title: Rheologische Untersuchungen von Lebensmittelmassen für deren 3D-Druck und experimentell basierte Modellbildung
Creators: name: Herold, Marius
Publisher: name: Universität Kassel
Year: 2024
Subjects: subject: Lebensmittel-3D-Druck
subject: Rheologie
subject: Hydrogel
subject: Hydrokolloide
classificationCode: 630
subject: 630
classificationCode: 600
subject: 600
classificationCode: Lebensmittel
subject: Lebensmittel
classificationCode: 3D-Druck
subject: 3D-Druck
classificationCode: Rheologie
subject: Rheologie
classificationCode: Hydrogel
subject: Hydrogel
classificationCode: Hydrokolloid
subject: Hydrokolloid

description: <p>Der Lebensmittel 3D-Druck gewinnt in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Um zu entscheiden, ob ein Lebensmittel bzw. eine Lebensmittelmasse überhaupt druckbar ist, wird versucht, die Druckbarkeit über die rheologischen Eigenschaften abzuleiten. Dafür wird im ersten Schritt zunächst eine Modellsubstanz, ein Hydrogel aus Methylcellulose und Weizenstärke (Hydrokolloide), entwickelt. Die Modellsubstanz variiert dabei in der Konzentration an Hydrokolloiden. Nachfolgend werden die optimalen Druckparameter für die Modellsubstanz ermittelt. Um den Zusammenhang zwischen Druckeigenschaften, Stabilität und rheologischen Eigenschaften festzustellen, werden Quader gedruckt und die Höhe und Breite im zeitlichen Verlauf gemessen. Um die Stabilität zu quantifizieren, werden Quader so lange gedruckt, bis diese einstürzen, um so den Parameter der maximal druckbaren Höhe zu bestimmen. Amplitudentests und Kriech-Erholungs-Versuche werden durchgeführt, um die Proben rheologisch zu charakterisieren. Die rheologische Charakterisierung wird vor und nach dem Drucken durchgeführt, um eine mögliche Schädigung durch das Drucken zu ermitteln. Anschließend werden Untersuchungen mit Lebensmittelmassen aus Karotten und Erbsen durchgeführt, um so zu überprüfen, ob ermittelte Zusammenhänge auch auf andere Lebensmittelmassen übertragbar sind. Ein Zusammenhang zwischen Druckeigenschaften, Stabilität und rheologischen Eigenschaften konnte eindeutig bestätigt werden. Eine Übertragung der gefundenen Zusammenhänge auf andere Massen ist jedoch nicht möglich.
Der Druckprozess führt bei allen untersuchten Proben zu einer Abnahme der Steifheit um ~10 %. Um den Druckprozess besser zu verstehen, wird versucht, den Druckprozess für Hydrogel im Rheometer zu imitieren. Hierzu wird mittels Sprungversuch die Belastung, die durch den Druckprozess entsteht, imitiert. Da sich beim Imitieren des Druckprozesses mittels Sprungversuch erst zeitverzögert ein konstanter Wert für die Viskosität einstellt, liegt hier transientes Fließen vor. Durch das Auftreten von transientem Fließen können die Fließvorgänge während des Druckens nicht imitiert werden, daher ist es nicht möglich, den Druckprozess mittels Rheometer zu imitieren.</p>
description: <p>Food 3D printing has become increasingly important in recent years. In order to decide whether a food or food mass is printable, an attempt is made to derive the printability via its rheological properties. In the first step a model substance, a hydrogel made of methylcellulose and wheatstarch (hydrocolloids) was developed. The model substance varies in the concentration of hydrocolloids. Subsequently, the optimum printing parameters for the model substance are determined. In order to determine the relationship between printing properties, stability, and rheological properties, cuboids are printed and after printing their height and width was measured as a function of time. To quantify the stability, cuboids are printed until they collapse to determine the maximum printable height. Amplitude sweeps and creep-recovery-tests are performed to characterize the rheological properties. Rheological characterization is performed before and after printing to determine the damage due to printing. Subsequently, studies are conducted with food masses produced from carrots and peas to verify whether determined relationships are transferable to other food masses. A correlation between printing properties, stability and rheological properties was confirmed. However, it is not possible to transfer the correlations to other masses.
The printing process leads to a decrease in stiffness of ~10 % for all samples investigated. In order for a better understanding of the printing process, an attempt is made to imitate the printing process for hydrogel by means of a rheometer. Therefore, the stress resulting from the printing process is imitated by an ORO-Test. Due to the occurrence of transient flow, it is not possible to imitate the printing process.</p>