МЕТОДОЛОГИЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 3D ПЕЧАТИ ПИЩЕВЫХ СИСТЕМ : EJWQPT

Александр Владимирович   Анисимов; Наталья Львовна  Моргунова; Ольга Сергеевна  Фоменко; Никита Александрович  Семилет; Анна Сергеевна  Кизиёва

doi:10.25712/ASTU.2072-8921.2026.01.005

Авторы

Александр Владимирович Анисимов Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н.И. Вавилова https://orcid.org/0000-0002-5313-6329
Наталья Львовна Моргунова Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н.И. Вавилова https://orcid.org/0000-0003-1671-0528
Ольга Сергеевна Фоменко Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н.И. Вавилова https://orcid.org/0000-0002-2700-3119
Никита Александрович Семилет Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н.И. Вавилова https://orcid.org/0000-0003-4200-0896
Анна Сергеевна Кизиёва Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н.И. Вавилова https://orcid.org/0009-0004-8966-8839

DOI:

https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2026.01.005

Ключевые слова:

3D-печать, шоколадная глазурь, аддитивные технологии, пищевые принтеры, качество печати, динамическая вязкость, температура печати

Аннотация

В статье представлены результаты исследований по оптимизации технологических параметров 3Д- печати на основе анализа реологических характеристик на примере шоколадной глазури. Методология работы включала комплексный подход, основанный на планировании эксперимента по методу Бокса-Бенкена и анализе реологических свойств шоколадной глазури с применением реометра Anton Paar Physica MCR 102 (Германия). Ключевыми факторами, влияющими на качество 3D-печати, являются скорость подачи материала, температура материала печати, диаметр сопла и высота слоя. Экспериментально установлены оптимальные значения технологических параметров для 3D-печати шоколадной глазурью: скорость подачи материала – 15мм/с, температура печати – 32°C, диаметр сопла – 0,8 мм, высота слоя – 0,4 мм. Показано, что наибольшее влияние на точность формирования модели оказывает температура печати. Установлена взаимосвязь между динамической вязкостью шоколадной глазури и качеством печати. Полученные результаты позволяют рекомендовать температуру 32 °C и значение динамической вязкости η = 6,5 Па·с в качестве оптимальных параметров для 3D-печати шоколадной глазурью. Разработанная методология подбора технологических параметров на основе реологических характеристик пищевых систем позволяет минимизировать дефекты изделий и сократить время настройки 3D-принтера. Разработанный методологический подход может быть адаптирован для других пищевых систем и создает научную базу для дальнейших исследований в области аддитивных технологий в пищевой промышленности.

Библиографические ссылки

Анисимов, А. В. Результаты экспериментальных исследований машины для обработки зерна / А. В. Анисимов // Аграрный научный журнал. – 2019. – № 11. – С. 81-86. – DOI 10.28983/asj. y2019i11pp81-86. – EDN VGMUTL.

Анисимов, А. В. Экспериментальное определение оптимальных параметров оборудования для обработки зерна при подготовке к помолу / А. В. Анисимов, Ф. Я. Рудик // Инженерные технологии и системы. – 2019. – Т. 29, № 4. – С. 594-613. – DOI 10.15507/2658-4123.029.201904.594-613. – EDN CEQUQR.

Благовещенский В. Г. Интеллектуальная автоматизированная система управления качеством халвы с использованием гибридных методов и технологий: специальность 05.13.06 "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)": диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Благовещенский Владислав Германович, 2021. – 219 с. – EDN RAAQHK.

Благовещенский, И. Г. Оптимизация 3D-печати на примере использования шоколадной глазури / И. Г. Благовещенский, Э. Д. Шибанов, К. А. Загородников // Пищевая промышленность. – 2020. – № 12. – С. 70–73. – DOI: 10.24411/0235-2486-2020-10147. – EDN: ZZVVRE.

Влияние реологических характеристик на качество 3Д-печати пищевых паст / С. А. Бредихин, С. Т. Антипов, В. Н. Андреев, А. Н. Мартеха // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2021. – Т. 83, № 2(88). – С. 40-47. – DOI 10.20914/2310-1202-2021-2-40-47. – EDN UOEZFC.

Исследование теплофизических и реологических свойств пищевых растительных масел / А.Н. Остриков [и др.] // Ползуновский вестник. 2021. № 2. С. 36-43.

Каверина, Ю. Е. Моделирование гидродинамики потока пищевого материала в процессе экструзионной 3D-печати / Ю. Е. Каверина, В. В. Торопцев, А. Н. Мартеха // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. – 2024. – № 2-3(396). – С. 60-66. – DOI 10.26297/0579-3009.2024.2-3.10. – EDN FSXROB.

Кизиева, А. С. Индустрия 4.0 в пищевой промышленности / А. С. Кизиева, О. С. Фоменко // Инновационные тенденции развития российской науки : Материалы XVI Международной научно-практической конференции молодых ученых, Красноярск, 29–31 марта 2023 года. – Красноярск: Красноярский государственный аграрный университет, 2023. – С. 293-294. – EDN GQOPFZ.

Министерство промышленности и торговли РФ. Стратегия развития аддитивных технологий в Российской Федерации на период до 2030 года. – Москва: Минпромторг России, 2020. – 45 с.

Родионова О. И., Алешков А. В., Синюков В. А. 3D-печать пищевой продукции как инновационная технология // Вестник Хабаровского государственного университета экономики и права. – 2019. – №. 2 (100). – С. 119-124.

Спиридонов А. Б., Копысова Т. С., Волков М. Д. Пищевые 3D-принтеры // Технологические тренды устойчивого функционирования и развития АПК. – 2021. – С. 173-181.

Costa, K., M. Garcia, K. Ribeiro, M. Soares Junior, and M. Caliari. Rheological properties of fermented rice extract with probiotic bacteria and different concentrations of waxy maize starch. LWT - Food Science and Technology.2016. 72:71–7. doi: 10.1016/j.lwt.2016.04.01.

Dankar I., Haddarah A., Sepulcre F., Pujola M. Assessing mechanical and rheological properties of potato puree: Effect of different ingredient combinations and cooking methods on the feasibility of 3D printing. Foods. 2020;9(1):21. DOI: 10.3390/foods9010021.

Derossi A., Paolillo R., Caporizzi C., Severini C. Extending the 3D food printing tests at high speed. Material deposition and effect of non-printing movements on the final quality of printed structures. Journal of Food Engineering. 2020;275: 109865.DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2019.109865.

Fan, H., M. Zhang, Z. Liu, and Y. Ye. Effect of microwave-salt synergetic pre-treatment on the 3D printing performance of SPI-strawberry ink system. LWT - Food Science and Technology. 2020. Vol. 122: 109004. doi: 10.1016/j.lwt.2019.109004.

Ferreira IA, Alves JL. Low-cost 3D food printing. Ciencia e Tecnologia dos Materials. 2017. Vol. 29. No. 1. P. e265–e269. Doi: 10.1016/j. ctmat.2016.04.007; Lanaro M, Desselle MR, Woodruff MA. 3D Printing Chocolate. Elsevier Inc., 2019.

García-Segovia P., García-Alcaraz V., Balasch-Parisi S., Martínez-Monzo J. 3D printing of gels based on xanthan/konjac gums. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2020; 64:102343. DOI: 10.1016/j.ifset.2020.102343.

Godoi, F. C., Prakash, S., Bhandari, B. R. 3D Printing Technologies Applied for Food Design: Status and Prospects // Journal of Food Engineering. – 2016. – Vol. 179. – P. 44–54.

Hamet, M., J. Piermaria, and A. Abraham. Selection of EPS-producing Lactobacillus strains isolated from kefir grains and rheological characterization of the fermented milks. LWT - Food Science and Technology. 2015. Vol. 63 (1):129–35. doi: 10.1016/j.lwt.2015.03.097.

Jan, R., D. Saxena, and S. Singh. Comparative study of raw and germinated Chenopodium (Chenopodium album) flour on the basis of thermal, rheological, minerals, fatty acid profile and phytocompo- nents. Food Chemistry. 2018.269:173–80. doi: 10.1016/j.foodchem.2018.07.003

Koranne V. et al. Exploring properties of edible hydrolyzed collagen for 3D food printing of scaffold for biomanufacturing cultivated meat //Procedia CIRP. – 2022. – Т. 110. – С. 186-191.

Liu, Y., T. Tang, S. Duan, Z. Qin, H. Zhao, M. Wang, C. Li, Z. Zhang, A. Liu, G. Han, et al. Applicability of rice doughs as promis- ing food materials in extrusion-based 3D printing. Food and Bioprocess Technology. 2020. Vol. 13 (3):548–63. doi: 10.1007/s11947-020-02415- y.

Liu, Y., W. Zhang, K. Wang, Y. Bao, J. Regenstein, and P. Zhou. 2019. Fabrication of gel-like emulsions with whey protein isolate using microfluidization: Rheological properties and 3d printing perform- ance. Food and Bioprocess Technology 12 (12):1967–79. doi: 10.1007/s11947-019-02344-5.

Liu, Z., Zhang, M., Yang, C. Effect of Rheological Properties on 3D Printing of Food Materials // Food Research International. – 2018. – Vol. 111. – P. 1–10.

Nijdam, J., D. Agarwal, and B. Schon. Assessment of a novel window of dimensional stability for screening food inks for 3D printing. Journal of Food Engineering. 2021. 292:110349. doi: 10.1016/j.jfoo-deng.2020.110349.

Park, S., H. Kim, and H. Park. Callus-based 3D printing for food exemplified with carrot tissues and its potential for innovative food production. Journal of Food Engineering. 202.Vol.271:109781. doi: 10.1016/j. jfoodeng.2019.109781

Sun, J., Peng, Z., Yan, L., Zhou, W., Liu, Y., & Wu, C. A Review on 3D Printing for Customized Food Fabrication // Procedia Manufacturing. – 2015. – Vol. 1. – P. 308–319.

REFERENCES

Anisimov, A.V. Results of experimental studies of a grain processing machine / A.V. Anisimov // Agrarian Scientific Journal. – 2019. – No. 11. – pp. 81-86. – DOI 10.28983/asj. y2019i11pp81-86. – VGMUTL PUBLISHING HOUSE.

Anisimov, A.V. Experimental determination of optimal parameters of grain processing equipment in preparation for milling / A.V. Anisimov, F. Ya. Rudik // Engineering technologies and systems. – 2019. – Vol. 29, No. 4. – pp. 594-613. – DOI 10.15507/2658-4123.029.201904.594-613. – Editor's note).

In Blagoveshchensk, an intelligent automated halva quality management system using hybrid methods and technologies: specialty 05.13.06 "Automation and control of technological processes and industries (by industry)": dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences / Blagoveshchensk Vladislav Germanovich, 2021. – 219 p. – EDN RAAQHK.

Blagoveshchensky, I. G. Optimization for 3D printing using chocolate glaze as an example / I. G. Blagoveshchensky, E. D. Shibanov, K. A. Zagorodnikov // Food industry. – 2020. – No. 12. – pp. 70-73. – DOI: 10.24411/0235-2486-2020-10147. – E-mail: ZZVVRE.

The influence of rheological characteristics on the quality of 3D printing of food pastes / S. A. Bredikhin, S. T. Antipov, V. N. Andreev, A. N. Martekha // Bulletin of the Voronezh State University of Engineering Technologies. - 2021. – Vol. 83, No. 2(88). – pp. 40-47. – DOI 10.20914/2310-1202-2021-2-40-47. – UOEZFC PUBLISHING HOUSE.

Research of thermophysical and rheological properties of edible vegetable oils / A.N. Ostrikov [et al.] // Polzunovskiy vestnik. 2021. No. 2. pp. 36-43.

Kaverina, Yu. E. Modeling the hydrodynamics of the flow of food material in the process of 3D extrusion printing / Yu. E. Kaverina, V. V. Toroptsev, A. N. Martekha // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Food technology. – 2024. – № 2-3(396). – Pp. 60-66. – DOI 10.26297/0579-3009.2024.2-3.10. – ED. FSXROB.

Kizieva, A. S. Industry 4.0 in the food industry / A. S. Kizieva, O. S. Fomenko // Innovative trends in the development of Russian science : Proceedings of the XVI Scientific and Practical International Conference of Young Scientists, Krasnoyarsk, March 29-31, 2023. Krasnoyarsk: Krasnoyarsk State Agrarian University, 2023. pp. 293-294. EDN GKOPFZ.

Ministry of Industry and Trade of the Russian Federation. Strategy for the development of additive technologies in the Russian Federation for the period up to 2030. Moscow: Ministry of Industry and Trade of Russia, 2020. 45 p.

O Rodionova, I., Aleshkov, A.V., and Sinyukov, A. 3D printing of food products as an innovative technology // Bulletin of the Khabarovsk State University of Economics and Law. – 2019. – №. 2 (100). – Pp. 119-124.

Spiridonov A. B., Kopysova T. S., Volkov M. D. 3D printing printers // Technical trends of sustainable development. - 2021. – pp. 173-181.

Costa, K., M. Garcia, K. Ribeiro, M. Suarez Jr. and M. Caliari. Rheological properties of fermented rice extract with probiotic bacteria and various concentrations of waxy corn starch. LWT - Science and Technology in the field of food products.2016. 72:71-7. doi: 10.1016/j.lwt.2016.04.01.

Dankar I., Haddara A., Sepulchre F., Puyola M. Evaluation of the mechanical and rheological properties of mashed potatoes: the influence of various combinations of ingredients and cooking methods on the possibility of 3D printing. Products. 2020;9(1):21. DOI: 10.3390/foods9010021.

Derossi A., Paolillo R., Caporizzi S., Severini S. Expanding the possibilities of high-speed 3D printing of food products. Material deposition and the effect of non-printing movements on the final quality of printed structures. Journal of Food Engineering. 2020;275:109865.DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2019.109865.

Fan, H., M. Zhang, Z. Liu, and Yu. E. The effect of microwave and salt pretreatment on the efficiency of 3D printing using the SPI-strawberry ink system. LWT - Food Science and Technology. 2020. Volume 122: 109004. doi: 10.1016/July 2019.109004.

Ferreira I.A., Alves J. L. Inexpensive 3D printing of food products. Science and technology of materials. 2017. Volume 29. No. 1. pp. e265–e269. Doi: 10.1016/j. ctmat.2016.04.007; Lanaro M., Dessel M., Woodruff M., 3D printing of chocolate. Elsevier Inc., 2019.

Garcia-Segovia P., Garcia-Alcaraz V., Balash-Parisi S., Martinez-Monzo H. 3D printing of gels based on xanthan gum/konjac gum. Innovative food science and the latest technologies. 2020; 64:102343. DOI: 10.1016/j.ifset.2020.102343.

Godoy F. K., Prakash S., Bhandari B. R. 3D printing technologies used for food design: state and prospects // Journal of Food Engineering. - 2016. – Volume 179. – pp. 44-54.

Hamet M., J. Piermaria and A. Abraham. Selection of strains of lactobacilli producing EPS isolated from kefir grains and determination of rheological characteristics of fermented milk products. LWT - Food Science and Technology. 2015. Volume 63 (1):129-35. doi: 10.1016/July 2015.03.097.

Yang, R., D. Saxena and S. Singh. Comparative study of raw and sprouted flour from Chenopodium (Chenopodium album) based on thermal, rheological, mineral, fatty acid and phytocomponent characteristics. Food chemistry. 2018.269:173-80. doi: 10.1016/J.foodchem.2018.07.003

Korann V. et al. Investigation of the properties of food hydrolyzed collagen for 3D printing of food products based on a framework for the biomechanical production of cultured meat //Procedia CIRP. – 2022. – Vol. 110. – pp. 186-191.

Liu, Yu., T. Tang, S. Duan, Z. Qin, H. Zhao, M. Wang, K. Li, Z. Zhang, A. Liu, G. Han et al. The use of rice dough as a promising food material for 3D printing by extrusion. Technologies for the production of food and biological processes. 2020. Volume 13 (3):548-63. doi: 10.1007/s11947-020-02415- G.

Liu, Yu., V. Zhang, K. Wang, Yu. Bao, J. Regenstein and P. Zhou. 2019. Production of gel-like emulsions using whey protein isolate by microfluidization: rheological properties and the possibility of 3D printing. Food and Bioprocess technology 12 (12):1967-79. doi: 10.1007/s11947-019-02344-5

Liu, Z., Zhang, M., Yang, S. The influence of rheological properties on 3D printing of food materials // International Food Research. - 2018. – Volume 111. – pp. 1-10.

Neidam, J., D. Agarwal and B. Sean. Evaluation of a new level of dimensional stability for screening food inks for 3D printing. Journal of Food Engineering. 2021. 292:110349. doi: 10.1016/j.jfoo-day.2020.110349.

Park, S., H. Kim, and H. Park. 3D printing of callus-based food products using carrot napkins as an example and its potential for innovative food production. Journal of Food Engineering. 202.Volume 271:109781. doi: 10.1016/j. jfoodeng.2019.109781

Song, J., Peng, Z., Yang, L., Zhou, W., Liu, Y., and Wu, S. Review of 3D printing for customized food production // Procedural Manufacturing. – 2015. – Volume 1. – pp. 308-319.