Extrusion three-dimensional food printing of animal fat replacement by high oleic sunflower oil oleogels structured with beeswax

Abstract

In potential food 3D printing applications, the product development with personalized properties is still an important area to be explored. The purpose of this study was to evaluate printing in the form of various internal structures (50, 75 and 100%) using the beeswax (BW) oleogels of varying concentrations (7, 11, 15, 19 and 23%) as a printing material and explore the possibility of the pork fat replacement. Therefore, this paper studied the rheological and microstructure properties of BW oleogels and the pork lard, as well as the printing precision and texture characteristics of printed products. First, rheological measurements such as flow curves, temperature tests, strain tests and frequency tests were performed to evaluate the proper printability of BW oleogels and the pork lard. Next, a polarized microscope was measured to analyze the microstructure of the crystalline of BW oleogels and the pork lard. Then, the print dimensional deviation was analyzed to evaluate the geometrical accuracy of the printed products and a compression test was performed to assess the texture properties. First, as a result of rheological studies, the values of the storage modulus (G'), loss modulus (G'') and complex modulus (G*) of the gel increased as the concentration of the BW increased, and the pork lard was similar to the BW-15. Next, the polarized microscopy results denoted that the pork lard and BW oleogels were observed with the spherical and needle crystals, respectively, and in the case of BW oleogels, a denser gel network was shown as the concentration of the BW increased. As a result of 3D printing, most of the printed products have been successfully printed and can be used as the printable materials when the BW concentration is at least 11%. In addition, as a result of dimensional deviation measurement, the products printed with the infill level of less than 75% and the BW concentrations of more than 15% showed the lowest dimensional deviation for the designed models and the best printing precision. Next, the texture measurement showed that the BW concentrations and infill level significantly affected the hardness, cohesiveness and adhesiveness of the printed product. Finally, for the optimization of multiple responses, the texture characteristics (hardness, cohesiveness and adhesiveness) of the pork lard printed at 75% infill level were applied to a fixed target value, and the preparation parameters were selected as 59% infill level and 16% BW concentrations. Printed BW oleogels with predictive preparation parameters achieved similar hardness, cohesiveness and adhesiveness as the pork lard. In conclusion, it has been proven that 3D printing based on the BW oleogel system can produce complex internal structures to adjust the texture properties of the printed samples, and BW oleogels ware suggested that it has excellent potential as a replacement of pork fat.;식품 3D 프린팅의 잠재적인 응용 분야 중에서 개인화된 특성을 가진 제품 개발은 여전히 탐구해야 할 중요한 분야이다. 이 연구의 목적은 다양한 농도의 밀랍 올레오겔 (7, 11, 15, 19 및 23 %)을 인쇄 재료로 사용하여 다양한 내부 구조 (50, 75 및 100 %)를 가진 형태의 인쇄를 평가하고 지방 대체 가능성을 탐색하는 것 이었다. 따라서 이 논문은 밀랍 올레오겔과 돼지 라드의 유변학 및 미세 구조 특성과 인쇄된 제품의 인쇄 정밀성 및 질감 특성을 연구하였다. 밀랍 올레오겔 및 돼지 라드의 적절한 인쇄성을 평가하기 위해 유변학적 측정인 흐름 곡선, 온도 테스트, 변형 테스트 및 주파수 테스트를 수행하였다. 다음으로 밀랍 올레오겔 및 돼지 라드 결정의 미세 구조를 분석하기 위해 편광 현미경을 측정하였다. 인쇄된 제품의 인쇄 정확도를 평가하기 위해 치수 편차를 계산하였고, 질감 특성을 측정하기 위해 압축 테스트를 수행하였다. 유변학 연구 결과, 겔의 저장 계수 (G'), 손실 계수 (G'') 및 복합 계수(G*) 값은 밀랍의 농도가 증가할수록 증가하였으며 돼지 라드는 BW-15와 유사하였다. 다음으로 편광현미경 측정 결과, 돼지 라드 및 밀랍 올레오겔은 각각 구형 및 바늘 결정으로 관찰되었으며 밀랍 올레오겔의 경우 밀랍의 농도가 증가할수록 더 조밀한 겔 네트워크를 나타냈다. 3D 프린팅 결과, 대부분의 인쇄된 제품들은 성공적으로 인쇄되었으며 밀랍의 농도가 최소한 11% 이상일 때 인쇄 가능한 소재로 사용할 수 있었다. 치수 편차 측정 결과, 75% 이하의 충전 수준 및 15% 이상의 밀랍 올레오겔로 인쇄된 제품들이 설계된 모델에 대해 가장 낮은 치수 편차가 관찰되었으며 가장 우수한 인쇄 정밀성을 보였다. 질감 측정 결과, 밀랍 농도 및 충전 수준은 인쇄된 제품의 경도, 응집성 및 점착성에 유의적인 영향을 미치는 것을 확인하였다. 다중 반응 최적화를 위해 75% 충전 수준으로 인쇄된 라드의 조직 특성 (경도, 응집성 및 점착성)을 고정된 목표 값으로 적용하였고, 다중 반응 예측 결과 준비 매개변수는 59% 충전 수준과 16% 밀랍 농도로 선정되었다. 예측 준비 매개변수로 밀랍 올레오겔을 인쇄한 결과, 돼지 라드와 유사한 경도, 응집성 및 점착성을 달성하였다. 본 연구에서 밀랍 올레오겔 및 돼지 라드의 3D 프린팅을 통해 복잡한 내부 구조를 생성하고 인쇄된 제품의 질감 속성을 조정할 수 있는 것으로 확인되었으며, 이 밀랍 올레오겔이 돼지 지방을 대체할 수 있는 재료로서 우수한 잠재력을 가지고 있음을 시사한다.