Tecnologia de impressão 3D: oportunidade para o setor lácteo

A impressão tridimensional 3D, também conhecida como prototipagem rápida ou manufatura aditiva, é uma tecnologia cuja finalidade inicial era produzir maquetes e protótipos de produtos específicos em três dimensões. Entretanto, com o passar dos anos, essa tecnologia quebrou paradigmas e vem sendo aplicada em outros setores, inclusive na área de alimentos (Tomaševic et al., 2021; Pereira, Barroso e Gil, 2021).

No setor alimentício, a tecnologia de impressão 3D alcançou a marca de $34,70 milhões em 2019. Entretanto, o mercado global de impressão de alimentos 3D está crescendo a uma taxa anual de 54,5% e deve superar o valor de $1 bilhão em 2027 (Emergen Research, 2020).

O processo de impressão 3D de alimentos começa com o projeto de um modelo 3D virtual. O software traduz este modelo em camadas individuais e gera códigos de máquina para impressão. Depois de carregar os códigos em uma impressora e escolher uma formulação ideal, a impressão do alimento é iniciada em condições controladas até a finalização do produto (Likhit e Rao, 2020; Nachal et al., 2019).

Na indústria de alimentos essa tecnologia oferece algumas vantagens que inclui a impressão de alimentos sob demandas personalizadas,  o que permite a criação de alimentos com características específicas de design, estruturas geométricas, cores, sabores, texturas e nutrientes de acordo com as preferências do consumidor (Lipson & Kurman, 2013; Handral, Tay, Chan & Choudhury, 2020).

Além disso, a impressão 3D permite a redução do desperdício de alimentos dentro dos processos industriais, uma vez que os produtos são produzidos sob demandas personalizadas (Pereira, Barroso & Gil, 2021).

Assim, acredita-se que a tecnologia de impressão 3D de alimentos definirá novas fronteiras para o processamento de alimentos ao ser capaz de entregar um produto com características otimizadas para públicos-alvo específicos.

Para reforçar o aumento do interesse nessa tecnologia pela comunidade acadêmica a Figura 1 apresenta a evolução exponencial do número de artigos científicos publicados de 2010 a 2021 relacionados ao tópico impressão 3D de alimentos encontrados na base de dados “Science Direct”.

Figura 1. Dados estatísticos dos artigos científicos sobre o tema impressão 3D em alimentos publicados durante 2010 a 2021. Os dados foram obtidos do banco de dados Science Direct em 07 de dezembro de 2021. A palavra-chave de pesquisa usada foi “3D printing food”.

Fonte: elaborado pelos autores.

Apesar da impressão 3D apresentar diversas vantagens na indústria de alimentos, as desvantagens apresentadas por esta técnica ainda dificultam sua inserção mais ampla na indústria. A Tabela 1 apresenta uma lista das vantagens e desvantagens do uso desta tecnologia na produção de alimentos.

Tabela 1. Vantagens e desvantagens do uso de impressão 3D para impressão de alimentos.

Fonte: adaptado de Pereira, Barroso e Gil (2021).

Técnicas usadas para impressão 3D dos alimentos

Diferentes técnicas de impressão 3D foram adaptadas para aplicações alimentícias. As principais tecnologias de impressão 3D aplicadas em alimentos são: impressão baseada em extrusão, impressão a jato de tinta e impressão assistida por laser (Figura 2) (Pereira, Barroso & Gil, 2021).

Figura 2. Principais tecnologias de impressão 3D aplicadas em alimentos.

• Impressão 3D por extrusão

A impressão 3D por extrusão é o método mais comumente utilizado na impressão 3D de alimentos devido a facilidade e praticidade (Sun, Zhou, Yan, Huang, & Lin, 2018; Tan et al., 2018). A impressão 3D baseada em extrusão envolve um braço robótico com uma seringa que se move ao longo de uma superfície, depositando a tinta formulada através de um bico de extrusão (Figura 2A).

A deposição consecutiva de camadas ocorre com o direcionamento da seringa para os locais pré-determinados seguindo um protótipo 3D pré-estabelecido (Liu et al., 2017). Esta técnica geralmente usa pastas alimentícias de alta viscosidade (Yang et al., 2019).

• Impressão 3D a jato de tinta

Na impressão a jato de tinta são depositados uma série de gotas de tinta de um alimento em um objeto em movimento (Figura 2B). Nesta técnica, as gotas juntas formam uma imagem digital no formato de uma decoração gráfica, preenchimento de superfície ou deposição de cavidade. Diferentemente da impressão 3D baseada em extrusão, as impressoras 3D a jato de tinta normalmente usam materiais alimentícios de baixa viscosidade (Liu et al., 2018).

• Impressão 3D baseada a laser

A impressão 3D de alimentos baseada a laser é um processo de prototipagem rápida, apresentam alta exatidão e precisão. Esta técnica se baseia na utilização de uma fonte de sinterização para fundir as partículas do pó e formar uma camada sólida (Figura 2C). Após concluir a primeira camada, uma nova camada de pó é distribuída por cima da anterior, construindo um objeto camada por camada (Sun et al., 2015; Fina et al., 2017).

Aplicação da impressão 3D em lácteos

Nos produtos lácteos, a tecnologia 3D vem sendo avaliada a nível acadêmico e os resultados são promissores. Na produção de queijos, Tohic et al. (2020) investigaram a impressão 3D de um queijo processado disponível comercialmente como material de impressão.

Para isso, o queijo foi derretido a 75°C por 12 minutos e posteriormente impresso usando uma impressora 3D comercial com diferentes taxas de extrusão (RepRap Professional Ltd, UK). Os pesquisadores verificaram que os queijos que foram submetidos ao processo de derretimento e impressão apresentaram uma menor dureza (redução de até 49%) e maior derretimento (variando de 14% a 21%) em comparação com o queijo não tratado.

Por outro lado, o queijo obtido por impressão 3D exibiu uma coloração mais escura, possivelmente devido à modificação do tamanho e da morfologia dos glóbulos de gordura durante o processamento. Esses resultados exemplificam o desenvolvimento de produtos com novas características sensoriais, o que pode contribuir para um novo cenário do mercado lácteo.

Em outro estudo, Ross et al. (2021) investigaram o efeito do pH, do conteúdo de caseína intacta e da temperatura na qualidade da impressão 3D em queijo processado. Após definir a faixa de viscosidade ideal de impressão (7,55–10,94 Pa.s), os pesquisadores verificaram que o queijo processado impresso em pH de 5,8 foi significativamente mais macio em comparação com os queijos impressos com valores de pH mais baixo (5,4 e 5,6).

Além disso, o queijo impresso contendo massa fresca (maior quantidade de caseína intacta) apresentou maior dureza em comparação com queijos de massa maturada. Por fim, os pesquisadores verificaram que a impressão 3D dos queijos em temperaturas mais altas (60 °C) resultou em um produto mais duro e resistente do que a impressão em temperaturas mais baixas (40 °C).

Desta forma, verifica-se que as condições de impressão influenciam diretamente na qualidade do produto final. Portanto, essas condições necessitam ser otimizadas para que as características dos produtos possam atender as necessidades dos consumidores.

Em iogurtes, Riantiningtyas et al. (2021) estudaram a impressão 3D de um gel à base de iogurte rico em proteínas e avaliaram o efeito da adição de proteínas isoladas do soro de leite (WPI) e gelatina nas propriedades físicas e sensoriais do produto.

De acordo com os resultados, a adição de gelatina e WPI afetaram significativamente a reologia e a capacidade de impressão dos géis de iogurte. Um aumento da concentração de gelatina (de 7,5 para 12,5%) aumentou a consistência dos géis.

Por outro lado, a adição de 12% de WPI reduziu esse efeito, criando géis mais suaves com viscosidade reduzida. Já o efeito combinado de WPI e gelatina permitiu a obtenção de géis de iogurte impressos em 3D mais estáveis em formados, o que contribuiu com uma a alta aceitação sensorial do produto. Novamente, esses resultados demonstram a necessidade de otimização da formulação para elaboração de produtos impressos com características satisfatórias.

Conforme observado nesses estudos, a aplicação desta tecnologia na área de lácteos vem apresentando resultados potenciais. Entretanto, a utilização da impressão 3D neste setor requer um conhecimento profundo sobre o comportamento dos componentes alimentares do leite durante a impressão.

Outro ponto interessante é a utilização de componentes lácteos, como por exemplo as proteínas do leite, como ingredientes chaves para o desenvolvimento de alimentos impressos estáveis (Godoi et al., 2016; Lille et al., 2018).

As proteínas do leite desenvolvem fortes redes de gel, assim, podem aplicadas com sucesso para manter a estabilidade de diversos produtos alimentícios durante e após a impressão. Liu et al. (2018) estabeleceram um simulador de impressão 3D baseado em proteína do soro de leite.

Esses pesquisadores verificaram que a mistura otimizada entre proteínas do soro de leite isolada (WPI) e concentrada (WPC) garantiu um excelente desempenho de impressão tridimensional com uma viscosidade e resistência mecânica da massa adequada para deposição e adesão, com precisão geométrica e maior fidelidade de impressão.

Considerações finais

A impressão 3D de alimentos é uma área crescente que necessita de mais estudos e discussões para se tornar uma realidade comercial. É necessário entender que existem poucos sistemas de alimentos que podem ser usados para impressão 3D.

Porém, como foi elucidado neste artigo, a tecnologia tem evoluído significativamente com a utilização de diferentes materiais de impressão (como os biopolímeros de origem natural) e boas características de impressão. Além disso, fica claro que a aplicação de impressão 3D em queijos processados e iogurtes têm potencial para evoluir como um novo segmento alimentar.
 

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Autores:

Ana Flávia Coelho Pacheco (Mestre em Ciência e Tecnologia de Alimentos e membro do Laboratório de Inovação no Processamento de Alimentos- LIPA/DTA/UFV)

Jeferson Silva Cunha (Bacharel em Ciência e Tecnologia de Laticínios e membro do Laboratório de Inovação no Processamento de Alimentos- LIPA/DTA/UFV)

Gabriela Zinato Pereira (Graduanda em Engenharia de Alimentos e membro do Laboratório de Inovação no Processamento de Alimentos- LIPA/DTA/UFV)

Flaviana Coelho Pacheco (Graduanda em Engenharia de Alimentos e membro do Laboratório de Inovação no Processamento de Alimentos- LIPA/DTA/UFV)

Prof. Dr. Paulo Henrique Costa Paiva (Professor/pesquisador do Instituto de Laticínios Cândido Tostes – EPAMIG-MG).

Profa. Dra. Érica Nascif Rufino Vieira (Professora do Departamento de Tecnologia de Alimentos da UFV e coordenadora do Laboratório de Inovação no Processamento de Alimentos- LIPA/DTA/UFV)

Prof. Dr. Bruno Ricardo de Castro Leite Júnior (Professor do Departamento de Tecnologia de Alimentos da UFV e coordenador do Laboratório de Inovação no Processamento de Alimentos- LIPA/DTA/UFV)

Agradecimentos: Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq pelo financiamento do projeto (n° 429033/2018-4); e pela bolsa de produtividade a B.R.C. Leite Júnior (n°306514/2020-6) e a FAPEMIG (APQ 00388-21).

Referências 

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*Fonte da foto do artigo: Freepik