چاپ سه‌بعدی غذا با استفاده از هیدروکلوئیدها: فرصت‌ها، چالش‌ها و کاربردها

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه علوم و مهندسی صنایع غذایی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان

2 دانشگاه صنعتی اصفهان- دانشکده کشاورزی- گروه علوم و صنایع غذیی

چکیده

چاپ سه‌بعدی غذا به‌عنوان یک فناوری نوین، نه‌تنها امکان تولید مواد غذایی لایه‌لایه و سفارشی‌سازی‌شده را فراهم می‌کند، بلکه به‌دلیل پتانسیل بالای آن در حل چالش‌های جهانی مانند سوءتغذیه، بهینه‌سازی تغذیه فردی، کاهش ضایعات غذایی و بهبود تولید پایدار اهمیت ویژه ای یافته است. ضرورت توسعه این فناوری از آن جهت است که می‌تواند نیازهای تغذیه‌ای گروه‌های حساس را به‌طور دقیق و قابل کنترل برآورده کرده و مسیر تولید غذاهای عملکردی، شخصی‌سازی‌شده و سازگار با رژیم‌های خاص را هموار سازد. این روش کاربردهای گسترده‌ای در تهیه غذاهای متنوع، به‌ویژه برای گروه‌های خاص مانند سالمندان، کودکان و بیماران دارد. مزایای اصلی آن شامل افزایش بهره‌وری تولید، کاهش ضایعات غذایی و خلق ساختارهای زیباشناختی و پیچیده است. مواد غذایی مورد استفاده در چاپ سه‌بعدی به سه دسته قابل چاپ به‌طور طبیعی، غیرقابل چاپ و جایگزین تقسیم می‌شوند. در این میان، هیدروکلوئیدها به دلیل ویژگی‌های رئولوژیکی مطلوب و توانایی ژل‌سازی، نقش کلیدی در بهبود عملکرد جوهر چاپ ایفا می‌کنند. ژلاتین، زانتان، کاراگینان و آلژینات از جمله مهم‌ترین هیدروکلوئیدهایی هستند که اثر آن‌ها بر بافت، پایداری، نگهداری آب و پذیرش حسی موادغذایی بررسی شده است. شواهد موجود نشان می‌دهد که انتخاب و ترکیب مناسب هیدروکلوئیدها و افزودنی‌ها می‌تواند کیفیت مکانیکی و حسی محصولات چاپ‌شده را به‌طور چشمگیری ارتقا دهد. علاوه بر ترکیبات فرمولاسیون، شرایط چاپ و فرآیندهای پس از چاپ نیز در تعیین کیفیت نهایی محصول نقش بسزایی دارند. در این مقاله مروری، عملکرد رئولوژیکی، چالش‌ها و رویکردهای نوین در بهبود کیفیت محصولات چاپ‌شده، با هدف ارائه تصویری جامع از نقش هیدروکلوئیدها در چاپ سه‌بعدی غذا، بررسی می‌شود. در نهایت می توان گفت، چاپ سه‌بعدی غذا با استفاده از هیدروکلوئیدها، افق‌های جدیدی را برای تولید غذاهای سالم، محصولات گیاهی و جایگزین‌های گوشتی گشوده و به‌عنوان رویکردی نوین در کاهش چالش‌های صنعت غذا و ارتقای تغذیه شناخته می‌شود.

چکیده تصویری

چاپ سه‌بعدی غذا با استفاده از هیدروکلوئیدها: فرصت‌ها، چالش‌ها و کاربردها

تازه های تحقیق

  • چاپ سه‌بعدی غذا رویکردی نوین در تولید مواد غذایی لایه‌ای و سفارشی‌سازی‌شده است که کاربردهای گسترده‌ای برای گروه‌های خاص دارد.
  • هیدروکلوئیدها مانند ژلاتین و کاراگینان نقش کلیدی در بهبود رئولوژی، ژل‌سازی و کیفیت مکانیکی محصولات چاپ‌شده دارند.
  • ترکیب مناسب هیدروکلوئیدها و افزودنی‌ها می‌تواند ویژگی‌های بافتی، حسی و پایداری مواد غذایی چاپ‌شده را به طور چشمگیری ارتقا دهد.
  • چاپ سه‌بعدی غذا با هیدروکلوئیدها افق‌های جدیدی برای تولید غذاهای سالم، محصولات گیاهی و جایگزین‌های گوشتی ایجاد می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

3D Food Printing with Hydrocolloids: Opportunities, Challenges, and Applications

نویسندگان [English]

  • Sahar Khalili 1
  • Hajar Shekarchizadeh 2
1 Master of science student, Department of Food Science and Technology, College of Agriculture, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran.
2 Professor, Department of Food Science and Technology, College of Agriculture, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran.
چکیده [English]

3D food printing, as an emerging technology, not only enables the layer-by-layer fabrication of customized foods, but has also gained significant importance due to its potential to address global challenges such as malnutrition, personalized nutrition management, food waste reduction, and the improvement of sustainable production. The development of this technology is crucial because it can precisely meet the nutritional needs of sensitive population groups and pave the way for producing functional, personalized foods tailored to specific dietary requirements. This method offers wide applications in preparing diverse foods, particularly for special groups such as the elderly, children, and patients. Its major advantages include enhanced production efficiency, reduced food waste, and the creation of complex and aesthetically appealing structures. Food materials used in 3D printing are generally categorized into naturally printable, non-printable, and alternative materials. Among these, hydrocolloids play a key role in improving printability due to their desirable rheological properties and gel-forming ability. Gelatin, xanthan, carrageenan, and alginate are among the most important hydrocolloids whose effects on texture, stability, water-holding capacity, and sensory acceptance have been widely investigated. Current evidence shows that selecting and combining appropriate hydrocolloids and additives can markedly enhance the mechanical and sensory quality of printed products. In addition to formulation components, printing parameters and post-printing (post-processing) treatments also play a decisive role in determining the final product quality. This review article examines the rheological performance, challenges, and novel approaches to improving the quality of printed products, with the aim of providing a comprehensive picture of the role of hydrocolloids in 3D food printing. Ultimately, 3D food printing using hydrocolloids opens new horizons for the production of healthy foods, plant-based products, and meat alternatives, and is increasingly recognized as an innovative approach to overcoming challenges in the food industry and advancing nutritional quality.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydrocolloid gels
  • 3D printer
  • 3D food printing
  • Gelatin
  • Carrageenan
[1]  Anukiruthika, T., Moses, J., & Anandharamakrishnan, C. (2020). 3D printing of egg yolk and white with rice flour blends. J. Food Eng., 265, 109691.
[2  Lanaro, M., Forrestal, D. P., Scheurer, S., Slinger, D. J., Liao, S., Powell, S. K., & Woodruff, M. A. (2017). 3D printing complex chocolate objects: Platform design, optimization and evaluation. J. Food Eng., 215, 13-22.
[3]  Shabir, I., Dar, A. H., Manzoor, S., Pandey, V. K., Srivastava, S., Shams, R., . . . Prithviraj, V. (2024). Advancements in Food Printing Technologies and Their Potential Culinary Applications: A Contemporary Exploration. J. Food Process. Preserv., 2024(1), 6621344.
[4]  Sun, J., Peng, Z., Zhou, W., Fuh, J. Y., Hong, G. S., & Chiu, A. (2015). A review on 3D printing for customized food fabrication. Procedia Manuf., 1, 308-319.
[5]  Niyet, I. Z., Dogan, S., & Cobanoglu, C. (2024). Feeding the future: 3D food printing as a strategic response to labor scarcity. Worldw. Hosp. Tour. Themes, 16(5), 555-565.
[6]  Millán, M. G. D. (2024). 3D Food Printing: Technological Advances, Personalization and Future Challenges in the Food Industry. Int. J. Gastron. Food Sci., 37, 100963.
[7]  Wang, J., Jiang, Q., Huang, Z., Muhammad, A. H., Gharsallaoui, A., Cai, M., . . . Sun, P. (2024). Rheological and mechanical behavior of soy protein-polysaccharide composite paste for extrusion-based 3D food printing: Effects of type and concentration of polysaccharides. Food Hydrocoll., 153, 109942.
[8]  Raiapaksha, R. R. A. K. N., Thilakarathne, B. L. S., Kondarage, Y. G., & De Silva, R. (2021). Design and development of pump based chocolate 3D printer. Paper presented at the Proc. Int. Res. Conf. Smart Comput. Syst. Eng. (SCSE), SCSE 2021.
[9]  Singhal, S., Rasane, P., Kaur, S., Garba, U., Bankar, A., Singh, J., & Gupta, N. (2020). 3D food printing: Paving way towards novel foods. An. Acad. Bras. Cienc., 92(3), e20180737.
[10]  Agunbiade, A. O., Song, L., Agunbiade, O. J., Ofoedu, C. E., Chacha, J. S., Duguma, H. T., . . . & Guine, R. P. (2022). Potentials of 3D extrusion-based printing in resolving food processing challenges: A perspective review. J. Food Process Eng., 45(4), e13996.
[11]  Sun, J., Zhou, W., Yan, L., Huang, D., & Lin, L. Y. (2018). Extrusion-based food printing for digitalized food design and nutrition control. J. Food Eng., 220, 1-11.
[12]  Li, X., Liu, B., Pei, B., Chen, J., Zhou, D., Peng, J., . . . Xu, T. (2020). Inkjet Bioprinting of Biomaterials. Chem. Rev., 120(19), 10793-10833.
[13]  Fukui, T. (2018). Nozzle-Free Inkjet Technology Nanoparticle Technology Handbook (pp. 691-694): Elsevier.
[14]  Bhat, Z. F., Morton, J. D., Kumar, S., Bhat, H. F., Aadil, R. M., & Bekhit, A. E.-D. A. (2021). 3D printing: Development of animal products and special foods. Trends Food Sci. Technol., 118, 87-105.
[15]  Abedini, A., Sohrabvandi, S., Sadighara, P., Hosseini, H., Farhoodi, M., Assadpour, E., . . . & Jafari, S. M. (2024). Personalized nutrition with 3D-printed foods: A systematic review on the impact of different additives. Adv. Colloid Interface Sci., 328, 103181.
[16]  Tian, H., Wu, J., Hu, Y., Chen, X., Cai, X., Wen, Y., . . . &  Wang, S. (2024). Recent advances on enhancing 3D printing quality of protein-based inks: A review. Compr. Rev. Food Sci. Food Saf., 23(3), e13349.
[17]  Wang, T., Lu, S., Hu, X., Xu, B., Bai, C., Ma, T., & Song, Y. (2024). Cellulose nanocrystals-gelatin composite hydrocolloids: Application to controllable responsive deformation during 3D printing. Food Hydrocoll., 151, 109780.
[18]  Wedamulla, N. E., Fan, M., Choi, Y. J., & Kim, E. K. (2023). Combined effect of heating temperature and content of pectin on the textural properties, rheology, and 3D printability of potato starch gel. Int. J. Biol. Macromol., 253, 127129.
[19]  Godoi, F. C., Prakash, S., & Bhandari, B. R. (2016). 3d printing technologies applied for food design: Status and prospects. J. Food Eng., 179, 44-54.
[20]  Dick, A., Dong, X., Bhandari, B., & Prakash, S. (2021). The role of hydrocolloids on the 3D printability of meat products. Food Hydrocoll., 119, 106879.
[21]  Zhong, Q., Chen, Y., Zhang, X., Yang, G., Jin, W., Peng, D., & Huang, Q. (2024). Correlation between 3D printability and rheological properties of biopolymer fluid: A case study of alginate-based hydrogels. J. Food Eng., 370, 111970.
[22]  Kirchmajer, D. M., Gorkin, R., & In Het Panhuis, M. (2015). An overview of the suitability of hydrogel-forming polymers for extrusion-based 3D-printing. J. Mater. Chem. B, 3(20), 4105-4117.
[23]  Chen, B., Xu, H., Liu, S., Shi, H., Tuo, X., & Gong, Y. (2024). Processing and performance of 3D-printed gelatin-based edible composite hydrogels. J. Appl. Polym. Sci., 141(30)., e55708.
[24]  Yang, G.-h., Han, Y., Tao, Y., Zhu, X.-y., & Xu, X.-l. (2022). Effect of gelatin on the 3 d printing forming stability of chicken meat paste. Food Sci., 43(12), 51-57.
[25]  Chow, C. Y., Thybo, C. D., Sager, V. F., Riantiningtyas, R. R., Bredie, W. L., & Ahrné, L. (2021). Printability, stability and sensory properties of protein-enriched 3D-printed lemon mousse for personalised in-between meals. Food Hydrocoll., 120, 106943.
[26]  Bulut, E. G., & Candoğan, K. (2022). Development and characterization of a 3D printed functional chicken meat based snack: Optimization of process parameters and gelatin level. LWT, 154, 112768.
[27]  Avallone, P. R., Russo Spena, S., Acierno, S., Esposito, M. G., Sarrica, A., Delmonte, M., . . . Grizzuti, N. (2023). Thermorheological behavior of κ-carrageenan hydrogels modified with xanthan gum. Fluids, 8(4), 119.
[28]  Zhu, Y., Di, W., Song, M., Chitrakar, B., & Liu, Z. (2023). Correlating 3D printing performance with sol-gel transition based on thermo-responsive k-carrageenan affected by fructose. J. Food Eng., 340, 111316.
[29]  Tian, H., Wang, K., Lan, H., Wang, Y., Hu, Z., & Zhao, L. (2021). Effect of hybrid gelator systems of beeswax-carrageenan-xanthan on rheological properties and printability of litchi inks for 3D food printing. Food Hydrocoll., 113, 106482.
[30]  Ko, H. J., Wen, Y., Choi, J. H., Park, B. R., Kim, H. W., & Park, H. J. (2021). Meat analog production through artificial muscle fiber insertion using coaxial nozzle-assisted three-dimensional food printing. Food Hydrocoll, 120, 106898.
[31]  Mallesham, P., Parveen, S., Pandiselvam, R., Rajkumar, P., & Naik, R. (2024). Characterisation of 3D printing cake batter with xanthan gum and optimization of printing parameters using response surface methodology. Int. J. Gastron. Food Sci., 38, 101026.
[32]  Zhao, Y., Li, Y., Liu, Q., Chen, Q., Sun, F., & Kong, B. (2024). Investigating the rheological properties and 3D printability of tomato-starch paste with different levels of xanthan gum. Int. J. Biol. Macromol., 257, 128430.
[33]  Bhuiyan, M. H. R., Yeasmen, N., & Ngadi, M. (2025). Effect of food hydrocolloids on 3D meat-analog printing and deep-fat-frying. Food Hydrocoll, 159, 110716.
[34]  Εkonomou, S. Ι., Hadnađev, M., Gioxari, A., Abosede, O. R., Soe, S., & Stratakos, A. C. (2024). Advancing dysphagia-oriented multi-ingredient meal development: Optimising hydrocolloid incorporation in 3D printed nutritious meals. Food Hydrocoll, 147, 109300.
[35]  Cai, Y., Wang, J., Xiao, S., Zhu, J., Yu, J., Li, L., & Liu, Y. (2023). The interaction study of soluble pectin fiber and surimi protein network from silver carp (Hypophthalmichthys molitrix) based on a new prediction model. Food Chem., 403, 134429.
[36]  Vancauwenberghe, V., Mbong, V. B. M., Vanstreels, E., Verboven, P., Lammertyn, J., & Nicolai, B. (2019). 3D printing of plant tissue for innovative food manufacturing: Encapsulation of alive plant cells into pectin based bio-ink. J. Food Eng., 263, 454-464.
[37]  Calton, A., Lille, M., & Sozer, N. (2023). 3-D printed meat alternatives based on pea and single cell proteins and hydrocolloids: Effect of paste formulation on process-induced fibre alignment and structural and textural properties. Food Res. Int., 174, 113633.
[38]  Feng, C., Zhang, M., Bhandari, B., Wang, Y., & Wang, B. (2021). Improvement of 3D printing properties of rose‐sodium alginate heterogeneous gel by adjusting rose material. J. Food Process Eng., 44(1), e13583.
[39]  Ma, C., Yan, J., Li, W., Wang, Y., McClements, D. J., Liu, X., & Liu, F. (2024). Enhanced printability of food-grade edible inks: Emulsions formulated with modified pea protein and sodium alginate. Food Hydrocoll, 152, 109946.
 
دوره 13، شماره 2
بهمن 1404
صفحه 185-205
  • تاریخ دریافت: 13 مهر 1404
  • تاریخ بازنگری: 23 آذر 1404
  • تاریخ پذیرش: 29 آذر 1404
  • تاریخ اولین انتشار: 29 آذر 1404
  • تاریخ انتشار: 01 بهمن 1404