浙江大學(xué)生物(wu)系統(tǒng)(tong)工程與食品(pin)科學(xué)(xue)學(xué)院(yuan)研究人員在國(guo)內(nèi)期刊《食品(pin)安全質(zhì)量檢測(ce)學(xué)報》發(fā)表了題(ti)為"基于高(gao)精度3D 打印(yin)的三文魚植物(wu)基替代物(wu)研究"的研究論文(wen)。在該(gai)論文中(zhong)，研究人(ren)員使用(yong)上海騰拔(ba)Universal TA質(zhì)構(gòu)儀(yi)測定了三文魚排(pai)和3D 打印植(zhi)物基替代物的硬(ying)度、粘性、彈(dan)性與咀嚼(jue)性等指(zhi)標(biāo)。

摘 要: 目的 基于高精(jing)度3D 打(da)印技術(shù)(shu)研究(jiu)三文魚(yu)植物(wu)基替代物。方法(fa) 以豌豆(dou)分離(li)蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔(mo)芋膠(konjac gum, KGM)和天然胡(hu)蘿卜粉為原(yuan)輔料, 進行精(jing)準(zhǔn)3D 復(fù)合打(da)印生產(chǎn)(chan)模擬三文魚色(se)澤、質(zhì)構(gòu)的植物(wu)基替代物(wu)。考察不同(tong)物料比例對(dui)油墨可打印性(xing)的影響; 選(xuan)取有(you)代表性的油(you)墨配方, 對其流(liu)變特性、水分分(fen)布情況、微觀結(jié)(jie)構(gòu)進行表征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度(du)的升高都增(zeng)強了(le)體系(xi)與水結(jié)合的(de)能力, 且PPI 濃(nong)度過高(gao)時(20%, m:m)影響了KGM 與水(shui)結(jié)合(he)形成(cheng)穩(wěn)定凝膠的(de)能力。PPI15KGM5 配方(fang)可形成致密的(de)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(gou), 增強了(le)體系的穩(wěn)(wen)定性, 擁有良(liang)好的剪切恢(hui)復(fù)特性(xing), 有利于3D 打印(yin); 而PPI20KGM3 配(pei)方具有更好的(de)機械性能和(he)結(jié)構(gòu)強(qiang)度, 但是由(you)于PPI 濃度過高(gao)影響KGM 形成(cheng)穩(wěn)定(ding)凝膠結(jié)構(gòu), 其剪(jian)切恢復(fù)特性較(jiao)差。流變(bian)學(xué)參數(shù)η、τy、G'、屈服(fu)應(yīng)變及(ji)剪切(qie)恢復(fù)特性(xing)對油墨3D 打(da)印過程影(ying)響顯(xian)著。結(jié)論 通過調(diào)整3D 打(da)印精細(xì)化(hua)程度(350 μm 和500 μm)和模(mo)型填充度(du), 生產(chǎn)了具(ju)有差異(yi)化質(zhì)構(gòu)的高(gao)蛋白含量(liang)(15%, m:m)產(chǎn)品。其(qi)中, 部分(fen)產(chǎn)品的粘性(xing)和彈性與真(zhen)實三文魚(yu)類似, 這為開(kai)發(fā)3D 打(da)印生產(chǎn)植物(wu)基替(ti)代物提供(gong)了新的視角(jiao)。

1、質(zhì)構(gòu)特性測試(shi)

通過流動自(zi)來水對(dui)三文(wen)魚排進行解(jie)凍, 恢復(fù)至(zhi)室溫(wen)約30 min 后, 沿魚排(pai)順肌(ji)纖維(wei)纖維(wei)切下尺寸一致(zhi)的樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與(yu)打印完(wan)成的不同打(da)印精(jing)度與模型填(tian)充度的立方體(ti)(2×1×1 cm)進行質(zhì)地剖(pou)面分析(texture profile analysis, TPA)測(ce)試。實驗(yan)條件為(wei): 兩次循環(huán)(huan)壓縮30%, 觸發(fā)力(li)8 gf, 探頭移動速(su)度為1 mm/s。每(mei)組設(shè)置3 組及(ji)以上平行測試(shi)。

2、結(jié)果分析(xi)

注: a: 硬度; b: 粘性(xing); c: 彈性; d: 咀(ju)嚼性; e: 膠著性; f 為(wei)真實三文(wen)魚, 以及不同(tong)模型(xing)填充度條(tiao)件下, 350 μm 和500 μm 噴頭(tou)打印的產(chǎn)(chan)品彈性; 圖a~f 中不(bu)同大寫(xie)字母表(biao)示組間差異(yi)顯著, P<0.05。

圖7 不同打印產(chǎn)(chan)品的質(zhì)地剖(pou)面分析(xi)(a~e)和與(yu)真實(shi)三文(wen)魚彈性的比(bi)較(f) (n=3)

為了探究不同(tong)打印噴嘴(zui)的產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性差異, 本(ben)研究進行(xing)了TPA 測試(圖(tu)7a~e), 并分別對(dui)350 μm 和500 μm的噴(pen)頭產(chǎn)品進(jin)行顯(xian)著性分(fen)析(圖(tu)7f)。

硬度是(shi)壓縮樣(yang)品所需的力(li), 可以模仿人口(kou)腔對固體(ti)或者半固體的(de)咀嚼情(qing)況[50]。在圖7a 中, 隨著(zhe)模型填充度的(de)上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品(pin)的硬度(du)從(59.3±25.3) gf 上升(sheng)到了(137.4±19.2) gf, 填充度上升提(ti)高了打印硬(ying)度。但對于350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品(pin), 硬度(du)并沒有上(shang)升, 且(qie)彼此之間(jian)并沒(mei)有顯(xian)著性差異, 不過(guo)填充度為40%時, 350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品(pin)硬度大于500 μm。咀(ju)嚼性(圖7d)和膠著(zhe)性(圖7e)的結(jié)(jie)果與硬(ying)度測量(liang)結(jié)果類似, 即(ji)500 μm 噴頭產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性隨模(mo)型填充度上(shang)升而上升; 但是(shi)350 μm 噴頭的產(chǎn)品基(ji)本沒(mei)有顯(xian)著性差(cha)異。不過(guo), 在40%填充度(du)時, 350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特(te)性都顯著高(gao)于500 μm, 這可能是精(jing)細(xì)化打印提高(gao)了產(chǎn)品內(nèi)部(bu)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性(xing), 從而(er)改善質(zhì)構(gòu)特性(xing)。

粘性(xing)是克服樣品本(ben)身的粘性(xing)而消耗的能(neng)量, 代表著(zhe)需要(yao)從牙齒或(huo)者上顎(e)去除粘附的食(shi)物所做(zuo)的功(gong)。本研究中,隨(sui)著模型填充(chong)度上升, 350 μm 的(de)噴頭(tou)產(chǎn)品的粘性(xing)均呈現(xiàn)上(shang)升趨(qu)勢(圖(tu)7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升到(dao)(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)品的粘(zhan)性[(12.59±0.75) gf-mm]接近(jin)真實三文(wen)魚的粘性(xing)[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是樣品去(qu)除形(xing)變后恢復(fù)到(dao)本來狀(zhuang)態(tài)的能(neng)力, 表現(xiàn)為食(shi)物被牙齒咬后(hou)恢復(fù)到原狀的(de)能力。且彈性(xing)和魚的新鮮(xian)程度關(guān)(guan)聯(lián)性(xing)極大, 魚在屠宰(zai)、冰凍(dong)或者腐敗(bai)后, 彈性(xing)都會有一定程(cheng)度的下降。工(gong)業(yè)中, 工人(ren)通常使用“手(shou)指法"測(ce)量生(sheng)魚片的質(zhì)構(gòu)(gou)以了解其彈性(xing)是否適(shi)合進一步加工(gong)。在圖7c 中, 隨(sui)著模型(xing)填充(chong)度的上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)(chan)品的彈性從0.41±0.06 上(shang)升到了0.58±0.03, 并且(qie)接近本(ben)次測量的三文(wen)魚的彈性(0.61±0.03)。詳(xiang)細(xì)的彈性(xing)數(shù)據(jù)對(dui)比如圖7f 所示, 真(zhen)實三文魚肉(rou)的彈性和(he)500-70%的產(chǎn)(chan)品無顯著性(xing)差異, 表(biao)明通過精細(xì)化(hua)打印和調(diào)控模(mo)型填充(chong)度, 可(ke)以對三(san)文魚(yu)的質(zhì)構(gòu), 例(li)如彈性進行(xing)還原。

綜上, 通過(guo)不同噴頭對(dui)不同填充(chong)度的模(mo)型進行(xing)打印可以(yi)對產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)進(jin)行調(diào)控(kong), 以接近真實三(san)文魚的質(zhì)構(gòu)(gou),比如粘性和(he)彈性; 且對于40%填(tian)充度的模型(xing), 使用(yong)更高精度(du)的350 μm 噴(pen)頭相較于500 μm 噴(pen)頭, 提高了產(chǎn)(chan)品的內(nèi)部結(jié)(jie)構(gòu)穩(wěn)(wen)定性和質(zhì)(zhi)構(gòu)特性。

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基于高(gao)精度3D 打印的(de)三文(wen)魚植物(wu)基替(ti)代物研究