3D food printing of pastes incorporating Jerusalem artichoke puree: formulation, printability, and rheological characterization

Technische Samenvatting: 3D-voedselprinten van pasta's met toevoeging van Jerusalem Artichoke puree

Probleemstelling
Hoewel 3D-voedselprinten een technologie is geworden voor het creëren van gepersonaliseerde, geometrisch complexe voedingsmiddelen, is het succes ervan sterk afhankelijk van de rheologische eigenschappen van de extrudeerbare pasta's die worden gebruikt. Momenteel richt het meeste onderzoek zich op zetmeelrijke matrices, met name gedehydrateerde aardappel, vanwege hun gunstige stromingsgedrag en structurele herstel. Er is echter beperkt onderzoek naar alternatieve koolhydraatbronnen die de grondstoffen kunnen diversifiëren en de nutritionele functionaliteit kunnen verbeteren, specifiek met betrekking tot de prebiotische inhoud. De Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) is een knol die rijk is aan inuline, een prebiotische vezel, maar het potentieel ervan als matrixcomponent in extrudeerbare pasta's voor 3D-printen is nog niet systematisch onderzocht. De uitdaging ligt in het formuleren van pasta's die de nutritionele voordelen van de Jerusalem artichoke balanceren met de strikte rheologische vereisten (afschuifverdunning, vloeigrens en snel structureel herstel) die noodzakelijk zijn voor succesvolle extrusie en vormgetrouwheid.

Methodologie
De studie beoogde de ontwikkeling en karakterisering van extrudeerbare pasta's door gedehydrateerde aardappel (DP) gedeeltelijk te vervangen door Jerusalem artichoke poeder (JAP) op niveaus van 20% en 40% (w/w). Een controleformulering met 100% DP werd eveneens voorbereid. Om de rheologische tekortkomingen aan te pakken die gepaard gaan met het hoge inulinegehalte van JAP, incorporeerde de studie hydrocolloïden: xanthaangom (XG) en laag-methoxyl pectine (LMP).

• Formulering: De pasta's werden gereconstitueerd tot een totale vaste stofconcentratie van 20% (w/w). Hydrocolloïden werden toegevoegd als volgt: 1,0% XG (gebaseerd op de totale vaste stoffen) en 1,2% LMP (in de reconstitutie-vloeistof).
• Rheologische Karakterisering: Een controlled-stress rheometer werd gebruikt om het volgende uit te voeren:
  • Strain amplitude sweeps: Om het lineaire visco-elastische gebied (LVR) en het vloeipunt (G′-G″ crossover) te bepalen.
  • Frequency sweeps: Om de visco-elastische moduli (G′ en G″) en frequentieafhankelijkheid te beoordelen.
  • Three-Interval Thixotropy Test (3ITT): Om het printproces te simuleren (rust, extrusie/afschuiving en herstel) en de structurele herstelratio's te berekenen.
• 3D-printen en Post-processing: Een voedselveilige 3D-printer werd gebruikt om cilindrische schijven en complexe geometrieën (bijv. ijskristallen, hexagonale prisma's) te printen. Post-printing stabilisatie werd bereikt via ionotrope gelatie met calciumchloride (CaCl₂) oplossingen bij variërende concentraties (1%, 5%, 10% w/v).
• Textuuranalyse: Texture Profile Analysis (TPA) werd uitgevoerd om hardheid, cohesiviteit, elasticiteit en adhesiviteit van de gegelde geprinte structuren te meten.

Belangrijkste Resultaten

• Karakterisering van de Grondstof: Het werd vastgesteld dat het Jerusalem artichoke poeder koolhydraatrijk (78,26%) is, voornamelijk bestaande uit inuline-type fructanen, met een vocht-, eiwit-, as- en vetgehalte van respectievelijk 4,51%, 10,52%, 5,39% en 1,32%.
• Rheologische Impact van Substitutie:
  • Het vervangen van aardappel door JAP verminderde de elastische modulus (G′) aanzienlijk. De controle (100% aardappel) had een G′ van 15,74 ± 1,05 kPa, die daalde naar 6,31 ± 0,53 kPa bij 40% substitutie.
  • Hoewel de incorporatie van JAP de rek-tolerantie verhoogde (het vloeipunt verschoof van ~6% naar ~53% rek), resulteerde dit in een structureel zwakker netwerk met lagere absolute moduli vergeleken met aardappelgebaseerde pasta's.
  • De 100% JAP formulering vertoonde een visco-elastische structuur die te zwak was om complexe geometrieën te ondersteunen, wat leidde tot vorminstorting.
• Hydrocolloïd Synergie: Het gecombineerde gebruik van XG en LMP was cruciaal. XG zorgde voor afschuifverdunning gedrag en vervormingstolerantie, terwijl LMP ionotrope gelatie mogelijk maakte. Deze combinatie herstelde de visco-elastische balans, waardoor pasta's met tot 40% JAP de meerlaagse opbouwbaarheid en geometrische getrouwheid vergelijkbaar met de controle konden behouden.
• Thixotrope Herstel: Alle succesvolle formuleringen (tot 40% JAP) vertoonden het vermogen om hun structuur te herstellen na het stoppen van de afschuiving. Echter, formuleringen met een hoger JAP-gehalte vertoonden een lichte vertraging in structureel herstel vergeleken met de controle, toegeschreven aan de interferentie van oplosbare inulinevezels met hydrocolloïd-zetmeel interacties.
• Post-Printing Gelatie: Het besproeien van geprinte structuren met 5% (w/v) CaCl₂ verbeterde de mechanische eigenschappen aanzienlijk. De hardheid nam toe van 0,28 ± 0,03 N (pre-gelatie) naar 1,41 ± 0,44 N (post-gelatie). Concentraties van 10% CaCl₂ resulteerden in een brosser netwerk met verminderde adhesiviteit.
• Printbaarheid: Formuleringen met tot 40% JAP printten succesvol complexe geometrieën met dimensionale afwijkingen onder de 10%. De 100% JAP pasta slaagde er niet in om vormgetrouwheid te behouden zonder de aardappelbasis.

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat deze studie de haalbaarheid aantoont van het gebruik van Jerusalem artichoke puree als functioneel ingrediënt in extrusiegebaseerde 3D-voedselprint. Het onderzoek stelt vast dat:

1. Functionele Verrijking: JAP kan worden geïncorporeerd in printbare matrices om glutenvrije, prebiotische rijke voedingsmiddelen te creëren zonder het verwerkingsproces in gevaar te brengen, mits het substitutieniveau beperkt blijft (tot 40%) en wordt ondersteund door een hydrocolloïd systeem (XG-LMP).
2. Rheologische Afstemming: De studie benadrukt de noodzaak om de oplosbare, vezelachtige koolhydraten van inuline te balanceren met de structurele stijfheid van zetmeel en hydrocolloïden om de specifieke visco-elastische balans te bereiken die vereist is voor 3D-printen.
3. Stabilisatiestrategie: De combinatie van rheologische structurering (via XG) en post-depositie ionotrope gelatie (via LMP en Ca²⁺) is een effectieve strategie om de mechanische sterkte en vormbehoud van geprinte constructen met hoge niveaus van functionele vezels te verbeteren.

De paper concludeert dat hoewel pure JAP-pasta's niet over de zelfdragende capaciteit beschikken voor complexe geometrieën, mengsels met tot 40% JAP een levensvatbaar pad bieden voor het ontwerpen van instelbare, functionele voedselmatrices, waardoor het repertoire aan grondstoffen beschikbaar voor additieve voedselproductie wordt uitgebreid.