Кинетическая оценка и оптимизация процесса сушки 3D-печатных макаронных изделий

Предпосылки проведения исследования: Моделирование наплавленным осаждением - наиболее часто используемая технология 3D-печати в пищевой промышленности. В этой технологии параметры печати и структурно-механические свойства продукта, предназначенного для печати, играют важную роль в качестве конечного продукта.
Заполняемый пробел в существующем знании и цель исследования: Данное исследование было направлено на использование процесса сушки в качестве инструмента для улучшения качества 3D-печати макаронных изделий. Целью данной работы было оценить влияние режимных параметров процесса сушки и найти их оптимальные значения для обеспечения качества макаронных изделий, полученных путем 3D-печати.
Материалы и методы исследования: Объектом исследования настоящей работы были макаронные изделия, полученные в результате 3D-печати. Для локального нагрева экструдированного продукта используется сушка горячим воздухом и инфракрасным нагревом. Для оптимизации процесса сушки применялась методология поверхности отклика. В качестве основных переменных, влияющих на процесс сушки, были выбраны: мощность нагрева, время обработки и расстояние от источника нагрева. Максимальная потеря массы продукта в сочетании с максимальной температурой ниже 100 °C в течении всего времени обработки составляет задачу оптимизации.
Результаты и их применение: Получены уравнения регрессии и поверхности отклика для сушки горячим воздухом. При времени обработки 1,5 мин, значение мощности нагрева составляет 2 ед., а расстояния от подложки до источника нагрева 1,77 см. Отмеченные значения независимых переменных для функции отклика можно считать оптимальными. При этих параметрах обеспечивается температура подложки 140,6 °C, максимальная температура в центре образца 97,9 °C и потеря массы образца 17,7%. Результаты исследования могут быть адаптированы для пищевых продуктов с измененной текстурой, в зависимости от условий постобработки, которым она подвергается.

1. Благовещенский, И. Г., Шибанов, Э. Д., Загородников, К. А. (2020). Оптимизация 3D-печати на примере использования шоколадной глазури. Пищевая промышленность, 12, 70-73. https://doi.org/10.24411/0235-2486-2020-10147

2. Бредихин, С. А., Антипов, С. Т., Андреев, В. Н., & Мартеха, А. Н. (2021a). Влияние реологических характеристик на качество 3Д-печати пищевых паст. Вестник ВГУИТ, 83(1), 1-6. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2021-1-1-6

3. Бредихин, С. А., Андреев, В.Н., Мартеха, А.Н., & Березовский, Ю. М. (2021b). Корреляция реологических свойств с качеством трехмерной печати шоколадной. Ползуновский вестник, 3, 111-116. https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2021.03.015

4. Бредихин, С. А., Андреев, В. Н., Мартеха, А. Н., & Каверина, Ю. Е. (2021c). Оптимизация трехмерной печати хлебопекарного теста. Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов, 5(70), 39-42. https://doi.org/10.33979/2219-8466-2021-70-5-39-42

5. Гришин, А. С., Бредихина, О. В., Помоз, А. С., Пономарев В. Г., & Красуля, О. Н. (2016). Новые технологии в индустрии питания - 3D-печать. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии, 4(2), 36-44. https://doi.org/10.14529/food160205

6. Дресвянников, В. А., Страхов, Е. П., & Возмищева, А. С. (2017). Анализ применения аддитивных технологий в пищевой промышленности. Продовольственная политика и безопасность, 3, 133-139. https://doi.org/10.18334/ppib.4.3.38500

7. Прибытков, А. В., Овсянников, В. Ю., Мартеха, А. Н., & Торопцев, В. В. (2015). Основные факторы, влияющие на кинетику процесса сушки ферментированного пшеничного сырья. Хранение и переработка сельхозсырья, 5, С. 33-35.

8. Семенов, А. С, Максимов, А. С., Бесфамильная, Е. М., & Талмазова, Д. В. Технологии 3D-печати в пищевой промышленности. Молодой ученый, 21(363), 41-43.

9. Allan, M. C., Rajwa, B., & Mauer, L. J. (2018). Effects of sugars and sugar alcohols on the gelatinization temperature of wheat starch. Food Hydrocolloids, 84, 593-607. https://doi.org/10.1016/J.FOODHYD.2018.06.035

10. Auger, F., Morel, M-H., Lefebvre, J., Dewilde, M., & Redl, A. A. (2008). Parametric and microstructural study of the formation of gluten network in mixed flour–water batter. Journal of Cereal Science, 48, 349-358. https://doi.org/10.1016/J.JCS.2007.10.006

11. Cappelli, A., Bettaccini, L., & Cini, E. (2020). The kneading process: A systematic review of the effects on dough rheology and resulting bread characteristics, including improvement strategies. Trends Food Science and Technology, 104, 91-101. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2020.08.008

12. Chhanwal, N., Bhushette, P.R., & Anandharamakrishnan, C. (2019). Current Perspectives on Nonconventional Heating Ovens for Baking Process: a Review. Food and Bioprocess Technology, 12, 1-15. https://doi.org/10.1007/s11947-018-2198-y

13. Demei, K., Zhang, M., Phuhongsung, P., & Mujumdar, A. S. (2022). 3D Food printing: Controlling characteristics and improving technological effect during food processing. Food Research International, 111120. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2022.111120

14. Dessev, T., Jury, V., & Le-Bail, A. (2011). The effect of moisture content on short infrared absorptivity of bread dough. Journal of Food Engineering, 104, 571-576. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2011.01.019

15. Hackenberg, S., Jekle, M., & Becker, T. (2018). Mechanical wheat flour modification and its effect on protein network structure and dough rheology. Food Chemistry, 248, 296-303. https://doi.org/10.1016/J.FOODCHEM.2017.12.054

16. Jiang, H., Zheng, L., Zou, Y., Tong, Z., Han, S., & Wang, S. (2019). 3D food printing: main components selection by considering rheological properties. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 59, 2335-2347. https://doi.org/10.1080/10408398.2018.1514363

17. Kim, H.W., Lee, I.J., Park, S.M., Lee, J.H., Nguyen, M.H., & Park, H.J. (2019). Effect of hydrocolloid addition on dimensional stability in post-processing of 3D printable cookie dough. LWT - Food Science and Technology, 101, 69-75. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2018.11.019

18. Krishnaraj, P., Anukiruthika, T., Choudhary, P., Moses, J.A., & Anandharamakrishnan, C. (2019). 3D Extrusion Printing and Post-Processing of Fibre-Rich Snack from Indigenous Composite Flour. Food and Bioprocess Technology; 12, 1776-1786. https://doi.org/10.1007/s11947-019-02336-5

19. Mann, J., Schiedt, B., Baumann, A., Conde-Petit, B., & Vilgis, T.A. (2014). Effect of heat treatment on wheat dough rheology and wheat protein solubility. Food Science and Technology International, 20, 341-351. https://doi.org/10.1177/1082013213488381

20. Nowak, D., & Lewicki, P.P. (2004). Infrared drying of apple slices. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 5, 353- 360. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2004.03.003

21. Perry, P., & Donald, A. (2002). The effect of sugars on the gelatinisation of starch. Carbohydrate Polymers, 49, 155-165. https://doi.org/10.1016/S0144-8617(01)00324-1

22. Severini, C., Derossi, A., & Azzollini, D. (2016). Variables affecting the printability of foods: preliminary tests on cereal-based products. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 38, 281-291. https://doi.org/10.1016/J.IFSET.2016.10.001

23. Severini, C., Azzollini, D., Albenzio, M., & Derossi, A. (2018). On printability, quality and nutritional properties of 3D printed cereal based snacks enriched with edible insects. Food Research International, 106, 666-676. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2018.01.034

24. Sun, J., Zhou, W., Yan, L., Huang, D., Lin, L. (2018). Extrusion-based food printing for digitalized food design and nutrition control. Journal of Food Engineering, 220, 1-11. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2017.02.028

25. Vanin, F.M., Lucas, T., Trystram, G., & Michon, C. (2018). Biaxial extensional viscosity in wheat flour dough during baking. Journal of Food Engineering, 236, 29-35. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2018.05.007

26. Wagner, M.J., Lucas, T., Le Ray, D., & Trystram, G. (2007). Water transport in bread during baking. Journal of Food Engineering, 78, 1167-1173. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2005.12.029

27. Wählby, U., & Skjöldebrand, C. (2002). Reheating characteristics of crust formed on buns, and crust formation. Journal of Food Engineering, 53, 177-184. https://doi.org/10.1016/S0260-8774(01)00154-6

28. Wang, K-Q., Luo, S-Z., Zhong, X.Y., Cai, J., Jiang, S.T., & Zheng, Z. (2017) Changes in chemical interactions and protein conformation during heat-induced wheat gluten gel formation. Food Chemistry, 214, 393-399. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2016.07.037

29. Yang, F., Zhang, M., Prakash, S., & Liu, Y. (2018). Physical properties of 3D printed baking dough as affected by different compositions. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 49, 202-210. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2018.01.001

30. Zhang, L., Lou, Y., & Schutyser, M. A. I. (2018). 3D printing of cereal-based food structures containing probiotics. Food Structure, 18, 14-22. https://doi.org/10.1016/j.foostr.2018.10.002