Quinten Steffens

Eetbare materialen zijn geschikt voor consumptie, maar omdat ze hernieuwbaar, biologisch afbreekbaar en veilig voor contact met mens en dier zijn, zijn ze daarnaast ook geschikt voor veel andere toepassingen. Met de juiste formuleringsstrategieën en verwerkingsprocessen kunnen eetbare materialen worden omgevormd tot composieten met de potentie om een revolutie teweeg te brengen in toepassingen op het gebied van gezondheid, maatschappij en milieu. Deze toepassingen variëren van eenvoudig, zoals eetbare verpakkingen, tot complex, zoals assemblages waarin deze composieten de basis vormen voor eetbare robots en robotisch voedsel. Klassieke robots bestaan uit rigide componenten en starre gewrichten, terwijl zachte robots juist geen volledig rigide onderdelen bevatten. Zachte robots kunnen zich daardoor in verschillende richtingen vervormen, waardoor ze zich goed aan kunnen passen aan hun omgeving en minder snel beschadigingen aanrichten. Op basis van algemene ontwerpprincipes voor biologisch geïnspireerde zachte robots kunnen twee complementaire typen composieten worden onderscheiden: enerzijds stijve, weinig buigzame composieten en anderzijds flexibele, zachte composieten. Er ontbrak echter nog een systematische benadering om zulke composieten te formuleren, verwerken en evalueren met eetbare materialen als uitgangspunt. Het materiaalgedrag van composieten kan worden beschreven met structuur- functierelaties. Inzicht in de relatie tussen formulering, verwerking en uiteindelijke materiaaleigenschappen maakt het mogelijk om ontwerpprincipes voor eetbare composieten af te leiden.

Het doel van dit proefschrift was daarom om te onderzoeken hoe kennis uit de levensmiddelentechnologie kan worden gecombineerd met productietechnieken om zowel stijve als flexibele composieten met gewenste materiaaleigenschappen te vervaardigen. Daarnaast werd onderzocht hoe karakteriseringsmethoden kunnen worden ingezet om de prestaties van eetbare composieten in verschillende gebruiksscenario’s accuraat te kunnen voorspellen.

In Hoofdstuk 2 werd een eetbaar composiet ontwikkeld dat geschikt is om met behulp van de 3D-printtechniek Fused Deposition Modelling (FDM) stijve en rigide objecten te vervaardigen. De voor FDM vereiste materiaaleigenschappen werden afgeleid uit een literatuurstudie. De formulering en fabricagemethode van het composiet werden geoptimaliseerd om aan deze vereisten te voldoen. Het maiseiwit zeïne bleek een geschikte grondstof te zijn door zijn gunstige thermoplastische eigenschappen, vloeigedrag in gesmolten toestand, goede hechting met zichzelf bij hoge temperaturen en de mogelijkheid voor warme verwerking zonder vorming van sterke kruisverbindingen. Om de broosheid van het zeïnecomposiet te verminderen was toevoeging van weekmakers benodigd. Voor een homogene verdeling van de weekmakers in het composiet werd een pelletiseringsproces ontwikkeld, bestaande uit de verwerkingsstappen oplossen, drogen en vermalen. De glastransitietemperatuur van het composiet bleek een cruciale rol te spelen in zijn verwerkbaarheid. Op basis van thermische en reologische metingen aan zeïnecomposieten met verschillende hoeveelheden weekmakers kon een toestandsdiagram met isoviscositeitslijnen worden opgesteld. Dit diagram beschrijft de materiaaltoestand als functie van het drogestofgehalte en de temperatuur, wat inzicht geeft in de ideale verwerkingstemperatuur, bijv. voor 3D-printen. Een FDM-3D-printer werd aangepast om pellets te kunnen verwerken. De zeïnecomposietpellets werden vervolgens gebruikt om verschillende objecten te printen. De resultaten van deze printtesten laten zien dat overhanghoeken tot 45° geprint konden worden en dat de objecten na het printen stabiel en rigide waren. Met deze studie werd aangetoond dat het technisch haalbaar is om eetbare thermoplastische eiwitcomposieten als grondstof te gebruiken voor de vervaardiging van stijve en rigide objecten middels FDM.

In Hoofdstuk 3 was het doel om de compatibiliteit van het zeïnecomposiet met reguliere FDM-apparatuur te vergroten. Bij zulke apparatuur wordt de grondstof aangevoerd in de vorm van een filament. Een filament is een lange, geëxtrudeerde draad die om een spoel is gewikkeld. Om het composiet voldoende flexibiliteit te maken voor het wikkelingsproces, moest de flexibiliteit vergroot worden ten opzichte van het composiet dat in Hoofdstuk 2 ontwikkeld werd. Daartoe werden, naast de hydrofiele weekmaker glycerol, amfifiele vetzuren aan de formulering toegevoegd. Deze vetzuren verminderen de aantrekkingskrachten tussen zeïnepolymeermoleculen. Deze combinatie van additieven had een synergetisch effect op de glastransitietemperatuur, waardoor deze verder verlaagd kon worden dan wanneer uitsluitend glycerol gebruikt zou worden, zonder dat hierbij fasescheiding optrad. Verder werd een verband tussen de glastransitietemperatuur en viscositeit aangetoond. Na optimalisatie van de samenstelling van het composiet werd het filament met een continu extrusieproces op pilotschaal geproduceerd. Hiermee werd aangetoond dat opschaling naar industriële productie mogelijk is. Vervolgens werd het geproduceerde filament met een commercieel verkrijgbare FDM-3D-printer verwerkt tot verschillende objecten met complexe geometrieën om de printkwaliteit van het ontwikkelde filament te kunnen beoordelen. Daarnaast werden proefmonsters geschikt voor buig- en trekproeven geprint, zodat de de mechanische eigenschappen van deze prints vergeleken konden worden met die van referentiemonsters vervaardigd uit veelgebruikte 3D printkunststoffen. Deze studie toonde aan dat thermoplastisch filament op basis van eetbare materialen op industriële schaal geproduceerd kan worden en compatibel is met commerciële 3D-printers. Hiermee wordt het gebruik van eetbare filamenten toegankelijk gemaakt voor een bredere groep gebruikers.

In Hoofdstuk 4 verschoof de focus naar het ontwikkelen van eetbare hydrogels die zacht en flexibel zijn. De rekeigenschappen van gels met biopolymeernetwerken (SN), gekruislinkte netwerken (CN) en interpenetrerende netwerken (IPN) werden onderzocht als functie van hun weekmakergehalte. Om spanning-rek relaties onder biaxiale belasting (belasting over meerdere assen tegelijkertijd) te bepalen werd een pneumatische uitzettingstest ontwikkeld. Hierbij werd een dunne, cirkelvormige hydrogel ingeklemd tussen een matrijs en houder, waarna de druk onder het monster geleidelijk verhoogd werd waardoor het monster opbolt. De vormverandering tijdens deze proef werd nauwkeurig gevolgd met behulp van computervisie. De vervorming van de monsters kon nauwkeurig worden beschreven met een ellipsoïde vormfunctie, wat het berekenen van spanning-rek relaties mogelijk maakte. Voor IPN-hydrogels bleek het effect van het weekmakergehalte op de spanning-rekrelatie afhankelijk te zijn van de belastingswijze (uniaxiaal of biaxiaal). Dit onderstreepte het belang van het karakteriseren van materiaaleigenschappen onder de belastingswijzen die representatief zijn voor de uiteindelijke gebruiksscenario’s. Daarnaast werd gevonden dat IPN-hydrogels een erg hoge treksterkte hadden. De studie toonde aan dat zowel de netwerkstructuur als het weekmakergehalte gebruikt kunnen worden om de rekeigenschappen van hydrogels aan te passen.

In Hoofdstuk 5 werd gereflecteerd op de bevindingen uit voorgaande hoofdstukken, werden de beperkingen van het onderzoek besproken en werden aanbevelingen gedaan voor toekomstig onderzoek. Daarbij werd voorgesteld de in dit proefschrift ontwikkelde composieten te integreren in complexere assemblages om een breder scala aan functionaliteiten te realiseren. Daarnaast kunnen de eigenschappen van deze composieten verder worden uitgebreid door er actieve vulstoffen in te verwerken, zoals actieve kool voor elektrische geleidbaarheid. Ook biedt het FDM-proces de mogelijkheid om, door middel van slimme ontwerpstrategieën, de macroscopische eigenschappen van objecten te sturen en daarmee het bereik aan realiseerbare materiaaleigenschappen verder te vergroten.

De resultaten van dit proefschrift vormen samen een systematische materiaalkundige benadering voor het formuleren en verwerken van eetbare materialen tot composieten met doelgericht ontworpen materiaaleigenschappen. De verkregen inzichten dragen bij aan de verdere ontwikkeling van eetbare robots, robotisch voedsel en andere innovatieve toepassingen van eetbare materialen.