การออกแบบโครงสร้างอาหาร

ปัจจุบันตลาดผลิตภัณฑ์อาหารเพื่อสุขภาพ และอาหารที่มีสารอาหาร (nutritious food products) เติบโตขึ้นอย่างต่อเนื่อง อาหารดังกล่าวจึงมักรวมถึงผลิตภัณฑ์อาหารที่ได้จากธรรมชาติ มีสารอาหารที่มีประโยชน์ต่อร่างกาย ไม่ก่อให้เกิดอาการแพ้ อุดมไปด้วยเส้นใยอาหาร มีโปรตีนสูง มีไขมันต่ำ รวมถึงมีสารอาหารรอง (micronutrients) [1] และ สารประกอบออกฤทธิ์ทางชีวภาพ (bioactive compounds) [2] เป็นต้น อย่างไรก็ตาม อาหารดังกล่าวมักมีข้อด้อยเรื่องรสชาติ เนื้อสัมผัส (texture) และความเสถียรของผลิตภัณฑ์เมื่อเปรียบเทียบกับอาหารดั้งเดิม (อาหารปกติ) ซึ่งส่งผลต่อการยอมรับของผู้บริโภค

การออกแบบโครงสร้างอาหาร (food structure design) เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่ใช้ในการสร้างและควบคุมเนื้อสัมผัส ลักษณะปรากฏแก่อาหารเพื่อสุขภาพให้ใกล้เคียงอาหารดั้งเดิม อีกทั้งยังสามารถให้กลิ่น และรสชาติที่ดีอีกด้วย การนำเทคโนโลยีออกแบบโครงสร้างอาหารมาใช้พัฒนาอาหารเพื่อสุขภาพจำเป็นต้องบูรณาการความรู้หลายด้าน โดยเฉพาะความรู้ด้านวัสดุศาสตร์ และวิศวกรรมวัสดุ [3]

เนื่องจากอาหารเป็นวัสดุชนิดหนึ่งที่มีหลายองค์ประกอบ และมีโครงสร้างซับซ้อน การออกแบบโครงสร้างอาหารจึงมักเกี่ยวข้องกับการเลือกใช้องค์ประกอบที่เป็นวัตถุดิบอาหาร และกระบวนการเตรียมหรือขึ้นรูปอาหาร (food processing) ที่ส่งผลต่อการเกิดโครงสร้างอาหาร อันนำไปสู่ความสามารถในการควบคุมเนื้อสัมผัสของอาหาร

อาหารเพื่อสุขภาพที่ใช้เทคโนโลยีการออกแบบโครงสร้างเพื่อปรับเนื้อสัมผัสที่ทีมวิจัยวัสดุศาสตร์อาหาร เอ็มเทค ได้วิจัยและพัฒนา ได้แก่ ผลิตภัณฑ์อาหารไขมันต่ำ [4] และไขมันลด [5] ที่ทำโดยการเติมสารทดแทนไขมันที่เป็นเส้นใยอาหาร และ/หรือตัวปรับเนื้อสัมผัสจากธรรมชาติ (ไฮโดรคอลลอยด์อาหาร) ส่งผลให้มีสมบัติคล้ายคลึงอาหารไขมันเต็ม

ตัวอย่างอาหารที่ทีมวิจัยพัฒนาร่วมกับบริษัทเอกชน เช่น

ไส้กรอกไขมันต่ำ กล่าวคือมีปริมาณไขมันต่ำกว่า 5% ซึ่งไส้กรอกทั่วไปมีไขมันอยู่ในช่วง 20-30% ไขมันสัตว์ทำให้รสสัมผัสนุ่มลิ้น แต่ส่งผลเสียต่อสุขภาพ การใช้สารทดแทนไขมันนอกจากช่วยลดไขมันแล้ว ยังช่วยเพิ่มเส้นใยอาหารจึงดีต่อสุขภาพ

ผลิตภัณฑ์มายองเนสและสลัดครีมปราศจากน้ำมัน ที่ใช้ตัวปรับเนื้อสัมผัสจากธรรมชาติที่ช่วยปรับความข้นหนืดเพื่อให้มีความสามารถในการไหล (สมบัติเชิงรีโอโลยี) ความคงตัว รวมถึงมีรสสัมผัสคล้ายคลึงกับมายองเนสและสลัดครีมไขมันเต็ม

ผลิตภัณฑ์อาหารปราศจากกลูเตน [6] ได้แก่ ขนมปังแซนด์วิช ครัวซอง และบะหมี่ โดยปกติแล้วอาหารดังกล่าวเตรียมจากฟลาว [7] ข้าวสาลีที่มีกลูเตนเป็นองค์ประกอบ โดยกลูเตนมีหน้าที่สำคัญที่ทำให้ผลิตภัณฑ์อาหารดังกล่าวมีโครงสร้างยืดหยุ่นดี และมีเนื้อสัมผัสเหนียวนุ่ม แต่เนื่องจากปัญหาของผู้บริโภคที่มีอาการแพ้กลูเตน หรือผู้ป่วยโรคเซลิแอค (Celiac disease) มีปริมาณมากขึ้น ทีมวิจัยจึงได้วิจัยและพัฒนาผลิตภัณฑ์เหล่านี้โดยใช้ฟลาวข้าวเจ้า และฟลาวมันสำปะหลังเป็นส่วนประกอบหลัก โดยมีส่วนผสมร่วมของสตาร์ชธรรมชาติ [8] สตาร์ชดัดแปรทางกายภาพ [9] และไฮโดรคอลลอยด์อาหารในสัดส่วนที่เหมาะสม ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ขนมปังและครัวซองที่ขึ้นฟู สามารถกักเก็บแก๊สได้ดีขณะหมัก ไม่ยุบตัวขณะอบ และได้คุณภาพเนื้อสัมผัสที่เป็นที่ยอมรับของบริษัทฯ

ส่วนแป้งโด (dough) [10] บะหมี่ปราศจากกลูเตนสามารถดึงยืดได้ดีในกระบวนการรีดเป็นแผ่นบาง สามารถตัดเป็นเส้นได้ และมีการสูญเสียของแข็งขณะต้มให้สุกต่ำ ผลิตภัณฑ์ที่ได้จึงมีลักษณะปรากฏและเนื้อสัมผัสที่ดี อีกทั้งยังให้คุณภาพเชิงประสาทสัมผัสที่ผู้บริโภคยอมรับได้

ผลิตภัณฑ์อาหารสำหรับผู้บริโภคเฉพาะกลุ่ม [11] ได้แก่ อาหารปั่นผสม (blenderized diet) สำหรับผู้สูงวัย และผู้ป่วยที่ไม่สามารถรับประทานอาหารได้เอง ตลอดจนผู้ที่มีภาวะกลืนลำบากขั้นรุนแรง จำเป็นต้องได้รับอาหารทางสายยาง เป็นต้น การพัฒนาอาหารปั่นผสมนี้ จำเป็นต้องคำนึงถึงคุณค่าทางโภชนาการที่เพียงพอต่อความต้องการของร่างกาย รวมถึงมีพฤติกรรมการไหลที่เหมาะสมสำหรับการให้ทางสายยาง อีกทั้งมีความคงตัวไม่เกิดการแยกชั้นในกระบวนการฆ่าเชื้อด้วยความร้อน และระหว่างการเก็บรักษา

ผลิตภัณฑ์เนื้อสัตว์บดเคี้ยวง่ายในรูปของสเต๊กจากวัตถุดิบเนื้อวัว และเนื้อหมูบดหยาบ โดยใช้การออกแบบโครงสร้างและตัวปรับเนื้อสัมผัสที่ทำให้สเต๊กมีเนื้อสัมผัสคล้ายเนื้อชิ้น แต่นุ่ม บดเคี้ยวและกลืนง่าย ยังคงรูปร่างและลักษณะปรากฏที่ดี เหมาะกับผู้ที่มีปัญหาในการเคี้ยว รวมถึงผู้สูงวัยที่ต้องการอาหารประเภทเนื้อสัตว์ที่มีความนุ่มเป็นพิเศษ

ปัจจุบันทีมวิจัยได้ศึกษาการใช้เทคโนโลยี 3-D printing ในการขึ้นรูปโครงสร้างอาหารแบบทีละชั้น (layer-by-layer) สำหรับการพัฒนาอาหารจำเพาะบุคคล (personalized diet) เพื่อรองรับกลุ่มผู้บริโภคที่หลากหลาย เช่น กลุ่มผู้สูงวัย ผู้ป่วย และนักกีฬา เป็นต้น รวมไปถึงใช้เทคโนโลยีการปรับเนื้อสัมผัสอาหารด้วยกระบวนการเอกซ์ทรูชัน สำหรับการออกแบบอาหารคล้ายเนื้อสัตว์จากโปรตีนพืชให้มีลักษณะปรากฏ และมีเนื้อสัมผัสคล้ายเส้นใยใกล้เคียงกับเนื้อสัตว์

นอกเหนือจากการพัฒนาอาหารเพื่อสุขภาพด้วยเทคโนโลยีการออกแบบโครงสร้างอาหารดังที่กล่าวมาข้างต้น ทีมวิจัยได้ศึกษากระบวนการบดเคี้ยวในช่องปาก (food oral processing) ซึ่งเกี่ยวข้องกับการศึกษากระบวนการเชิงกล (food mechanics) รีโอโลยี (food rheology) และไทรโบโลจี [12] (food tribology) อันนำไปสู่ความเข้าใจถึงกระบวนการบดเคี้ยวอาหารในช่องปาก การเกิดโบลัสอาหาร (food bolus) [13] รวมถึงลักษณะและพฤติกรรมการไหลของโบลัสก่อนการกลืน การเข้าใจถึงกลไกการบดเคี้ยวอาหารในช่องปากนี้ มีประโยชน์อย่างมากต่อการพัฒนาอาหารให้มีเนื้อสัมผัสที่ดี เป็นที่ยอมรับ และมีความปลอดภัยขณะบริโภค

ภาพดัดแปลงจาก Stokes, J. R., Boehm, M. W., & Baier, S. K. (2013). Oral processing, texture and mouthfeel: from rheology to tribology and beyond. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 18, 349–359.

นอกจากการบริโภคอาหารที่อร่อยและมีรสชาติดีแล้ว การดูดซึมสารอาหารที่มีประโยชน์เข้าสู่ร่างกายถือเป็นกระบวนการที่สำคัญ ดังนั้น ในอนาคตอันใกล้นี้ ทีมวิจัยจึงวางแผนศึกษากระบวนการย่อย และดูดซึมสารอาหารจากผลิตภัณฑ์อาหารเพื่อสุขภาพที่พัฒนาขึ้นด้วยการใช้โมเดลจำลองสำหรับการศึกษากระบวนการย่อยในระบบทางเดินอาหาร (Simulated Gut Model) ซึ่งข้อมูลที่ได้นี้จะช่วยให้ผู้บริโภคมั่นใจว่าได้บริโภคอาหารเพื่อสุขภาพที่มีทั้งเนื้อสัมผัสและรสชาติดี รวมถึงได้รับสารอาหารสำคัญ และสารประกอบออกฤทธิ์ทางชีวภาพครบถ้วนอีกด้วย

ภาพจาก https://www.thetimcompany.com/

ภาพโมเดลจำลองการศึกษากระบวนการย่อยในระบบทางเดินอาหาร โดยจำลองการทำงานของกระเพาะอาหาร ลำไส้เล็ก การดูดซึมของลำไส้ใหญ่

การออกแบบโครงสร้างอาหาร

การออกแบบโครงสร้างอาหาร

เกี่ยวกับ MTEC

บริการ

หน่วยวิจัย

ติดต่อเรา

ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ