Conception d’aliments à fonctionnalités ciblées par impression 3D. 18.Congrès de la Société Française de Génie des Procédé

Astruc, Thierry

Mirade, Pierre-Sylvain

Portanguen, Stéphane

Sicard, Jason

Tournayre, Pascal

French

Archive Ouverte en Sciences de l'Information et de la Communication

HAL Id: hal-02330240
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Conception d’aliments à fonctionnalités ciblées par
impression 3D
Stéphane Portanguen, Pascal Tournayre, Jason Sicard, Thierry Astruc,
Pierre-Sylvain Mirade
To cite this version:
Stéphane Portanguen, Pascal Tournayre, Jason Sicard, Thierry Astruc, Pierre-Sylvain Mirade. Con-
ception d’aliments à fonctionnalités ciblées par impression 3D. 18.Congrès de la Société Française de
Génie des Procédés, Oct 2019, Nantes, France. 2 p. ￿hal-02330240￿
Conception d’aliments à fonctionnalités ciblées par impression 3D  
 
Stéphane PORTANGUEN, Pascal TOURNAYRE, Jason SICARD, Thierry ASTRUC et Pierre-
Sylvain MIRADE 
 
UR Qualité des Produits Animaux (QuaPA), INRA, France 
 
stephane.portanguen@inra.fr 
 
RESUME 
Depuis maintenant quelques années, l’impression 3D est utilisée pour concevoir et fabriquer des objets à partir 
de matrices biologiques par couches successives, dans le domaine biomédical, mais également dans le domaine 
alimentaire. Les principaux intérêts de cette technique sont de pouvoir concevoir des aliments personnalisés, 
adaptés à une pathologie ou à des besoins nutritionnels spécifiques et de contrôler la texture de l’aliment fini. 
Cette approche est également compatible avec une écoconception des aliments à partir de sources de protéines 
alternatives ou actuellement mal valorisées. 
 
L’unité QuaPA a développé une tête d’impression adaptable à une imprimante 3D du commerce (Prusa i3) 
(Fig. 1). Les différentes pièces de cette double tête d’impression ont été entièrement dessinées à l’aide d’un 
logiciel de conception 3D (Autodesk Inventor 2018), puis réalisées avec une autre imprimante 3D du 
commerce (Volumic Stream 30Pro MK2). Cette « double tête » offre la possibilité de délivrer deux matrices 
différentes de façon séquentielle. Pour ce faire, le logiciel intégré à l’imprimante d’origine a été modifié afin 
de lui ajouter les nouvelles fonctionnalités liées au fonctionnement de la double tête. Il est ainsi possible de 
gérer la vitesse d’impression et le débit de chacune des deux matrices, ce qui permet la réalisation d’un aliment 
carné aux caractéristiques prédéfinies. Le plateau chauffant a été conservé afin de pouvoir optimiser 
l’imprimabilité des matrices alimentaires utilisées. 
 
Les produits carnés étant les aliments les plus difficiles à imprimer, et donc les moins étudiés dans la littérature, 
leur impression pose des problèmes technologiques majeurs. Ces difficultés résultent de plusieurs facteurs, 
comme les propriétés des matériaux, les paramètres du processus d’impression et ceux des étapes du post-
traitement (modes de cuisson, de conservation…). Les protéines constituantes de l’aliment sont impactées par 
le procédé (pression, température, force de cisaillement…) entraînant des modifications profondes de structure, 
ce qui impacte l’impression, et de ce fait, la texture finale de l’aliment. Les autres macromolécules peuvent 
avoir, a contrario, un effet bénéfique sur la phase d’impression : les lipides permettent une lubrification du 
système, les hydrates de carbone améliorent la cohésion entre les couches, à condition de ne pas trop les 
concentrer (4% d’amidon induisent des problèmes de colmatage au niveau du système d’extrusion). La tête 
d’impression développée au laboratoire permet désormais d’imprimer des gels à base de protéines carnées et 
de polysaccharides suivant une géométrie préalablement définie (Fig. 1). La formulation de l’aliment revêt 
donc une importance particulière, mais la phase de post-traitement doit également être prise en compte pour la 
conservation et la consommation ultérieure. L’application, par exemple, d’un traitement thermique peut avoir 
une influence majeure sur la géométrie de l’aliment, mais également sur les macromolécules (oxydations, 
composés néoformés néfastes…), bien que celui-ci soit nécessaire d’un point de vue sanitaire (effet bactéricide, 
notamment).  
 
Les problématiques des recherches à venir [1] vont porter sur : 
- Le contrôle de la texture, par un travail à la fois sur la géométrie de l’aliment et sur sa composition. 
Ceci pourrait être utilisé pour permettre un apport protéique adéquat aux personnes souffrant de 
problème de mastication ; 
- L’apport de solutions nutritionnelles clé-en-main à des populations jusque-là exclues de certains 
marchés, du fait de leurs pathologies, ou privées d’accès réguliers aux ressources ou disposant d’un 
pouvoir d’achat limité ; 
- La mise au point d’un système de post-traitement de grande précision permettant de garantir la qualité 
sanitaire de l’aliment, tout en préservant les principaux nutriments présents (vitamines, acides 
gras…) ; 
- La gestion raisonnée des ressources en produits carnés (valorisation des carcasses, produits mixtes…) ; 
- L’accompagnement, par la technologie, des changements d’habitudes alimentaires prévisibles dans le 
cas de la « génération Z » (personnes nées après 2000). 
Ce dernier point pose la question du niveau de transformation des aliments. En effet, qui dit technologie 
novatrice et impression 3D, peut également signifier aliments « ultra-transformés ». La tendance actuelle va 
vers des aliments « clean-label », contenant le moins d’additifs possibles. Or, des additifs texturants (alginate, 
gomme de guar…) sont, pour l’heure, nécessaires pour imprimer des matrices carnées [2]. La Fig. 2 montre 
l’état actuel des procédés d’impression de matrices carnées, et l’évolution que nous proposons pour l’avenir, 
c’est-à-dire s’affranchir des additifs, en utilisant les propriétés gélifiantes intrinsèques des aliments de base et 
en associant diverses sources de macromolécules d’intérêt (coproduits, végétaux, algues…). 
 
MOTS-CLES 
Libres : Fabrication additive, sources de protéines, personnalisation, développement durable, acceptabilité 
des consommateurs. 
Thématiques : Procédés émergents, conception innovante en génie des procédés, procédés et milieux 
complexes. 
FIGURES  
 
Fig. 1. Modification d’une imprimante 3D commerciale et impression de gels de protéines et de 
polysaccharides (à 50°C).  
 
Fig. 2. Evolution envisagée pour l’impression 3D de nouveaux aliments à base de protéines dans le futur. 
 
REFERENCES 
[1] Portanguen, S., Tournayre, P., Sicard, J., Astruc, T., & Mirade, P.-S. (2019). Toward the design of 
functional foods and biobased products by 3D printing: A review. Trends in Food Science & 
Technology, 86, 188-198. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2019.02.023 
[2] Dick, A., Bhandari, B., & Prakash, S. (2019). Post-processing feasibility of composite-layer 3D printed 
beef. Meat Science, 153, 9-18. https://doi.org/10.1016/j.meatsci.2019.02.024 
 
 
 
 
CONCEPTION D’ALIMENTS A 
FONCTIONNALITES CIBLEES PAR 
IMPRESSION 3D
Développement d’une imprimante 3D spécifique
Unité QuaPA-IT
PORTANGUEN, S., TOURNAYRE, P., SICARD, J., ASTRUC,
T. & MIRADE, P.S.
UR370 Qualité des Produits Animaux (QuaPA), INRA,
Saint Genès Champanelle, France
stephane.portanguen@inra.fr
.02
15-17/10/2019
GENERALITES SUR L’IMPRESSION 3D
Quasiment tous les domaines sont concernés ! 
Aérospatiale
Automobile
Industrie
Construction
Mode/bijoux
Sports Alimentation
Médecine
ALIMENTATION
A l’heure actuelle, 
essentiellement du « design » 
alimentaire
IMPRESSION 3D ET SECTEUR 
ALIMENTAIRE ?
_01
.03
Quels sont les intérêts ?
15-17/10/2019
.04
15-17/10/2019
Alimentation domestique ou 
hors-foyer ?
1
2
3
4
5
6
Personnalisation (régimes, 
pathologies, modes de vie…)
Valorisation de différentes 
sources de protéines  
(coproduits, algues, insectes…)
Conception/fabrication locale
Aspect ludique/créativité
Nouvelle tendance pour les 
nouvelles générations
Différentes populations cibles
Séniors, enfants, personnes souffrant de pathologies…
POURQUOI IMPRIMER DES ALIMENTS ?
.05
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LES LIMITES A L’IMPRESSION D’ALIMENTS
- Acceptabilité des consommateurs : 
Néophobie.
- La production de masse.
- Prise de conscience pour l’utilisation de 
sources de protéines alternatives
Texturation de produits carnés sans additifs
- Induire une réaction de réticulation
contrôlée
- Paramétrage du procédé d’impression 3D
Limites technologiques Limites sociétales
167 personnes interrogées : 
63% n’en mangeraient pas tous les 
jours mais 84% seraient prêtes à en 
consommer dans le cas d’une 
pathologie.
Enquête réalisée auprès de 167 personnes
venues visiter le Centre INRA ARA lors des
« Journées Portes Ouvertes 2019 ».
LES ALIMENTS FONCTIONNELS
_02
.06
Application à la population des seniors.
15-17/10/2019
.07
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APPLICATION AUX SENIORS
Développement d’un prototype 
d’imprimante 3D.
Constat : population mondiale vieillissante : 20 à 30% d’édentés totaux dans le 
monde à partir de 2030.
1er aliment supprimé = viande d’où risque de sarcopénie et de perte de mobilité.
Fabriquer un complément 
alimentaire facilement 
masticable et déglutissable
sans « fausse route », mais 
suffisamment ferme pour 
maintenir l’acte de 
mastication.
SOLUTION
.08
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COMMENT Y PARVENIR ?
L’aliment fonctionnel doit s’intégrer dans la diète quotidienne pour compenser les 
carences, notamment en protéines.
Utilisation de fibres végétales, de sources 
de protéines alternatives.
Verrou 
technologique
Se passer d’additifs Milieu modèle
Compréhension des 
mécanismes de réticulation 
en fonction du procédé
Design ↗Appétence
Texturation par ajout de 
gélifiants (pour les produits 
végétaux et animaux).
DEVELOPPEMENT D’UNE 
IMPRIMANTE 3D ALIMENTAIRE
_03
.09
A partir d’une imprimante commerciale
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.010
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LES OUTILS D’AIDE A LA CONCEPTION
3) Imprimante 3D FDM Prototypage
Création/modification/
réparation de pièces
Vérification des dimensions 
après impression
1) Scanner 3D
2) CAO (AutoDesk Inventor 2019)
.011
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1er PROTOTYPE
Imprimante Prusa i3 modifiée, fonctionnelle mais :
- Problèmes de répétabilité
- Rétractation de la matrice difficile à maitriser
en cours d’écoulement
- Absence de régulation de T° au niveau des
seringues
- Plateau non refroidi
Gels de protéines et 
polysaccharides imprimés 
entre 50 et 70°C
Support de seringues
Seringue avec aiguille
Capteur fin 
de course
Vis sans fin
Engrenage
Moteurs pas à 
pas
Piston magnétique
Capteur de position
Support des moteurs
Plateau 
chauffant
En rouge : pièces 
dessinées et imprimées
.012
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2nd PROTOTYPE
Imprimante Flying Bear GHOST modifiée : permet un gain d’espace au 
niveau de la tête d’impression (déplacement en X, Y et plateau en Z).
Contrôle et 
paramétrage 
du Précifluid*
Alimentation et 
régulation :
module Peltier, turbine, 
collier chauffant.
* Précifluid® : 
Doseur magnétique 
à contrôle du débit
.013
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LA TETE D’IMPRESSION
Support 
imprimé
Collier 
chauffant
Tc de 
régulation
(à l’arrière)
Doseur 
Précifluid
Système de 
blocage 
amovible
Espace 
pour 2ème
têteEspace pour 
isolant
Plaque de 
séparation 
(PTFE)
Vue de face
Guidage 
linéaire
Excentrique de 
tension de 
courroie
Vue de dessous
Buse Fin de 
course
Corps de chauffe 
conducteur
Porte-seringue 
10 cm3
Vue de dessus
.014
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PILOTAGE DE L’EXTRUDEUR 
PRECIFLUID®
Logiciel de tranchage 
(Repetier Host)
Pilotage de 
l’imprimante
①
Suppression extrudeur
d’origine (tête + moteur)
Intégration d’un doseur 
automatique de précision
②
Suppression driver puissance 
moteur pas-à-pas
③ Récupération : A) direction extrusion
B) impulsions moteur pas-à-pas (durée extrusion)
A et B traitées par module 
Arduino Nano
Information binaire Pilotage extrudeurPrécifluid®
.015
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LE PLATEAU
Problématique : induire la gélification
Solution : régulation froide
Module Peltier
Turbine
Dissipateur de chaleur 
(h = 10 mm)
Plaque de verre
Tc de régulation
Support imprimé
Zone utile
Plateau 
mobile en Z
.016
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VISUALISTION DES TEMPERATURES 
AU NIVEAU DE L’EXTRUDEUR
Influence de la T° sur 
le débit de gel ?
.017
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IMPRESSION DE GELS
EN FONCTION DES PARAMETRES
Débit  = 0,005 cm3.s-1 ; T° extrusion = 50°C ; Gélatine 300 bloom
①
⑤
④
③
②
①
⑤
④
③
②
Buse (Ø mm) Ep. couche (mm)
V impr.
(mm.s-1) Remplissage (%)
1,55 0,2
40 20, linéaire1,19 0,2
1,19 0,4
1,19 0,3 20
50, concentrique
1,19 0,3 10
.018
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CORRELATION FORCE DE GEL ET 
IMPRIMABILITE
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
20 40 50 60
Fo
rc
e 
(N
)
Température (°C)
1,5 kg eau/kg MS
1,1
1,3
1,3
Gélatine (75 bloom) à 
60%, mesures à 4°C.
Calibration par rapport à 
des mesures in vivo.
Dénaturation partielle du 
collagène dès 40°C (rupture 
des liaisons inter-chaînes)
Adapter les forces de 
compression des gels à la 
mastication : compromis 
force / imprimabilité
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CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
• Modification d’une imprimante 3D commerciale
• Nouvelle tête d’impression
• Nouveau plateau
• 1ers essais d’impression de gels sans additifs
• Améliorer le système de refroidissement du plateau
• Nécessité de faire un plan d’expérience pour
déterminer les paramètres optimaux d’impression
• Caractérisation rhéologique des gels imprimés.
.020
MERCI DE VOTRE ATTENTION!
Pour en savoir plus :
Portanguen, S., Tournayre, P., Sicard, J., Astruc, T., & Mirade, P.-S. (2019). Toward the design of
functional foods and biobased products by 3D printing: A review. Trends in Food Science &
Technology, 86, 188-198.
15-17/10/2019


Conception d’aliments à fonctionnalités ciblées par impression 3D

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