Lebensmittelingenieure in Brasilien und Frankreich entwickelten auf modifizierter Stärke basierende Gele zur Verwendung als “Tinte” zur Herstellung von Lebensmitteln und neuartigen Materialien durch Additivherstellung.
Es ist bereits möglich, Lebensmittel mit einem 3D-Drucker herzustellen und damit Produkte zu liefern, die den Vorlieben der Verbraucher hinsichtlich Geschmack, Textur, Kosten, Bequemlichkeit und Ernährung entsprechen. In naher Zukunft wird es möglich sein, Lebensmittel mit personalisierten Formen, Texturen, Geschmacksrichtungen und Farben herzustellen, die z.B. für Kinder und ältere Menschen als attraktiv und gesund gelten.
Eine Gruppe von Forschern an der Landwirtschaftshochschule Luiz de Queiroz der Universität São Paulo (ESALQ-USP) in Brasilien hat in Zusammenarbeit mit Kollegen in Frankreich an der Atlantischen Hochschule für Veterinärmedizin, Lebensmittelwissenschaft und -technik in Nantes (Oniris) und dem Nationalen Institut für Forschung über Landwirtschaft, Ernährung und Umwelt (INRAE) Fortschritte auf dem Weg zur Erreichung dieses Ziels gemacht. Sie entwickeln Hydrogele auf der Basis modifizierter Stärke zur Verwendung als “Tinte” beim 3D-Druck von Lebensmitteln.
Die jüngsten Ergebnisse des von FAPESP unterstützten Projekts werden in der Zeitschrift Food Research International veröffentlicht.
“In den letzten Jahren haben wir verschiedene Technologien entwickelt, um Stärke zu modifizieren und Gele mit idealen Eigenschaften für die Verwendung als “Tinte” zur Herstellung von Lebensmitteln durch 3D-Druck zu erhalten”, erklärte Pedro Esteves Duarte Augusto, Professor an der ESALQ-USP und Hauptforscher des Projekts, gegenüber Agência FAPESP.
Die ersten Gele, die von den Forschern hergestellt wurden, basierten auf Maniokstärke. Sie selbst entwickelten die Methode zur Modifizierung der Struktur und Eigenschaften der Stärke mit Ozon während eines früheren, ebenfalls von FAPESP unterstützten Projekts.
Sie produzierten Ozon, indem sie eine elektrische Entladung an Sauerstoff anlegten, das Gas in einem Behälter mit einer Mischung aus Wasser und Maniokstärke in Suspension aufblasen und die Mischung durch Entfernen des Wassers trocknen ließen. Das Ergebnis war modifizierte Stärke.
Durch die Variation verschiedener Aspekte des Prozesses wie Ozonkonzentration, Temperatur und Zeit konnten sie Gele mit unterschiedlichen Eigenschaften in Bezug auf die richtige Konsistenz für die Verwendung im 3D-Druck erhalten.
“Die Kontrolle der Bedingungen ermöglichte es uns, schwächere Gele für andere Anwendungen und festere Gele zu erhalten, die ideal für den 3D-Druck sind, da sie die Form der gedruckten Struktur beibehalten, ohne zu fließen oder Feuchtigkeit zu verlieren”, so Augusto.
In den vergangenen zwei Jahren haben die Forscher eine weitere Methode zur Stärkemodifizierung entwickelt. Dabei wird Maniok- und Weizenstärke in einem Ofen trocken erhitzt, wobei sowohl die Temperatur als auch die Zeit kontrolliert werden.
Mit der neuen Methode waren sie auch in der Lage, Gele auf der Basis modifizierter Stärke zu erhalten, die eine optimale Bedruckbarkeit aufweisen, definiert als die Fähigkeit, ein 3D-Objekt durch additive Herstellung (schichtweise Abscheidung) herzustellen und seine Struktur nach dem Druck beizubehalten. Die trockene Wärmebehandlung erweiterte auch die texturalen Möglichkeiten von Druckmustern auf der Basis von Weizenstärke-Hydrogelen.
“Wir erzielten mit beiden Methoden gute Ergebnisse. Sie sind einfach, billig und im industriellen Maßstab leicht zu implementieren”, sagte Augusto.
Proben von Gel auf der Basis von Maniok- und Weizenstärke wurden bei Oniris und INRAE in Frankreich im Rahmen eines Projekts zur Entwicklung funktioneller Gele auf Stärkebasis für den 3D-Druck gedruckt, das von der regionalen Innovationsagentur Pays de la Loire im Rahmen des Programms “Food 4 tomorrow” finanziert wurde.
Im Rahmen der Partnerschaft mit französischen Wissenschaftlern führte die ESALQ-USP-Forscherin Bianca Chieregato Maniglia bei Oniris und INRAE Postdoc-Forschungen durch, bei denen sie die Ozon- und Trockenheiztechniken anwandte, um Gele auf der Basis von modifizierter Maniok- und Weizenstärke für den 3D-Druck von Lebensmitteln herzustellen.
Die Techniken wurden in Zusammenarbeit mit anderen Forschern in der Forschungsgruppe für Verfahrenstechnik (Ge²P) von ESALQ-USP entwickelt.
“Die kombinierte Erfahrung aller am Projekt beteiligten Forscher ermöglichte es uns, Gele mit besserer Bedruckbarkeit zu erhalten, was zu Lebensmitteln mit besserer Form, Definition und Textur führte, die wesentliche Parameter für die Produktakzeptanz sind”, sagte Maniglia.
Neuartige Zutaten
Die ESALQ-USP-Gruppe plant nun, andere Modifikationsmethoden und Quellen für die Herstellung von 3D-Lebensmitteldruckgelen zu untersuchen. ESALQ-USP hat vor kurzem einen 3D-Drucker angeschafft, den sie zur Herstellung der mit den neuen Gelen entwickelten Strukturen verwenden wird.
Die auf modifizierter Maniok- und Weizenstärke basierenden Gele können zum Drucken anderer Dinge als Lebensmittel verwendet werden, wie z.B. biomedizinische Produkte einschließlich Arzneimittelkapseln und Nutraceuticals – Lebensmittel, die nicht nur nähren, sondern auch gesundheitliche Vorteile bringen sollen.
“Wir haben die Machbarkeit der Lebensmittelproduktion durch 3D-Druck und die Herstellung maßgeschneiderter Zutaten demonstriert. Jetzt planen wir, die Anwendungen zu erweitern und weitere Rohstoffe zu testen”, sagte Augusto.
Referenz: “Trockene Wärmebehandlung: Ein potenzielles Werkzeug zur Verbesserung der Weizenstärkeeigenschaften für die Anwendung des 3D-Lebensmitteldrucks” von Bianca C. Maniglia,
Dâmaris C. Lima, Manoel da Matta Júnior, Anthony Oge, Patricia Le-Bail, Pedro E.D. Augusto und Alain Le-Bail, 22. September 2020, Food Research International.
DOI: 10.1016/j.foodres.2020