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Impresión 3D de alimentos

Chocolate impreso en 3D La impresión 3D de alimentos es el proceso de fabricación de productos alimenticios mediante diversas técnicas de fabricación aditiva . Generalmente, se ...

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Chocolate impreso en 3D

La impresión 3D de alimentos es el proceso de fabricación de productos alimenticios mediante diversas técnicas de fabricación aditiva . Generalmente, se utilizan jeringas aptas para uso alimentario que contienen el material de impresión, el cual se deposita capa a capa a través de una boquilla también apta para uso alimentario. Las impresoras 3D de alimentos más avanzadas incluyen recetas precargadas y permiten al usuario diseñar sus alimentos de forma remota desde su ordenador, teléfono o dispositivo IoT . Los alimentos se pueden personalizar en forma, color, textura, sabor o valor nutricional, lo que las hace muy útiles en diversos campos como la exploración espacial y la atención médica. [ 1 ]

Historia

Fab@Home
Caramelos Fabulosos

Principios generales

Hay tres áreas generales que influyen en la impresión precisa y exacta de alimentos: materiales/ingredientes (viscosidad, tamaño del polvo), parámetros del proceso (diámetro de la boquilla, velocidad de impresión, distancia de impresión) y métodos de postprocesamiento (horneado, cocción en microondas, fritura). [ 10 ]

Materiales e ingredientes

El tipo de alimentos que se pueden 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 por extrusión son inherentemente lo suficientemente blandos como para extruirse desde una jeringa/cabezal de impresión y poseen una viscosidad lo suficientemente alta como para mantener una forma. [ 12 ] En ciertos casos, se agregan ingredientes en polvo (proteína, azúcar, etc.) para aumentar la viscosidad, por ejemplo, agregar harina al agua crea una pasta que se puede imprimir. [ 1 ] Los materiales inherentemente blandos incluyen: [ 13 ]

Algunos ingredientes sólidos pueden utilizarse fundiéndolos y luego extruyéndolos, por ejemplo, el chocolate . [ 14 ]

Ingredientes para sinterización selectiva por láser e inyección de aglutinante

Ingredientes en polvo: [ 15 ]

  • azúcar
  • cacao en polvo
  • proteína en polvo

Ingredientes para la impresión de inyección de tinta

Para el relleno de superficies se utilizan ingredientes de baja viscosidad : [ 16 ] [ 17 ]

  • salsas (pizza, salsa picante, mostaza, kétchup, etc.)
  • tinta alimentaria de color

Técnicas de impresión

Impresión basada en extrusión

Aunque existen diferentes enfoques para la impresión por extrusión, todos siguen los mismos procedimientos básicos. La plataforma sobre la que se imprimen los alimentos consta de una platina estándar de 3 ejes con un cabezal de extrusión controlado por ordenador. Este cabezal empuja los alimentos a través de una boquilla, generalmente mediante aire comprimido o presión. Las boquillas pueden variar según el tipo de alimento que se extruya o la velocidad de impresión deseada [ 18 ] (normalmente, cuanto más pequeña sea la boquilla, más tiempo tardará la impresión). A medida que se imprime el alimento, el cabezal de extrusión se mueve a lo largo de la platina 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 por extrusión se pueden adquirir para uso doméstico, suelen ser compactas y tienen un bajo costo de mantenimiento. Comparativamente, la impresión por extrusión ofrece al usuario una mayor variedad de materiales. Sin embargo, estos materiales alimentarios suelen ser blandos, lo que dificulta la impresión de estructuras alimentarias complejas. Además, los largos tiempos de fabricación y las deformaciones debidas a las fluctuaciones de temperatura durante el horneado o la fritura requieren investigación y desarrollo adicionales para superar estos problemas.

Termofusible y a temperatura ambiente

En la extrusión por fusión en caliente, el cabezal de extrusión calienta el material alimenticio ligeramente por encima de su punto de fusión. El material fundido se extruye a través del cabezal y se solidifica poco después. Esto permite manipular fácilmente el material para darle la forma o el modelo deseado. Alimentos como el chocolate se utilizan en esta técnica debido a su capacidad de fundirse y solidificarse rápidamente. [ 14 ]

Otros alimentos no requieren necesariamente un elemento calefactor para su impresión. Alimentos como la gelatina, el glaseado, el puré y otros similares con la viscosidad adecuada pueden imprimirse a temperatura ambiente sin necesidad de fundirlos previamente.

Sinterización selectiva por láser

Proceso de sinterización selectiva por láser

En la sinterización selectiva por láser , los materiales alimenticios en polvo se calientan y se unen para formar una estructura sólida. Este proceso se completa uniendo el material en polvo capa a capa mediante un láser como fuente de calor. Una vez que se completa una capa con las áreas deseadas unidas, se cubre con una nueva capa de polvo sin unir. Ciertas partes de esta nueva capa se calientan con el láser para unirlas a la estructura. Este proceso continúa verticalmente hacia arriba hasta que se construye el modelo de alimento deseado. Después de la construcción, el material sin unir se puede reciclar y utilizar para imprimir otro modelo de alimento.

La sinterización selectiva por láser permite la construcción de formas y modelos complejos, así como la creación de diferentes texturas en los alimentos. Sin embargo, está limitada por la variedad de materiales alimentarios adecuados, principalmente ingredientes en polvo. [ 2 ] Debido a esta limitación, la sinterización selectiva por láser se ha utilizado principalmente para la elaboración de dulces y caramelos.

Inyección de aglutinante

Proceso de inyección de aglutinante

De forma similar a la sinterización selectiva por láser, la inyección de aglutinante utiliza materiales alimentarios en polvo para crear un modelo capa a capa. En lugar de usar calor para unir los materiales, se utiliza un aglutinante líquido. Tras unir las áreas deseadas de una capa, se extiende una nueva capa de polvo sobre ella, cubriéndola. Ciertas partes de esta nueva capa se unen a la anterior. El proceso se repite hasta obtener 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 limitada por la gama de materiales alimentarios adecuados, es decir, ingredientes en polvo.

Impresión de inyección de tinta

La impresión de inyección de tinta se utiliza para rellenar superficies o decorar imágenes. [ 16 ] Aprovechando la gravedad, se deposita tinta comestible sobre la superficie del alimento, generalmente una galleta, un pastel u otro dulce. Este es un método sin contacto, por lo que el cabezal de impresión no toca el alimento, protegiéndolo de la contaminación durante el relleno de la imagen. Las gotas de tinta pueden contener una amplia gama de colores, lo que permite a los usuarios crear imágenes de alimentos únicas e individualizadas. [ 17 ] Un problema con la impresión de inyección de tinta es la incompatibilidad de los materiales alimenticios con la tinta, lo que resulta en la ausencia de imagen o una alta distorsión de la misma. [ 19 ] Las impresoras de inyección de tinta se pueden adquirir para uso doméstico o comercial, y las impresoras industriales son adecuadas para la producción en masa.

Múltiples cabezales de impresión y múltiples materiales.

En la impresión multimaterial y con múltiples cabezales de impresión , se imprimen varios ingredientes al mismo tiempo o sucesivamente. [ 20 ] Existen diferentes maneras de admitir la impresión multimaterial. En un caso, se utilizan varios cabezales de impresión para imprimir varios materiales/ingredientes, ya que esto puede acelerar la producción, aumentar la eficiencia y generar patrones de diseño interesantes. [ 16 ] En otro caso, hay un solo cabezal de impresión y, cuando se requiere un ingrediente diferente, la impresora cambia el material que se está imprimiendo. [ 21 ] La impresión de múltiples materiales/ingredientes equivale a una gama más diversa de comidas disponibles para imprimir, un rango nutricional más amplio y es bastante común en las impresoras de alimentos. [ 11 ]

Procesamiento posterior

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 el alimento impreso debe ser seguro 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 ensayo y error. Es decir, combinar aditivos alimentarios con los materiales/ingredientes para mejorar la integridad de estructuras complejas y para asegurar que la estructura impresa conserve su forma. [ 20 ] Se han añadido aditivos como la transglutaminasa [ 20 ] y los hidrocoloides [ 12 ] a los ingredientes para ayudar a conservar la forma impresa durante la impresión y después de la cocción.

Además, investigaciones recientes han generado una simulación visual para hornear panes, galletas, panqueques y otros alimentos similares que consisten en masa o mezcla (compuesta de agua, harina, huevos, grasa, azúcar y agentes leudantes). [ 22 ] Al ajustar ciertos parámetros en la simulación, se muestra el efecto realista que tendrá el horneado en los alimentos. Con más investigación y desarrollo, una simulación visual de alimentos impresos en 3D durante la cocción podría predecir qué partes son vulnerables a la deformación.

Aplicaciones

Nutrición personal

Se ha demostrado que la adaptación de las dietas a las necesidades nutricionales individuales contribuye a la prevención de enfermedades. [ 23 ] Por lo tanto, una alimentación nutritiva es fundamental para una vida sana. Los alimentos impresos en 3D permiten controlar la cantidad de proteínas, azúcares, vitaminas y minerales que se pueden incorporar a los alimentos que consumimos. [ 24 ]

Otro ámbito de la alimentación personalizada es la nutrición de las personas mayores. A veces, las personas mayores tienen dificultades para tragar alimentos y, por lo tanto, requieren una alimentación más blanda. [ 25 ] Sin embargo, estos alimentos suelen ser poco apetecibles, lo que provoca que algunas personas no consuman los nutrientes que su cuerpo necesita. [ 26 ] Los alimentos impresos en 3D pueden proporcionar una alimentación suave y estéticamente agradable que permita a las personas mayores consumir los nutrientes que su cuerpo requiere. [ 27 ]

En octubre de 2019, la empresa emergente Nourished 3D imprime gomitas nutricionales personalizadas a partir de 28 vitaminas diferentes. Las personas responden una encuesta y, según sus respuestas, se imprime una gomita nutricional personalizada para cada persona. [ 28 ]

Sostenibilidad y solución al hambre

El coste de criar 1 kg de carne de grillo comparado con 1 kg de carne de vaca.

A medida que la población mundial sigue creciendo, los expertos creen que los suministros de alimentos actuales no podrán abastecerla. [ 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 ] 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 obtener 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; por lo tanto, manteniendo intacto el valor nutricional del insecto.

Exploración espacial

A medida que los humanos comienzan a aventurarse en el espacio por períodos más prolongados, los requisitos nutricionales para mantener la salud de la tripulación son críticos. [ 32 ] [ 33 ] Actualmente, la NASA está explorando formas de integrar la impresión 3D de alimentos en el espacio para satisfacer las necesidades dietéticas de la tripulación. [ 34 ] La visión es imprimir en 3D capas de alimentos en polvo con una vida útil de 30 años en lugar de utilizar alimentos liofilizados tradicionales con una vida útil de 5 años. [ 35 ] Además de las necesidades dietéticas, 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. [ 36 ]

En septiembre de 2019, cosmonautas rusos, junto con la empresa emergente israelí Aleph Farms, cultivaron carne a partir de células de vaca y luego imprimieron en 3D las células para convertirlas en filetes. [ 37 ]

Bioimpresión de carne

La empresa austriaca Revo Foods ha creado una alternativa vegetal al filete de salmón, elaborada mediante impresión 3D de alimentos con un sistema de múltiples cabezales de impresión, que combina micoproteína y grasa vegetal para recrear la estructura de los filetes de salmón convencionales.

La ganadería es una de las principales causas de deforestación, degradación de la tierra , contaminación del agua y desertificación. Entre otras razones, esto ha impulsado el desarrollo de la prometedora tecnología de bioimpresión de carne. Una alternativa a la ganadería tradicional es la carne cultivada, también conocida como carne de laboratorio. La carne cultivada se produce mediante una pequeña biopsia de animales, la extracción de las células miosatélite y la adición de suero de crecimiento para multiplicarlas. El producto resultante se utiliza como material para la bioimpresión de carne. La fase de posprocesamiento incluye, entre otros pasos, la adición de saborizantes, vitaminas y hierro al producto. Otra alternativa es la impresión de un análogo de carne . Novameat , una startup española, ha logrado imprimir un filete vegetal que imita la textura y el aspecto de la carne real. [ 7 ] En 2023, la empresa austriaca de tecnología alimentaria Revo Foods lanzó una alternativa de filete de salmón impresa en 3D basada en micoproteína en los supermercados del grupo alemán REWE , que se convirtió en la primera alternativa de carne/marisco impresa en 3D disponible en supermercados de todo el mundo, marcando un hito importante hacia una mayor disponibilidad de productos alimenticios impresos en 3D. [ 38 ] [ 39 ]

Diseño creativo de alimentos

La presentación y personalización de la apariencia de los alimentos es una tendencia importante en la industria alimentaria . Hasta ahora, la personalización y el diseño creativo de alimentos requerían habilidades manuales, lo que resultaba en una baja tasa de producción y un alto costo. La impresión 3D de alimentos puede superar este problema al proporcionar las herramientas necesarias para el diseño creativo de alimentos, incluso para usuarios domésticos. [ 11 ] La impresión 3D de alimentos ha permitido diseños complejos que no se pueden lograr con la fabricación tradicional de alimentos. Logotipos de marcas, texto, firmas e imágenes ahora se pueden imprimir en algunos productos alimenticios como pasteles y café. También se han impreso formas geométricas complejas, principalmente con azúcar. Con la impresión 3D, los chefs ahora pueden convertir sus inspiraciones visuales en creaciones culinarias únicas. Otro beneficio es la posibilidad de imprimir comidas nutritivas con formas atractivas para los niños. [ 1 ]

Reducción del desperdicio de alimentos

A nivel mundial, un tercio del total de alimentos producidos para el consumo, alrededor de 1.600 millones de toneladas al año, se desperdicia. El desperdicio de alimentos ocurre durante el procesamiento, la distribución y el consumo. La impresión 3D de alimentos es una forma muy prometedora de reducir el desperdicio de alimentos durante la fase de consumo, al utilizar productos alimenticios como recortes de carne, frutas y verduras deformadas, subproductos de mariscos y productos perecederos. Estos productos se pueden procesar en una forma adecuada para la impresión. [ 40 ] Upprinting Food, una startup holandesa, ha estado mezclando y combinando diferentes ingredientes de residuos de alimentos para crear purés que luego se utilizan como materiales para la impresión 3D. [ 41 ] Los chefs también están creando diferentes platos a partir de sobras de comida utilizando impresoras 3D de alimentos. [ 42 ]

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 alimentarios suelen ser mucho más blandos que el plástico más débil utilizado en la impresión 3D, lo que hace que las estructuras impresas sean muy frágiles. [ 43 ] Hasta ahora, la mayoría de los estudios utilizan el método de ensayo y error para superar este desafío, pero los científicos están trabajando en el desarrollo de nuevos métodos que permitan 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. [ 44 ]

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 el momento, no existe software disponible que lo contemple. Desarrollar dicho software también es una tarea compleja debido a la gran variedad de materiales alimentarios. [ 43 ] Considerando que los usuarios particulares que incorporan la impresión 3D de alimentos en sus cocinas representan una parte significativa del total de usuarios, el diseño de la interfaz del software aumenta la complejidad. La interfaz de dicho software debe ser simple y tener una alta usabilidad , a la vez que proporciona suficientes funciones y opciones de personalización para el usuario sin causar sobrecarga cognitiva. [ 40 ]

Velocidad

La velocidad actual de impresión 3D de alimentos podría ser suficiente para uso doméstico, pero el proceso es muy lento para la producción en masa. [ 45 ] Los diseños simples tardan de 1 a 2 minutos, los diseños detallados de 3 a 7 minutos, y los diseños más complejos tardan aún más. [ 1 ] La velocidad de impresión de alimentos está estrechamente relacionada con las propiedades reológicas de los materiales. Las investigaciones muestran que una alta velocidad de impresión produce muestras de baja fidelidad debido al efecto de arrastre, mientras que una velocidad muy baja causa inestabilidad en la deposición del material. [ 40 ]

Para que la impresión 3D de alimentos se abra camino en la industria alimentaria, es necesario mejorar la velocidad de impresión o que el coste de dicha tecnología sea lo suficientemente asequible como para que las empresas puedan operar varias impresoras. [ 46 ]

Impresión multimaterial

El color, el sabor y la textura de los alimentos son de vital importancia en la elaboración de un producto comestible; por lo tanto, en la mayoría de los casos, se requiere que una impresora de alimentos admita la impresión multimaterial. Las impresoras 3D de alimentos disponibles actualmente se limitan al uso de pocos materiales diferentes debido a la dificultad de desarrollar capacidades de extrusión múltiples. Esto limita la variedad de productos alimenticios que se pueden imprimir en 3D, dejando fuera platos complejos que requieren muchos materiales diferentes. [ 43 ]

Seguridad

Al imprimir alimentos en 3D, la seguridad es fundamental. Una impresora de alimentos debe garantizar la seguridad a lo largo de todo el recorrido del alimento. [ 43 ] Debido a la posibilidad de que el alimento se atasque en algún punto del recorrido, la acumulación de bacterias es una preocupación importante. La estabilidad microbiana es un parámetro crucial de la calidad del alimento impreso, por lo que debe abordarse tanto durante el diseño de la impresora como durante el proceso de impresión. [ 40 ] Por otro lado, los materiales que entran en contacto con el alimento pueden no ser una preocupación tan significativa, ya que las impresoras de alta calidad utilizan acero inoxidable y materiales libres de BPA. [ 1 ]

Los productos alimenticios existentes en el mercado, como los chocolates de diversas formas, podrían escanearse fácilmente y los modelos 3D obtenidos podrían utilizarse para replicarlos. Estos modelos 3D podrían difundirse a través de Internet, lo que daría lugar a una infracción de derechos de autor. Existen leyes que regulan los derechos de autor, pero no está claro si serán suficientes para abarcar todos los aspectos de un campo como la impresión 3D de alimentos. [ 47 ]

Véase también

Referencias

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