< Terug naar vorige pagina

Project

3D Printen van plantenweefsel voor innovatieve productie van voedingsmiddelen

De wereldwijde markt voor voedingsproducten evolueert voortdurend ten gevolge van de stijgende vraag en de steeds veranderende voorkeuren van de consument. Het concept van gepersonaliseerde voeding met op maat gemaakte smaak- en voedingseigenschappen kent een stijgend publieke interesse. Als antwoord hierop worden digitale technologieën zoals additieve manufacturing (AM, beter gekend als 3D-printen) overwogen voor het ontwerpen en vervaardigen van voeding op een meer flexibele manier. De laatste jaren steeg het aantal prototypes van 3D-printers en werden verschillende toepassingen betreffende eetbare producten ontwikkeld. ‘3D food printing’ (3DFP) werd hiermee geïntroduceerd als nieuwe techniek voor voedselproductie.

Tot nu toe was de ontwikkeling van 3DFP hoofdzakelijk gericht op het formuleren van simpele recepten voor ‘voedselinkt’ met eigenschappen geschikt voor AM-technologieën en op de optimalisatie van printerparameters om nauwkeurig eenvoudige voedingsobjecten te printen. De diversiteit van textuureigenschappen van de door 3DFP geproduceerde voedingsobjecten blijft gelimiteerd omdat deze vaak niet in het structureel ontwerp in rekening gebracht worden of niet worden gewijzigd door het gebruik van meer complexe printmaterialen. Aspecten zoals echte personalisatie en innovatie van voedingsproducten via 3DFP krijgen dus nauwelijks aandacht. Een interessant concept is het 3D-printen van cellen, of zelfs artificiële cellen, om voedsel met een cellulair, weefselachtige structuur met willekeurige geometrie te bekomen. Het doel van dit doctoraatsonderzoek was om methodes te ontwikkelen om plantaardige materialen, zoals pectine en plantencellen, te printen voor een innovatieve en gepersonaliseerde voedselbereiding. Hierdoor draagt dit onderzoek bij tot de ontwikkeling van artificiële 3D cellulaire weefsels van plantcellen.

De eerste stap was het ontwikkelen van een in-house extrusiegebaseerde printer voor het 3D-printen van poreuze en op water gebaseerde voedselsimulanten met behulp van laag gemethoxyleerde pectinegels als voedselinkt. Een reeks pectinegels werd succesvol 3D-geprint na aanpassing van de procesparameters zoals de roersnelheid of de concentraties van pectine, CaCl2, runderserumalbumine en suikersiroop. Er werd aangetoond dat voedingsobjecten met variabele microstructuur- en textuureigenschappen 3D-geprint kunnen worden door de samenstelling van de voedselinkt aan te passen. De pectineconcentratie was de belangrijkste determinant voor de stevigheid en sterkte van het geprinte object. Suiker- en pectineconcentraties verhoogden de viscositeit en beïnvloedden de opbouwkwaliteit van het 3D object. Bovine serum albumine stabiliseerde en promootte de aeratie van de voedselinkt. Op basis van deze resultaten werd een predictiemodel opgesteld voor de formulering van de voedselinkt voor 3D-geprint voedselsimulanten met a priori gedefinieerde microstructuur en textuur.

Vervolgens toonden wij aan dat controle van de textuur ook kan worden gerealiseerd door voedselinkt te printen in structuren die ontworpen werden met een bepaalde porositeit. Analytische en eindige-elementen modellen werden gebruikt om textuureigenschappen van geprinte honingraatstructuren te voorspellen. Structuren met een variërende celgrootte werden 3D-geprint met behulp van verschillende voedselinkten, ieder met een verschillende pectine-concentratie en gekarakteriseerd met micro-CT en compressieanalyse. De Young’s modulus van het geprinte object, beschouwd als een benadering van textuur, was afhankelijk van zowel de Young’s modulus van de gegeleerde voedselinkt als van de porositeit van het geprinte object. De vergelijking van de textuureigenschappen van de geprinte structuren en deze voorspeld door analytische en eindige-elementenmodellen in functie van de porositeit toonde aan dat zowel de voorspelde als de werkelijke textuureigenschappen eenzelfde afnemende trend met toenemende porositeit vertonen. De resultaten benadrukken eveneens het belang van structuurovereenkomsten tussen ontwerp en het geprinte voedselstructuur voor een betrouwbaar voorspelling van textuureigenschappen.

Om het 3D-printproces te versnellen werd een coaxiale extrusieprinterkop ontworpen voor het 3D-printen van voedselsimulanten op basis van pectine. Hierbij stromen de voedselinkt en de CaCl2 crosslinkoplossing respectievelijk aan de binnen- en buitenzijde. Een serie kubusvormige objecten werden 3D-geprint waarbij de printparameters, waaronder de voedselinktsamenstelling, de dikte van de laag, en het debiet van de CaCl2-concentratie werden gevarieerd. De geprinte objecten hoeven niet meer te incuberen na de behandeling aangezien het geleren van de voedselinkt reeds tijdens het printen plaatsvindt. De mechanische eigenschappen van het geprinte object waren sterk gecorreleerd met hun Ca2+ concentraties, wat accuraat kan worden gecontroleerd door de snelheid en de CaCl2 concentratie van de stroom aan de buitenzijde aan te passen. Een predictiemodel werd opgesteld om de printerinstellingen te bepalen voor het printen van 3D-objecten met a priori vastgelegde textuur. Verder werden objecten geprint door zowel coaxiale als eenvoudige extrusiemethoden ook vergeleken. De methode die het verstijfselen van het geprinte object induceert had een duidelijke invloed op de eigenschappen van de objecten, zoals op de uiteindelijke Ca2+ concentratie, het volume en het faalgedrag onder compressie. Deze verschillen suggereren dat de textuurperceptie van geprinte objecten kan verschillen afhankelijk van de gebruikte extrusiemethode.

Tot slot werd getracht voedselsimulanten gelijkend op plantenweefsel te printen op basis van een voedselinkt met plantencellen. Een 3D-printmethode werd ontwikkeld op basis van extrusie van voedselinkt samengesteld uit een laaggemethoxyleerde pectinegel en ingebedde bladcellen van sla. Runderserumalbumine werd toegevoegd om de luchtfractie in de geprinte cel-matrix te verhogen. Objecten met een hoge celdichtheid werden succesvol geprint. De levensvatbaarheid van de ingekapselde plantcellen was afhankelijk van de pectineconcentratie en varieerde van 50 tot 60 %. Hoewel het printen van 3D artificieel plantweefsel nog voor uitdagingen staat, kunnen de bekomen resultaten beschouwd worden als een eerste stap binnen dit biomimetisch concept.

Datum:1 okt 2013 →  18 jun 2018
Trefwoorden:3-D printing
Disciplines:Landbouw, land- en landbouwbedrijfsbeheer, Biotechnologie voor landbouw, bosbouw, visserij en aanverwante wetenschappen, Visserij, Analytische chemie, Macromoleculaire en materiaalchemie, Andere chemie, Voeding en dieetkunde, Productie van landbouwdieren, Levensmiddelenwetenschappen en (bio)technologie
Project type:PhD project