Laser cooking system applied to a 3D food printing device

Se ha desarrollado un sistema innovador de cocción de alimentos basado en el calentamiento por radiación infrarroja (IR) mediante un láser de CO2 (IR Láser CO2) teniendo en cuenta que el agua posee una elevada capacidad de absorción electromagnética en la longitud de onda del IR Láser CO2. El sistema de cocción se ha adaptado en una impresora 3D de alimentos y se ha diseñado con los siguientes requerimientos: 1) cocción en un área delimitada; 2) capacidad de control de la temperatura de cocción; 3) las dimensiones físicas de la lámpara de CO2 deben adaptarse a la impresora 3D de alimentos; 4) el consumo de energía debe ser compatible con la capacidad de la impresora 3D de alimentos; 5) el sistema debe ser controlado por software; 6) versatilidad para cocinar mientras se imprime el alimento o después de la impresión. En el presente estudio se han usado dos sistemas de cocción por IR Láser CO2. Primero se usó una grabadora y cortadora con IR Láser CO2 en la que se establecieron unas condiciones específicas que permitieron la cocción de hamburguesas de ternera, puré de patatas y masas de pizza. Después se desarrolló un nuevo sistema de cocción integrado en la impresora 3D de alimentos formado por una lámpara láser de CO2, un sistema de galvos para dirigir el haz láser a la zona de cocción y un software que permitía controlar la posición y frecuencia del movimiento de los galvanómetros. Con este nuevo sistema se podía cocinar de manera homogénea un área determinada, debido al rápido movimiento de los espejos de los galvos. Se cocinaron los siguientes alimentos en el interior de la impresora 3D de alimentos: hamburguesas de carne de ternera; preparados vegetales tipo hamburguesas formuladas con legumbres, hortalizas y huevo como ingredientes principales; y bases de pizza. Para demostrar que la cocción fue adecuada y suficiente, la cocción mediante IR Láser CO2 se comparó con diferentes sistemas de cocción tradicionales (plancha, barbacoa y hornos IR, de convección, de suela refractaria y microondas) y se evaluaron las características microbiológicas, físico-químicas y sensoriales de los alimentos cocidos. Se analizó la formación de hidrocarburos aromáticos policíclicos con el fin de evaluar la seguridad toxicológica, y se estudió el efecto térmico en la eliminación de Salmonella Typhimurium, Salmonella Senftenberg y Escherichia coli O157:H7 inoculadas en las hamburguesas de ternera y en los preparados vegetales. Los análisis microbiológicos y toxicológicos demostraron que los alimentos cocinados con el nuevo sistema IR Láser CO2 son tan seguros como los cocinados con los métodos convencionales. Los análisis sensoriales indicaron que la preferencia de los consumidores 12 por los alimentos cocidos con IR Láser CO2 fue igual o superior a la preferencia por los alimentos cocidos con los sistemas convencionales. Además, se desarrolló un modelo numérico basado en la dinámica computacional de fluidos para simular el proceso de cocción de las hamburguesas de ternera y los preparados vegetales y se validó con los resultados experimentales de aumento de temperatura durante el proceso de cocción. Los resultados numéricos de la evolución de la temperatura coincidieron con los datos experimentales, excepto durante los primeros minutos de la cocción. El modelo de simulación numérico se considera una potente herramienta para optimizar el proceso de cocción del sistema IR Láser CO2. A partir de los resultados obtenidos se abren nuevas vías de trabajo, que incluyen estudios de cocción con alimentos de composición sensiblemente diferente a los probados hasta el momento; la simulación del proceso de cocción con diferentes parámetros y estrategias de cocción; y la realización de estudios nutricionales.An innovative cooking system based on infrared radiation (IR) using a CO2 laser (CO2 IR Laser) has been developed considering that water absorbance of electromagnetic infrared radiation at CO2 laser wavelength is very high. The new cooking system has been adapted into a 3D food printer and has been designed with the following requirements: 1) ability to cook in a delimited area; 2) control of the cooking temperature; 3) physical dimensions that fit inside the 3D Food Printer; 4) energy consumption below the power supply limits; 5) software-controlled system; 6) versatility to cook while printing the food or to cook once the food is printed. In the present study, two CO2 IR Laser cooking systems have been used and tested. The first CO2 IR Laser cooking system studied was a laser engraver and cutter equipment in which specific conditions were applied to cook beef burgers, mashed potatoes bites and pizza dough. After, a new cooking system adapted to the 3D food printer was developed, consisting of a CO2 laser lamp, a system of galvo mirrors that direct the laser beam to the cooking area, and a software that allowed controlling the position and the frequency of movement of galvanometers. With this new system, a chosen area could be homogenously cooked, due to the rapid movement of the galvo mirrors. The food products cooked inside the 3D food printer were: beef burgers; vegetarian patties prepared with legumes, vegetables and egg as main ingredients; and pizza dough. To demonstrate that cooking had been achieved, food products were cooked with the CO2 IR laser systems and different traditional cooking systems (flat and barbeque grills; IR, convection, desk and microwave ovens). Microbiological, physico-chemical and sensory characteristics of the cooked foods were evaluated. The formation of polycyclic aromatic hydrocarbons was analyzed in beef burgers and pizzas to evaluate toxicological safety, and the thermal effect in the count reduction or survival of Salmonella Typhimurium, Salmonella Senftenberg and Escherichia coli O157:H7 inoculated in beef burgers and vegetarian patties was studied. Microbiological and toxicological analyses showed that food products cooked with the new CO2 IR Laser system were as safe as food cooked with traditional methods. Sensory analyses showed that consumers had the same, or even higher, level of preference for foods cooked with CO2 IR laser system in comparison with foods cooked with traditional methods. In addition, a numerical model based on computational fluid dynamics was developed to simulate the cooking process of beef burgers and vegetarian patties, and it was validated with experimental data of temperature evolution during the cooking process. The numerical results for temperature evolution given by the model coincide with the experimental data, except for the first minutes of cooking. The numerical simulation model is a powerful tool to optimize the cooking process of the CO2 IR Laser system. Based on the results obtained, future work will be carried out including cooking experimental studies with foods containing a significantly different composition; the simulation of the cooking process with different parametric conditions; and nutritional studies

Laser cooking system applied to a 3D food printing device

Se ha desarrollado un sistema innovador de cocción de alimentos basado en el calentamiento por radiación infrarroja (IR) mediante un láser de CO2 (IR Láser CO2) teniendo en cuenta que el agua posee una elevada capacidad de absorción electromagnética en la longitud de onda del IR Láser CO2. El sistema de cocción se ha adaptado en una impresora 3D de alimentos y se ha diseñado con los siguientes requerimientos: 1) cocción en un área delimitada; 2) capacidad de control de la temperatura de cocción; 3) las dimensiones físicas de la lámpara de CO2 deben adaptarse a la impresora 3D de alimentos; 4) el consumo de energía debe ser compatible con la capacidad de la impresora 3D de alimentos; 5) el sistema debe ser controlado por software; 6) versatilidad para cocinar mientras se imprime el alimento o después de la impresión. En el presente estudio se han usado dos sistemas de cocción por IR Láser CO2. Primero se usó una grabadora y cortadora con IR Láser CO2 en la que se establecieron unas condiciones específicas que permitieron la cocción de hamburguesas de ternera, puré de patatas y masas de pizza. Después se desarrolló un nuevo sistema de cocción integrado en la impresora 3D de alimentos formado por una lámpara láser de CO2, un sistema de galvos para dirigir el haz láser a la zona de cocción y un software que permitía controlar la posición y frecuencia del movimiento de los galvanómetros. Con este nuevo sistema se podía cocinar de manera homogénea un área determinada, debido al rápido movimiento de los espejos de los galvos. Se cocinaron los siguientes alimentos en el interior de la impresora 3D de alimentos: hamburguesas de carne de ternera; preparados vegetales tipo hamburguesas formuladas con legumbres, hortalizas y huevo como ingredientes principales; y bases de pizza. Para demostrar que la cocción fue adecuada y suficiente, la cocción mediante IR Láser CO2 se comparó con diferentes sistemas de cocción tradicionales (plancha, barbacoa y hornos IR, de convección, de suela refractaria y microondas) y se evaluaron las características microbiológicas, físico-químicas y sensoriales de los alimentos cocidos. Se analizó la formación de hidrocarburos aromáticos policíclicos con el fin de evaluar la seguridad toxicológica, y se estudió el efecto térmico en la eliminación de Salmonella Typhimurium, Salmonella Senftenberg y Escherichia coli O157:H7 inoculadas en las hamburguesas de ternera y en los preparados vegetales. Los análisis microbiológicos y toxicológicos demostraron que los alimentos cocinados con el nuevo sistema IR Láser CO2 son tan seguros como los cocinados con los métodos convencionales. Los análisis sensoriales indicaron que la preferencia de los consumidores 12 por los alimentos cocidos con IR Láser CO2 fue igual o superior a la preferencia por los alimentos cocidos con los sistemas convencionales. Además, se desarrolló un modelo numérico basado en la dinámica computacional de fluidos para simular el proceso de cocción de las hamburguesas de ternera y los preparados vegetales y se validó con los resultados experimentales de aumento de temperatura durante el proceso de cocción. Los resultados numéricos de la evolución de la temperatura coincidieron con los datos experimentales, excepto durante los primeros minutos de la cocción. El modelo de simulación numérico se considera una potente herramienta para optimizar el proceso de cocción del sistema IR Láser CO2. A partir de los resultados obtenidos se abren nuevas vías de trabajo, que incluyen estudios de cocción con alimentos de composición sensiblemente diferente a los probados hasta el momento; la simulación del proceso de cocción con diferentes parámetros y estrategias de cocción; y la realización de estudios nutricionales.An innovative cooking system based on infrared radiation (IR) using a CO2 laser (CO2 IR Laser) has been developed considering that water absorbance of electromagnetic infrared radiation at CO2 laser wavelength is very high. The new cooking system has been adapted into a 3D food printer and has been designed with the following requirements: 1) ability to cook in a delimited area; 2) control of the cooking temperature; 3) physical dimensions that fit inside the 3D Food Printer; 4) energy consumption below the power supply limits; 5) software-controlled system; 6) versatility to cook while printing the food or to cook once the food is printed. In the present study, two CO2 IR Laser cooking systems have been used and tested. The first CO2 IR Laser cooking system studied was a laser engraver and cutter equipment in which specific conditions were applied to cook beef burgers, mashed potatoes bites and pizza dough. After, a new cooking system adapted to the 3D food printer was developed, consisting of a CO2 laser lamp, a system of galvo mirrors that direct the laser beam to the cooking area, and a software that allowed controlling the position and the frequency of movement of galvanometers. With this new system, a chosen area could be homogenously cooked, due to the rapid movement of the galvo mirrors. The food products cooked inside the 3D food printer were: beef burgers; vegetarian patties prepared with legumes, vegetables and egg as main ingredients; and pizza dough. To demonstrate that cooking had been achieved, food products were cooked with the CO2 IR laser systems and different traditional cooking systems (flat and barbeque grills; IR, convection, desk and microwave ovens). Microbiological, physico-chemical and sensory characteristics of the cooked foods were evaluated. The formation of polycyclic aromatic hydrocarbons was analyzed in beef burgers and pizzas to evaluate toxicological safety, and the thermal effect in the count reduction or survival of Salmonella Typhimurium, Salmonella Senftenberg and Escherichia coli O157:H7 inoculated in beef burgers and vegetarian patties was studied. Microbiological and toxicological analyses showed that food products cooked with the new CO2 IR Laser system were as safe as food cooked with traditional methods. Sensory analyses showed that consumers had the same, or even higher, level of preference for foods cooked with CO2 IR laser system in comparison with foods cooked with traditional methods. In addition, a numerical model based on computational fluid dynamics was developed to simulate the cooking process of beef burgers and vegetarian patties, and it was validated with experimental data of temperature evolution during the cooking process. The numerical results for temperature evolution given by the model coincide with the experimental data, except for the first minutes of cooking. The numerical simulation model is a powerful tool to optimize the cooking process of the CO2 IR Laser system. Based on the results obtained, future work will be carried out including cooking experimental studies with foods containing a significantly different composition; the simulation of the cooking process with different parametric conditions; and nutritional studies

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Se ha desarrollado un sistema innovador de cocción de alimentos basado en el calentamiento por radiación infrarroja (IR) mediante un láser de CO2 (IR Láser CO2) teniendo en cuenta que el agua posee una elevada capacidad de absorción electromagnética en la longitud de onda del IR Láser CO2. El sistema de cocción se ha adaptado en una impresora 3D de alimentos y se ha diseñado con los siguientes requerimientos: 1) cocción en un área delimitada; 2) capacidad de control de la temperatura de cocción; 3) las dimensiones físicas de la lámpara de CO2 deben adaptarse a la impresora 3D de alimentos; 4) el consumo de energía debe ser compatible con la capacidad de la impresora 3D de alimentos; 5) el sistema debe ser controlado por software; 6) versatilidad para cocinar mientras se imprime el alimento o después de la impresión. En el presente estudio se han usado dos sistemas de cocción por IR Láser CO2. Primero se usó una grabadora y cortadora con IR Láser CO2 en la que se establecieron unas condiciones específicas que permitieron la cocción de hamburguesas de ternera, puré de patatas y masas de pizza. Después se desarrolló un nuevo sistema de cocción integrado en la impresora 3D de alimentos formado por una lámpara láser de CO2, un sistema de galvos para dirigir el haz láser a la zona de cocción y un software que permitía controlar la posición y frecuencia del movimiento de los galvanómetros. Con este nuevo sistema se podía cocinar de manera homogénea un área determinada, debido al rápido movimiento de los espejos de los galvos. Se cocinaron los siguientes alimentos en el interior de la impresora 3D de alimentos: hamburguesas de carne de ternera; preparados vegetales tipo hamburguesas formuladas con legumbres, hortalizas y huevo como ingredientes principales; y bases de pizza. Para demostrar que la cocción fue adecuada y suficiente, la cocción mediante IR Láser CO2 se comparó con diferentes sistemas de cocción tradicionales (plancha, barbacoa y hornos IR, de convección, de suela refractaria y microondas) y se evaluaron las características microbiológicas, físico-químicas y sensoriales de los alimentos cocidos. Se analizó la formación de hidrocarburos aromáticos policíclicos con el fin de evaluar la seguridad toxicológica, y se estudió el efecto térmico en la eliminación de Salmonella Typhimurium, Salmonella Senftenberg y Escherichia coli O157:H7 inoculadas en las hamburguesas de ternera y en los preparados vegetales. Los análisis microbiológicos y toxicológicos demostraron que los alimentos cocinados con el nuevo sistema IR Láser CO2 son tan seguros como los cocinados con los métodos convencionales. Los análisis sensoriales indicaron que la preferencia de los consumidores 12 por los alimentos cocidos con IR Láser CO2 fue igual o superior a la preferencia por los alimentos cocidos con los sistemas convencionales. Además, se desarrolló un modelo numérico basado en la dinámica computacional de fluidos para simular el proceso de cocción de las hamburguesas de ternera y los preparados vegetales y se validó con los resultados experimentales de aumento de temperatura durante el proceso de cocción. Los resultados numéricos de la evolución de la temperatura coincidieron con los datos experimentales, excepto durante los primeros minutos de la cocción. El modelo de simulación numérico se considera una potente herramienta para optimizar el proceso de cocción del sistema IR Láser CO2. A partir de los resultados obtenidos se abren nuevas vías de trabajo, que incluyen estudios de cocción con alimentos de composición sensiblemente diferente a los probados hasta el momento; la simulación del proceso de cocción con diferentes parámetros y estrategias de cocción; y la realización de estudios nutricionales.An innovative cooking system based on infrared radiation (IR) using a CO2 laser (CO2 IR Laser) has been developed considering that water absorbance of electromagnetic infrared radiation at CO2 laser wavelength is very high. The new cooking system has been adapted into a 3D food printer and has been designed with the following requirements: 1) ability to cook in a delimited area; 2) control of the cooking temperature; 3) physical dimensions that fit inside the 3D Food Printer; 4) energy consumption below the power supply limits; 5) software-controlled system; 6) versatility to cook while printing the food or to cook once the food is printed. In the present study, two CO2 IR Laser cooking systems have been used and tested. The first CO2 IR Laser cooking system studied was a laser engraver and cutter equipment in which specific conditions were applied to cook beef burgers, mashed potatoes bites and pizza dough. After, a new cooking system adapted to the 3D food printer was developed, consisting of a CO2 laser lamp, a system of galvo mirrors that direct the laser beam to the cooking area, and a software that allowed controlling the position and the frequency of movement of galvanometers. With this new system, a chosen area could be homogenously cooked, due to the rapid movement of the galvo mirrors. The food products cooked inside the 3D food printer were: beef burgers; vegetarian patties prepared with legumes, vegetables and egg as main ingredients; and pizza dough. To demonstrate that cooking had been achieved, food products were cooked with the CO2 IR laser systems and different traditional cooking systems (flat and barbeque grills; IR, convection, desk and microwave ovens). Microbiological, physico-chemical and sensory characteristics of the cooked foods were evaluated. The formation of polycyclic aromatic hydrocarbons was analyzed in beef burgers and pizzas to evaluate toxicological safety, and the thermal effect in the count reduction or survival of Salmonella Typhimurium, Salmonella Senftenberg and Escherichia coli O157:H7 inoculated in beef burgers and vegetarian patties was studied. Microbiological and toxicological analyses showed that food products cooked with the new CO2 IR Laser system were as safe as food cooked with traditional methods. Sensory analyses showed that consumers had the same, or even higher, level of preference for foods cooked with CO2 IR laser system in comparison with foods cooked with traditional methods. In addition, a numerical model based on computational fluid dynamics was developed to simulate the cooking process of beef burgers and vegetarian patties, and it was validated with experimental data of temperature evolution during the cooking process. The numerical results for temperature evolution given by the model coincide with the experimental data, except for the first minutes of cooking. The numerical simulation model is a powerful tool to optimize the cooking process of the CO2 IR Laser system. Based on the results obtained, future work will be carried out including cooking experimental studies with foods containing a significantly different composition; the simulation of the cooking process with different parametric conditions; and nutritional studies

Numerical modeling and experimental validation of meat burgers and vegetarian patties cooking process with an innovative IR laser system

In this paper, a numerical model for the simulation of the cooking process of meat burgers and vegetarian patties by means of an IR laser beam is presented. The innovative cooking system is thought to be integrated within a 3-D printer prototype where the food sample is placed on a rotating plate. The numerical model consists of two different tools. First, a simplified 0-D model, aimed at studying the heat transfer processes between the food sample, the lower plate, and the surrounding environment. Second, a 3-D finite-volume algorithm, which is employed to simulate the temporal and spatial evolution of the temperature within the food sample, when subjected to a laser beam which follows a given path. In parallel, an experimental test campaign is carried out to measure the temperature and cooking losses evolution inside burgers and patties. The results of the experimental campaign on the evolution of the temperature inside meat burgers and vegetarian patties are used to validate the numerical method, showing a good agreement. Next, the numerical method is used to carry out a parametric analysis of the IR laser system, aimed at analyzing and optimizing cooking parameters as laser power, incidence time and reversal time.This work has been financially supported by the Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI, Ministerio de Ciencia e Innovación de España), Programa de Proyectos de Investigación y Desarrollo (PID), Grant/Award Number: Exp 00099823/IDI-2017126,and by the Agència de Gestió d'Ajuts Universitaris i de Recerca (AGAUR, Generalitat de Catalunya), Programa de Doctorats Industrials, Grant/Award Number: 2013-DI-063.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Processing of phosphocasein dispersions by dynamic high pressure: Effects on the dispersion physico-chemical characteristics and the binding of α-tocopherol acetate to casein micelles

International audienc

UHPH-processed O/W submicron emulsions stabilised with a lipid-based surfactant: Physicochemical characteristics and behaviour on in vitro TC7-cell monolayers and ex vivo pig's ear skin

International audienceSubmicron O/W emulsions formulated with sesame oil plus a lipid-base surfactant, and with or without retinyl acetate (RAC) as a model hydrophobic biomolecule, were prepared by single-pass homogenisation at ≥ 200 MPa (UHPH) and an initial fluid temperature (Tin) of 24°C. These emulsions were characterised by a monomodal distribution (peak maximum at 260 nm) and a 2-year potential physical stability at ambient temperature. Submicron droplets were investigated in term of (i) physicochemical characteristics (size distribution curves; ζ-potential value), and (ii) impact on TC7-cell monolayers (MTT-assay and cell LDH-leakage). Submicron droplets ± RAC did not affect or increased significantly (p=0.05) TC7-cell metabolic activity after 4-24h of exposure indicating absence of cellular impairment, except when high amounts of droplets were deposed on TC7-cells. Indeed, the lipid-based surfactant deposed alone on TC7-cells at high concentration, induced some significant (p=0.05) cell LDH-leakage, and therefore cell-membrane damage. Cellular uptake experiments revealed a significant (p=0.05) time-dependent internalisation of RAC from submicron droplets, and cellular transformation of RAC into retinol. The turnover of RAC into retinol and therefore RAC bioaccessibility appeared faster for RAC-micelles of similar size-range and prepared at atmospheric pressure with polysorbate 80, than for submicron O/W emulsions. Permeation experiments using pig's ear skin mounted on Franz-type diffusion cells, revealed RAC in dermis-epidermis, in significantly (p=0.05) higher amounts for submicron than coarse pre-emulsions. However, RAC amounts remained low for both emulsion-types and RAC was not detected in the receptor medium of Franz-type diffusion cells