3D 프린팅 기술: 푸드테크 분석

식품은 유동성과 인쇄성에 영향을 미치는 복잡한 구조로 구성되어 있다. 최근 3D 프린팅이 가능한 식품 소재의 범위가 크게 확대되면서 식품소재의 종류와 특성에 대한 정보는 매우 중요한 역할을 한다. 따라서 곡류 기반, 단백질과 전분 기반, 초콜릿 기반, 육류 및 유제품 기반 및 설탕 기반 소재와 같은 다양한 식품 재료의 유변학적, 조직적, 구조적 특성을 조사하였다 (Table 1). 도우 (dough)는 물과 글루텐 (gluten) 단백질 사이에 상호작용으로 팽창이 발생하고 점탄성 특성을 가진다 (Hoseney and Rogers, 1990). 이러한 점탄성 특성으로 인하여 베이킹, 튀김 등의 후가공시 굳어지는 능력을 갖추고 있어 3D 프린팅 재료가 될 수 있다. Liu et al. (2019a)에서는 밀가루와 동결건조 망고 분말을 주재료로 하여 원료들의 비율이 프린팅에 미치는 영향을 조사하고 프린팅 매개변수를 분석하고 최적화하였다. Kim et al. (2019)은 하이드로콜로이드 혼입을 통해 기존 쿠키의 성분 및 특성을 유지하면서 고온의 후가공 단계에서 제품 변형을 억제하는 기술을 개발하였다. 이를 위해 메틸셀룰로오스와 잔탄검이 제품의 유변학적 특성, 인쇄 성능, 텍스쳐 프로파일 및 최종 품질에 미치는 영향을 조사하였다. 조사 결과, 0.5 g/100 g 잔탄검을 혼입한 쿠키 도우가 후가공시 기계적 강도 저하를 억제하여 3D 디자인 모양을 잘 유지하는 것으로 나타났다. 또한 3D 프린팅 기술을 활용하여 프로바이오틱스가 함유된 베이커리 제품도 개발되었다 (Zhang et al., 2018). 반죽 구조의 표면 대 부피 비율을 증가시킴으로써 베이킹 동안 프로바이오틱스의 생존력이 향상되었음을 검증하였다. 곡류는 필수 아미노산, 미네랄, 비타민이 풍부하여 전 세계에서 주식으로 사용되고 있기에 중요한 3D 프린팅 소재로서 관심을 받고 있다 (Singh et al., 2016). Anukiruthika et al. (2020)에서는 인쇄 공정을 보조하는 쌀가루의 첨가가 난황과 난백의 조직 및 유변학적 특성에 유의한 영향을 미치는 것으로 보고되었다. 이때 단백질이 쌀가루와 결합하여 유사가소성 거동을 갖는 페이스트를 형성함으로써 인쇄성이 향상되었다. 3D 프린팅 소재로 흑미, 율무 씨, 녹두, 현미 및 메밀 등 5가지 거친 곡물의 사용 방법을 연구하였다 (Guo et al., 2020). 프린팅에 필요한 피스톤 압력을 시뮬레이션하여 녹두 젤에서 가장 높은 압력 값을 가졌으며 이 결과는 최소 유동 응력 및 프린팅 결과와 일치함을 입증하였다.

단백질은 생명 유지에 필수적인 영양소로서 대부분의 생물학적 기능에 관여한다. 단백질이 풍부한 음식을 씹거나 삼키기 어려운 사람들을 위해 맞춤형 3D 프린팅 단백질 제품이 문제를 해결해 줄 수 있다. Liu et al. (2019b)은 농축 우유 단백질 겔을 제조하여 유변학적, 조직적 및 기계적 거동과 겔 유형 및 수분 분포를 조사하였다. 단백질 매트릭스의 총 단백질 함량 증가에 따라 3차원 구조로 변형되어 3D 프린팅에 유리하였고, 유변학적 특성이 연질 재료의 3D 프린팅 적용 가능성 평가에 활용될 수 있음을 입증하였다. Phuhongsung et al. (2020)는 잔탄검과 NaCl의 농도에 따른 분리 대두 단백질 겔의 3D 프린팅 가능성과 유변학적 및 LF-NMR 특성 사이의 상관관계를 분석하였다. 이러한 상관관계는 분리 대두 단백질 겔의 프린팅 성능을 결정하고 시행착오를 줄이는 능력을 결정하는 데 사용할 수 있다.

보수력, 투명성 및 노화 방지 특성이 우수한 감자 전분을 겔화제로 선택하여 레몬주스 겔 기반 3D 프린팅 식품을 개발하였다 (Yang et al., 2018). 3D 프린팅 공정 최적화 결과는 소재 특성뿐만 아니라 노즐 직경, 노즐 이동 속도 및 압출 속도가 3D 프린팅 제품의 품질에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한, 으깬 감자의 제형을 최적화하여 프로바이오틱스를 첨가한 기능성 식품도 3D 프린팅 기술로 개발하였다 (Liu et al., 2020). 이 연구를 통해서 유통기간 동안 프로바이오틱스의 생존 가능성에 대한 프린팅 매개변수의 영향을 조사하였다.

초콜릿은 특정 온도에서 녹고 이전 레이어에 부착되면 빠르게 응고되는 특성이 있으므로 3D 프린팅 적용에 적합하다 (Hao et al., 2010; Sood et al., 2010). 다크 초콜릿은 코코아 매스, 설탕, 유화제 등으로 구성되어 있으며 이러한 성분들이 다양한 열적 특성이 있으므로 초콜릿의 유동 거동에 영향을 미친다. Mantihal et al. (2019)에서는 다크 초콜릿에 가공 보조제로서 마그네슘 스테아레이트 분말과 식물성 스테롤 분말을 첨가하여 압출 과정에서 초콜릿의 유동성을 향상시켰다. 첨가물이 초콜릿의 열적 특성을 방해하지 않았으며 유사가소성 거동을 보였다.

육류는 본질적으로 프린팅할 수 없는 재료 중 하나이다 (Liu et al., 2018). 그러므로 유동성과 점도 향상을 위한 첨가제를 추가하여 유변학적 및 기계적 특성을 조절함으로써 압출 가능한 페이스트 형태를 만들어야 한다. Wilson et al. (2020)은 닭고기에 기장 기반 혼합분말을 첨가해 식이섬유가 풍부한 맞춤형 육류 제품의 인쇄 가능성을 확인하였다. Dick et al. (2019)은 충전 밀도와 라드 함량이 후가공(수비드 조리) 공정 후 물리적 변화와 질감에 미치는 영향을 조사하였다. 충전 밀도는 보수력, 경도 및 씹힘성과 비례하였고, 수축률과 응집력과는 반비례했으며, 라드 함량은 반대의 경향을 보였다. 이 연구는 후처리 품질 특성뿐만 아니라 미래에 맞춤화한 지방 함량과 지방 분포를 가진 3D 육류 제품을 위한 아이디어를 제공할 수 있다. 또한, 연하곤란이 있는 사람들을 위한 3D 프린팅 육류기반 연구로 진행되고 있으며, 잔탄검과 구아검을 사용해 돼지고기 페이스트의 조직, 미세구조와 유변학적 특성에 대해 평가하였다 (Dick et al., 2020).

가공치즈는 천연치즈, 유화 염 이외에도 색소, 향료 등 첨가제 성분으로 이루어져 있으며 이를 가열, 혼합 및 유화시켜 제조하는 것으로 알려져 있다. Le Tohic et al., (2018)에서는 일반치즈, 용융된 치즈, 프린팅한 치즈의 차이점 분석을 통해 3D 프린팅의 잠재적 응용 가능성을 보여주었다. 용융시킨 치즈와 프린팅된 치즈는 일반치즈 샘플에 비해 경도가 최대 49% 감소하였고, 14%에서 21% 범위의 더 높은 용융도를 나타냈다. 따라서 3D 프린팅 공정이 최종 제품의 색상과 질감에 영향을 줄 수 있다는 결론을 내렸다.

식품 3D 프린팅에서 과립 또는 파우더 설탕은 SLA, HAS 또는 binder jetting 기술에 사용될 수 있다 (Godoi et al., 2016). 설탕의 분말 유동성과 습윤성은 인쇄된 제품의 해상도와 기계적 특성을 결정하기 때문에 매우 중요하다. 설탕의 물리적 특성으로 열을 주 인쇄 메커니즘으로 사용하는 SLS, HAS 기술에 적합하다. 설탕 기반으로 프린팅한 예로는 CandyFab 기계를 사용해 뜨거운 공기 빔으로 설탕을 선택적으로 융합해 구조를 만들 수 있다.

FDM 방식은 고온 및 고압으로 원료를 밀어내어 한 층씩 적층하는 방식으로 냉각 후 모든 층은 이전 층과 융합된다 (Nachal et al., 2019). 압출 기반의 인쇄는 신선한 음식에 적용 가능하여 식품 재료의 선택 범위가 넓어 최근 대부분의 3D 프린터에 사용되고 있다 (Liu et al., 2019c; Mantihala et al., 2020). 초콜렛, 쿠키 반죽, 으깬 감자, 치즈, 페이스트 등 다양한 식품을 프린팅에 사용하고 있으며, 재료에 어느 정도 점성을 가지고 기계적 강도가 높다면 3D 출력이 가능하다 (Yoon et al., 2016). 그러나 이 방식은 노즐로부터 재료가 압출할 수 있으면서 동시에 다음 층의 출력물을 지지할 수 있어야 하며 (Pérez et al., 2019), 출력 도중에 지속해서 식자재를 공급하기에 어려움이 있다 (Lee, 2021a).

잉크젯 프린트 헤드를 이용해 분말 재질의 원료와 점착제를 실린저로부터 떨어뜨려 증착하는 방식이다. 롤러를 사용하여 트레이에 분말을 퍼뜨리고 프린트 헤드가 분말 트레이를 터치하면서 점착제를 떨어뜨려 3D 형상을 제조한다. 점착제가 떨어지지 않은 부분은 제조하고자 하는 형상을 지지하기 때문에 제조 과정 중, 지지 구조가 불필요하다 (Silva et al., 2008). 점착제에 색상을 첨가하고 여러 개의 실린저를 이용해 FDM에서는 구현하지 못하는 수만 가지의 색을 구현할 수 있다 (Kim et al., 2020). 또한 제조 과정 중의 열처리가 필요 없으며 재료의 상태변화가 크게 일어나지 않아 FDM과는 식품 재료 선택이 다르다. 설탕 및 녹말과 같이 일반적으로 낮은 점도의 재료를 사용하고 따라서 복잡한 구조를 형성하기보다는 평평한 도면을 인쇄하는 데 사용된다 (Le-Bail et al., 2020). 분말의 입자 크기와 점착제의 결정 크기가 작아짐에 따라 출력물의 해상도는 높아지며 분말이 분사되는 노즐의 입구 직경에 해상도를 의존한다 (Yoon et al., 2016).

선택적으로 레이저나 열풍을 이용해 분말을 결합하는 3D 인쇄 방식은 원료 분말을 분말 베드에 넣은 후 설정된 형태에 따라 분말을 녹여 고체층을 형성한다. 나머지 분말 층은 그대로 남아 구조를 지지하는 역할을 하며, 이 과정은 최종적인 3D 출력물을 인쇄할 때까지 반복한다 (Awad et al., 2020). 이러한 방식의 장점은 출력이 자유로우며 분말 층을 변경하기만 하면 하나의 식품 출력물의 구성을 다양하게 할 수 있는 것이다. 단점은 이와 관련된 다양한 변수로 인쇄 과정이 복잡해질 수 있다. 또한 이 방식의 식품 재료는 분말로 한정적이며 다양한 식품을 적용하는 데 한계가 있어 식품 분야에서 널리 사용되고 있지 않다 (Sun et al., 2015). SLS는 분말베드를 기본적으로 가지고 분말 베드 위에 원하는 부위만 레이저로 녹여 융합한 후 굳혀가면서 적층하는 방식이다 (Dankar et al., 2018). 설탕, 전분 등의 분말 원료가 사용되며, 색소나 향료와 같은 식품첨가물을 첨가하기도 한다 (Kim et al., 2020a).

Hot air sintering은 SLS와 같은 원리로 분말 베드에 레이저가 아니라 열풍을 원하는 영역에 분사하여 분말을 결합하고 굳혀 3D 구조물을 제작하는 방식이다. 식품 재료로는 SLS와 마찬가지로 설탕과 같은 분말 원료가 사용된다 (Dankar et al., 2018).

Binder jetting은 CJP와 유사한 원리로 분말베드를 미리 준비한 후 구현하고자 하는 3D 구조물 형상에 따라 결합제를 분말에 분사하여 구조물을 제작하는 방식이다 (Dankar et al., 2018). 인쇄 공정에서 롤러는 분말을 고르게 분산화 후 실린저가 설정된 형상에 따라 분말 층에 2D 패턴을 완성한다. 2D 패턴으로 완성된 층과 지지하는 분말 층을 함께 낮추어 3D 형상이 완성될 때까지 인쇄 과정을 반복한다 (Holland et al., 2018). 식품 재료로 사용되는 분말의 입자와 기공 크기가 고른 정도는 3D 출력물의 밀도와 인쇄 공정에 영향을 미치는데, 입자가 고른 분말은 얇고 표면이 균일한 분말 층을 형성하고 결합제의 침투 시간을 감소시키기 때문이다 (Mostafaei et al., 2020; Miyanaji et al., 2020). 식품 원료로는 밀가루, 전분 등과 같은 분말로 제한되고 있다 (Pitayachaval et al., 2018).