浙江大(da)學(xué)生物系統(tǒng)(tong)工程(cheng)與食品(pin)科學(xué)學(xué)院(yuan)研究人員(yuan)在國(guo)內(nèi)期(qi)刊《食品安全質(zhì)(zhi)量檢(jian)測學(xué)(xue)報》發(fā)表了題為(wei)"基于高精度(du)3D 打印(yin)的三文魚植物(wu)基替(ti)代物研究"的研(yan)究論文。在該論文(wen)中，研究人(ren)員使用上海騰(teng)拔Universal TA質(zhì)構(gòu)儀(yi)測定了三文(wen)魚排(pai)和3D 打印植物基(ji)替代物的硬度、粘(zhan)性、彈性與(yu)咀嚼性(xing)等指標。

摘 要(yao): 目的 基于高精度(du)3D 打印技術(shù)研究(jiu)三文魚(yu)植物基替代(dai)物。方法 以豌豆分離蛋(dan)白(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(jiao)(konjac gum, KGM)和天然(ran)胡蘿卜粉為(wei)原輔料, 進行(xing)精準3D 復(fù)合打印(yin)生產(chǎn)模擬三(san)文魚色澤(ze)、質(zhì)構(gòu)的(de)植物(wu)基替代(dai)物。考察(cha)不同物料比例(li)對油墨可(ke)打印(yin)性的影響; 選(xuan)取有(you)代表(biao)性的油墨配方(fang), 對其流變特性(xing)、水分分布情況(kuang)、微觀結(jié)構(gòu)進(jin)行表征(zheng)。結(jié)果 PPI 和KGM 濃(nong)度的升高都增(zeng)強了體系與水(shui)結(jié)合的(de)能力, 且PPI 濃度(du)過高(gao)時(20%, m:m)影響了KGM 與水(shui)結(jié)合(he)形成穩(wěn)定凝(ning)膠的能(neng)力。PPI15KGM5 配方(fang)可形成(cheng)致密的網(wǎng)格結(jié)(jie)構(gòu), 增強了體(ti)系的穩(wěn)定性, 擁(yong)有良好(hao)的剪切(qie)恢復(fù)特性, 有(you)利于(yu)3D 打印; 而PPI20KGM3 配方(fang)具有(you)更好的機械性(xing)能和結(jié)(jie)構(gòu)強度(du), 但是由于PPI 濃(nong)度過高影(ying)響KGM 形成穩(wěn)定(ding)凝膠結(jié)構(gòu), 其剪(jian)切恢復(fù)(fu)特性(xing)較差(cha)。流變(bian)學(xué)參(can)數(shù)η、τy、G'、屈服應(yīng)變及(ji)剪切恢復(fù)特(te)性對油墨(mo)3D 打印(yin)過程影響顯(xian)著。結(jié)論 通過(guo)調(diào)整3D 打(da)印精細化(hua)程度(350 μm 和500 μm)和模型(xing)填充度, 生(sheng)產(chǎn)了具有差異(yi)化質(zhì)(zhi)構(gòu)的高蛋白(bai)含量(15%, m:m)產(chǎn)品。其(qi)中, 部分產(chǎn)品(pin)的粘(zhan)性和彈性與真(zhen)實三文魚類(lei)似, 這為(wei)開發(fā)3D 打印生產(chǎn)(chan)植物(wu)基替代物提供(gong)了新(xin)的視角(jiao)。

1、質(zhì)構(gòu)特性測(ce)試

通過流(liu)動自來水(shui)對三文魚排進(jin)行解凍, 恢復(fù)(fu)至室(shi)溫約(yue)30 min 后, 沿魚排順肌(ji)纖維纖維切下(xia)尺寸一致(zhi)的樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與打(da)印完成(cheng)的不同打印(yin)精度與模型(xing)填充度的立(li)方體(2×1×1 cm)進行質(zhì)(zhi)地剖面分(fen)析(texture profile analysis, TPA)測試。實(shi)驗條件(jian)為: 兩(liang)次循環(huán)壓縮30%, 觸(chu)發(fā)力8 gf, 探頭移動(dong)速度(du)為1 mm/s。每組設(shè)置3 組(zu)及以上(shang)平行測(ce)試。

2、結(jié)果分析

注: a: 硬度; b: 粘性; c: 彈(dan)性; d: 咀嚼性; e: 膠著(zhe)性; f 為真實(shi)三文魚, 以(yi)及不同(tong)模型(xing)填充度條件下(xia), 350 μm 和500 μm 噴(pen)頭打印的(de)產(chǎn)品彈性; 圖a~f 中不(bu)同大寫字(zi)母表示組(zu)間差(cha)異顯著, P<0.05。

圖7 不同(tong)打印(yin)產(chǎn)品的質(zhì)地剖(pou)面分析(a~e)和與(yu)真實三(san)文魚彈性的(de)比較(f) (n=3)

為了探(tan)究不(bu)同打印(yin)噴嘴的產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)性差異, 本(ben)研究進行(xing)了TPA 測(ce)試(圖(tu)7a~e), 并分別對350 μm 和(he)500 μm的噴頭產(chǎn)品進(jin)行顯(xian)著性分析(圖(tu)7f)。

硬度是(shi)壓縮樣(yang)品所需的力, 可(ke)以模仿(fang)人口腔對(dui)固體(ti)或者半固(gu)體的咀嚼情況(kuang)[50]。在圖7a 中, 隨著(zhe)模型(xing)填充度的上(shang)升, 500 μm 噴頭產(chǎn)品的(de)硬度從(59.3±25.3) gf 上升(sheng)到了(137.4±19.2) gf, 填充度(du)上升提高了打(da)印硬度(du)。但對于(yu)350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品, 硬度并沒有(you)上升, 且(qie)彼此之間并沒(mei)有顯著(zhu)性差(cha)異, 不(bu)過填充(chong)度為40%時(shi), 350 μm 噴頭的產(chǎn)品硬(ying)度大于500 μm。咀(ju)嚼性(圖7d)和(he)膠著性(圖7e)的結(jié)(jie)果與硬(ying)度測量(liang)結(jié)果類似, 即500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)性隨模型(xing)填充度上升而(er)上升; 但是350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品基本(ben)沒有顯著(zhu)性差異。不過, 在(zai)40%填充度時, 350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性都(dou)顯著高于500 μm, 這可(ke)能是精細化打(da)印提高了產(chǎn)品(pin)內(nèi)部結(jié)構(gòu)(gou)的穩(wěn)定性(xing), 從而改善質(zhì)構(gòu)(gou)特性。

粘性是克服(fu)樣品本身的粘(zhan)性而消耗的能(neng)量, 代表著需要(yao)從牙(ya)齒或者上顎去(qu)除粘附(fu)的食物所做(zuo)的功。本(ben)研究中,隨著(zhe)模型填充度(du)上升, 350 μm 的(de)噴頭產(chǎn)品的粘(zhan)性均(jun)呈現(xiàn)上升(sheng)趨勢(圖7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升(sheng)到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)品(pin)的粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接近(jin)真實三(san)文魚的粘(zhan)性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈(dan)性是(shi)樣品去除(chu)形變后恢復(fù)(fu)到本來狀態(tài)(tai)的能力(li), 表現(xiàn)為食物被(bei)牙齒咬后恢復(fù)(fu)到原狀的(de)能力。且彈(dan)性和魚的(de)新鮮程度關(guān)聯(lián)(lian)性極大, 魚(yu)在屠宰(zai)、冰凍或者腐敗(bai)后, 彈(dan)性都(dou)會有(you)一定程度(du)的下降。工(gong)業(yè)中, 工人(ren)通常使(shi)用“手指法(fa)"測量生魚(yu)片的質(zhì)構(gòu)以了(le)解其彈(dan)性是(shi)否適(shi)合進(jin)一步加工。在(zai)圖7c 中, 隨(sui)著模(mo)型填充度(du)的上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)品(pin)的彈性從(cong)0.41±0.06 上升到了(le)0.58±0.03, 并且接近本(ben)次測量的(de)三文魚的彈性(xing)(0.61±0.03)。詳細的彈(dan)性數(shù)據(jù)對比(bi)如圖7f 所示(shi), 真實三文魚(yu)肉的彈性(xing)和500-70%的產(chǎn)品無(wu)顯著性差異(yi), 表明(ming)通過(guo)精細化打印和(he)調(diào)控模型填充(chong)度, 可以對三文(wen)魚的質(zhì)構(gòu), 例如(ru)彈性進行還(hai)原。

綜上, 通(tong)過不同(tong)噴頭對不同填(tian)充度的(de)模型進行打印(yin)可以對產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)進行(xing)調(diào)控(kong), 以接近(jin)真實三文(wen)魚的(de)質(zhì)構(gòu),比如粘性(xing)和彈性; 且對于(yu)40%填充度的模(mo)型, 使用更高精(jing)度的(de)350 μm 噴頭相較(jiao)于500 μm 噴頭, 提高了(le)產(chǎn)品(pin)的內(nèi)(nei)部結(jié)構(gòu)(gou)穩(wěn)定性和質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)。

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基于高(gao)精度3D 打印(yin)的三文魚植物(wu)基替代(dai)物研究(jiu)