Σχεδιασμός τροφίμου με έμφαση στη δημιουργία τρισδιάστατων δομών τροφίμων με ειδικές ιδιότητες ποιότητας
Authors: Νικολάου Ευγενία 
Published: December 2023

H τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης, προσφέρει τη δυνατότητα της προσαρμογής του σχήματος, των ιδιοτήτων υφής καθώς και του θρεπτικού περιεχομένου των τροφίμων. Ένας από τους περιορισμούς που επί του παρόντος εμποδίζουν την ευρύτερη εφαρμογή της τεχνολογίας αυτής για την παραγωγή τροφίμων είναι η έλλειψη κατανόησης του τρόπου με τον οποίο οι ιδιότητες των τροφίμων επηρεάζουν την πορεία της διεργασίας και την ποιότητα του τελικού εκτυπωμένου αντικειμένου. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε τρισδιάστατη εκτύπωση τροφίμων με βάση την εξώθηση με τη χρήση ενός καρτεσιανού τύπου τρισδιάστατου εκτυπωτή εξοπλισμένου με ένα σύστημα εξώθησης σύριγγας. Στο πρώτο σκέλος της διατριβής αξιολογήθηκαν διαφορετικά συστήματα βιοπολυμερών με βάση το άμυλο σίτου, καλαμποκιού, πατάτας σε συνδυασμό με συμπύκνωμα πρωτεΐνης αρακά και 3 τύπους υδροκολλοειδών (αραβικό κόμμι, κόμμι ξανθάνης και κ-καραγεννάνη) αναφορικά με τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες και κατ’επέκταση της εφαρμοσιμότητά τους ως βιομελάνια για τη διεργασία τρισδιάστατης εκτύπωσης. Για το σκοπό αυτό, έγινε βελτιστοποίηση της διεργασίας εκτύπωσης με την κατάλληλη ρύθμιση των παραμέτρων εκτύπωσης (ταχύτητα εξώθησης, % ποσοστό ροής, ύψος και πάχος στρώσης, απόσταση ακροφυσίου από την πλατφόρμα εκτύπωσης κ.ά). Η % εκτυπωσιμότητα των εκτυπωμένων δομών αξιολογήθηκε με τη μέτρηση της % απόκλισης της ακρίβειας της εκτύπωσης από το ψηφιακό μοντέλο. Όλα τα εξετασθέντα συστήματα επέδειξαν ψευδοπλαστικότητα, με τα βιομελάνια του αμύλου σίτου με κόμμι ξανθάνης να υπερτερούν (78% εκτυπωσιμότητα) έναντι των υπόλοιπων βιομελανιών αναφορικά με την ποιότητα της εκτύπωσης, στο επίπεδο της μεσαίας (25%) και υψηλής (30%) συγκέντρωσης του αμύλου. Το άμυλο πατάτας σε όλα τα επίπεδα συγκέντρωσης και με όλους τους τύπους υδροκολλοειδών αξιολογήθηκε ως μη ικανό να υποστηρίξει τη 3DFP διεργασία βάσει των ρεολογικών του ιδιοτήτων. Στο δεύτερο σκέλος της διατριβής αξιολογήθηκε η επίδραση της εφαρμογής διαφορετικών μεθόδων διάτμησης για τη δομική τροποποίηση βιοπολυμερικών συστημάτων με βάση το άμυλο πατάτας και την κ-καραγεννάνη σε συνδυασμό με 4 διαφορετικούς τύπους συμπυκνωμάτων φυτικών πρωτεϊνών (φάβας, αρακά, κολοκύθας, ρυζιού). Η εφαρμογή διάτμησης επέδρασε σημαντικά στη ρεολογική απόκριση των συστημάτων βιοπολυμερών ανάλογα με τον τύπο του πρωτεϊνικού συμπυκνώματος, μειώνοντας τους ρεολογικούς συντελεστές και το ιξώδες των συστημάτων, με τη μικρότερη επίδραση να παρατηρείται στη διάτμηση με υπέρηχους. Η εφαρμογή υψηλής ομογενοποίησης επέδρασε σημαντικά στις ιδιότητες υφής των συστημάτων βιοπολυμερών αυξάνοντας τη σκληρότητά τους, γεγονός που συσχετίζεται με την αναδιάταξη του αμύλου, ενώ παράλληλα παρατηρήθηκε μεταβολή του θερμοκρασιακού εύρους της ζελατινοποίησης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και μείωση των τιμών της ενθαλπίας. Η επίδραση στις παραμέτρους υφής ήταν ανάλογη των διεργασιών διάτμησης και του τύπου του πρωτεϊνικού συμπυκνώματος. Η εφαρμογή διαφορετικών μεθόδων διάτμησης σε συστήματα βιοπολυμερών με βάση το άμυλο πατάτας, επηρεάζει σημαντικά τις λειτουργικές ιδιότητες των πηκτών τους, καθιστώντας κρίσιμο τον έλεγχο των παραμέτρων της διεργασίας για τον έλεγχο της τελικής υφής, ρεολογίας του τελικού προϊόντος. Στο τρίτο και τελευταίο σκέλος της παρούσας διατριβής χρησιμοποιήθηκε η γνώση που αποκομίστηκε από τις προηγούμενες ενότητες για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη λειτουργικών σνάκ ελεύθερων γλουτένης με βάση το άμυλο καλαμποκιού με τη χρήση της τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης. Ως παράγοντας διατροφικής ενίσχυσης των λειτουργικών σνάκ, χρησιμοποιήθηκαν σκόνη και εκχύλισμα βύσσινου που είναι πλούσιο σε βιοδραστικά συστατικά και διερευνήθηκε η επίδραση του εμπλουτισμού στις φυσικοχημικές, ρεολογικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες του ενδιάμεσου και τελικού προϊόντος. Παράλληλα, αξιολογήθηκε η μετα-επεξεργασία των εκτυπωμένων δομών σχετικά με την επίδραση 2 διαφορετικών μεθόδων ξήρανσης (ρεύμα θερμού αέρα και ξήρανση υπό κενό) στις παραπάνω ιδιότητες και στο συνολικό φαινολικό περιεχόμενο καθώς και την αντιοξειδωτική ικανότητα του τελικού προϊόντος. Τα αποτελέσματα έδειξαν την άμεση επίδραση των παραγόντων εμπλουτισμού στις υπό εξέταση φυσικοχημικές ιδιότητες συναρτήσει των διαφορετικών συνθηκών διόγκωσης που χρησιμοποιήθηκαν (μείωση του pH, μεταβολές των δεικτών χρώματος L*,a*,b*) καθώς και των ρεολογικών και μηχανικών αποκρίσεων των υλικών εκτύπωσης (αύξηση δυναμικών συντελεστών, σκληρότητας). Η ενσωμάτωση σκόνης και εκχυλίσματος βύσσινου, αύξησε το ολικό φαινολικό περιεχόμενο και επέδρασε θετικά στην αντιοξειδωτική δράση των εκτυπωμένων δομών συναρτήσει των διαφορετικών συνθηκών διόγκωσης, υποδηλώνοντας τη δυνητική χρήση μιας 3DFP τεχνολογίας για την παραγωγή λειτουργικών τροφίμων.