La impresión 3D de alimentos es un proceso de fabricación de productos alimenticios que utiliza una variedad de técnicas de fabricación aditiva. Por lo general, las jeringas de grado alimenticio contienen el material de impresión, que luego se deposita a través de una boquilla de grado alimenticio capa por capa. Las impresoras 3D de alimentos más avanzadas tienen recetas precargadas a bordo y también permiten al usuario diseñar de forma remota su comida en sus computadoras, teléfonos o algún dispositivo IoT . La comida se puede personalizar en forma, color, textura, sabor o nutrición, lo que la hace muy útil en varios campos, como la exploración espacial y la atención médica. [1]
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Hay tres áreas generales que impactan en la impresión precisa y exacta de alimentos: materiales/ingredientes (viscosidad, tamaño del polvo), parámetros del proceso (diámetro de la boquilla, velocidad de impresión, distancia de impresión) y métodos de posprocesamiento (horneado, microondas, fritura). [10]
El tipo de alimentos disponibles para imprimir está limitado por la técnica de impresión. [11] Para obtener una descripción general de estas técnicas de impresión, consulte la sección Técnicas de impresión a continuación:
Los ingredientes comunes utilizados en la impresión basada en extrusión son inherentemente lo suficientemente suaves como para extrudirse desde una jeringa/cabezal de impresión y poseen una viscosidad lo suficientemente alta como para mantener una forma. [12] En ciertos casos, se agregan ingredientes en polvo (proteína, azúcar, etc.) para aumentar la viscosidad, por ejemplo, agregar harina al agua crea una pasta que se puede imprimir. [1] Los materiales inherentemente blandos incluyen: [13]
Ciertos ingredientes que son sólidos se pueden utilizar fundiéndolos y luego extruyéndolos, por ejemplo el chocolate . [14]
Ingredientes en polvo: [15]
Para el relleno de superficies se utilizan ingredientes de baja viscosidad : [16] [17]
Aunque existen diferentes enfoques para la impresión basada en extrusión, estos enfoques siguen los mismos procedimientos básicos. La plataforma en la que se imprime el alimento consta de una plataforma estándar de 3 ejes con un cabezal de extrusión controlado por computadora. Este cabezal de extrusión empuja los materiales alimenticios a través de una boquilla, generalmente mediante aire comprimido o apretándolos. Las boquillas pueden variar con respecto al tipo de alimento que se está extruyendo o la velocidad de impresión deseada [18] (normalmente, cuanto más pequeña sea la boquilla, más tiempo llevará la impresión del alimento). A medida que se imprime el alimento, el cabezal de extrusión se mueve a lo largo de la plataforma de 3 ejes imprimiendo el alimento deseado. Algunos alimentos impresos requieren un procesamiento adicional, como hornearlos o freírlos antes de consumirlos.
Las impresoras de alimentos basadas en extrusión se pueden comprar para uso doméstico, suelen ser de tamaño compacto y tienen un bajo costo de mantenimiento. Comparativamente, la impresión basada en extrusión proporciona al usuario más opciones de materiales. Sin embargo, estos materiales alimentarios suelen ser blandos y, como resultado, dificultan la impresión de estructuras alimentarias complejas. Además, los largos tiempos de fabricación y las deformaciones debidas a las fluctuaciones de temperatura con el horneado o la fritura adicionales requieren más investigación y desarrollo para superarlos.
En la extrusión por fusión en caliente, el cabezal de extrusión calienta el material alimenticio ligeramente por encima del punto de fusión del material. Luego, el material fundido se extruye desde el cabezal y se solidifica poco después. Esto permite manipular fácilmente el material para darle la forma o el modelo deseado. Los alimentos como el chocolate se utilizan en esta técnica debido a su capacidad para fundirse y solidificarse rápidamente. [14]
Otros materiales alimenticios no requieren de forma inherente un elemento calefactor para ser impresos. Los materiales alimenticios como gelatina, glaseado, puré y materiales alimenticios similares con la viscosidad adecuada se pueden imprimir a temperatura ambiente sin necesidad de fundirlos previamente.
En la sinterización selectiva por láser , los materiales alimenticios en polvo se calientan y se unen entre sí formando una estructura sólida. Este proceso se completa uniendo el material en polvo capa por capa con un láser como fuente de calor. Una vez que se completa una capa con las áreas deseadas unidas, se cubre con una nueva capa de polvo no unida. Algunas partes de esta nueva capa no unida se calientan con el láser para unirla a la estructura. Este proceso continúa de manera vertical hacia arriba hasta que se construye el modelo de alimento deseado. Después de la construcción, el material no unido se puede reciclar y utilizar para imprimir otro modelo de alimento.
La sinterización selectiva por láser permite la construcción de formas y modelos complejos y la capacidad de crear diferentes texturas de alimentos. Está limitada por la gama de materiales alimentarios adecuados, en concreto, los ingredientes en polvo. [2] Debido a esta limitación, la sinterización selectiva por láser se ha utilizado principalmente para crear dulces y caramelos.
De manera similar a la sinterización selectiva por láser, la inyección de aglutinante utiliza materiales alimenticios en polvo para crear un modelo capa por capa. En lugar de utilizar calor para unir los materiales, se utiliza un aglutinante líquido. Después de unir las áreas deseadas de una capa, se extiende una nueva capa de polvo sobre la capa unida que la cubre. A continuación, se unen ciertas partes de esta nueva capa a la capa anterior. El proceso se repite hasta que se construye el modelo alimenticio deseado.
Al igual que con la sinterización selectiva por láser, la inyección de aglutinante permite la construcción de formas y modelos complejos y la capacidad de crear diferentes texturas de alimentos. [15] Asimismo, también está limitada por la gama de materiales alimenticios adecuados, a saber, ingredientes en polvo.
La impresión por inyección de tinta se utiliza para rellenar superficies o decorar imágenes. [16] Al utilizar la gravedad, la tinta comestible se deja caer sobre la superficie del alimento, normalmente una galleta, un pastel u otro dulce. Este es un método sin contacto, por lo que el cabezal de impresión no toca el alimento, lo que lo protege de la contaminación durante el relleno de la imagen. Las gotas de tinta pueden constar de una amplia gama de colores, lo que permite a los usuarios crear imágenes de alimentos únicas e individualizadas. [17] Un problema con la impresión por inyección de tinta es que los materiales alimentarios son incompatibles con la tinta, lo que da como resultado que no haya imagen o que la haya distorsionado mucho. [19] Las impresoras de inyección de tinta se pueden comprar para uso doméstico o comercial, y las impresoras industriales son adecuadas para la producción en masa.
En la impresión con múltiples cabezales de impresión y múltiples materiales , se imprimen múltiples ingredientes al mismo tiempo o en sucesión. [20] Existen diferentes formas de respaldar la impresión con múltiples materiales. En un caso, se utilizan múltiples cabezales de impresión para imprimir múltiples materiales/ingredientes, ya que esto puede acelerar la producción, la eficiencia y generar patrones de diseño interesantes. [16] En otro caso, hay un cabezal de impresión y, cuando se requiere un ingrediente diferente, la impresora intercambia el material que se está imprimiendo. [21] Múltiples materiales/ingredientes equivalen a una gama más diversa de comidas disponibles para imprimir, una gama nutricional más amplia y es bastante común para las impresoras de alimentos. [11]
En la fase de posprocesamiento, los alimentos impresos pueden requerir pasos adicionales antes del consumo. Esto incluye actividades de procesamiento como hornear, freír, limpiar, etc. Esta fase puede ser una de las más críticas para los alimentos impresos en 3D, ya que los alimentos impresos deben ser seguros para el consumo. Una preocupación adicional en el posprocesamiento es la deformación de los alimentos impresos debido a la tensión de estos procesos adicionales. Los métodos actuales implican prueba y error. Es decir, combinar aditivos alimentarios con los materiales/ingredientes para mejorar la integridad de las estructuras complejas y garantizar que la estructura impresa conserve su forma. [20] Se han agregado aditivos como la transglutaminasa [20] y los hidrocoloides [12] a los ingredientes para ayudar a conservar la forma impresa durante la impresión y después de la cocción.
Además, investigaciones recientes han producido una simulación visual para hornear panes, galletas, panqueques y materiales similares que consisten en masa o pasta (mezclas de agua, harina, huevos, grasa, azúcar y agentes leudantes). [22] Al ajustar ciertos parámetros en la simulación, se muestra el efecto realista que tendrá el horneado en los alimentos. Con más investigación y desarrollo, una simulación visual de alimentos impresos en 3D que se cocinan podría predecir qué es vulnerable a la deformación.
La personalización de los requerimientos nutricionales de cada individuo se ha relacionado con la prevención de enfermedades. [23] Por ello, comer alimentos nutritivos es fundamental para llevar una vida saludable. Los alimentos impresos en 3D pueden proporcionar el control necesario para introducir una cantidad personalizada de proteínas, azúcar, vitaminas y minerales en los alimentos que consumimos. [24]
Otro campo de la alimentación personalizada es la nutrición para personas mayores. A veces, las personas mayores no pueden tragar los alimentos y, por lo tanto, necesitan un paladar más blando. [25] Sin embargo, estos alimentos suelen ser poco atractivos, lo que hace que algunas personas no coman lo que sus cuerpos necesitan nutricionalmente. [26] Los alimentos impresos en 3D pueden proporcionar una comida blanda y estéticamente agradable con la que las personas mayores pueden consumir los requisitos nutricionales de su cuerpo. [27]
En octubre de 2019, la empresa emergente Nourished 3D imprime gomitas nutricionales personalizadas a partir de 28 vitaminas diferentes. Las personas responden una encuesta y, en función de sus respuestas, se imprime una gomita nutricional personalizada para esa persona. [28]
A medida que la población mundial continúa creciendo, los expertos creen que los suministros de alimentos actuales no podrán abastecer a la población. [29] Por lo tanto, una fuente de alimentos sostenible es fundamental. Los estudios han demostrado que la entomofagia , el consumo de insectos, tiene el potencial de sustentar una población en crecimiento. [30] Los insectos como los grillos requieren menos alimento, menos agua y proporcionan aproximadamente la misma cantidad de proteínas que los pollos, las vacas y los cerdos. [30] Los grillos se pueden moler para obtener una harina de proteínas . En un estudio, [31] los investigadores brindan una descripción general del proceso de impresión 3D de harina de insectos en alimentos que no se parecen a los insectos; por lo tanto, mantienen intacto el valor nutricional del insecto.
A medida que los humanos comienzan a aventurarse en el espacio durante un período de tiempo más largo, los requisitos nutricionales para mantener la salud de la tripulación son críticos. [32] Actualmente, la NASA está explorando formas de integrar la impresión 3D de alimentos en el espacio para satisfacer las necesidades dietéticas de la tripulación. [33] La visión es imprimir en 3D capas de alimentos en polvo que tengan una vida útil de 30 años en lugar de usar alimentos liofilizados tradicionales que tienen una vida útil de 5 años. [34] Además de los requisitos dietéticos, la impresión 3D de alimentos en el espacio podría proporcionar un impulso moral, ya que los astronautas podrían diseñar comidas personalizadas que sean estéticamente agradables. [35]
En septiembre de 2019, los cosmonautas rusos, junto con la empresa israelí Aleph Farms, cultivaron carne a partir de células de vaca y luego imprimieron las células en 3D para hacer filetes. [36]
La ganadería es uno de los principales contribuyentes a la deforestación, la degradación de la tierra , la contaminación del agua y la desertificación. Entre otras razones, esto ha dado lugar a la nueva y prometedora tecnología de la bioimpresión de carne. Una alternativa a la ganadería es la carne cultivada, también conocida como carne cultivada en laboratorio. La carne cultivada se produce tomando una pequeña biopsia de los animales, extrayendo las células miosatélites y añadiendo suero de crecimiento para multiplicar las células. El producto resultante se utiliza luego como material para la bioimpresión de carne. La fase de posprocesamiento, entre otros pasos, incluye añadir sabor, vitaminas y hierro al producto. Otra alternativa es la impresión de un análogo de la carne . Novameat , una startup española ha sido capaz de imprimir un filete de origen vegetal e imitar la textura y el aspecto de la carne real. [7] En 2023, la empresa austriaca de tecnología alimentaria Revo Foods lanzó una alternativa de filete de salmón impreso en 3D basada en micoproteína en los supermercados del grupo alemán REWE , que se convirtió en la primera alternativa de carne y mariscos impresa en 3D disponible en supermercados de todo el mundo, lo que marca un hito importante hacia una mayor disponibilidad de alimentos impresos en 3D. [37] [38]
La personalización de la presentación y apariencia de los alimentos para cada individuo es una gran tendencia en la industria alimentaria. Hasta ahora, la personalización de los alimentos y los diseños creativos han requerido habilidades manuales, lo que da como resultado una baja tasa de producción y un alto costo. La impresión 3D de alimentos puede superar este problema al proporcionar las herramientas necesarias para el diseño creativo de alimentos incluso para usuarios domésticos. [11] La impresión 3D de alimentos ha permitido algunos diseños intrincados que no se pueden lograr con la fabricación tradicional de alimentos. Los logotipos de marcas, textos, firmas e imágenes ahora se pueden imprimir en algunos productos alimenticios como pasteles y café. También se han impreso formas geométricas complejas, principalmente utilizando azúcar. Con la impresión 3D, los chefs ahora pueden convertir sus inspiraciones visuales en creaciones culinarias exclusivas. Otro beneficio es poder imprimir comidas nutritivas en formas que atraen a los niños. [1]
En todo el mundo, un tercio del total de alimentos producidos para el consumo, alrededor de 1.600 millones de toneladas al año, se desperdician. El desperdicio de alimentos se produce durante el procesamiento, la distribución y el consumo. La impresión 3D de alimentos es una forma muy prometedora de reducir el desperdicio de alimentos durante la fase de consumo, al utilizar productos alimenticios como recortes de carne, frutas y verduras deformadas, subproductos de mariscos y productos perecederos. Estos productos se pueden procesar en una forma adecuada para la impresión. [39] Upprinting Food, una empresa emergente holandesa, ha estado mezclando y combinando diferentes ingredientes de los desechos alimentarios para crear purés que luego se utilizan como materiales para la impresión 3D. [40] Los chefs también están creando diferentes platos a partir de restos de comida utilizando impresoras 3D de alimentos. [41]
A diferencia de los alimentos preparados tradicionalmente, la variedad de alimentos que se pueden fabricar mediante la impresión 3D está limitada por las características físicas de los materiales. Los materiales alimentarios son generalmente mucho más blandos que el plástico más débil utilizado en la impresión 3D, lo que hace que las estructuras impresas sean muy frágiles. [42] Hasta ahora, la mayoría de los estudios utilizan el método de prueba y error como método para superar este desafío, pero los científicos están trabajando en el desarrollo de nuevos métodos que puedan predecir el comportamiento de diferentes materiales durante el proceso de impresión. Estos métodos se desarrollan analizando las propiedades reológicas de los materiales y su relación con la estabilidad de la impresión. [43]
Al diseñar un modelo 3D para un producto alimenticio, se deben tener en cuenta las limitaciones físicas y geométricas de los materiales de impresión. Esto hace que el proceso de diseño sea una tarea muy compleja y hasta ahora no hay ningún software disponible que lo tenga en cuenta. Desarrollar dicho software también es una tarea compleja debido a la gran variedad de materiales alimenticios. [42] Teniendo en cuenta que los usuarios personales que incorporan la impresión 3D de alimentos en sus cocinas representan una parte significativa de los usuarios en general, el diseño de la interfaz del software aumenta la complejidad. La interfaz de dicho software debe ser simple y tener una gran facilidad de uso , al tiempo que ofrece suficientes funciones y opciones de personalización para el usuario sin causar una sobrecarga cognitiva. [39]
La velocidad actual de la impresión 3D de alimentos podría ser suficiente para el uso doméstico, pero el proceso es muy lento para la producción en masa. [44] Los diseños simples tardan entre 1 y 2 minutos, los diseños detallados entre 3 y 7 minutos y los diseños más complejos tardan aún más. [1] La velocidad de impresión de alimentos está estrechamente relacionada con las propiedades reológicas de los materiales. Las investigaciones muestran que una alta velocidad de impresión da como resultado muestras de baja fidelidad debido al efecto de arrastre, mientras que una velocidad muy baja provoca inestabilidad en la deposición del material. [39]
Para que la impresión 3D de alimentos llegue a la industria alimentaria, es necesario mejorar la velocidad de impresión o el coste de dicha tecnología debe ser lo suficientemente asequible para que las empresas puedan operar varias impresoras. [45]
El color, el sabor y la textura de los alimentos son de importancia crucial a la hora de fabricar un producto comestible, por lo que en la mayoría de los casos se requiere que una impresora de alimentos admita la impresión de múltiples materiales. Las impresoras de alimentos 3D disponibles actualmente se limitan a utilizar unos pocos materiales diferentes debido al desafío de desarrollar múltiples capacidades de extrusión. Esto limita la variedad de productos alimenticios que se pueden imprimir en 3D, dejando de lado platos complejos que requieren una gran cantidad de materiales diferentes. [42]
Al imprimir alimentos en 3D, la seguridad es muy importante. Una impresora de alimentos debe garantizar la seguridad a lo largo de todo el recorrido que sigue el material alimenticio. [42] Debido a la posibilidad de que los alimentos se queden atascados en algún punto del recorrido, la acumulación de bacterias es una preocupación importante. La estabilidad microbiana es un parámetro crucial de la calidad de los alimentos impresos, por lo que debe abordarse tanto durante el diseño de la impresora como durante el proceso de impresión. [39] Por otro lado, los materiales que entran en contacto con los alimentos pueden no ser una preocupación tan importante, ya que las impresoras de alta calidad utilizan acero inoxidable y materiales libres de BPA. [1]
Los productos alimenticios que ya se encuentran en el mercado, como los chocolates de diversas formas, se podrían escanear fácilmente y los modelos 3D obtenidos se podrían utilizar para reproducir esos productos. Estos modelos 3D podrían luego difundirse a través de Internet, lo que daría lugar a infracciones de derechos de autor. Existen leyes que regulan las cuestiones de derechos de autor, pero no está claro si serán suficientes para cubrir todos los aspectos de un campo como la impresión 3D de alimentos. [46]