Toidu 3D-printimine

Toidu 3D-printimine on toiduainete valmistamise protsess, mis kasutab kasutaja loodud mudeleid, et konstrueerida söödavast printimismaterjalist 3D-kujundeid. Toidu 3D-printer laob printimismaterjali kihtidena üksteise peale, surudes seda läbi otsiku ning moodustades selle abil soovitud kujundi. Sellise tootmisviisiga on võimalik toidu kuju, tekstuuri ja toiteväärtust kohandada vastavalt vajadusele. Söödavast materjalist 3D-printimist on juba kasutatud tahkete ja pooltahkete toodete valmistamiseks, nagu šokolaad, koogid, burgerid ja küpsised. Toidu printimismaterjali valikul tuleb arvestada faasisiirde ja keemiliste reaktsioonidega, sest need määravad 3D-printimisel toidukihtide siduvuse. Printimismeetodite puhul kasutatakse vastavaid materjale. Printimiseelselt peab materjal olema vedelas, pehmes (näiteks puuvilja- ja köögiviljapüreed, suhkrumass või pastatainas) või pulbrilises olekus (näiteks suhkur, kakaopulber või maitseained). Eelnevalt saab printimismaterjali lisada stabilisaatoreid ja lisaaineid, näiteks želatiini, kaltsiumkaseinaati, kaltsium/valgu lihapüreed, metüültselluloosi, transglutaminaasi või ksantaankummi. Toiduainete valmistamisel kasutatavaid 3D-printimise tehnikad saab jagada nelja põhirühma: selektiivne laserpaagutamine (selective laser sintering), kuuma õhu paagutamine (hot air sintering), vedela sideaine kasutamine (liquid binding) ja ekstrusioonimeetod. Ekstrusioonil põhineval toidu printimisel väljutatakse söödav printimismaterjal läbi otsiku suruõhu või pigistamise teel ja ladestatakse kihtide kaupa, et luua kolmemõõtmelisi struktuure. Kihi moodustamiseks väljastatakse materjal, kas otsikut platvormi kohal liigutades või platvormi otsiku all nihutades (materjali paremaks haardumiseks võib platvormi kuumutada). Kihte tekitatakse üksteise peale, kuni objekt on täielikult valminud. Ekstrusioonil põhineva 3D-printimise puhul on probleemiks kuju säilitamine ja stabiilsus pärast printimist. Toote kuju säilitamiseks, mikrobioloogilise ohutuse tagamiseks, säilivusaja pikendamiseks või eelistatuma välimuse saavutamiseks võib prinditud toitu järeltöödelda näiteks küpsetades, praadides või kuivatades. See meetod kasutab laserit toite- ja soojusallikana pulbrilise materjali struktuuri muutmiseks ning võimaldab valmistada mitmekihilist toitu, mille iga kiht sisaldab erinevaid toiduaineid. Kõigepealt kantakse toiduaine ehitusalusele pulbrikiht, mis tasandatakse rulliga. Seejärel sulatatakse see pulber eelnevalt programmeeritud piirkondadest laseriga. Pärast esimese kihi saavutamist teatud paksuseni toimub platvormi langetamine, et alustada järgmise kihi ladumist. See protsess jätkub, kuni lõplik 3D-toiduobjekt on valmis. Selektiivse laserpaagutamise tehnoloogiat kasutatakse just suuremate ja keerulisemate kujunduste puhul, kuna paagutamata pulber toimib tühimike ja muhkudega kujundites olulise toena. Seevastu ekstrusioonprintimisel, mis on toidu 3D-printimiseks kõige sagedamini kasutatav meetod, tuleks valmistada täiendavaid tugistruktuure. Selle meetodi puhul segatakse toorainet aeglaselt ning samal ajal suunatakse sinna kontrollitud õhuvool, mis läbib kitsa ava ning mille tulemusena moodustub algselt kahemõõtmelise kujuga homogeenne pulber. Järgmisena hakatakse õhukesi pulbrikihte selektiivselt kokku sulatama, pärast mida moodustub järk-järgult 3D-objekt. Valminud toode võetakse printimisaluselt ning kasutamata tooraine säilitatakse, et seda kasutada tulevastes tootmistsüklites. Sellist tehnoloogiat kasutades valminud toit saab valmis lühema ajaga, sest printimiseks ei ole vaja, et aluspind liiguks, kuna kuum õhk suunatakse otse pulbrilisele materjalile. Selektiivne laserpaagutamine ja kuuma õhu paagutamine ei vaja toote järeltahkumist. Siiski kuuma õhuga paagutamise meetodiga, mis kasutab printimismaterjalina pulbrit, ei saa printida värskeid toiduaineid. Lisaks võib juhtuda, et valminud toote pinnalt tuleb üleliigne pulber eemaldada, et parandada välispinna ebaühtlusi. Vedela sideaine meetodil valmib prinditav toit pulbrist (tavaliselt suhkrust või tärklisest) ning vedelal kujul toiduainest. Protsess nõuab tavaliselt kahte kambrit: ühes kambris on pulber ja teises kambris toimub 3D-mudeli loomine. Õhuke kiht pulbrit valatakse teise kambri platvormile. Vedel sideaine väljutatakse printeri otsikust pulbrikihile, mis ühendab omavahel pulbriosakesed. Järjestikused kihid ehitatakse analoogselt, lisades rohkem pulbrit ja vedelat sideainet. Lõpuks moodustub kolmemõõtmeline struktuur. Vedela sideainega toidu 3D-printimise eelisteks on lühike printimisaeg, võimalus valmistada tahkeid või pooltahkeid tooteid, luua valgurikkaid toite (kasutades kaltsiumkaseinaadi pulbrit) ning mõjutada prinditava toote tekstuuriomadusi (näiteks kummikommi taolise tekstuuriga proteiinibatoonid). Puuduseks on prinditud toidu ebatasane välispind, mis võib nõuda järeltöötlust, näiteks kõrgel temperatuuril kuivatamist. Teatud prinditavad materjalid, nagu juust ja šokolaad, säilitavad oma kuju pärast materjali ladestumist, välistades vajaduse täiendava järeltöötluse järele. Enamus juhtudel, pärast 3D-prinditud toidu valmimist, on vaja teha järeltöötlust. Maitse, kvaliteedi ja omaduste parandamiseks tuleks prinditud toodet näiteks küpsetada, keeta, praadida, külmutada või aurutada. Küpsetamise, praadimise ja aurutamise käigus väheneb toote niiskusesisaldus, mis parandab lõpptootes tekstuuri ja vähendab kleepuvust. Tavaliselt kaotavad teraviljatooted oma algse prinditud kuju ja tekitavad kõrge temperatuuri mõjul tühimikke. Selle probleemi lahendamiseks lisatakse printimismaterjali stabilisaatoreid ja lisaaineid. Võimaldab täpselt kontrollida valkude, sahhariidide, vitamiinide ja mineraalainete sisaldust isikupärastatud toitumisvajaduste jaoks . Kasulik inimestele, kellel on teatud tervislik seisund või toitumispiirangud . Toidujäätmed (lihatükid, kahjustatud puuviljad, mereandide kõrvalsaadused ja kiiresti riknevad tooted) saab uute roogade valmistamiseks ära kasutada . Keskkonnasõbralik alternatiiv traditsioonilisele loomakasvatusele (liha bioprintimine) . Võimaldab luua loomingulisi ja keerulisi kujundusi, näiteks logosid, trükikirja, pilte ja keerulisi geomeetrilisi kujundeid . Prinditud struktuurid on haprad toidumaterjalide pehmuse tõttu . Disaini kujundamine on keeruline, sest tuleb arvestada printimismaterjali füüsikalisi omadusi . Printimisprotsess on masstootmise jaoks aeglane : lihtsatele kujundustele võib kuluda 1–2 minutit, üksikasjalikele 3–7 minutit või veelgi kauem . Mitmest toiduainest roogade printimine on piiratud, peab kasutama mitut otsikut . Toidu kinnijäämise korral võib printerisse koguneda baktereid . Olemasolevate toiduainete digiteerimine 3D-kujundi saamiseks võib rikkuda autoriõiguseid . 3D-printerite kõrge hind takistab laialdast kasutuselevõttu . Kvalifitseeritud tööjõu puudus . Jonathan David Blutinger; Christen Cupples Cooper; Shravan Karthik; Alissa Tsai; Noà Samarelli; Erika Storvick; Gabriel Seymour; Elise Liu; Yorán Meijers; Hod Lipson (2023). "The future of software-controlled cooking". Nature. Vaadatud 20. veebruaril 2024. "Natural Machines Foodini Brochure (EN)" (PDF). Natural Machines. 2020. Vaadatud 20. veebruaril 2024. John Y Zhang; Janam K Pandya; David Julian McClements; Jiakai Lu; Amanda J Kinchla. "Advancements in 3D food printing: a comprehensive overview of properties and opportunities". National Center for Biotechnology Information. Lk 4752–4753. Vaadatud 20. veebruaril 2024. Jaspreet Kaur; Vishesh Bhadariya; Jyoti Singh; Prerna Gupta; Kartik Sharma; Prasad Rasane (2022). "Materials for Food Printing". ReasearchGat. Lk 1–8. Vaadatud 20. veebruaril 2024. Vogt (2017). "3D Food printing: What options the new technology offers" (PDF). DLG. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 30. september 2020. Vaadatud 9. aprillil 2024. Saddam Hussain; Santanu Malakar; Vinkel Kumar Arora (2021). "Extrusion‑Based 3D Food Printing: Technological Approaches, Material Characteristics, Printing Stability, and Post‑processing". Food Engineering Reviews. Lk 100–119. Vaadatud 3. aprillil 2024. Areti A. Leontiou; Stavros Georgopoulos; Vassilios Karabagias; George Kehayias; Anastasios Karakassides; Constantinos Salmas; Aris Giannakas (2023). "Three-Dimentional Printing Applications in Food Industry". ResearchGate. Lk 96–99. Vaadatud 10. aprillil 2024. Carla Severini; Antonio Derossi (2016). "Could the 3D printing technology be a useful strategy to obtain customized nutrition?". Journal of clinical gastroenterology. Lk 175–178. Vaadatud 3. aprillil 2024. "Teadlased töötasid välja meetodi,kuidas muuta 3D-printeriga tehtud köögiviljad maitsvamaks ja toitvamaks". Digigeenius. 2021. Vaadatud 28. veebruaril 2024. Fernanda C. Godoi; Bhesh R. Bhandari; Sangeeta Prakash; Min Zhang (2018). "Fundamentals of 3D Food Printing and Applications". Elsevier Science. Vaadatud 3. aprillil 2024. "What in the World is 3D Food Printing?". Revo Foods. 2023. Vaadatud 20. veebruaril 2024. {Netiviide|url=https://web.archive.org/web/20191211232110/https://3dfoodprinting.us/wp-content/uploads/2019/04/The-Ultimate-Guide-to-3D-Food-Printing041419.pdf |pealkiri=The Ultimate Guide to 3D Food Printing |vaadatud=2024-03-03 |perekonnanimi=Kakuk |eesnimi=Collette |väljaandja=3Dfoodprinting |aasta=2019}} Kamble, Sachin (2022). "3D Food Printing: what are the main adoption challenges ahead?". EDHEC. Vaadatud 3. märtsil 2024. Carolo, Lucas; Guthrie, Josiah (2023). "3D Printed Food: All You Need to Know". All3dp. Vaadatud 3. märtsil 2024.