Наука, скептицизъм и хумор

Познавате ли 3D принтерите, които „правят“ храна? Опитвали ли сте някога 3D отпечатана храна? Въпреки че изглежда невероятно и взето от научнофантастичен филм, това вече е реален факт и е по-близо до вас, отколкото сте предполагали. В много близко бъдеще ще можете да отидете да хапнете в ресторант и да използвате очила за виртуална реалност, за да изберете любимите си ястия, съветвани от дигитален асистент въз основа на вашата история на предпочитанията; 3D принтерите ще създадат вашето персонализирано меню, а ястията ще се сервират от „сервитьори-роботи“. Освен това се очаква тези 3D принтери да заменят микровълновата в кухните през следващите години. Днешното общество няма време за готвене и изисква голямо количество пакетирани и предварително приготвени храни, които често съдържат излишна захар или сол, както и многобройни консерванти и мазнини; с тези нови принтери обаче е възможно да се приготвят по-здравословни ястия по прост начин. Но за какво говорим конкретно? За да разберем неговата работа и предимствата, които може да ни предложи в сравнение с традиционните кухненски инструменти или кухненски роботи, е важно първо да изясним от какво се състои 3D печатът и да знаем малко за неговата история.

naukas
Примери за 3D отпечатана храна│Източник

3D принтирането се състои от поредица от техники „производство чрез добавяне“, при които обектът се възпроизвежда по триизмерен начин от цифров модел чрез наслагване на слоеве материал, които се натрупват до постигане на размера, характеристиките и проектираната форма. Тези машини използват само необходимата суровина под формата на прах, течност или нишки, които по-късно се топят или втвърдяват, за да придадат окончателна форма и за разлика от традиционните производствени методи, не е необходимо да премахват излишната суровина. Този процес е много обещаващ, тъй като елиминира необходимостта от икономии от мащаба, позволява пълна свобода на дизайна и свежда до минимум изискванията за време, разходи, потребление на енергия и транспорт. По този начин 3D принтерите произвеждат сложни обекти, следвайки инструкциите на цифров модел, използвайки компютърно подпомогнат дизайн (CAD). С CAD програма на компютъра е проектиран истински 3D модел и този обект е разделен на слоеве, които да бъдат отпечатани един по един чрез процес на добавка. В допълнение, части от предмета, изработени от различни материали с различни физични свойства, могат да бъдат отпечатани чрез лесен процес на сглобяване.

Схематично представяне на реалния обект (a), CAD модела (b) и разделянето на слоеве за 3D печат (c).

Първото оборудване за производство на добавки датира от 80-те години. През 1981 г. Хидео Кодама от Общинския институт за индустриални изследвания в Нагоя, Япония, разработва два метода за производство на триизмерен пластмасов модел с фотополимер. Три години по-късно, Чък Хъл, президент на 3D Systems Corporation, разработи прототип в Клифтън, Колорадо, САЩ, въз основа на процес, наречен стереолитография, в който се добавят слоеве чрез втвърдяване на фотополимери с ултравиолетов лазер. Това е насочено към частта от обекта, която трябва да бъде излекувана с помощта на набор от огледала, и е в състояние да произведе парчета с голяма точност. Хъл дефинира процеса като „система за генериране на триизмерни обекти чрез създаване на напречен модел на обекта, който трябва да се формира“. Основният принос на Хъл е файловият формат STL (STereoLithography), широко използван от софтуера за 3D печат, както и дигиталните стратегии за изрязване и запълване, общи за много текущи процеси.

Днес технологията, използвана в повечето 3D принтери, е "моделиране на разтопено отлагане" (FDM), известно още като "производство на разтопени нишки" (FFF), което използва непрекъсната нишка от пластмасов материал. Чрез екструдирането му през дюза можете да нарисувате 3D слоевете, които съставляват обекта. Алтернативен процес е инжектирането на свързващо вещество, по-известно като „Binder Jetting“ или „Color Jet Printing“; Това е много гъвкава технология, която позволява отпечатване в голямо разнообразие от цветове, благодарение на използването на цветно свързващо вещество, което се напръсква върху прахообразно легло и след това се втвърдява в напречно сечение. Тази технология работи по подобен начин на традиционните хартиени принтери, но използва пластмасови смоли и слой прах, а не лист хартия. Както FDM, така и технологията за впръскване на свързващо вещество вече се използват за 3D печат на храни.

Схема на машина за моделиране на разтопено отлагане│Източник

Индустриалното развитие на инжектирането на свързващо вещество и стереолитографията започва през 1993 г. в Масачузетския технологичен институт (MIT), който разработва патентована процедура под името 3D печат (3DP), сега известна още като "струен печат" или "Цветен струен печат".

Днес обаче все още няма ясна дефиниция какво представлява 3D принтерът за храна: Обикновена машина за готвене? Инструмент, който ви позволява да създавате нови комбинации от храни? Устройство, което ще ни позволи да създадем храна, която не съществува? Най-общо казано, може да се опише като машина, способна да превърне дигиталните рецепти в ядливи и апетитни закуски. Повечето търговски принтери за храни използват варианта FDM със система за екструзия на шприцова паста; операцията е подобна на мастилен принтер с една голяма дюза, която излива плътен пастообразен материал, който се натрупва на слоеве, за да образува триизмерни хранителни структури. Храната трябва да бъде "синтерована" или "приготвена" в отделен последващ процес, който може да се случи или не в самия 3D принтер.

Пионерите в 3D синтеза на храни са Ход Липсън и Евън Малоун от университета Корнел (Ню Йорк), които през 2007 г. адаптират екструзионния принтер Fab @ Home за отпечатване на шоколад, сирене, бисквитки, паста от целина и дори морски дарове. През 2010 г. д-р Лианг Хао и колеги от Университета в Ексетър (Обединеното кралство) разработиха нов метод за наслояване за приготвяне на шоколад, наречен “ChocALM”, използвайки екструдер с висока температура. Проучванията им показват, че както скоростта на екструдиране, така и скоростта и височината на дюзата са ключови фактори, които позволяват промяна на структурата, аромата и вкуса на крайния продукт, така че оптимизирането на тези параметри позволява да се произвеждат висококачествени 3D шоколадови бонбони, адаптирани към потребителите, като по този начин улеснява "персонализирането на храната".

3D принтер, който използва шоколад вместо мастило│Източник

Шоколадът и сладките са най-често използваните храни в 3D принтерите. По този начин студенти от Университета на Ватерло (Канада) разработиха през 2013 г. система за лазерно синтероване, за да разтопят 3D отпечатан шоколад на прах и да оформят фигури с голяма геометрична сложност, което не може да бъде постигнато с форми.

3D обекти, отпечатани с шоколад на прах│Източник

Базиран на 3D шоколадов печат, Ричард Хорн разработи през 2012 г. задвижван от зъбни колела универсален екструдер за паста (UPE) с ремъчно задвижване, който оказва натиск върху спринцовките за многократна употреба. Същата година Ралф Холейс създава подобна машина за екструдиране на базирани на CAD коледни бисквитки върху лакирана хартия, която след това поставя във фурната, за да завърши производството им. 3D принтирането също се използва широко за направата на пица, продукт, който обикновено се приготвя чрез наслояване: първо тестото, след това доматеният сос, след това моцарелата и накрая различните пълнежи. По този начин студенти по машиностроене от Imperial College (Лондон) създадоха през 2014 г. принтер, който направи възможно приготвянето на пица маргарита само за 20 минути с помощта на три различни спринцовки (една за тестото, една за домата и третата за сиренето).

Поставете екструдери, използвани за 3D печат │Източник

Някои 3D принтери са базирани на кулинарната техника, наречена сферификация, патентована през 1946 г. в САЩ и широко използвана в съвременната кухня, особено от известни готвачи като Ferran Adriá. По този начин, чрез смесване на сока с натриев алгинат и потапянето му в студена баня с калциев хлорид се получават сфери посредством „капсулиране“ на течността, много подобна на тези на рибената икра, които съдържат сок от желания плод вътре . Тази техника ви позволява да създавате плодове с различни форми, размери и вкусове за няколко секунди.

Ядливи плодове, създадени чрез 3D печат│Източник

Сред основните цели на 3D принтирането е разработването на устойчиви методи за производство на храни, за да се опитат да разрешат някои от настоящите глобални предизвикателства като климатичните промени, намаляването на водните ресурси на планетата и експоненциалния прираст на населението. По-специално, интензивното отглеждане на селскостопански животни е една от основните причини за глобалното затопляне поради неконтролираните му емисии на метан, парников газ, много по-мощен от въглеродния диоксид. Организацията за прехрана и земеделие на ООН (FAO) прогнозира, че глобалното търсене на месо ще се увеличи с повече от 70% до 2050 г. и че сегашните производствени системи вече няма да бъдат устойчиви. Ако не намерим екологично чисти алтернативи, възможно е в близко бъдеще месото и другите основни храни да станат луксозни артикули поради нарастването на търсенето на култури, посветени на производството на месо.

В този смисъл професор Марк Пост от университета в Маастрихт (Холандия) демонстрира през 2012 г., че месото, отглеждано в чиния на Петри, може да се превърне в отлична алтернатива на говеждото месо. Следвайки тази инициатива, някои компании произвеждат изкуствено сурово месо с помощта на 3D биопринтери. За целта първо събират стволовите клетки; когато те се хранят, те се размножават периодично и образуват вериги, които веднъж въведени в биокасета позволяват отпечатването на жива тъкан в 3D. Това изкуствено месо има същите биологични характеристики като това, произведено от животното по естествен път, макар и със значително намаляване на мазнините, и има същия вид и текстура, въпреки че вкусът му е малко по-различен.

Хамбургер, произведен от стволови клетки от крава│Източник

В близко бъдеще 3D принтерите ще сглобяват лесно смилаеми храни, не само запазвайки формата и вкуса на истинския модел, но и обогатявайки ги със специфични протеини, витамини или хранителни вещества и придавайки им разнообразни и привлекателни форми. По този начин европейски изследователи от проекта „Performance“ разработиха прототип на принтер, за да произвеждат персонализирана храна по отношение на калорично съдържание или размер за деца, възрастни хора и хора с лошо здраве. За да запазят храната вкусна и привлекателна за окото, изследователите са приложили топлоустойчив, втвърдяващ агент на растителна основа, така че храната да може да бъде преработена. Принтерът работи по подобен начин на мастилената струя, като използва различни капсули, пълни със смесени храни (зеленчуци, меса и въглехидрати).

Наскоро изследователят Джузепе Скионти от Политехническия университет в Каталуния разработи алтернативно месо на основата на растителни протеини, което се отпечатва в 3D, което представя характерната влакнеста текстура на традиционните пържоли. Филето съдържа сборник от аминокиселини, получени от протеините на грах и ориз, които възпроизвеждат протеиновите свойства на телешко филе. Отпечатването на 100 грама зеленчуково месо струва приблизително две евро, но чрез мащабиране на процеса за неговата индустриализация и комерсиализация, разходите му ще бъдат намалени.

В допълнение към решаването на специфични хранителни нужди, 3D печатът позволява насекомите да се използват като източник на протеин. По този начин дизайнерите на проекта "Insects au Gratin" възнамеряват да намалят консумацията на месо, като го заменят с насекоми, които въпреки че са рутинно отхвърляни в западната култура, по-уважават околната среда, тъй като генерират по-малко метан и използват по-малко вода. Появата на храна влияе върху приемането и вкусовия опит. Други източници като ядки, водорасли, патици, лупин, цвекло, семена, спори, дрожди и др. вече се въвеждат като алтернативни съставки.

Спаначни динозаври, направени чрез 3D печат│Източник

Но какво е бъдещето на 3D печатането на храни? Въпреки различните текущи приложения и големия си интерес, тази технология за 3D печат не е напълно разработена в търговската мрежа, тъй като изисква последваща обработка: необходимо е да се приготви храната след печат. Освен това не позволява дозиране на прахообразни съставки и получените текстури не са сравними с тези, получени при традиционните методи за готвене. Въпреки това, изкуствените продукти, произведени с тази техника, могат да се очакват да бъдат по-евтини и по-здравословни от тези, получени директно от животни, и да имат допълнителни предимства, произтичащи от възможността да се правят ястия по поръчка или „персонализирано хранене“. Ресторантите ще могат да събират информация за хранителните навици на клиентите и хранителните проблеми и да проектират ястия, съобразени с техните нужди.

Очаква се 3D принтерите да станат ежедневни преработватели на храна в близко бъдеще. За целта те могат да се комбинират с лазерно готвене, прецизен и регулируем метод, който използва топлината на сините и инфрачервените лазери за готвене. Накратко, 3D отпечатването на храни ще ни помогне основно да се храним по-добре и с по-малко преработени храни. Устойчивите и питателни алтернативни продукти могат да бъдат проектирани с нови профили на текстура и вкус, както здравето на потребителите, така и околната среда ще могат да се възползват от тази нова технология, която някои вече нарекоха "Четвъртата индустриална революция".

Научни справки и повече информация:

Bauer, J. (2015). „3D печат: Въведение в света на 3D печат“ Редакционна Amazon Media.

Ehrenkranz, M. (2014) „Храната с 3D печат може скоро да дойде в ресторантите, ако лидерът на тестени изделия Барила има своя начин“. Достъпно онлайн на адрес: http://www.idigitaltimes.com/3d-printingfood-may-come-restaurants-soon-if-pasta-leaderbarilla-has-its-way-368075

Фукучи, К; Казухиро, Дж .; Томияма, А.; Такао, С. (2012). "Лазерно готвене: нова кулинарна техника за сухо нагряване с помощта на лазерен нож и технология за зрение." В: CEA'12. Сборник от семинара на ACM Multimedia 2012 за мултимедия за готвене и хранене. ACM: Ню Йорк, стр. 55-58.

Хао, Л.; Mellor, S.; Seaman, O.; Хендерсън, Дж .; Sewell, N .; и Слоун, М. (2010). „Характеризиране на материала и разработване на процеса за производство на слой с добавка на шоколад“. В: Виртуално и физическо прототипиране, том 5, nº. 2 стр. 57-64

Jacobs, A. (2013). „Вечерята е отпечатана“. Ню Йорк Таймс. Достъпно онлайн на адрес: https://www.nytimes.com/2013/09/22/opinion/sunday/dinner-is-printed.html

Lipson, H .; Курман, М. (2013). „Дигитална кухня“. В: Изработен. Новият свят на 3D печат. Wiley: Indianapolis, p. 129-133

Marced Adriá, J. (2015). Оценка на хранителни състави за 3D печат. Проект за завършена степен по наука и технологии в областта на храните. Политехнически университет във Валенсия.

Рамирес, П.; López, J. (2011). Адитивни технологии, по-широко понятие от бързото прототипиране. XV Международен конгрес по проектно инженерство. Уеска.

Van Mensvoort, K ​​.; Гривинк, H-J. (2014). "Книгата за готвене за месо In vitro". Next Nature Network & BIS Издатели: Амстердам.