Additive Process Engineering of Biopolymer-Based Porous Solids for Novel Food Texturization Building Blocks

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Additive Process Engineering
of Biopolymer-Based Porous
Solids for Novel Food Texturization
Building Blocks

 Doctoral Thesis

 Author(s):
 Foschini, Socrates

 Publication date:
 2020

 Permanent link:
 https://doi.org/10.3929/ethz-b-000478291

 Rights / license:
 In Copyright - Non-Commercial Use Permitted

 Originally published in:
 Food process engineering 82

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Diss. ETH No. 27044

     Additive Process Engineering of
 Biopolymer-Based Porous Solids for Novel
    Food Texturization Building Blocks

              A dissertation submitted to attain the degree of

               DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
                            (Dr. sc. ETH Zurich)

                                presented by

                           Socrates Foschini
                              MSc ETH Zurich

                             born 16th May 1991

              citizen of Zürich (ZH), Switzerland and Greece

                      accepted on the recommendation of

                      Prof. Dr. E. J. Windhab, Examiner
                        Dr. M. E. Leser, Co-Examiner
                        Dr. M. Michel, Co-Examiner

                                    2020

Summary
Crunchiness and juiciness are highly appreciated textural attributes found in fruit
and vegetables to a varying extent depending on species, breed, and maturation
degree. The crunchy and simultaneously juicy texture perception upon masti-
cation of natural produce originates from the brittle fracture of plant cell-walls
releasing the liquid cell content when a critical stress or deformation is exceeded.
The formation of similar textural characteristics for industrially processed food
is a major challenge due to safety and stability issues, most notably if prolonged
shelf-life is required.
The objective of this thesis was to develop a dry open-porous aerogel based on
biopolymers, which can be reconstituted in an aqueous liquid without immedi-
ate softening. This would consequently be perceived as crunchy and juicy upon
mastication, comparable to the natural texture of fruit and vegetables.
From a process engineering perspective, fruit and vegetables are brittle hydrogel
composites synthesized by nature, which comprise specific structural components
responsible for their exhibited textural properties. Inspired by these natural com-
posites, two novel building blocks—one that exhibits crunchiness and delayed plas-
ticization in water and one that is reconstitutable, and juicy upon mastication—
were developed and ultimately combined into one coherent material, resulting in
a ‘crucy’ product, which stands for crunchy and juicy.
For the creation of the crunchy building block, a novel additive manufacturing
technology has been developed based on electromagnetically cured 3D printing
with a protein dispersion as the binder. The process and its resulting proto-
types have been characterized focusing mainly on the thermal denaturation of
proteins, mechanical stability, and delayed plasticization in proximity to water.
The mechanical stability was investigated in the dry and wet state with uniaxial
penetration and compression tests yielding information about the occurrence of
fracture events, the peak force representing the mechanical strength, the Young’s
modulus or elastic resistance indicating stiffness, and the fracture strain describing
brittleness. The use of the protein dispersion as a liquid binder was applicable for
all investigated matrix powders providing high flexibility in the implementation of
new production processes. By adjustment of the drying conditions, the mechani-
cal stability and the resulting textural properties were adapted to the formulation
and tailored to the final crunchy 3D printed product.

                                                                                   xv

Summary

The juicy building block was realized based on a similar material composition, but
with decreased thermal processing in order to provide a certain hydrophilicity for
the reconstitution with an aqueous liquid. To achieve reconstitutability, the ma-
terial was engineered to exhibit a high wettability and water absorption capacity
without disintegrating in proximity to water. When a critical compressive stress
is exceeded, this structure releases a large volume of liquid, which is perceived as
juicy upon mastication. The juicy building block was fabricated by foaming of a
highly concentrated protein dispersion followed by microwave-assisted convection
drying. The induced volumetric heating causes fast expansion and elongation of
the foam bubbles, retards crust formation, and promotes early protein denatu-
ration. The resulting dried structure exhibits a dual-scale porosity, composed of
open macroscopic pores originating from the foam, and microscopic pores in the
surrounding solid lamellae induced by local steam generation. The insolubility and
mixed wettability of the partially denatured protein network enable spontaneous
and rapid liquid imbibition of polar and nonpolar liquids into the interconnected
capillary system without disintegrating. Due to its fabrication in a cylindrical
mold, the juicy building block is geometrically restricted in its shape and imple-
mentation in further processes is difficult. To broaden its applicability, smaller
sphere-like particles were engineered with similar absorption and mechanical prop-
erties, that can be implemented in a subsequent additive manufacturing step to
combine the two building blocks into a ‘crucy’ material.
The developed crunchy and juicy building blocks based on biopolymer porous
solids were successfully implemented for the texturization of model food systems
and enable the creation of a novel industrially processable nature-inspired texture.
The overall technological concept of (i) preparing mixtures of powders from com-
ponents of raw primary materials, (ii) connecting these powders with a natural
binder, (iii) forming hierarchically structured building blocks, and (iv) assem-
bling these components to generate consumer-relevant sensory and nutritionally
preferred product attributes, represents an integrative value chain approach with
potential for a solution strategy concerning the reduction of post-harvest and pro-
cessed food losses.

xvi

Zusammenfassung

Knusprigkeit und Saftigkeit sind von Konsumenten hoch geschätzte Texturmerk-
male, die bei Obst und Gemüse je nach Art, Sorte und Reifegrad in unterschied-
lichem Masse vorkommen. Die knusprige und gleichzeitig saftige Texturwahrneh-
mung beim Kauen von Naturprodukten entsteht durch den spröden Bruch der
pflanzlichen Zellwände, die bei Überschreiten einer kritischen Spannung den flüssi-
gen Zellinhalt freisetzen. Die Ausbildung ähnlicher Texturmerkmale für industriell
verarbeitete Lebensmittel ist aus Sicherheits- und Stabilitätsgründen eine grosse
Herausforderung, vor allem wenn eine längere Haltbarkeitsdauer erforderlich ist.
Das Ziel dieser Arbeit war es, ein trockenes offenporiges Aerogel auf der Basis
von Biopolymeren zu entwickeln, das in einer wässrigen Flüssigkeit ohne sofortige
Erweichung rekonstituiert werden kann. Dieses würde folglich beim Kauen als
knusprig und saftig zugleich empfunden werden, vergleichbar mit der natürlichen
Textur von Obst und Gemüse.
Aus verfahrenstechnischer Sicht handelt es sich bei Obst und Gemüse um spröde,
von der Natur synthetisierte Hydrogel-Verbundwerkstoffe, die spezifische struk-
turelle Komponenten enthalten, welche die texturellen Eigenschaften bestimmen.
Inspiriert von diesen natürlichen Verbundwerkstoffen wurden zwei neuartige Bau-
steine entwickelt: Einer, der Knusprigkeit und verzögerte Weichmachung in Wasser
zeigt (crunchy), und einer, der rekonstituierbar und beim Kauen saftig ist (juicy).
Die Kombination der beiden Bausteine zu einem kohärenten Material führt dann
zu einem ‘crucy’ Produkt, was für ‘crunchy’ und ‘juicy’ steht, also Knusprigkeit
und Saftigkeit zugleich aufweist.
Für die Herstellung des crunchy Bausteins wurde eine neuartige additive Herstel-
lungstechnologie entwickelt, die auf 3D-Druck mit einer elektromagnetisch ver-
festigten Proteindispersion als Bindemittel basiert. Das Verfahren und die daraus
resultierenden Prototypen wurden charakterisiert, wobei das Hauptaugenmerk auf
der thermischen Denaturierung von Proteinen lag, was zu einer erhöhten Ober-
flächenhydrophobizität, mechanischen Stabilität und verzögertem Erweichen in
Kontakt mit Wasser führt. Die mechanische Stabilität wurde im trockenen und
befeuchteten Zustand mit Penetrations- und Drucktests untersucht, welche In-
formationen über das Auftreten von Bruchereignissen lieferten, wobei die maxi-
male Kraft die mechanische Festigkeit, der Elastizitätsmodul oder Elastizitätswi-
derstand die Steifigkeit und die Bruchdehnung die Sprödigkeit beschreiben. Die
Verwendung der Proteindispersion als flüssiges Bindemittel war auf alle unter-

                                                                               xvii

Zusammenfassung

suchten Matrixpulver anwendbar, was eine hohe Flexibilität bei der Einführung
neuer Produktionsprozesse gewährleistet. Durch Anpassung der Trocknungsbedin-
gungen wurden die mechanische Stabilität und die daraus resultierenden Textu-
reigenschaften an die Formulierung angepasst und auf das endgültige knusprige
3D-gedruckte Produkt zugeschnitten.
Der juicy Baustein wurde auf Basis einer ähnlichen Materialzusammensetzung rea-
lisiert, jedoch mit verminderter thermischer Verarbeitung, um eine gewisse Hydro-
philie für die Rekonstitution mit einer wässrigen Flüssigkeit zu erreichen. Um die
Rekonstituierbarkeit zu erzielen, wurde das Material so konstruiert, dass es eine
hohe Benetzbarkeit und Wasseraufnahmekapazität aufweist, ohne sich in Was-
sernähe aufzulösen. Wenn eine kritische Druckspannung überschritten wird, setzt
diese Struktur ein grosses Flüssigkeitsvolumen frei, das beim Kauen als saftig emp-
funden wird. Der saftige Baustein wurde durch Aufschäumen einer hochkonzen-
trierten Proteindispersion hergestellt, gefolgt von mikrowellenunterstützter Kon-
vektionstrocknung. Die induzierte volumetrische Erwärmung bewirkt eine schnel-
le Expansion und Dehnung der Schaumblasen, verzögert die Krustenbildung und
fördert die frühzeitige Denaturierung der Proteine. Die resultierende getrocknete
Struktur weist eine Porosität auf zwei Längenskalen auf, bestehend aus offenen
makroskopischen Poren, die aus den Schaumblasen nach der Trocknung resultie-
ren, und mikroskopischen Poren in den Porenwänden, die entweder durch lokale
Dampferzeugung infolge Mikrowelleneinfluss oder durch Trocknung induziert wer-
den. Die Unlöslichkeit und gemischte Benetzbarkeit des teilweise denaturierten
Proteinnetzwerks ermöglicht eine spontane und schnelle Flüssigkeitsaufnahme von
polaren und unpolaren Flüssigkeiten in das Kapillarnetzwerk, ohne zur Auflösung
der kapillaren Gerüststruktur zu führen.
Die entwickelten knusprigen und saftigen Bausteine auf der Basis biopolyme-
rer poröser Feststoffe wurden erfolgreich für die Texturierung von Lebensmittel-
Modellsystemen eingesetzt und ermöglichen die Erzeugung neuartiger industri-
ell herstellbarer Strukturen mit gewünschten Textureigenschaften. Das technolo-
gische Gesamtkonzept beinhaltet (i) die Herstellung von Pulvermischungen aus
Rohstoff-Komponenten, (ii) die Verbindung dieser Pulver mit einem natürlichen
Bindemittel, (iii) die Erzeugung hierarchisch-strukturierter Bausteine und (iv) die
Kombination dieser Bausteine, um verbraucherrelevante sensorische und ernäh-
rungsphysiologisch bevorzugte Produkteigenschaften zu generieren, was einen in-
tegrativen Wertschöpfungsansatz mit Potenzial für eine Lösungsstrategie hinsicht-
lich der Reduktion von Nachernte- und verarbeiteten Lebensmittelverlusten dar-
stellt.

xviii