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

Resumo Técnico: Impressão 3D de Pastas Incorporando Purê de Alcachofra de Jerusalém

Definição do Problema
Embora a impressão de alimentos 3D tenha surgido como uma tecnologia para a criação de alimentos personalizados e geometricamente complexos, seu sucesso depende fortemente das propriedades reológicas das pastas extrudíveis utilizadas. Atualmente, a maior parte da pesquisa foca em matrizes ricas em amido, particularmente a batata desidratada, devido ao seu comportamento de fluxo favorável e recuperação estrutural. No entanto, há uma exploração limitada de fontes alternativas de carboidratos que poderiam diversificar as matérias-primas e aumentar a funcionalidade nutricional, especificamente no que diz respeito ao conteúdo prebiótico. A alcachofra de Jerusalém (Helianthus tuberosus L.) é um tubérculo rico em inulina, uma fibra prebiótica, mas seu potencial como componente de matriz em pastas extrudíveis para impressão 3D ainda não foi sistematicamente investigado. O desafio reside em formular pastas que equilibrem os benefícios nutricionais da alcachofra de Jerusalém com os rigorosos requisitos reológicos (afinamento por cisalhamento, tensão de escoamento e rápida recuperação estrutural) necessários para uma extrusão e fidelidade de forma bem-sucedidas.

Metodologia
O estudo visou desenvolver e caracterizar pastas extrudíveis substituindo parcialmente a batata desidratada (DP) por pó de alcachofra de Jerusalém (JAP) nos níveis de 20% e 40% (p/p). Uma formulação controle utilizando 100% de DP também foi preparada. Para abordar os déficits reológicos associados ao alto teor de inulina da JAP, o estudo incorporou hidrocoloides: goma xantana (XG) e pectina de baixa metoxilação (LMP).

• Formulação: As pastas foram reconstituídas para uma concentração total de sólidos de 20% (p/p). Os hidrocoloides foram adicionados da seguinte forma: 1,0% de XG (baseado no total de sólidos) e 1,2% de LMP (no líquido de reconstituição).
• Caracterização Reológica: Um reômetro de tensão controlada foi utilizado para realizar:
  • Varreduras de amplitude de deformação: Para determinar a região viscoelástica linear (LVR) e o ponto de fluxo (cruzamento G′-G″).
  • Varreduras de frequência: Para avaliar os módulos viscoelásticos (G′ e G″) e a dependência da frequência.
  • Teste de Tixotropia de Três Intervalos (3ITT): Para simular o processo de impressão (repouso, extrusão/cisalhamento e recuperação) e calcular as razões de recuperação estrutural.
• Impressão 3D e Pós-processamento: Uma impressora 3D de grau alimentício foi utilizada para imprimir discos cilíndricos e geometrias complexas (ex: cristais de gelo, prismas hexagonais). A estabilização pós-impressão foi alcançada via gelificação ionotrópica utilizando solução de cloreto de cálcio (CaCl₂) em concentrações variadas (1%, 5%, 10% p/v).
• Análise de Textura: A Análise de Perfil de Textura (TPA) foi realizada para medir dureza, coesividade, elasticidade e adesividade das estruturas impressas gelificadas.

Principais Resultados

• Caracterização da Matéria-Prima: O pó de alcachofra de Jerusalém mostrou-se rico em carboidratos (78,26%), consistindo principalmente de frutanos do tipo inulina, com teores de umidade, proteína, cinzas e lipídios de 4,51%, 10,52%, 5,39% e 1,32%, respectivamente.
• Impacto Reológico da Substituição:
  • A substituição da batata pela JAP reduziu significativamente o módulo elástico (G′). O controle (100% batata) apresentou um G′ de 15,74 ± 1,05 kPa, que diminuiu para 6,31 ± 0,53 kPa com a substituição de 40%.
  • Embora a incorporação de JAP tenha aumentado a tolerância à deformação (o ponto de fluxo deslocou-se de ~6% para ~53% de deformação), resultou em uma rede estrutural mais fraca com valores de módulos absolutos menores em comparação com as pastas à base de batata.
  • A formulação com 100% de JAP exibiu uma estrutura viscoelástica muito fraca para suportar geometrias complexas, levando ao colapso da forma.
• Sinergia de Hidrocoloides: O uso combinado de XG e LMP foi crítico. A XG proporcionou o comportamento de afinamento por cisalhamento e tolerância à deformação, enquanto a LMP permitiu a gelificação ionotrópica. Essa combinação restaurou o equilíbrio viscoelástico, permitindo que pastas com até 40% de JAP mantivessem a capacidade de construção multicamada e a fidelidade geométrica comparáveis ao controle.
• Recuperação Tixotrópica: Todas as formulações bem-sucedidas (até 40% de JAP) demonstraram a capacidade de recuperar sua estrutura após a cessação do cisalhamento. No entanto, as formulações com maior teor de JAP apresentaram um leve atraso na recuperação estrutural em comparação ao controle, atribuído à interferência das fibras de inulina solúveis nas interações entre hidrocoloide e amido.
• Gelificação Pós-impressão: A pulverização das estruturas impressas com 5% (p/v) de CaCl₂ aumentou significativamente as propriedades mecânicas. A dureza aumentou de 0,28 ± 0,03 N (pré-gelificação) para 1,41 ± 0,44 N (pós-gelificação). Concentrações de 10% de CaCl₂ resultaram em uma rede mais quebradiça com redução da adesividade.
• Imprimibilidade: Formulações com até 40% de JAP imprimiram com sucesso geometrias complexas com desvios dimensionais abaixo de 10%. A pasta com 100% de JAP falhou em manter a fidelidade de forma sem a base de batata.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este estudo demonstra a viabilidade do uso do purê de alcachofra de Jerusalém como um ingrediente funcional em a impressão de alimentos 3D baseada em extrusão. A pesquisa estabelece que:

1. Enriquecimento Funcional: A JAP pode ser incorporada em matrizes imprimíveis para criar alimentos sem glúten e ricos em prebióticos sem comprometer a processabilidade, desde que o nível de substituição seja limitado (até 40%) e apoiado por um sistema de hidrocoloides (XG-LMP).
2. Ajuste Reológico: O estudo destaca a necessidade de equilibrar os carboidratos solúveis, do tipo fibra, da inulina com a rigidez estrutural do amido e dos hidrocoloides para alcançar o equilíbrio viscoelástico específico exigido pela impressão 3D.
3. Estratégia de Estabilização: A combinação de estruturação reológica (via XG) e gelificação ionotrófica pós-deposição (via LMP e Ca²⁺) é uma estratégia eficaz para aumentar a força mecânica e a retenção de forma de construtos impressos contendo altos níveis de fibras funcionais.

O artigo conclui que, embora as pastas puras de JAP careçam de capacidade de autossuporte para geometrias complexas, misturas contendo até 40% de JAP oferecem um caminho viável para o design de matrizes alimentares funcionais ajustáveis, expandindo o repertório de matérias-primas disponíveis para a manufatura aditiva de alimentos.