Personalized meal by using different proteins based on 3D printing
Authors:   , Mirazimi Farnaz Sadat 
Published: September 2024

(English) Currently, the use of 3D printing technology in the food sector is being considered, which can improve or displace some of the traditional methods of food manufacturing. The 3D printing market has grown significantly and is poised to grow in line with the digitization and robotization of manufacturing. This technology can allow relocation of food preparation and personalize diets adapting them to the personal needs of everyone (malnutrition, swallowing problems, diets for the elderly, athletes, children, pregnant women...). On the other hand, we find ourselves with the problem of the scarcity of resources due to population growth and obtaining food through current production systems that will need to be revised to reduce the carbon footprint and energy consumption. Another factor to consider is also the waste generated during production, transformation and consumption. The use of personalized nutritional formulations from printable ingredients could be a solution, although it is still a challenge.
The main objective has been to design different formulations of protein-enriched mashed potatoes for personalized diets. For this, different formulations of mashed potato enriched with soy protein (SPAH) were designed at different concentrations (3%, 5% and 7%) together with 0.2% agar to study their ability to be printable for using by people with dysphagia. In addition, the effect of different proteins (soy, cricket and egg albumin) at concentrations of 3% and 5% in the formulation was evaluated through the evaluation of their rheological characteristics (viscosity, thixotropy, creep and viscoelastic behavior), textural characteristics (TPA (Texture Profile Analysis), force of extrusion and back-extrusion), ability to be printed and sensory characteristics (hedonic and sensory evaluation).
Of all the formulations tested, it was obtained that the best capacity to be printed was achieved in the sample with 5% soy protein and 0.2% agar, which presented values of yield stress (1489 Pa) and storage modulus (1352 Pa. s). All the samples of puree enriched with SPAH presented a noticeable increase in viscosity and elastic limit, which favors its impression.
According to the IDDSI (International Dysphagia Diet Standardization Initiative) test, all samples (with SPAH and agar) were suitable for use in people with dysphagia problems. On the other hand, it was observed in all the formulations used that not only the rheological properties such as yield stress and viscoelastic behavior, but also the texture test, such as force of extrusion and back-extrusion, can be correlated with printability. The force of extrusion test with firmness and consistency results in a minimum range of (0.03 N) and (0.40 N·s) respectively, allow favorable 3D printing. Of the formulations used, those containing soy and cricket protein with values of firmness and consistency between the range of (0.03 –0.04 N) and (0.40–0.52 N·s), respectively, presented great stability even for complex shapes. while the formulations with egg albumin could not achieve this stability due to the fact that the interlocking networks were very weak, presenting significantly lower rheological and textural values. The puree enriched with cricket protein and SPAH showed good mechanical properties for printing and self-supporting, but SPAH protein was not acceptable due to the taste and odor induced by the acid hydrolysis process, but in most cases the attributes sensory (firmness, thickness, smoothness, rate of breakdown, adhesive, and difficulty swallowing) were positively correlated with instrumental parameters and 3D printing. In conclusion, in this thesis, it has been shown that the enrichment of mashed potatoes with different proteins (soy, cricket) for 3D printing is feasible. This allows the customization of fortified foods for people with special needs.
(Español) El mercado de la impresión 3D ha crecido significativamente y está preparado para crecer en línea con la digitalización y la robotización de la fabricación. Su uso en el sector alimentario puede dar lugar a grandes cambios tanto desde el punto de vista tecnológico como en el de fabricación. El uso de esta tecnología podría permitir la deslocalización de la preparación de los alimentos y la realización personalizada de dietas, adaptándolas a las necesidades personales de cada consumidor. Por otro lado, nos encontramos con problema de escasez de recursos por el crecimiento continuado de la población y que la obtención de alimentos a través de los sistemas de producción actuales comporta importantes efectos sobre el medioambiente, especialmente relevantes, sobre la huella de carbono y a nivel de consumo energético. Otro factor a considerar también son los residuos generados durante la producción transformación y consumo. El uso de formulaciones nutricionales personalizadas a partir de ingredientes imprimibles podría ser una solución, aunque no deja de ser un desafío.
El objetivo principal ha sido diseñar diferentes formulaciones de puré de patata enriquecido con proteína para dietas personalizadas. Para ello, se diseñaron diferentes formulaciones de puré de patata enriquecido con proteína de soja (SPAH) a diferentes concentraciones (3%, 5% y 7%) conjuntamente con agar al 0,2% para comprobar su aptitud a ser imprimibles para su uso en personas con disfagia. Además, se evaluó el efecto de diferentes proteínas (soja, grillo y albúmina de huevo) a concentraciones del 3% y 5% en la formulación a través de la evaluación de sus características reológicas (viscosidad, tixotropía, fluencia y comportamiento viscoelástico), texturales (TPA, fuerza de extrusión y retroextrusión), capacidad de ser impresa y sensoriales (evaluación hedónica y sensorial).
De todas las formulaciones ensayadas, se obtuvo que la mejor capacidad para ser impresa se logró en la muestra con un 5 % de proteína de soja y un 0,2 % de agar, que presentó valores de fluencia (1489 Pa) y módulo de almacenamiento (1352 Pa·s). Todas las muestras de puré enriquecidas con SPAH presentaron un incremento notorio de la viscosidad y del límite elástico, lo que favorece su impresión. Según la prueba IDDSI, todas las muestras (con SPAH y agar) eran adecuadas para su uso en personas con problemas de disfagia. Por otro lado, se observó en todas las formulaciones utilizadas que no solamente las propiedades reológicas como fluencia y comportamiento viscoelástico, sino que también la prueba de textura, como fuerza de extrusión y retroextrusión, pueden ser correlacionadas con la capacidad de impresión. La prueba de fuerza de extrusión con resultados de firmeza y consistencia en un rango mínimo de (0,03 N) y (0,40 N·s) respectivamente, permiten la impresión 3D favorable. De las formulaciones utilizadas las que contenían proteína de soja y grillo con valores de firmeza y consistencia entre el rango de (0,03– 0,04 N) y (0,40 – 0,52 N·s) respectivamente presentaron gran estabilidad incluso para formas complejas, mientras que las formulaciones con albúmina de huevo no pudieron lograr esta estabilidad debido a que las redes de entrelazamiento eran muy débiles, presentando valores reológicos y texturales significativamente inferiores. El puré de patata enriquecido con proteína de grillo y SPAH mostraron buenas propiedades mecánicas para la impresión y autosoporte, pero la proteína SPAH no fue aceptable debido al sabor y olor inducido por el proceso de hidrólisis ácida, pero en la mayoría de los casos los atributos sensoriales se correlacionaron positivamente con los parámetros instrumentales y la impresión 3D. En conclusión, en esta tesis se ha demostrado que es viable el enriquecimiento del puré de patata con diferentes proteínas (soja, grillo) para su impresión en 3D. Lo que permite la personalización de alimentos fortificados para personas con necesidades especiales.