浙江(jiang)大學生物(wu)系統(tǒng)工程(cheng)與食(shi)品科學學(xue)院研(yan)究人(ren)員在國內(nèi)期刊(kan)《食品安全質(zhì)量(liang)檢測(ce)學報》發(fā)表了(le)題為"基于高精度3D 打(da)印的三文魚植(zhi)物基(ji)替代物研究(jiu)"的研究論文。在該論文中(zhong)，研究人員(yuan)使用上(shang)海騰拔Universal TA質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測定了三文魚排和(he)3D 打印植物(wu)基替代物的硬度、粘性(xing)、彈性與咀嚼(jue)性等(deng)指標。

摘 要: 目的 基于高精(jing)度3D 打印技術(shù)研(yan)究三文魚(yu)植物基(ji)替代物。方法 以豌(wan)豆分離(li)蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔芋(yu)膠(konjac gum, KGM)和天然(ran)胡蘿(luo)卜粉(fen)為原輔料, 進(jin)行精(jing)準3D 復合打印生(sheng)產(chǎn)模擬(ni)三文魚(yu)色澤、質(zhì)(zhi)構(gòu)的植(zhi)物基替代物?？?kao)察不同物料比(bi)例對(dui)油墨可打(da)印性的影響; 選(xuan)取有代表(biao)性的油(you)墨配方, 對(dui)其流變(bian)特性、水分分布(bu)情況、微(wei)觀結(jié)構(gòu)進(jin)行表征。結(jié)果(guo) PPI 和KGM 濃(nong)度的升高(gao)都增(zeng)強了體(ti)系與水結(jié)合的(de)能力(li), 且PPI 濃度過高時(shi)(20%, m:m)影響了(le)KGM 與水結(jié)合(he)形成穩(wěn)(wen)定凝膠的能力(li)。PPI15KGM5 配方可形成致(zhi)密的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(gou), 增強了體系的(de)穩(wěn)定(ding)性, 擁(yong)有良好的剪(jian)切恢復特性, 有(you)利于3D 打印; 而(er)PPI20KGM3 配方具有更(geng)好的機械性(xing)能和結(jié)構(gòu)強度(du), 但是(shi)由于PPI 濃度過高(gao)影響(xiang)KGM 形成穩(wěn)定凝膠(jiao)結(jié)構(gòu), 其剪(jian)切恢復特(te)性較差。流變學(xue)參數(shù)η、τy、G'、屈服應(yīng)(ying)變及(ji)剪切恢復特性(xing)對油墨3D 打印(yin)過程(cheng)影響(xiang)顯著。結(jié)論 通過調(diào)整3D 打印(yin)精細化(hua)程度(du)(350 μm 和500 μm)和(he)模型填充(chong)度, 生產(chǎn)了具有(you)差異化(hua)質(zhì)構(gòu)的(de)高蛋白含量(15%, m:m)產(chǎn)(chan)品。其中, 部分產(chǎn)(chan)品的(de)粘性和(he)彈性與真(zhen)實三文魚類似(shi), 這為開(kai)發(fā)3D 打印生產(chǎn)植(zhi)物基替代物(wu)提供了(le)新的視角(jiao)。

1、質(zhì)構(gòu)特(te)性測試

通過流動自(zi)來水對三文魚(yu)排進行解凍(dong), 恢復至室溫約(yue)30 min 后, 沿魚排順肌(ji)纖維纖維切下(xia)尺寸一致的(de)樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與(yu)打印完成(cheng)的不(bu)同打印精度與(yu)模型(xing)填充(chong)度的(de)立方體(2×1×1 cm)進行質(zhì)(zhi)地剖面分析(texture profile analysis, TPA)測(ce)試。實驗(yan)條件(jian)為: 兩(liang)次循環(huán)(huan)壓縮30%, 觸發(fā)(fa)力8 gf, 探頭(tou)移動速(su)度為1 mm/s。每組設(shè)(she)置3 組(zu)及以上平(ping)行測試。

2、結(jié)果分析

注: a: 硬度; b: 粘(zhan)性; c: 彈性(xing); d: 咀嚼性; e: 膠(jiao)著性; f 為真實三(san)文魚, 以及(ji)不同模型(xing)填充(chong)度條件下(xia), 350 μm 和500 μm 噴(pen)頭打(da)印的產(chǎn)(chan)品彈性; 圖a~f 中(zhong)不同(tong)大寫字(zi)母表示組(zu)間差異顯著(zhu), P<0.05。

圖7 不(bu)同打印(yin)產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)地剖面(mian)分析(xi)(a~e)和與(yu)真實(shi)三文魚(yu)彈性的比較(f) (n=3)

為了探(tan)究不同(tong)打印噴嘴的(de)產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特(te)性差異, 本研(yan)究進行了(le)TPA 測試(圖7a~e), 并分(fen)別對350 μm 和(he)500 μm的噴(pen)頭產(chǎn)品進(jin)行顯著性(xing)分析(圖7f)。

硬度是壓縮(suo)樣品所需的力(li), 可以模仿人口(kou)腔對固體或者(zhe)半固體(ti)的咀嚼情況[50]。在(zai)圖7a 中, 隨著模(mo)型填(tian)充度的上(shang)升, 500 μm 噴頭產(chǎn)品(pin)的硬(ying)度從(59.3±25.3) gf 上(shang)升到了(137.4±19.2) gf, 填充(chong)度上(shang)升提高了打(da)印硬度。但對(dui)于350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品, 硬度(du)并沒有(you)上升, 且彼此(ci)之間并沒有顯(xian)著性差異, 不(bu)過填充度(du)為40%時, 350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品硬度大于500 μm。咀(ju)嚼性(xing)(圖7d)和膠著性(xing)(圖7e)的結(jié)果與硬(ying)度測量結(jié)(jie)果類似, 即500 μm 噴頭(tou)產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)性隨模型(xing)填充度(du)上升(sheng)而上升; 但(dan)是350 μm 噴(pen)頭的(de)產(chǎn)品基本沒(mei)有顯著性(xing)差異。不(bu)過, 在40%填充度時(shi), 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)都顯著(zhu)高于500 μm, 這可能是(shi)精細化打印提(ti)高了產(chǎn)(chan)品內(nèi)(nei)部結(jié)構(gòu)(gou)的穩(wěn)定性, 從(cong)而改善質(zhì)(zhi)構(gòu)特性(xing)。

粘性是克服(fu)樣品本(ben)身的粘(zhan)性而消(xiao)耗的能量, 代表(biao)著需要從牙齒(chi)或者上顎去除(chu)粘附的食物(wu)所做的功(gong)。本研究中,隨著(zhe)模型填充度(du)上升, 350 μm 的噴頭(tou)產(chǎn)品的粘性(xing)均呈(cheng)現(xiàn)上升(sheng)趨勢(圖(tu)7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)品的(de)粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接(jie)近真實三(san)文魚的粘性(xing)[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是樣品(pin)去除形變(bian)后恢(hui)復到(dao)本來狀態(tài)(tai)的能力, 表現(xiàn)(xian)為食物被(bei)牙齒咬后恢(hui)復到原狀的能(neng)力。且彈性和(he)魚的新鮮程(cheng)度關(guān)聯(lián)(lian)性極大, 魚在(zai)屠宰、冰凍或(huo)者腐敗后(hou), 彈性都會有一(yi)定程度的下降(jiang)。工業(yè)中(zhong), 工人通常(chang)使用“手指(zhi)法"測量生魚片(pian)的質(zhì)構(gòu)以了(le)解其彈性是否(fou)適合進一(yi)步加(jia)工。在圖7c 中(zhong), 隨著模型填充(chong)度的(de)上升, 500 μm 噴頭(tou)產(chǎn)品的(de)彈性從0.41±0.06 上(shang)升到(dao)了0.58±0.03, 并且接近(jin)本次測量的三(san)文魚(yu)的彈性(xing)(0.61±0.03)。詳細的彈性(xing)數(shù)據(jù)對比(bi)如圖(tu)7f 所示, 真(zhen)實三文(wen)魚肉的(de)彈性和(he)500-70%的產(chǎn)品無(wu)顯著性差(cha)異, 表(biao)明通過精(jing)細化打印(yin)和調(diào)控模型(xing)填充(chong)度, 可(ke)以對三文魚的(de)質(zhì)構(gòu), 例(li)如彈(dan)性進行還原(yuan)。

綜上(shang), 通過不同噴頭(tou)對不同填(tian)充度的模型進(jin)行打(da)印可以對產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)進行調(diào)控, 以(yi)接近(jin)真實三文(wen)魚的(de)質(zhì)構(gòu),比如粘性(xing)和彈性; 且對(dui)于40%填充度的(de)模型, 使用(yong)更高(gao)精度(du)的350 μm 噴(pen)頭相較于(yu)500 μm 噴頭(tou), 提高了產(chǎn)品的(de)內(nèi)部(bu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)(wen)定性和質(zhì)構(gòu)特(te)性。

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基于高精(jing)度3D 打印(yin)的三文魚(yu)植物(wu)基替代物研究(jiu)