浙江大學(xué)(xue)生物系(xi)統(tǒng)工程(cheng)與食品科學(xué)(xue)學(xué)院研(yan)究人員(yuan)在國內(nèi)期刊(kan)《食品安全質(zhì)(zhi)量檢(jian)測學(xué)報》發(fā)表(biao)了題(ti)為"基于高精度3D 打(da)印的(de)三文魚植(zhi)物基替(ti)代物研究(jiu)"的研究論文(wen)。在該論文中(zhong)，研究(jiu)人員使用(yong)上海騰拔(ba)Universal TA質(zhì)構(gòu)儀(yi)測定(ding)了三文(wen)魚排和3D 打印(yin)植物(wu)基替代物的硬度、粘性(xing)、彈性與咀嚼性(xing)等指標(biāo)。

摘 要: 目的 基于(yu)高精度(du)3D 打印技術(shù)研(yan)究三文魚植物(wu)基替(ti)代物。方法(fa) 以豌豆分(fen)離蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔(mo)芋膠(jiao)(konjac gum, KGM)和天然(ran)胡蘿卜粉為原(yuan)輔料, 進(jìn)行精(jing)準(zhǔn)3D 復(fù)合打印生(sheng)產(chǎn)模擬三文(wen)魚色澤、質(zhì)(zhi)構(gòu)的植物基(ji)替代物?？?kao)察不同物(wu)料比(bi)例對油墨(mo)可打印(yin)性的影(ying)響; 選取有代表(biao)性的油墨配方(fang), 對其流變特性(xing)、水分分布情況(kuang)、微觀(guan)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表(biao)征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度的升(sheng)高都增強(qiang)了體(ti)系與水(shui)結(jié)合的(de)能力, 且PPI 濃(nong)度過高(gao)時(20%, m:m)影響(xiang)了KGM 與水結(jié)合(he)形成(cheng)穩(wěn)定凝膠的(de)能力(li)。PPI15KGM5 配方(fang)可形成致密的(de)網(wǎng)格(ge)結(jié)構(gòu), 增強(qiang)了體系的(de)穩(wěn)定性, 擁(yong)有良好的剪切(qie)恢復(fù)特(te)性, 有(you)利于3D 打印(yin); 而PPI20KGM3 配方具(ju)有更好(hao)的機(ji)械性能(neng)和結(jié)構(gòu)強度(du), 但是由于PPI 濃(nong)度過高(gao)影響KGM 形成(cheng)穩(wěn)定凝(ning)膠結(jié)構(gòu), 其剪切(qie)恢復(fù)特性(xing)較差。流(liu)變學(xué)參數(shù)(shu)η、τy、G'、屈服應(yīng)變及剪(jian)切恢復(fù)特性(xing)對油墨3D 打印(yin)過程影響(xiang)顯著(zhu)。結(jié)論 通過調(diào)整3D 打印(yin)精細(xì)(xi)化程度(du)(350 μm 和500 μm)和模型填(tian)充度, 生產(chǎn)(chan)了具有差異(yi)化質(zhì)構(gòu)的高(gao)蛋白含量(liang)(15%, m:m)產(chǎn)品。其(qi)中, 部分產(chǎn)(chan)品的粘性和(he)彈性與真實(shi)三文魚類(lei)似, 這為開(kai)發(fā)3D 打印(yin)生產(chǎn)植物基(ji)替代物提供(gong)了新的視角。

1、質(zhì)構(gòu)特性(xing)測試

通過流動自(zi)來水對(dui)三文魚排進(jìn)行(xing)解凍, 恢復(fù)至(zhi)室溫約(yue)30 min 后, 沿(yan)魚排(pai)順肌纖維纖(xian)維切下尺寸(cun)一致的樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與(yu)打印完成的不(bu)同打印精度與(yu)模型填充度的(de)立方(fang)體(2×1×1 cm)進(jìn)行(xing)質(zhì)地剖(pou)面分析(texture profile analysis, TPA)測試(shi)。實驗條件為: 兩(liang)次循環(huán)壓縮(suo)30%, 觸發(fā)力8 gf, 探頭移(yi)動速度(du)為1 mm/s。每組設(shè)置3 組(zu)及以上平行(xing)測試。

2、結(jié)果分(fen)析

注: a: 硬度; b: 粘性; c: 彈(dan)性; d: 咀(ju)嚼性; e: 膠著性; f 為(wei)真實三(san)文魚, 以及不同(tong)模型填充(chong)度條件下, 350 μm 和500 μm 噴(pen)頭打印的產(chǎn)品(pin)彈性; 圖a~f 中不(bu)同大(da)寫字母表示組(zu)間差(cha)異顯著, P<0.05。

圖7 不(bu)同打印(yin)產(chǎn)品(pin)的質(zhì)地剖面(mian)分析(a~e)和(he)與真實三文(wen)魚彈性(xing)的比較(f) (n=3)

為了探究不(bu)同打印(yin)噴嘴的產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性差(cha)異, 本研(yan)究進(jìn)行了TPA 測(ce)試(圖7a~e), 并(bing)分別(bie)對350 μm 和(he)500 μm的噴頭(tou)產(chǎn)品(pin)進(jìn)行顯著(zhu)性分析(圖7f)。

硬度(du)是壓縮樣品所(suo)需的(de)力, 可(ke)以模仿人口腔(qiang)對固體或(huo)者半(ban)固體的(de)咀嚼情況(kuang)[50]。在圖7a 中, 隨著(zhe)模型填充度的(de)上升, 500 μm 噴頭產(chǎn)品(pin)的硬(ying)度從(cong)(59.3±25.3) gf 上升到(dao)了(137.4±19.2) gf, 填充度上升提(ti)高了打印硬度(du)。但對于350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)(chan)品, 硬度并沒有(you)上升, 且彼此(ci)之間并沒(mei)有顯(xian)著性(xing)差異, 不過填充(chong)度為40%時, 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品硬度大(da)于500 μm。咀嚼性(xing)(圖7d)和膠著性(xing)(圖7e)的結(jié)(jie)果與(yu)硬度測量結(jié)(jie)果類似, 即500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)(chan)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性隨(sui)模型填(tian)充度上升(sheng)而上升; 但是350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品基本(ben)沒有顯著(zhu)性差異。不過, 在(zai)40%填充(chong)度時, 350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)特(te)性都顯著(zhu)高于500 μm, 這(zhe)可能是精細(xì)(xi)化打印提高(gao)了產(chǎn)(chan)品內(nèi)部結(jié)(jie)構(gòu)的穩(wěn)定(ding)性, 從而改善質(zhì)(zhi)構(gòu)特性。

粘性是克服樣(yang)品本身的粘性(xing)而消耗的(de)能量, 代表著(zhe)需要從(cong)牙齒或者上(shang)顎去除粘附的(de)食物所做的(de)功。本研究中(zhong),隨著模(mo)型填(tian)充度上升, 350 μm 的(de)噴頭(tou)產(chǎn)品的粘性均(jun)呈現(xiàn)上升趨勢(shi)(圖7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)(chan)品的(de)粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接近(jin)真實三文魚的(de)粘性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性(xing)是樣品去除(chu)形變后(hou)恢復(fù)到本來狀(zhuang)態(tài)的(de)能力, 表現(xiàn)為(wei)食物被牙齒咬(yao)后恢(hui)復(fù)到原狀(zhuang)的能(neng)力。且彈性(xing)和魚的(de)新鮮程度關(guān)(guan)聯(lián)性極大(da), 魚在屠宰、冰(bing)凍或者(zhe)腐敗后, 彈性(xing)都會有一定(ding)程度(du)的下降。工業(yè)中(zhong), 工人通常使(shi)用“手指法"測量(liang)生魚片(pian)的質(zhì)構(gòu)(gou)以了解(jie)其彈(dan)性是否適合(he)進(jìn)一步加工(gong)。在圖7c 中, 隨著(zhe)模型填充度(du)的上升, 500 μm 噴頭(tou)產(chǎn)品的彈性從(cong)0.41±0.06 上升到了(le)0.58±0.03, 并且接近本次(ci)測量的三(san)文魚的彈(dan)性(0.61±0.03)。詳細(xì)的彈(dan)性數(shù)據(jù)(ju)對比如圖7f 所(suo)示, 真實三(san)文魚肉(rou)的彈性(xing)和500-70%的產(chǎn)品無(wu)顯著性差(cha)異, 表(biao)明通過精(jing)細(xì)化打(da)印和調(diào)控模(mo)型填充(chong)度, 可以對三文(wen)魚的質(zhì)構(gòu), 例如(ru)彈性進(jìn)行還(hai)原。

綜上, 通過(guo)不同(tong)噴頭對不同(tong)填充度的模(mo)型進(jìn)行打印(yin)可以對產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)進(jìn)行(xing)調(diào)控, 以接近真(zhen)實三文魚的(de)質(zhì)構(gòu),比如粘性(xing)和彈性; 且對(dui)于40%填充度(du)的模型, 使(shi)用更(geng)高精度的350 μm 噴頭(tou)相較于500 μm 噴頭(tou), 提高了產(chǎn)品的(de)內(nèi)部結(jié)構(gòu)(gou)穩(wěn)定性和質(zhì)構(gòu)(gou)特性。

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基于高精(jing)度3D 打印(yin)的三文魚植(zhi)物基替代物研(yan)究