Cheese- and buttermaking Cheese- and buttermaking Сыроделие и маслоделие 2073-4018 109261 10.21603/2073-4018-2025-4-38 Оригинальная статья Original article Оригинальная статья Strength Profile of Food 3D-Systems: Processed Cheese Technology Исследование прочностных характеристик пищевых 3D-систем на основе плавленого сыра Архипов Данила Сергеевич Arkhipov Danila S. Мотылев Сергей Владимирович Motylev Sergey V. Агаркова Евгения Юрьевна Agarkova Evgeniya Yu. e_agarkova@vnimi.org

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Семипятный Владислав Константинович Semipyatny Vladislav K. Мяленко Дмитрий Михайлович Myalenko Dmitriy M.

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Москва Россия All-Russian Dairy Research Institute Moscow Russian Federation Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Москва Россия All-Russian Dairy Research Institute Moscow Russian Federation Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Москва Россия All-Russian Dairy Research Institute Moscow Russian Federation Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Москва Россия All-Russian Dairy Research Institute Moscow Russian Federation Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Москва Россия All-Russian Dairy Research Institute Moscow Russian Federation 28 11 2025 28 11 2025 4 64 69 27 08 2025 15 10 2025 https://cheese.kemsu.ru/en/nauka/article/109261/view

В последние годы все больше исследований посвящено применению 3D-печати именно к пищевым системам на основе молочного сырья. На данный момент не существует объективных критериев оценки прочностных свойств готовых пищевых 3D-продуктов, что создает определенные сложности при их изготовлении. Например, неизвестны предельные характеристики, при которых изделие будет сохранять форму и привлекательные потребительские свойства. В связи с этим целью работы являлось исследование прочностных характеристик 3D-молочных пищевых систем, изготовленных из плавленого сыра. Установлена прямая корреляционная связь между прочностными показателями и компонентным составом смеси. Объектами исследований служили 3D-печатные образцы молочных продуктов, изготовленные из плавленого сыра, представляющие из себя кубы с длиной ребра 20 мм, сформированные девятнадцатью гранями послойно выплавленных через сопло экструдера нитей круглой формы с площадью сечения 2 мм2. Подтверждена гипотеза о превалирующей роли белка при формировании структурно-механических свойств молочных печатных 3D-систем. Причем значение в данном случае имеет не только количественный, но и качественный состав белков молока, поскольку в рецептурах образцов варьировалось только содержание сухого обезжиренного молока и концентрата сывороточных белков. Был также констатирован факт, что с изменением содержания белка в сторону увеличения казеиновой фракции прочностные характеристики образцов ухудшались. В напечатанном образце, обладающем самыми высокими значениями напряжений сдвига, растяжения и сжатия – 1831, 5885 и 69068 Па соответственно, соотношение массовой доли сывороточных белков к казеиновым составило 1:1,8. С увеличением массовой доли казеиновых фракций прочностные характеристики ухудшались, что говорит о том, что сывороточные белки в большей степени пригодны для использования в 3D-печати. В условиях отсутствия стандартизированных справочных характеристик структурно-механических свойств пищевых 3D-систем на молочной основе полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования устойчивости данных систем.

3D-printing is gaining more and more popularity in the dairy industry. However, no objective criteria for strength properties have been developed so far. Dairy production needs the ultimate parameters at which a finished 3D-printed dairy product retains its shape and appealing consumer properties. This study tested the strength properties of 3D-systems made from processed cheese. It established a direct correlation between the strength properties and the component composition. Processed cheese cubes of 20 mm each side were obtained from nineteen faces of round filaments with a cross-sectional area of 2 mm², melted layer by layer through an extruder. Protein proved to be the most important component in maintaining the structural and mechanical properties of 3D-systems. The qualitative composition of dairy proteins was as important as its quantity because the samples varied only in the content of skim milk powder and whey protein concentrate. As the protein content increased, the strength properties of the samples deteriorated. The optimal sample had a 1:1.8 mass fraction ratio of whey to casein protein. It exhibited the highest shear (1,831 Pa), tensile (5,885 Pa), and compressive stress (69,068 Pa) values. With increasing casein mass fraction, the strength properties deteriorated. This phenomenon indicated that whey proteins were more suitable for 3D-printing. The obtained data can serve as guidelines in calculating the stability of dairy 3D-systems in the current lack of references and standards.

 аддитивные технологии 3D-печать молочные продукты устойчивость прочностные характеристики additive technologies 3D-printing dairy products sustainability strength characteristics

Varvara, R. A. 3D Food Printing: Principles of obtaining digitally designed nourishment / R. A. Varvara, К. Szabo, D. C. Vodnar // Nutrients. 2021. Vol. 13(10). 3617. https://doi.org/10.3390/nu13103617 Varvara, R. A. 3D Food Printing: Principles of obtaining digitally designed nourishment / R. A. Varvara, K. Szabo, D. C. Vodnar // Nutrients. 2021. Vol. 13(10). 3617. https://doi.org/10.3390/nu13103617 Dou, X. The application of dairy products and their derivatives as edible inks in 3D printing technology: A review / Х. Dou, J. Ren // International Journal of Food Science and Technology. 2024. Vol. 59(11). Р. 8630–8644. https://doi.org/10.1111/ijfs.17195 Dou, X. The application of dairy products and their derivatives as edible inks in 3D printing technology: A review / H. Dou, J. Ren // International Journal of Food Science and Technology. 2024. Vol. 59(11). R. 8630–8644. https://doi.org/10.1111/ijfs.17195 Derossi, A. Personalized, digitally designed 3D printed food towards the reshaping of food manufacturing and consumption / А. Derossi [et al.] // npj Science of Food. 2024. Vol. 8(1). 54. https://doi.org/10.1038/s41538-024-00296-5 Derossi, A. Personalized, digitally designed 3D printed food towards the reshaping of food manufacturing and consumption / A. Derossi [et al.] // npj Science of Food. 2024. Vol. 8(1). 54. https://doi.org/10.1038/s41538-024-00296-5 Joshi, S. Assessment of 3D printability of composite dairy matrix by correlating with its rheological properties / S. Joshi [et al.] // Food Research International. 2021. Vol. 141. 110111. https://doi.org/10.1038/s41538-024-00296-5 Joshi, S. Assessment of 3D printability of composite dairy matrix by correlating with its rheological properties / S. Joshi [et al.] // Food Research International. 2021. Vol. 141. 110111. https://doi.org/10.1038/s41538-024-00296-5 Барковская, И. А. Сывороточные белки – перспективные носители эссенциальных микроэлементов / И. А. Барковская // Инновационные технологии в пищевой промышленности: наука, образование и производство: Материалы IХ Международной научно-технической конференции. – Воронеж: Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2024. – С. 55-59. https://elibrary.ru/vnkofy Barkovskaya, I. A. Syvorotochnye belki – perspektivnye nositeli essencial'nyh mikroelementov / I. A. Barkovskaya // Innovacionnye tehnologii v pischevoy promyshlennosti: nauka, obrazovanie i proizvodstvo: Materialy IH Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferencii. – Voronezh: Voronezhskiy gosudarstvennyy universitet inzhenernyh tehnologiy, 2024. – S. 55-59. https://elibrary.ru/vnkofy Юрова, Е. А. Деминерализованная молочная сыворотка как основное сырье для производства продуктов специализированного питания / Е. А. Юрова, Т. В. Кобзева, С. А. Фильчакова // Пищевая промышленность. 2022. № 3. С. 64–67. https://doi.org/10.52653/PPI.2022.3.3.0; https://elibrary.ru/iqsxuo Yurova, E. A. Demineralizovannaya molochnaya syvorotka kak osnovnoe syr'e dlya proizvodstva produktov specializirovannogo pitaniya / E. A. Yurova, T. V. Kobzeva, S. A. Fil'chakova // Pischevaya promyshlennost'. 2022. № 3. S. 64–67. https://doi.org/10.52653/PPI.2022.3.3.0; https://elibrary.ru/iqsxuo Зобкова, З. С. Выбор источников биологически активных веществ для функциональных кисломолочных продуктов / З. С. Зобкова [и др.] // Молочная промышленность. 2018. № 3. С. 59–62. https://doi.org/10.31515/1019-8946-2018-3-59-62; https://elibrary.ru/yorrff Zobkova, Z. S. Vybor istochnikov biologicheski aktivnyh veschestv dlya funkcional'nyh kislomolochnyh produktov / Z. S. Zobkova [i dr.] // Molochnaya promyshlennost'. 2018. № 3. S. 59–62. https://doi.org/10.31515/1019-8946-2018-3-59-62; https://elibrary.ru/yorrff Барковская, И. А. Комплексная модификация белкового профиля молочной сыворотки как подход к созданию обогащенных белковых ингредиентов / И. А. Барковская, А. Е. Рябова, И. В. Рожкова // Пищевые системы. 2025. Т. 8, № 2. С. 221–230. https://doi.org/10.21323/26; https://elibrary.ru/jhloak Barkovskaya, I. A. Kompleksnaya modifikaciya belkovogo profilya molochnoy syvorotki kak podhod k sozdaniyu obogaschennyh belkovyh ingredientov / I. A. Barkovskaya, A. E. Ryabova, I. V. Rozhkova // Pischevye sistemy. 2025. T. 8, № 2. S. 221–230. https://doi.org/10.21323/26; https://elibrary.ru/jhloak Hewa Nadugala, B. The effect of casein genetic variants, glycosylation and phosphorylation on bovine milk protein structure, technological properties, nutrition and product manufacture / B. Hewa Nadugala [et al.] // International Dairy Journal. 2022. Vol. 133. 105440. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2022.105440 Hewa Nadugala, B. The effect of casein genetic variants, glycosylation and phosphorylation on bovine milk protein structure, technological properties, nutrition and product manufacture / B. Hewa Nadugala [et al.] // International Dairy Journal. 2022. Vol. 133. 105440. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2022.105440 Людвик, П. Основы технологической механики / П. Людвик // Расчеты на прочность. 1971. № 15. С. 132–166. Lyudvik, P. Osnovy tehnologicheskoy mehaniki / P. Lyudvik // Raschety na prochnost'. 1971. № 15. S. 132–166. Колесников, К. С. Машиностроение. Энциклопедия. Динамика и прочность машин. Теория механизмов и машин / К. С. Колесников, В. С. Зарубин. Том 1-3. Книга 1. – М.: Машиностроение, 1994. – 534 с. https://elibrary.ru/vwwjel Kolesnikov, K. S. Mashinostroenie. Enciklopediya. Dinamika i prochnost' mashin. Teoriya mehanizmov i mashin / K. S. Kolesnikov, V. S. Zarubin. Tom 1-3. Kniga 1. – M.: Mashinostroenie, 1994. – 534 s. https://elibrary.ru/vwwjel Rabotnov, Yu. N. Application of the nonlinear theory of heredity to the description of time effects in polymeric materials / Yu. N. Rabotnov, L. Kh. Papernik, E. I. Stepanychev // Polymer Mechanics. 1971. Vol. 7(1). P. 63–73. https://doi.org/10.1007/bf008 Rabotnov, Yu. N. Application of the nonlinear theory of heredity to the description of time effects in polymeric materials / Yu. N. Rabotnov, L. Kh. Papernik, E. I. Stepanychev // Polymer Mechanics. 1971. Vol. 7(1). P. 63–73. https://doi.org/10.1007/bf008