (diámetro de la boquilla, velocidad de impresión, distancia de impresión) y métodos de posprocesamiento (horneado, microondas, fritura). [10]
Materiales e ingredientes
El tipo de alimento disponible para imprimir está limitado por la técnica de impresión. [11] Para obtener una descripción general de estas técnicas de impresión, consulte la sección Técnicas de impresión a continuación:
Ingredientes de impresión basados en extrusión
Los ingredientes comunes utilizados en la impresión basada en extrusión son inherentemente lo suficientemente suaves como para extruirse desde una jeringa / cabezal de impresión y poseen una viscosidad lo suficientemente alta como para conservar la forma. [12] En ciertos casos, se agregan ingredientes en polvo (proteínas, azúcar, etc.) para aumentar la viscosidad, por ejemplo, al agregar harina al agua se crea una pasta que se puede imprimir. [1] Los materiales inherentemente blandos incluyen: [13]
- puré
- gelatina
- Crema
- queso
- puré de patatas
Ciertos ingredientes que son sólidos pueden usarse fundiendo y luego extruyendo el ingrediente, por ejemplo, chocolate. [14]
Ingredientes selectivos de sinterización láser y de inyección de aglutinante
Ingredientes en polvo: [15]
- azúcar
- chocolate en polvo
- proteína en polvo
Ingredientes de la impresión por inyección de tinta
Para el relleno de superficies se utilizan ingredientes de baja viscosidad : [16] [17]
- salsas (pizza, salsa picante, mostaza, kétchup, etc.)
- tinta de comida coloreada
Técnicas de impresión
Impresión basada en extrusión
Aunque existen diferentes enfoques para la impresión basada en extrusión, estos enfoques siguen los mismos procedimientos básicos. La plataforma en la que se imprimen los alimentos consta de una plataforma estándar de 3 ejes con un cabezal de extrusión controlado por computadora. Este cabezal de extrusión empuja los materiales alimenticios a través de una boquilla típicamente por medio de aire comprimido o exprimiéndolo. Las boquillas pueden variar con respecto al tipo de alimento que se extruye o la velocidad de impresión deseada [18] (típicamente, cuanto más pequeña es la boquilla, más tardará la impresión de alimentos). A medida que se imprime el alimento, el cabezal de extrusión se mueve a lo largo de la etapa de 3 ejes imprimiendo el alimento deseado. Algunos alimentos impresos requieren un procesamiento adicional, como hornear o freír antes de su consumo.
Las impresoras de alimentos basadas en extrusión se pueden comprar para uso doméstico, son típicamente de tamaño compacto y tienen un bajo costo de mantenimiento. Comparativamente, la impresión basada en extrusión proporciona al usuario más opciones de materiales. Sin embargo, estos materiales alimentarios suelen ser blandos y, como resultado, dificultan la impresión de estructuras alimentarias complejas. Además, los largos tiempos de fabricación y las deformaciones debidas a las fluctuaciones de temperatura con horneado o fritura adicional requieren más investigación y desarrollo para superarlos.
Hot-melt y temperatura ambiente
En la extrusión de fusión en caliente, el cabezal de extrusión calienta el material alimenticio ligeramente por encima del punto de fusión del material. El material fundido se extruye luego de la cabeza y luego se solidifica poco después. Esto permite que el material se manipule fácilmente en la forma o modelo deseado. En esta técnica se utilizan alimentos como el chocolate debido a su capacidad para derretirse y solidificarse rápidamente. [14]
Otros materiales alimenticios no requieren inherentemente un elemento calefactor para ser impresos. Los materiales alimenticios como gelatina, glaseado, puré y materiales alimenticios similares con la viscosidad adecuada se pueden imprimir a temperatura ambiente sin derretir previamente.
Sinterización por láser selectiva
En la sinterización selectiva por láser , los materiales alimenticios en polvo se calientan y se unen formando una estructura sólida. Este proceso se completa uniendo el material en polvo capa por capa con un láser como fuente de calor. Después de completar una capa con las áreas deseadas unidas, se cubre con una nueva capa de polvo no adherido. Ciertas partes de esta nueva capa no adherida son calentadas por el láser para unirla a la estructura. Este proceso continúa de manera vertical hacia arriba hasta que se construye el modelo de alimento deseado. Después de la construcción, el material no adherido se puede reciclar y utilizar para imprimir otro modelo de alimentos.
La sinterización selectiva por láser permite la construcción de formas y modelos complejos y la capacidad de crear diferentes texturas de alimentos. Está limitado por la gama de materiales alimenticios adecuados, a saber, ingredientes en polvo. [3] Debido a esta limitación, la sinterización selectiva por láser se ha utilizado principalmente para crear dulces / caramelos.
Chorro de aglutinante
De manera similar a la sinterización selectiva por láser, la inyección de aglutinante utiliza materiales alimenticios en polvo para crear un modelo capa por capa. En lugar de usar calor para unir los materiales, se usa un aglutinante líquido. Después de unir las áreas deseadas de una capa, se extiende una nueva capa de polvo sobre la capa adherida que la cubre. Ciertas partes de esta nueva capa se unen a la capa anterior. El proceso se repite hasta que se construye el modelo de alimento deseado.
Al igual que con la sinterización selectiva por láser, la inyección de aglutinante permite la construcción de formas y modelos complejos y la capacidad de crear diferentes texturas de alimentos. [15] Asimismo, también está limitado por la gama de materiales alimenticios adecuados, a saber, ingredientes en polvo.
Impresión por inyección de tinta
La impresión por inyección de tinta se utiliza para el relleno de superficies o la decoración de imágenes. [16] Al utilizar la gravedad, la tinta comestible de los alimentos se deja caer sobre la superficie de los alimentos, generalmente una galleta, un pastel u otro dulce. Este es un método sin contacto, por lo tanto, el cabezal de impresión no toca la comida protegiendo la comida de la contaminación durante el llenado de la imagen. Las gotas de tinta pueden consistir en una amplia gama de colores que permiten a los usuarios crear imágenes de alimentos únicas e individualizadas. [17] Un problema con la impresión por inyección de tinta es que los materiales alimenticios son incompatibles con la tinta, lo que provoca que no haya imagen o que se distorsione mucho la imagen. [19] Las impresoras de inyección de tinta se pueden comprar para uso doméstico o comercial, y las impresoras industriales son adecuadas para la producción en masa.
Multi-cabezal de impresión y multimaterial
En la impresión de múltiples cabezales de impresión y de múltiples materiales , se imprimen varios ingredientes al mismo tiempo o en sucesión. [20] Hay diferentes formas de admitir la impresión de varios materiales. En un caso, se utilizan varios cabezales de impresión para imprimir varios materiales / ingredientes, ya que esto puede acelerar la producción, la eficiencia y generar patrones de diseño interesantes. [16] En otro caso, hay un cabezal de impresión, y cuando se requiere un ingrediente diferente, la impresora intercambia el material que se está imprimiendo. [21] Múltiples materiales / ingredientes equivale a una gama más diversa de comidas disponibles para imprimir, una gama nutricional más amplia y es bastante común para los impresores de alimentos. [11]
Postprocesamiento
En la fase de posprocesamiento, los alimentos impresos pueden requerir pasos adicionales antes de su consumo. Esto incluye actividades de procesamiento como hornear, freír, limpiar, etc. Esta fase puede ser una de las más críticas para los alimentos impresos en 3D, ya que los alimentos impresos deben ser seguros para el consumo. Una preocupación adicional en el posprocesamiento es la deformación del alimento impreso debido a la tensión de estos procesos adicionales. Los métodos actuales implican prueba y error. Es decir, combinar aditivos alimentarios con los materiales / ingredientes para mejorar la integridad de estructuras complejas y garantizar que la estructura impresa conserve su forma. [20] Se han agregado aditivos como transglutaminasa [20] e hidrocoloides [12] a los ingredientes para ayudar a retener la forma impresa durante la impresión y después de la cocción.
Además, una investigación reciente ha producido una simulación visual para hornear panes, galletas, panqueques y materiales similares que consisten en masa o rebozado (mezclas de agua, harina, huevos, grasa, azúcar y agentes leudantes). [22] Al ajustar ciertos parámetros en la simulación, muestra el efecto realista que tendrá la cocción en la comida. Con más investigación y desarrollo, una simulación visual de los alimentos impresos en 3D que se cocinan podría predecir qué es vulnerable a la deformación.
Aplicaciones
Nutrición personal
Los requisitos dietéticos personalizados para las necesidades nutricionales de un individuo se han relacionado con la prevención de enfermedades. [23] Como tal, comer alimentos nutritivos es fundamental para llevar una vida saludable. Los alimentos impresos en 3D pueden proporcionar el control necesario para poner una cantidad personalizada de proteínas, azúcar, vitaminas y minerales en los alimentos que consumimos. [24]
Otro ámbito de la alimentación personalizada es la nutrición de personas mayores. Los ancianos a veces no pueden tragar alimentos y, como tales, necesitan un palé más blando. [25] Sin embargo, estos alimentos a menudo no son atractivos, lo que hace que algunas personas no coman lo que requieren las necesidades nutricionales de su cuerpo. [26] Los alimentos impresos en 3D pueden proporcionar un alimento suave y estéticamente agradable en el que las personas mayores pueden consumir los requisitos dietéticos de sus cuerpos. [27]
En octubre de 2019, la empresa emergente Nourished 3D imprime gomitas nutricionales personalizadas de 28 vitaminas diferentes. Las personas responden una encuesta y luego, en función de sus respuestas, se imprime una gomita nutricional personalizada para esa persona. [28]
Sostenibilidad y solución al hambre
A medida que la población mundial sigue creciendo, los expertos creen que los suministros alimentarios actuales no podrán abastecer a la población. [29] Por lo tanto, una fuente de alimentos sostenible es fundamental. Los estudios han demostrado que la entomofagia , el consumo de insectos, tiene el potencial de sustentar una población en crecimiento. [30] Los insectos como los grillos requieren menos alimento, menos agua y proporcionan aproximadamente la misma cantidad de proteína que los pollos, las vacas y los cerdos. [30] Los grillos se pueden moler para convertirlos en harina de proteína . En un estudio, [31] los investigadores proporcionan una descripción general del proceso de impresión 3D de harina de insectos en alimentos que no se parecen a los insectos; así, manteniendo intacto el valor nutricional del insecto.
Exploración espacial
A medida que los humanos comienzan a aventurarse en el espacio durante más tiempo, los requisitos nutricionales para mantener la salud de la tripulación son fundamentales. [32] Actualmente, la NASA está explorando formas de integrar alimentos impresos en 3D en el espacio para satisfacer las necesidades dietéticas de la tripulación. [33] La visión es imprimir en 3D capas de alimentos en polvo que tengan una vida útil de 30 años en lugar de utilizar alimentos liofilizados tradicionales que tienen una vida útil de 5 años. [34] Además de los requisitos dietéticos, la impresión 3D de alimentos en el espacio podría proporcionar un impulso moral, ya que los astronautas podrían diseñar comidas personalizadas que sean estéticamente agradables. [35]
En septiembre de 2019, los cosmonautas rusos, junto con la startup israelí Aleph Farms, cultivaron carne a partir de células de vaca y luego imprimieron en 3D las células en filetes. [36]
Bioimpresión de carne
La ganadería es uno de los principales factores que contribuyen a la deforestación, la degradación de la tierra, la contaminación del agua y la desertificación. Entre otras razones, esto ha llevado a la nueva y prometedora tecnología de bioimpresión de carne. Una alternativa a la ganadería es la carne cultivada, también conocida como carne cultivada en laboratorio. La carne cultivada se produce tomando una pequeña biopsia de animales, extrayendo las células miosatélites y agregando suero de crecimiento para multiplicar las células. El producto resultante se utiliza luego como material para la bioimpresión de carne. La fase de posprocesamiento, entre otros pasos, incluye agregar sabor, vitaminas y hierro al producto. Otra alternativa más es imprimir un análogo de la carne . Novameat , una startup española, ha podido imprimir un bistec a base de plantas e imitar la textura y apariencia de la carne real. [9]
Diseño de comida creativa
La presentación de alimentos y la personalización de la apariencia de los alimentos para individuos es una gran tendencia en la industria alimentaria. Hasta ahora, la personalización de alimentos y los diseños creativos han requerido habilidades hechas a mano, lo que da como resultado una baja tasa de producción y un alto costo. La impresión de alimentos en 3D puede superar este problema proporcionando las herramientas necesarias para el diseño creativo de alimentos incluso para los usuarios domésticos. [11] La impresión de alimentos en 3D ha permitido algunos diseños intrincados que no se pueden lograr con la fabricación de alimentos tradicional. Los logotipos de la marca, el texto, las firmas y las imágenes ahora se pueden imprimir en algunos productos alimenticios como pasteles y café. También se han impreso formas geométricas complejas, principalmente utilizando azúcar. Con la impresión 3D, los chefs ahora pueden convertir sus inspiraciones visuales en creaciones culinarias exclusivas. Otro beneficio es poder imprimir comidas nutritivas en formas que atraigan a los niños. [1]
Reducción del desperdicio de alimentos
En todo el mundo, un tercio del total de alimentos producidos para el consumo, alrededor de 1.600 millones de toneladas por año, se desperdicia. El desperdicio de alimentos ocurre durante el procesamiento, la distribución y el consumo. La impresión de alimentos en 3D es una forma muy prometedora de reducir el desperdicio de alimentos durante la fase de consumo, mediante la utilización de productos alimenticios como restos de carne, frutas y verduras distorsionadas, subproductos de alimentos de mar y perecederos. Estos productos se pueden procesar en una forma adecuada para la impresión. [37] Upprinting Food, una startup holandesa, ha estado mezclando y combinando diferentes ingredientes de los desechos de alimentos para crear purés que luego se utilizan como materiales para la impresión 3D. [38] Los chefs también están creando diferentes platos a partir de los restos de comida utilizando impresoras de alimentos 3D. [39]
Desafíos
Estructura
A diferencia de los alimentos preparados tradicionalmente, la variedad de alimentos que se pueden fabricar mediante impresión 3D está limitada por las características físicas de los materiales. Los materiales alimenticios son generalmente mucho más blandos que el plástico más débil utilizado en la impresión 3D, lo que hace que las estructuras impresas sean muy frágiles. [40] Hasta ahora, la mayoría de los estudios utilizan prueba y error como un enfoque para superar este desafío, pero los científicos están trabajando en el desarrollo de nuevos métodos que sean capaces de predecir el comportamiento de diferentes materiales durante el proceso de impresión. Estos métodos se desarrollan analizando las propiedades reológicas de los materiales y su relación con la estabilidad de la impresión. [41]
Diseño
Al diseñar un modelo 3D para un producto alimenticio, se deben tener en cuenta las limitaciones físicas y geométricas de los materiales de impresión. Esto hace que el proceso de diseño sea una tarea muy compleja y, hasta ahora, no hay ningún software disponible que lo tenga en cuenta. La construcción de dicho software también es una tarea compleja debido a la gran variedad de materiales alimentarios. [40] Teniendo en cuenta que los usuarios personales que incorporan la impresión de alimentos en 3D en sus cocinas representan una parte significativa de los usuarios en general, el diseño de la interfaz del software aumenta la complejidad. La interfaz de dicho software debe ser simple y tener una alta usabilidad y, al mismo tiempo, proporcionar suficientes funciones y opciones de personalización para el usuario sin causar una sobrecarga cognitiva. [37]
Velocidad
La velocidad actual de la impresión 3D de alimentos podría ser suficiente para uso doméstico, pero el proceso es muy lento para la producción en masa. [42] Los diseños simples tardan de 1 a 2 minutos, los diseños detallados tardan de 3 a 7 minutos y los diseños más intrincados tardan incluso más. [1] La velocidad de impresión de los alimentos está estrechamente relacionada con las propiedades reológicas de los materiales. La investigación muestra que una alta velocidad de impresión da como resultado muestras de baja fidelidad debido al efecto de arrastre, mientras que una velocidad muy baja provoca inestabilidad en la deposición del material. [37]
Para que la impresión de alimentos en 3D llegue a la industria alimentaria, la velocidad de impresión debe mejorar o el costo de dicha tecnología debería ser lo suficientemente asequible para que las empresas utilicen varias impresoras. [43]
Impresión multimaterial
El color, el sabor y la textura de los alimentos son de crucial importancia cuando se fabrica un producto comestible, por lo que en la mayoría de los casos se requiere que una impresora de alimentos admita la impresión de múltiples materiales. Las impresoras de alimentos 3D disponibles actualmente se limitan a utilizar algunos materiales diferentes debido al desafío de desarrollar múltiples capacidades de extrusora. Esto limita la variedad de productos alimenticios que se pueden imprimir en 3D, dejando de lado platos complejos que requieren muchos materiales diferentes. [40]
Seguridad
Cuando se imprimen alimentos en 3D, la seguridad es muy importante. Un impresor de alimentos debe garantizar la seguridad a lo largo de todo el camino recorrido por el material alimentario. [40] Debido a la posibilidad de que los alimentos se atasquen en algún lugar del camino, la acumulación de bacterias es una preocupación importante. La estabilidad microbiana es un parámetro crucial de la calidad de los alimentos impresos, por lo que debe abordarse tanto durante el diseño de la impresora como durante el proceso de impresión. [37] Por otro lado, los materiales que entran en contacto con los alimentos pueden no ser motivo de preocupación ya que las impresoras de alta calidad utilizan acero inoxidable y materiales sin BPA. [1]
Derechos de autor
Los productos alimenticios existentes en el mercado, como los chocolates en varias formas, podrían escanearse fácilmente y los modelos 3D obtenidos podrían usarse para replicar esos productos. Estos modelos 3D podrían luego difundirse a través de Internet, lo que provocaría una infracción de los derechos de autor. Existen leyes que regulan las cuestiones de derechos de autor, pero no está claro si serán suficientes para cubrir todos los aspectos de un campo como la impresión de alimentos en 3D. [44]
Ver también
- Impresión 3d
- Impresión 3D multimaterial
- Bioimpresión 3D
- Escaneo 3D
- Modelado 3D
- Modelado de deposición fundida (FDM)
- Sinterización por láser selectiva
- Impresión de inyección de tinta
- IoT
- Fab @ casa
- Transglutaminasa
- Hidrocoloides
- Viscosidad
- Entomofagia
Referencias
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