Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

3D-Druck protein- und stärkebasierter Materialien zur Herstellung definierter Lebensmitteltexturen

Das relativ junge 3D-Druck-Verfahren ist für die Herstellung von Lebensmitteln von zunehmendem Interesse, da es neue Strukturierungs- und Texturierungsmöglichkeiten in der Produktentwicklung eröffnet. Bis dato werden jedoch lediglich Lebensmittel (LM) verarbeitet, die aufgrund ihrer inhärent hohen Viskosität eine gewisse Formstabilität gewährleisten, wodurch die Auswahl der Materialien stark limitiert ist. Auch die Herstellung texturierter Multilayerprodukte ist aufgrund mangelnder Möglichkeiten zur internen Formstabilisierung gedruckter Strukturen bisher materialbedingt begrenzt. Diese Limitierungen könnten durch eine geeignete thermische Behandlung aufgehoben werden.

Das Vorhaben basiert auf der Hypothese, dass mittels eines schichtweisen Aufbaus und einer geeigneten thermomechanischen Stabilisierung hochdefinierte LM-Texturen aus protein- und stärkehaltigen Materialien in einem 3D-Drucker designt werden können. Ein primäres Forschungsziel ist dabei, eine allgemeine Definition und Messmethodik der Printability für LM-basierte Druckmaterialien festzulegen. Die Printability spiegelt die Eigenschaften eines Materials wider, ein fehlerfreies Druckbild (Mono- und Multilayer, erfasst mittels 3D-Scanner) zu ermöglichen. Final sollen Möglichkeiten einer gezielten Texturierung von LM anhand von faserartigen/offenporigen Produkten in Form einer Machbarkeitsstudie aufgezeigt und Struktur-Textur-Beziehungen ermittelt werden.

Die Ergebnisse werden die Möglichkeit eröffnen, Produkte mit neuartigen und hochdefinierten Texturen im Bereich stärkebasierter und proteinbasierter Lebensmittel (wie z. B. Fleischersatzstoffe) zu erzeugen, mit denen sich insbesondere KMU vom Massenmarkt abheben können.

Für KMU könnte diese Technologie zur Aufweitung des Produktportfolios und zur Entwicklung neuer Produktlinien eingesetzt werden. Kleinserien, Spezialprodukte und schnelle Produktwechsel sind zurzeit nur einige Vorteile dieser Technologie, die sicherlich in Zukunft für die Entwicklung und Gestaltung neuer innovativer Produkte einen festen Stellenwert im Bereich der Lebensmittelproduktion einnehmen wird.

Ergebniszusammenfassung:

Forschungsstelle (FS) 1 (DIL) untersuchte proteinbasierte Lebensmittelmaterialien (Protein-Wasser-Gemische) pflanzlicher Basis. Mit der Entwicklung einer thermomechanischen Vorbehandlung (Heißextrusion) konnte bei erhöhten Temperaturen (70 - 100 °C), aufgrund der auftretenden Proteindenaturierung, eine für den 3D-Druck geeignete Konsistenz erzielt werden. Die Fließeigenschaften der Druckmaterialien konnten mit Hilfe einer Inline-Rheometerdüse analysiert werden und erlaubten eine Charakterisierung der Protein-Wasser-Gemische während des Druckvorgangs. Im Gesamtsetup entstand somit ein Aufbau bestehend aus: Doppelschneckenextruder, Rheometerdüse, Druckkopf mit 3 mm Düse und 3D-Druckportal als verfahrbarer Drucktisch. Bei Produkttemperaturen bis 93 °C konnten hiermit für Erbsenproteinisolat, gesteigerte Stabilitäten der 3D-Objekte mittels mikroskopischer Strukturanalysen, viskoelastischer Materialcharakteristika und Texturanalysen aufgezeigt werden. In FS 2 (TUM) wurden stärkebasierte Lebensmittelmaterialien (Weizenstärke und Sojaproteinisolat-Mischungen) untersucht. Darüber hinaus wurden die Eigenschaften der Standardrezeptur mit verschiedenen Hydrokolloiden (MC, HPMC, Xanthan, Alginat, Stärke) variiert. Durch rheologische Charakterisierungen und bildanalytische Auswertung der Druckergebnisse konnte die Abhängigkeit der Stabilität der gedruckten Objekte von den Netzwerkeigenschaften der Druckmaterialien gezeigt werden. Zur Nachbehandlung der Druckobjekte wurde ein flächiger IR-Strahler auf dem 3D Drucker installiert. Durch die Steuerung der Erhitzungsintensität konnte der Feuchtegehalt und der Verkleisterungsgrad der Druckobjekte gezielt sowie der sensorische Eindruck verändert werden. Ein kombinierter 3D-Druck-Aufbau beider FS (Inline-Rheologie und Image Processing) ermöglichte die kont. Verarbeitung und Detektion des Übergangs zu formstabilen Teigmassen, womit eine potentielle Basis für zukünftige automatisierte Systeme geschaffen wurde.