Σχεδιασμός τροφίμου με έμφαση στη δημιουργία τρισδιάστατων δομών τροφίμων με ειδικές ιδιότητες ποιότητας

Abstract

The technology of three-dimensional (3D) printing offers the possibility of adjusting the shape, texture properties as well as the nutritional content of staple food. Currently, one of the limitations preventing the wider application of this technology for food production is the lack of understanding of how material properties impact the process course and the quality of the final printed object. In this thesis, extrusion-based 3D food printing (3DFP) was performed using a Cartesian-type 3D printer equipped with a syringe extrusion system. In the first part of the thesis, different biopolymer systems based on wheat, corn, potato starch combined with pea protein concentrate and 3 types of hydrocolloids (gum arabic, xanthan gum and κ-carrageenan) were evaluated regarding their physicochemical properties and thus their applicability as bioinks for the 3D printing process. For this purpose, the printing process was optimized with the appropriate setting of the printing parameters (extrusion speed, % flow rate, layer height and thickness, nozzle distance from the printing platform, etc.). The % printability of the printed structures was evaluated by measuring the % deviation of the printing accuracy from the digital model. All biopolymer systems examined displayed pseudoplasticity, with wheat starch bioinks with xanthan gum surpassing (78% printability) the other bioinks in terms of print quality, at the medium (25%) and high (30%) starch concentration level. Potato starch at all concentration levels and with all types of hydrocolloid was assessed as unable to support the 3DFP process based on its rheological properties. In the second part of this thesis, the effect of the application of different shearing methods for the structural modification of biopolymeric systems based on potato starch and κ-carrageenan in combination with 4 different types of vegetable protein concentrates (fava bean, pea, pumpkin, rice) was evaluated. The application of shear significantly affected the rheological response of the biopolymer systems depending on the type of protein concentrate, reducing the rheological coefficients and viscosity of the systems, with the least effect being observed for ultrasonic shearing. The application of high shearing significantly affected the textural properties of the biopolymer systems by increasing their hardness, which correlates with starch retrogradation, while a shift in the temperature range of gelatinization to lower temperatures and a decrease in enthalpy values were also observed. The effect on textural parameters was proportional to the shearing processes and the type of protein concentrate. The application of different shearing methods to potato starch-based biopolymer systems significantly affects the functional properties of their gels, making it critical to adjust the process parameters to control the texture, rheology of the final product. In the third and final part of this thesis, the knowledge gained from the previously conducted research was used as a framework for designing and development of functional gluten-free snacks based on corn starch using 3DFP technology. Sour cherry powder and extract, which are rich in bioactive components, were used as a nutritional enhancement agent for functional snacks, and the effect of the enrichment on the physicochemical, rheological, thermal and mechanical properties of the intermediate and final product was also investigated. At the same time, the post-processing of the printed structures was evaluated regarding the effect of 2 different drying methods (hot air stream and vacuum drying) on the above discussed properties and on the total phenolic content and antioxidant capacity of the final product. The results showed the direct effect of the enrichment factors on the physicochemical properties under consideration (decrease in pH, changes in color parameters) as a function of the different leavening conditions used (dry yeast, chemical leavening) as well as the rheological and mechanical responses of the printing materials (increase in dynamic moduli, hardness). The incorporation of sour cherry powder and extract increased the total phenolic content and positively affected the antioxidant activity of the printed structures according to the different leavening conditions, suggesting the potential use of a 3DFP technology for the production of functional foods.

H τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης, προσφέρει τη δυνατότητα της προσαρμογής του σχήματος, των ιδιοτήτων υφής καθώς και του θρεπτικού περιεχομένου των τροφίμων. Ένας από τους περιορισμούς που επί του παρόντος εμποδίζουν την ευρύτερη εφαρμογή της τεχνολογίας αυτής για την παραγωγή τροφίμων είναι η έλλειψη κατανόησης του τρόπου με τον οποίο οι ιδιότητες των τροφίμων επηρεάζουν την πορεία της διεργασίας και την ποιότητα του τελικού εκτυπωμένου αντικειμένου. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε τρισδιάστατη εκτύπωση τροφίμων με βάση την εξώθηση με τη χρήση ενός καρτεσιανού τύπου τρισδιάστατου εκτυπωτή εξοπλισμένου με ένα σύστημα εξώθησης σύριγγας. Στο πρώτο σκέλος της διατριβής αξιολογήθηκαν διαφορετικά συστήματα βιοπολυμερών με βάση το άμυλο σίτου, καλαμποκιού, πατάτας σε συνδυασμό με συμπύκνωμα πρωτεΐνης αρακά και 3 τύπους υδροκολλοειδών (αραβικό κόμμι, κόμμι ξανθάνης και κ-καραγεννάνη) αναφορικά με τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες και κατ’επέκταση της εφαρμοσιμότητά τους ως βιομελάνια για τη διεργασία τρισδιάστατης εκτύπωσης. Για το σκοπό αυτό, έγινε βελτιστοποίηση της διεργασίας εκτύπωσης με την κατάλληλη ρύθμιση των παραμέτρων εκτύπωσης (ταχύτητα εξώθησης, % ποσοστό ροής, ύψος και πάχος στρώσης, απόσταση ακροφυσίου από την πλατφόρμα εκτύπωσης κ.ά). Η % εκτυπωσιμότητα των εκτυπωμένων δομών αξιολογήθηκε με τη μέτρηση της % απόκλισης της ακρίβειας της εκτύπωσης από το ψηφιακό μοντέλο. Όλα τα εξετασθέντα συστήματα επέδειξαν ψευδοπλαστικότητα, με τα βιομελάνια του αμύλου σίτου με κόμμι ξανθάνης να υπερτερούν (78% εκτυπωσιμότητα) έναντι των υπόλοιπων βιομελανιών αναφορικά με την ποιότητα της εκτύπωσης, στο επίπεδο της μεσαίας (25%) και υψηλής (30%) συγκέντρωσης του αμύλου. Το άμυλο πατάτας σε όλα τα επίπεδα συγκέντρωσης και με όλους τους τύπους υδροκολλοειδών αξιολογήθηκε ως μη ικανό να υποστηρίξει τη 3DFP διεργασία βάσει των ρεολογικών του ιδιοτήτων. Στο δεύτερο σκέλος της διατριβής αξιολογήθηκε η επίδραση της εφαρμογής διαφορετικών μεθόδων διάτμησης για τη δομική τροποποίηση βιοπολυμερικών συστημάτων με βάση το άμυλο πατάτας και την κ-καραγεννάνη σε συνδυασμό με 4 διαφορετικούς τύπους συμπυκνωμάτων φυτικών πρωτεϊνών (φάβας, αρακά, κολοκύθας, ρυζιού). Η εφαρμογή διάτμησης επέδρασε σημαντικά στη ρεολογική απόκριση των συστημάτων βιοπολυμερών ανάλογα με τον τύπο του πρωτεϊνικού συμπυκνώματος, μειώνοντας τους ρεολογικούς συντελεστές και το ιξώδες των συστημάτων, με τη μικρότερη επίδραση να παρατηρείται στη διάτμηση με υπέρηχους. Η εφαρμογή υψηλής ομογενοποίησης επέδρασε σημαντικά στις ιδιότητες υφής των συστημάτων βιοπολυμερών αυξάνοντας τη σκληρότητά τους, γεγονός που συσχετίζεται με την αναδιάταξη του αμύλου, ενώ παράλληλα παρατηρήθηκε μεταβολή του θερμοκρασιακού εύρους της ζελατινοποίησης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και μείωση των τιμών της ενθαλπίας. Η επίδραση στις παραμέτρους υφής ήταν ανάλογη των διεργασιών διάτμησης και του τύπου του πρωτεϊνικού συμπυκνώματος. Η εφαρμογή διαφορετικών μεθόδων διάτμησης σε συστήματα βιοπολυμερών με βάση το άμυλο πατάτας, επηρεάζει σημαντικά τις λειτουργικές ιδιότητες των πηκτών τους, καθιστώντας κρίσιμο τον έλεγχο των παραμέτρων της διεργασίας για τον έλεγχο της τελικής υφής, ρεολογίας του τελικού προϊόντος. Στο τρίτο και τελευταίο σκέλος της παρούσας διατριβής χρησιμοποιήθηκε η γνώση που αποκομίστηκε από τις προηγούμενες ενότητες για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη λειτουργικών σνάκ ελεύθερων γλουτένης με βάση το άμυλο καλαμποκιού με τη χρήση της τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης. Ως παράγοντας διατροφικής ενίσχυσης των λειτουργικών σνάκ, χρησιμοποιήθηκαν σκόνη και εκχύλισμα βύσσινου που είναι πλούσιο σε βιοδραστικά συστατικά και διερευνήθηκε η επίδραση του εμπλουτισμού στις φυσικοχημικές, ρεολογικές, θερμικές και μηχανικές ιδιότητες του ενδιάμεσου και τελικού προϊόντος. Παράλληλα, αξιολογήθηκε η μετα-επεξεργασία των εκτυπωμένων δομών σχετικά με την επίδραση 2 διαφορετικών μεθόδων ξήρανσης (ρεύμα θερμού αέρα και ξήρανση υπό κενό) στις παραπάνω ιδιότητες και στο συνολικό φαινολικό περιεχόμενο καθώς και την αντιοξειδωτική ικανότητα του τελικού προϊόντος. Τα αποτελέσματα έδειξαν την άμεση επίδραση των παραγόντων εμπλουτισμού στις υπό εξέταση φυσικοχημικές ιδιότητες συναρτήσει των διαφορετικών συνθηκών διόγκωσης που χρησιμοποιήθηκαν (μείωση του pH, μεταβολές των δεικτών χρώματος L*,a*,b*) καθώς και των ρεολογικών και μηχανικών αποκρίσεων των υλικών εκτύπωσης (αύξηση δυναμικών συντελεστών, σκληρότητας). Η ενσωμάτωση σκόνης και εκχυλίσματος βύσσινου, αύξησε το ολικό φαινολικό περιεχόμενο και επέδρασε θετικά στην αντιοξειδωτική δράση των εκτυπωμένων δομών συναρτήσει των διαφορετικών συνθηκών διόγκωσης, υποδηλώνοντας τη δυνητική χρήση μιας 3DFP τεχνολογίας για την παραγωγή λειτουργικών τροφίμων.