浙江大學(xué)(xue)生物(wu)系統(tǒng)工程(cheng)與食品科學(xué)(xue)學(xué)院研(yan)究人(ren)員在國內(nèi)期刊(kan)《食品(pin)安全質(zhì)量(liang)檢測學(xué)報(bào)》發(fā)表(biao)了題(ti)為"基于(yu)高精度(du)3D 打印的三文(wen)魚植物基替代(dai)物研(yan)究"的研究(jiu)論文(wen)。在該論文(wen)中，研究(jiu)人員使(shi)用上海騰(teng)拔Universal TA質(zhì)構(gòu)儀測(ce)定了三文魚排和(he)3D 打印植物基(ji)替代物(wu)的硬(ying)度、粘性、彈(dan)性與(yu)咀嚼性等指標(biāo)(biao)。

摘 要: 目的 基于高(gao)精度3D 打印(yin)技術(shù)研究三文(wen)魚植物(wu)基替(ti)代物。方法 以豌豆分離(li)蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔芋(yu)膠(konjac gum, KGM)和天然胡蘿(luo)卜粉為原輔(fu)料, 進(jìn)行精(jing)準(zhǔn)3D 復(fù)合打印生(sheng)產(chǎn)模擬三文魚(yu)色澤、質(zhì)構(gòu)(gou)的植(zhi)物基(ji)替代(dai)物?？?kao)察不同物料比(bi)例對油墨可打(da)印性的影(ying)響; 選取有代表(biao)性的油墨配方(fang), 對其(qi)流變(bian)特性(xing)、水分分布情(qing)況、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)(jin)行表征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度的升高(gao)都增(zeng)強(qiáng)了體系與(yu)水結(jié)合(he)的能力, 且PPI 濃(nong)度過(guo)高時(shí)(20%, m:m)影響(xiang)了KGM 與水(shui)結(jié)合形成(cheng)穩(wěn)定凝膠(jiao)的能力。PPI15KGM5 配方(fang)可形成致(zhi)密的網(wǎng)格(ge)結(jié)構(gòu), 增(zeng)強(qiáng)了體(ti)系的穩(wěn)定性(xing), 擁有(you)良好的(de)剪切恢復(fù)特性(xing), 有利于3D 打印(yin); 而PPI20KGM3 配方具有(you)更好(hao)的機(jī)(ji)械性能和(he)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(du), 但是由于PPI 濃度(du)過高影響KGM 形(xing)成穩(wěn)定凝(ning)膠結(jié)(jie)構(gòu), 其(qi)剪切恢復(fù)特性(xing)較差。流變學(xué)(xue)參數(shù)η、τy、G'、屈服(fu)應(yīng)變及剪切恢(hui)復(fù)特性對(dui)油墨(mo)3D 打印過(guo)程影響(xiang)顯著。結(jié)論 通過調(diào)(diao)整3D 打印精(jing)細(xì)化程度(du)(350 μm 和500 μm)和模型填(tian)充度(du), 生產(chǎn)了(le)具有差異化(hua)質(zhì)構(gòu)的(de)高蛋(dan)白含量(15%, m:m)產(chǎn)品(pin)。其中, 部(bu)分產(chǎn)品(pin)的粘性和彈(dan)性與真實(shí)(shi)三文魚(yu)類似, 這為開(kai)發(fā)3D 打印生(sheng)產(chǎn)植物基替代(dai)物提供了(le)新的視(shi)角。

1、質(zhì)構(gòu)特(te)性測試(shi)

通過(guo)流動(dong)自來(lai)水對三文魚排(pai)進(jìn)行解(jie)凍, 恢(hui)復(fù)至室溫約(yue)30 min 后, 沿(yan)魚排順肌(ji)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(de)不同打印精(jing)度與模(mo)型填充度(du)的立方體(ti)(2×1×1 cm)進(jìn)行(xing)質(zhì)地剖(pou)面分析(texture profile analysis, TPA)測(ce)試。實(shí)(shi)驗(yàn)條件(jian)為: 兩次循環(huán)(huan)壓縮30%, 觸發(fā)(fa)力8 gf, 探頭移動速(su)度為1 mm/s。每(mei)組設(shè)置3 組及以(yi)上平行測試。

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(xing); f 為真實(shí)三(san)文魚, 以及不(bu)同模型填充度(du)條件下, 350 μm 和500 μm 噴(pen)頭打印(yin)的產(chǎn)品彈性; 圖a~f 中(zhong)不同大寫字(zi)母表示組間差(cha)異顯著, P<0.05。

圖7 不同打印產(chǎn)(chan)品的(de)質(zhì)地剖面分析(xi)(a~e)和與真實(shí)(shi)三文魚彈性(xing)的比較(f) (n=3)

為了探(tan)究不同打印(yin)噴嘴的產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特性差異, 本研(yan)究進(jìn)行(xing)了TPA 測試(圖(tu)7a~e), 并分別對(dui)350 μm 和500 μm的(de)噴頭(tou)產(chǎn)品(pin)進(jìn)行(xing)顯著性分析(圖(tu)7f)。

硬度是壓(ya)縮樣(yang)品所需的力(li), 可以(yi)模仿(fang)人口腔對固體(ti)或者(zhe)半固體的(de)咀嚼情(qing)況[50]。在圖7a 中, 隨著(zhe)模型填(tian)充度的上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)(chan)品的硬度從(cong)(59.3±25.3) gf 上升到了(le)(137.4±19.2) gf, 填充度上(shang)升提高(gao)了打(da)印硬度。但(dan)對于350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品, 硬(ying)度并沒有(you)上升, 且彼此之(zhi)間并沒(mei)有顯著性差(cha)異, 不過填充度(du)為40%時(shí), 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品(pin)硬度(du)大于500 μm。咀(ju)嚼性(圖7d)和膠著(zhe)性(圖(tu)7e)的結(jié)(jie)果與硬度(du)測量結(jié)果類(lei)似, 即500 μm 噴頭產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)特(te)性隨模型填充(chong)度上升而上(shang)升; 但是(shi)350 μm 噴頭的產(chǎn)品(pin)基本沒有(you)顯著性差異。不(bu)過, 在(zai)40%填充度時(shí), 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)性都顯著高(gao)于500 μm, 這可(ke)能是精(jing)細(xì)化打(da)印提高了產(chǎn)(chan)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的(de)穩(wěn)定性, 從(cong)而改善(shan)質(zhì)構(gòu)(gou)特性。

粘性是克(ke)服樣(yang)品本身(shen)的粘性而消(xiao)耗的能量, 代表(biao)著需要從牙齒(chi)或者上顎去除(chu)粘附(fu)的食物(wu)所做的功。本研(yan)究中,隨著模(mo)型填充度上(shang)升, 350 μm 的噴頭(tou)產(chǎn)品(pin)的粘性均呈(cheng)現(xiàn)上升趨勢(圖(tu)7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)品(pin)的粘性(xing)[(12.59±0.75) gf-mm]接近真實(shí)(shi)三文魚(yu)的粘性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是(shi)樣品去除(chu)形變(bian)后恢(hui)復(fù)到本來狀態(tài)(tai)的能力, 表(biao)現(xiàn)為食(shi)物被牙(ya)齒咬后恢(hui)復(fù)到原狀的(de)能力。且(qie)彈性和魚的(de)新鮮程度(du)關(guān)聯(lián)性極大, 魚(yu)在屠宰、冰凍或(huo)者腐敗后, 彈性(xing)都會有(you)一定(ding)程度(du)的下降。工(gong)業(yè)中, 工人通(tong)常使用(yong)“手指法"測量生(sheng)魚片的質(zhì)構(gòu)以(yi)了解其彈性是(shi)否適合進(jìn)一(yi)步加工。在圖(tu)7c 中, 隨著模型(xing)填充(chong)度的上(shang)升, 500 μm 噴頭產(chǎn)品(pin)的彈性從0.41±0.06 上升(sheng)到了0.58±0.03, 并且接(jie)近本(ben)次測量的三(san)文魚(yu)的彈(dan)性(0.61±0.03)。詳細(xì)的(de)彈性數(shù)據(jù)對比(bi)如圖7f 所示(shi), 真實(shí)(shi)三文(wen)魚肉的(de)彈性和500-70%的產(chǎn)品(pin)無顯著性差異(yi), 表明通過精(jing)細(xì)化打印和調(diào)(diao)控模型填充(chong)度, 可以(yi)對三文魚的質(zhì)(zhi)構(gòu), 例如(ru)彈性進(jìn)行還(hai)原。

綜上(shang), 通過不(bu)同噴頭(tou)對不同填充度(du)的模(mo)型進(jìn)行打印(yin)可以對產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)進(jìn)(jin)行調(diào)控, 以(yi)接近真實(shí)(shi)三文魚的質(zhì)構(gòu)(gou),比如粘(zhan)性和彈性; 且對(dui)于40%填充度(du)的模型(xing), 使用更(geng)高精度的(de)350 μm 噴頭相較于500 μm 噴(pen)頭, 提高(gao)了產(chǎn)品的(de)內(nèi)部結(jié)(jie)構(gòu)穩(wěn)定性和(he)質(zhì)構(gòu)(gou)特性。

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基于(yu)高精(jing)度3D 打印的(de)三文魚(yu)植物基替代物(wu)研究(jiu)