Individualisierte Schokolade Synchronisiertes und multiskaliges 3D-Druckverfahren in der Lebensmittelherstellung

Der 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten zur Herstellung von geschmacklich optimierten und gesünderen Lebensmitteln nach individuellen Vorgaben. Die BFH entwickelt zusammen mit der ETH Zürich ein neues Verfahren, das den Weg für die industrielle Produktion frei machen soll.

Steckbrief

  • Lead-Departement Technik und Informatik
  • Institut Institut für Drucktechnologie IDT
  • Förderorganisation BRIDGE Discovery – SNF
  • Laufzeit (geplant) 01.07.2019 - 30.06.2023
  • Projektverantwortung Karl-Heinz Selbmann
  • Projektleitung Karl-Heinz Selbmann
  • Projektmitarbeitende Manuel Aeschbacher
    Manfred Schär
    Micha Güdel
  • Partner Stäubli AG, Robotics
    ETH-Industry Working Group «Chocolate Technology» (AK-Choco)
    Institut für Lebensmittelwissenschaften, Ernährung und Gesundheit (ETH Zürich)
    Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften (BFH)
    SNF – Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung
  • Schlüsselwörter Rheological optimization, 3D-extrusion printing, synchronous-multiscale, functionalizing, food, sensory characteristics, nutritional properties, production rate

Ausgangslage

Das 3D-Druckverfahren stösst auch in der Lebensmittelproduktion auf wachsendes Interesse. Es verspricht neue Möglichkeiten, etwa bei der Herstellung von individualisierten Produkten mit spezifischer Textur und wechselnden Zusammensetzungen. Allerdings gibt es grosse Hürden zu überwinden, damit sich die Technologie erfolgreich in grossem Massstab in der Industrie durchsetzen kann. Es müssen insbesondere die Durchsatzraten erhöht, drucktaugliche Lebensmittelmassen entwickelt und die hohen Hygieneanforderungen berücksichtigt werden.

Gefördert durch BRIDGE, ein gemeinsames Programm des Schweizerischen Nationalfonds und der Innosuisse, entwickelt die BFH zusammen mit der ETH Zürich Technologien für die schnelle und industrietaugliche additive Produktion von strukturell differenzierten Lebensmitteln.

Ziele

Als Anwendungsbereich wurden zunächst Schokoladensüsswaren gewählt. Ein neues Herstellungsverfahren soll ermöglichen, die erforderlichen Mengen an teuren Aromastoffen oder den ernährungsphysiologisch nicht erwünschten Zucker zu reduzieren, ohne die Empfindung der Süsse bei den Konsument*innen zu beeinträchtigen.

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Vorgehen

Um das Potenzial des 3D-Druckverfahrens für die Optimierung von Lebensmitteln auszuschöpfen, ist ein genaues Verständnis der Entstehung von Geschmacksempfindungen nötig. Die Zunge nimmt dabei eine zentrale Rolle ein. Neben ihrer kinästhetischen Funktion (Bewegungsempfindung) und der Wahrnehmung stofflicher Eigenschaften hat sie die Fähigkeit, die Geschmacksqualitäten süss, bitter, sauer, salzig und umami wahrzunehmen. Diese sensorische Fähigkeit wird durch das Zusammenspiel verschiedener Geschmacksrezeptoren gewährleistet, welche die registrierten Signale über Nervenbahnen an höhere Hirnregionen weiterleiten.

Erste Konsumversuche zeigen, dass die Wahrnehmung von Süsse zunimmt, wenn die entsprechenden Geschmacksrezeptoren mit wechselnder Intensität anstatt gleichbleibend stark stimuliert werden. Die gezielte Platzierung der Süssstoffe mit dem 3D-Druckverfahren ermöglicht deshalb eine Reduktion der Süssstoffmenge, ohne dass die Schokolade als weniger süss empfunden wird.

Für die Herstellung einer auf diese Weise «optimierten» Schokolade wurde ein hybrider 3D-Druckansatz gewählt, um die verschiedenen Bestandteile zu verbinden. Als Basisträger des Produkts dient eine Schokoladenmasse. Mit einem eigens entwickelten Verfahren wird sie durch eine Düse in die gewünschte Form gepresst, die stabil bleibt.

Nachdem der Basisträger auf ein Förderband aufgetragen wurde, bauen synchronisierte Roboter die Schokolade nach einem digitalen Modell auf. Ein mit einer Dosierpumpe ausgestatteter Roboter trägt eine geschäumte Masse aus Kakaobutter auf die Schokoladenform auf. Sie bringt zusätzlichen Geschmack und Textur in das Produkt. Ein zweiter Roboter mit Mikro-Jettern appliziert weitere Aroma- und Süssstoffe gemäss der gewünschten Anordnung auf dem Produkt.

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Lösung

Der grosse Vorteil dieses Verfahrens ist die hohe Flexibilität bei der Produktekonfiguration. Sowohl die Geometrie der Grundform wie auch der Aufbau und die Anordnung der geschäumten Kakaobutter und der Aromastoffe lassen sich rasch anpassen. So ist es möglich, auf einer einzigen Produktionslinie die Schokolade jederzeit und ohne grössere Betriebsunterbrüche den geschmacklichen und ernährungsphysiologischen Bedürfnissen der Endverbraucher*innen anzupassen. Die synchronisierte Arbeitsweise in Kombination mit dem extrudierten Basiskörper beschleunigt zudem die Produktionsgeschwindigkeit gegenüber herkömmlichen 3D-Druckverfahren.

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