Bozza:Stampa 3D di alimenti

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La stampa 3D di alimenti è il processo di produzione di prodotti alimentari utilizzando una varietà di tecniche di produzione additiva. Più comunemente, le siringhe di grado alimentare contengono il materiale di stampa, che viene poi depositato attraverso un ugello di grado alimentare strato per strato. Le stampanti 3D di cibo più avanzate hanno ricette pre-caricate a bordo e consentono inoltre all'utente di progettare da remoto il proprio cibo sui propri computer, telefoni o alcuni dispositivi IoT. Il cibo può essere personalizzato in forma, colore, consistenza, sapore o nutrizione, il che lo rende molto utile in vari campi come l'esplorazione spaziale e l'assistenza sanitaria^[1].

Ci sono tre aree generali che hanno un impatto sulla stampa alimentare precisa e accurata: materiali/ingredienti (viscosità, dimensione della polvere), parametri di processo (diametro dell'ugello, velocità di stampa, distanza di stampa) e metodi di post-elaborazione (cottura al forno, microonde, frittura)^[13].

Il tipo di cibo disponibile per la stampa è limitato dalla tecnica di stampa^[14].

Gli ingredienti comuni utilizzati nella stampa basata sull'estrusione sono intrinsecamente sufficientemente morbidi da essere estrusi da una siringa/testina di stampa e possiedono una viscosità sufficientemente elevata da mantenere una forma^[15]. In alcuni casi, vengono aggiunti ingredienti in polvere (proteine, zucchero, ecc.) per aumentare la viscosità, ad esempio aggiungendo farina all'acqua si crea una pasta che può essere stampata. I materiali intrinsecamente morbidi includono^[16]:

• gelatina
• glassa
• alcuni tipi di formaggio
• purè di patate

Alcuni ingredienti solidi possono essere utilizzati sciogliendoli e poi estrudendoli, ad esempio il cioccolato.

Ingredienti in polvere^[17]:

• zucchero
• cioccolato in polvere
• proteine ​​in polvere

Per il riempimento superficiale si utilizzano ingredienti a bassa viscosità^[18][19]:

• salse (pizza, salsa piccante, senape, ketchup, ecc.)
• inchiostro alimentare colorato

Sebbene esistano diversi approcci alla stampa basata sull'estrusione, questi approcci seguono le stesse procedure di base. La piattaforma su cui viene stampato il cibo è costituita da una fase standard a 3 assi con una testa di estrusione controllata dal computer. Questa testa di estrusione spinge i materiali alimentari attraverso un ugello, in genere tramite aria compressa o spremitura. Gli ugelli possono variare in base al tipo di cibo che viene estruso o alla velocità di stampa desiderata^[20] (in genere, più piccolo è l'ugello, più lunga sarà la stampa del cibo). Mentre il cibo viene stampato, la testa di estrusione si sposta lungo la fase a 3 assi stampando il cibo desiderato. Alcuni alimenti stampati richiedono un'ulteriore elaborazione, come la cottura al forno o la frittura, prima del consumo.

Le stampanti alimentari basate sull'estrusione possono essere acquistate per uso domestico, sono solitamente di dimensioni compatte e hanno bassi costi di manutenzione. In confronto, la stampa basata sull'estrusione offre all'utente una maggiore scelta di materiali. Tuttavia, questi materiali alimentari sono solitamente morbidi e, di conseguenza, rendono difficile la stampa di strutture alimentari complesse. Inoltre, i lunghi tempi di fabbricazione e le deformazioni dovute alle fluttuazioni di temperatura con ulteriore cottura o frittura richiedono ulteriore ricerca e sviluppo per essere superati.

Nell'estrusione hot-melt (o adesivo termofusibile), la testa di estrusione riscalda il materiale alimentare leggermente al di sopra del punto di fusione di esso. Il materiale fuso viene quindi estruso dalla testa e poi si solidifica subito dopo. Ciò consente al materiale di essere facilmente manipolato nella forma o nel modello desiderato. Cibi come il cioccolato vengono utilizzati in questa tecnica per la sua capacità di sciogliersi e solidificarsi rapidamente^[21].

Altri materiali alimentari non richiedono intrinsecamente un elemento riscaldante per essere stampati. Materiali alimentari come gelatina, glassa, purea e materiali alimentari simili con viscosità appropriata possono essere stampati a temperatura ambiente senza previa fusione.

Nella Sinterizzazione Selettiva con laser, i materiali alimentari in polvere vengono riscaldati e legati tra loro formando una struttura solida. Questo processo viene completato legando il materiale in polvere strato per strato con un laser come fonte di calore. Dopo che uno strato è completato con le aree desiderate legate, viene quindi coperto da un nuovo strato di polvere non legato. Alcune parti di questo nuovo strato non legato vengono riscaldate dal laser per legarlo alla struttura. Questo processo continua in modo verticale verso l'alto fino a quando non viene costruito il modello alimentare desiderato. Dopo la costruzione, il materiale non legato può quindi essere riciclato e utilizzato per stampare un altro modello alimentare.

La Sinterizzazione Selettiva con laser consente la costruzione di forme e modelli complessi e la capacità di creare diverse consistenze alimentari. È limitata dalla gamma di materiali alimentari adatti, vale a dire ingredienti in polvere^[22]. A causa di questa limitazione, la sinterizzazione laser selettiva è stata utilizzata principalmente per creare dolci/caramelle.

Similmente alla Sinterizzazione Selettiva con laser, il Binder Jetting utilizza materiali alimentari in polvere per creare un modello strato per strato. Invece di usare il calore per legare insieme i materiali, viene utilizzato un legante liquido. Dopo aver legato le aree desiderate di uno strato, un nuovo strato di polvere viene quindi steso sullo strato legato che lo ricopre. Alcune parti di questo nuovo strato vengono quindi legate allo strato precedente. Il processo viene ripetuto fino a quando non viene costruito il modello alimentare desiderato.

Come con la sinterizzazione laser selettiva, il Binder Jetting consente la costruzione di forme e modelli complessi e la capacità di creare diverse consistenze alimentari^[23]. Allo stesso modo, è anche limitato dalla gamma di materiali alimentari adatti, vale a dire ingredienti in polvere.

La stampa a getto d'inchiostro viene utilizzata per il riempimento di superfici o la decorazione di immagini^[24]. Utilizzando la gravità, l'inchiostro alimentare commestibile viene lasciato cadere sulla superficie del cibo, in genere un biscotto, una torta o un altro dolce. Questo è un metodo senza contatto, quindi la testina di stampa non tocca il cibo, proteggendolo dalla contaminazione durante il riempimento dell'immagine. Le gocce di inchiostro possono essere costituite da un'ampia gamma di colori, consentendo agli utenti di creare immagini alimentari uniche e personalizzate^[25]. Un problema con la stampa a getto d'inchiostro è che i materiali alimentari sono incompatibili con l'inchiostro, il che determina l'assenza di immagini o un'elevata distorsione dell'immagine^[26]. Le stampanti a getto d'inchiostro possono essere acquistate per uso domestico o commerciale e le stampanti industriali sono adatte per la produzione di massa.

Nella stampa multi-testa e multi-materiale, più ingredienti vengono stampati contemporaneamente o in successione^[27]. Esistono diversi modi per supportare la stampa multi-materiale. In un caso, vengono utilizzate più testine per stampare più materiali/ingredienti, poiché ciò può accelerare la produzione, l'efficienza e portare a interessanti modelli di progettazione^[28]. In un altro caso, c'è una testina e quando è richiesto un ingrediente diverso, la stampante cambia il materiale in fase di stampa. Più materiali/ingredienti equivalgono a una gamma più diversificata di pasti disponibili per la stampa, una gamma nutrizionale più ampia ed è abbastanza comune per le stampanti alimentari^[29].

Nella fase di post-elaborazione, il cibo stampato potrebbe richiedere ulteriori passaggi prima del consumo. Ciò include attività di elaborazione come cottura al forno, frittura, pulizia, ecc. Questa fase può essere una delle più critiche per il cibo stampato in 3D, poiché deve essere sicuro per il consumo. Un'ulteriore preoccupazione nella post-elaborazione è la deformazione del cibo stampato dovuta allo sforzo di questi processi aggiuntivi. I metodi attuali comportano tentativi ed errori. Vale a dire, la combinazione di additivi alimentari con i materiali/ingredienti per migliorare l'integrità di strutture complesse e per garantire che la struttura stampata mantenga la sua forma^[30]. Additivi come la transglutaminasi^[30] e gli idrocolloidi^[31] sono stati aggiunti agli ingredienti per aiutare a mantenere la forma stampata durante la stampa e dopo la cottura.

Inoltre, una ricerca recente ha prodotto una simulazione visiva per la cottura di pane, biscotti, pancake e materiali simili costituiti da impasto o pastella (miscele di acqua, farina, uova, grassi, zucchero e agenti lievitanti). Regolando determinati parametri nella simulazione, mostra l'effetto realistico che la cottura avrà sul cibo^[32]. Con ulteriori ricerche e sviluppi, una simulazione visiva di cibi stampati in 3D in cottura potrebbe prevedere cosa è vulnerabile alla deformazione.

I requisiti dietetici personalizzati per le esigenze nutrizionali di un individuo sono stati collegati alla prevenzione delle malattie^[33]. Pertanto, mangiare cibo nutriente è fondamentale per vivere una vita sana. Il cibo stampato in 3D può fornire il controllo necessario per mettere una quantità personalizzata di proteine, zucchero, vitamine e minerali negli alimenti che consumiamo.

Un altro ambito del cibo personalizzato è la nutrizione degli anziani. Essi a volte non riescono a deglutire i cibi e, di conseguenza, necessitano di alimenti più morbidi^[34]. Tuttavia, questi cibi sono spesso poco invitanti, il che porta alcuni individui a non mangiare ciò che i bisogni nutrizionali del loro corpo richiedono. Il cibo stampato in 3D può fornire un cibo morbido ed esteticamente gradevole in cui gli anziani possono soddisfare i bisogni dietetici del loro corpo.

Nell'ottobre 2019, la startup Nourished ha stampato in 3D caramelle gommose nutrizionali personalizzate da 28 diverse vitamine^[35]. Gli individui rispondono a un sondaggio, quindi in base alle loro risposte, viene stampata una caramella gommosa nutrizionale personalizzata per quell'individuo^[36].

Nel 2024 un team di ricercatori guidato dalla University of the West of England Bristol ha sviluppato pasti adatti a persone con disfagia utilizzando la tecnologia di stampa 3D^[37].

Poiché la popolazione mondiale continua a crescere, gli esperti ritengono che le attuali scorte alimentari non saranno in grado di soddisfare la popolazione^[38]. Pertanto, una fonte alimentare sostenibile è fondamentale. Gli studi hanno dimostrato che l'entomofagia, il consumo di insetti, ha il potenziale per sostenere una popolazione in crescita^[39]. Insetti come i grilli richiedono meno mangime, meno acqua e forniscono circa la stessa quantità di proteine ​​di polli, mucche e maiali^[39]. I grilli possono essere macinati in una farina proteica. In uno studio^[40], i ricercatori forniscono una panoramica del processo di stampa 3D di farina di insetti in alimenti che non assomigliano ad essi, mantenendo così intatto il valore nutrizionale dell'insetto.

Poiché gli esseri umani iniziano ad avventurarsi nello spazio per un periodo più lungo, i requisiti nutrizionali per il mantenimento della salute dell'equipaggio sono fondamentali^[41]. In epoca moderna la NASA sta esplorando modi per integrare la stampa 3D di cibo nello spazio al fine di sostenere i requisiti dietetici dell'equipaggio^[42]. La visione è di stampare in 3D strati di cibo in polvere che hanno una durata di conservazione di 30 anni invece di utilizzare il tradizionale cibo liofilizzato che ha una durata di conservazione di 5 anni^[43]. Oltre ai requisiti dietetici, la stampa 3D di cibo nello spazio potrebbe fornire una spinta al morale, poiché gli astronauti sarebbero in grado di progettare pasti personalizzati che siano esteticamente gradevoli^[44].

Nel settembre 2019, i cosmonauti russi, insieme alla startup israeliana Aleph Farms, hanno coltivato carne da cellule di mucca, quindi hanno stampato in 3D le cellule creando bistecche^[45].

L'allevamento di bestiame è uno dei principali fattori che contribuiscono alla deforestazione, al degrado del territorio, all'inquinamento delle acque e alla desertificazione. Tra le altre ragioni, ciò ha portato alla nuova promettente tecnologia della biostampa della carne. Un'alternativa all'allevamento di bestiame è la carne coltivata. Essa viene prodotta eseguendo una piccola biopsia dagli animali, estraendo le cellule miosatellite e aggiungendo siero di crescita per moltiplicare le cellule. Il prodotto risultante viene quindi utilizzato come materiale per la biostampa della carne. La fase di post-elaborazione, tra gli altri passaggi, include l'aggiunta di sapore, vitamine e ferro al prodotto. Un'altra alternativa è la stampa di un analogo della carne. Novameat, una startup spagnola, è stata in grado di stampare una bistecca a base vegetale e imitare la consistenza e l'aspetto della carne vera^[46]. Nel 2023, l'azienda austriaca di tecnologia alimentare Revo Foods ha lanciato un'alternativa al filetto di salmone stampata in 3D basata sulla micoproteina nei supermercati del gruppo tedesco REWE, che è diventata la prima alternativa di carne/frutti di mare stampata in 3D disponibile nei supermercati di tutto il mondo, segnando un'importante pietra miliare verso una maggiore disponibilità di prodotti alimentari stampati in 3D^[47][48].

La presentazione e la personalizzazione dell'aspetto del cibo per gli individui sono una grande tendenza nel settore alimentare. Finora la personalizzazione del cibo e i design creativi hanno richiesto competenze artigianali, il che si traduce in bassi tassi di produzione e costi elevati^[49]. La stampa alimentare 3D può superare questo problema fornendo gli strumenti necessari per la progettazione creativa del cibo anche per gli utenti domestici. La stampa alimentare 3D ha consentito alcuni design intricati che non possono essere realizzati con la produzione alimentare tradizionale. Loghi di marchi, testo, firme, immagini possono ora essere stampati su alcuni prodotti alimentari come pasticcini e caffè. Sono state stampate anche forme geometriche complesse, principalmente utilizzando zucchero. Con la stampa 3D, gli chef possono ora trasformare le loro ispirazioni visive in creazioni culinarie esclusive. Un altro vantaggio è la possibilità di stampare pasti nutrienti in forme che piacciono ai bambini^[50].

In tutto il mondo, un terzo del cibo totale prodotto per il consumo, circa 1,6 miliardi di tonnellate all'anno, va sprecato. Lo spreco alimentare avviene durante la lavorazione, la distribuzione e il consumo. La stampa 3D di cibo è un modo per ridurre lo spreco alimentare durante la fase di consumo, utilizzando prodotti alimentari come scarti di carne, frutta e verdura distorte, sottoprodotti di pesce e prodotti deperibili. Questi prodotti possono essere lavorati in una forma adatta alla stampa^[51]. Upprinting Food, una startup olandese, ha miscelato e combinato diversi ingredienti provenienti da scarti alimentari per creare purè che viene poi utilizzato come materiale per la stampa 3D^[52]. Gli chef stanno anche creando diversi piatti dagli avanzi di cibo utilizzando stampanti alimentari 3D^[53].

A differenza del cibo preparato tradizionalmente, la varietà di cibo che può essere prodotto utilizzando la stampa 3D è limitata dalle caratteristiche fisiche dei materiali alimentari. Essi sono generalmente molto più morbidi della plastica utilizzata nella stampa 3D, rendendo le strutture stampate molto fragili^[54]. Finora, la maggior parte degli studi utilizza tentativi ed errori come approccio per superare questa sfida, ma gli scienziati stanno lavorando allo sviluppo di nuovi metodi in grado di prevedere il comportamento di diversi materiali durante il processo di stampa. Questi metodi vengono sviluppati analizzando le proprietà reologiche dei materiali e la loro relazione con la stabilità di stampa^[55].

Quando si progetta un modello 3D per un prodotto alimentare, si dovrebbero tenere in considerazione i limiti fisici e geometrici dei materiali di stampa. Ciò rende il processo di progettazione un compito molto complesso e finora non è disponibile alcun software che ne tenga conto. Anche la creazione di tale software è un compito complesso a causa della vasta gamma di materiali alimentari. Considerando che gli utenti personali che incorporano la stampa alimentare 3D nelle loro cucine rappresentano una parte significativa degli utenti complessivi, la progettazione dell'interfaccia software aggiunge complessità. L'interfaccia di tale software dovrebbe essere semplice e avere un'elevata usabilità, pur fornendo comunque sufficienti funzionalità e opzioni di personalizzazione per l'utente senza causare sovraccarico cognitivo^[56].

L'attuale velocità di stampa 3D del cibo potrebbe essere sufficiente per l'uso domestico, ma il processo è molto lento per la produzione di massa^[57]. I progetti semplici richiedono da 1 a 2 minuti, i progetti dettagliati da 3 a 7 minuti e i progetti più intricati ancora più tempo^[58]. La velocità di stampa del cibo è strettamente correlata alle proprietà reologiche dei materiali. La ricerca mostra che un'elevata velocità di stampa si traduce in campioni di bassa fedeltà a causa dell'effetto di trascinamento, mentre una velocità molto bassa causa instabilità nella deposizione del materiale^[59].

Affinché la stampa 3D di cibo trovi la sua strada verso l’industria alimentare, la velocità di stampa deve essere migliorata o il costo di tale tecnologia deve essere sufficientemente accessibile da consentire alle aziende di utilizzare più stampanti^[60].

Il colore, il sapore e la consistenza del cibo sono di fondamentale importanza quando si fabbrica un prodotto commestibile, quindi nella maggior parte dei casi è necessario che una stampante alimentare supporti la stampa multi-materiale. Le attuali stampanti 3D per alimenti disponibili sono limitate all'utilizzo di pochi materiali diversi a causa della sfida di sviluppare più capacità di estrusione. Ciò limita la varietà di prodotti alimentari che possono essere stampati in 3D, escludendo piatti complessi che richiedono molti materiali diversi^[61].

Quando si stampa in 3D il cibo, la sicurezza è molto importante. Una stampante alimentare deve garantire la sicurezza lungo l'intero percorso del materiale alimentare. A causa della possibilità che il cibo rimanga incastrato da qualche parte lungo il percorso, l'accumulo di batteri è una preoccupazione importante. La stabilità microbica è un parametro cruciale della qualità del cibo stampato, quindi deve essere affrontata sia durante la progettazione della stampante che durante il processo di stampa. D'altra parte, i materiali che entrano in contatto con il cibo potrebbero non essere una preoccupazione così significativa poiché le stampanti di alta qualità utilizzano acciaio inossidabile e materiali privi di BPA^[62].

I prodotti alimentari esistenti sul mercato, come i cioccolatini in varie forme, potrebbero essere facilmente scansionati e i modelli 3D ottenuti potrebbero essere utilizzati per replicare tali prodotti. Questi modelli 3D potrebbero quindi essere diffusi tramite Internet, il che porterebbe alla violazione del copyright. Esistono leggi che regolano le questioni relative al copyright^[63], ma non è chiaro se saranno sufficienti a coprire tutti gli aspetti di un campo come la stampa alimentare 3D^[64].

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  Cioccolato stampato in 3D
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  Stampante 3D Fab@Home
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  Stampante 3D CandyFab
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  Il costo dell'allevamento di 1 kg di carne di grillo rispetto a 1 kg di carne di mucca.