浙江大學(xue)生物(wu)系統(tǒng)(tong)工程與食品(pin)科學學院研究(jiu)人員(yuan)在國(guo)內(nèi)期刊《食(shi)品安全質(zhì)(zhi)量檢測學報》發(fā)(fa)表了題為"基于高精度(du)3D 打印的三文(wen)魚植物基替代(dai)物研究(jiu)"的研究論(lun)文。在該論文中，研(yan)究人員(yuan)使用上海騰(teng)拔Universal TA質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測定(ding)了三文(wen)魚排(pai)和3D 打印植(zhi)物基替代物的硬(ying)度、粘性、彈性與(yu)咀嚼性等(deng)指標。

摘 要: 目的 基于高(gao)精度3D 打印(yin)技術(shù)(shu)研究三文魚植(zhi)物基(ji)替代物。方法 以豌豆(dou)分離(li)蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(jiao)(konjac gum, KGM)和天然(ran)胡蘿卜粉為原(yuan)輔料, 進行精準(zhun)3D 復合打印生產(chǎn)(chan)模擬三文魚(yu)色澤、質(zhì)構(gòu)的(de)植物基替代(dai)物。考察不同(tong)物料比(bi)例對油墨可打(da)印性的影響; 選(xuan)取有(you)代表性(xing)的油(you)墨配(pei)方, 對其流(liu)變特性(xing)、水分分(fen)布情況、微觀(guan)結(jié)構(gòu)進行表征(zheng)。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度的(de)升高(gao)都增強(qiang)了體(ti)系與水結(jié)合(he)的能力, 且(qie)PPI 濃度過高時(20%, m:m)影(ying)響了KGM 與水結(jié)合(he)形成(cheng)穩(wěn)定凝膠(jiao)的能力。PPI15KGM5 配(pei)方可形(xing)成致密(mi)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(gou), 增強了體系的(de)穩(wěn)定性(xing), 擁有良好的剪(jian)切恢復特性(xing), 有利于3D 打印; 而(er)PPI20KGM3 配方具(ju)有更好的機(ji)械性能和結(jié)(jie)構(gòu)強度, 但是(shi)由于PPI 濃度過高(gao)影響KGM 形成穩(wěn)(wen)定凝膠結(jié)構(gòu), 其(qi)剪切恢復(fu)特性較差。流(liu)變學參(can)數(shù)η、τy、G'、屈服應(yīng)變及(ji)剪切恢復特性(xing)對油墨3D 打印過(guo)程影(ying)響顯著(zhu)。結(jié)論 通過(guo)調(diào)整(zheng)3D 打印精細化(hua)程度(350 μm 和500 μm)和模(mo)型填(tian)充度, 生產(chǎn)(chan)了具有(you)差異化(hua)質(zhì)構(gòu)的(de)高蛋白含量(liang)(15%, m:m)產(chǎn)品。其(qi)中, 部分產(chǎn)品(pin)的粘性和彈(dan)性與真實三(san)文魚類似, 這(zhe)為開發(fā)3D 打印生(sheng)產(chǎn)植物(wu)基替代物(wu)提供了(le)新的視角(jiao)。

1、質(zhì)構(gòu)(gou)特性測(ce)試

通過(guo)流動自來水對(dui)三文(wen)魚排進行解凍(dong), 恢復至室(shi)溫約30 min 后, 沿魚排(pai)順肌纖維纖(xian)維切下尺寸(cun)一致的樣(yang)品(2 cm×1 cm×1 cm)與打印(yin)完成的不同打(da)印精度與模(mo)型填(tian)充度(du)的立方體(2×1×1 cm)進行(xing)質(zhì)地剖(pou)面分(fen)析(texture profile analysis, TPA)測試。實(shi)驗條件為(wei): 兩次(ci)循環(huán)(huan)壓縮30%, 觸發(fā)力(li)8 gf, 探頭移(yi)動速(su)度為1 mm/s。每組設(shè)置(zhi)3 組及以上平行(xing)測試(shi)。

2、結(jié)果分析(xi)

注: a: 硬度; b: 粘性(xing); c: 彈性; d: 咀嚼性; e: 膠(jiao)著性; f 為真(zhen)實三文魚, 以及(ji)不同(tong)模型填(tian)充度條(tiao)件下, 350 μm 和500 μm 噴(pen)頭打(da)印的(de)產(chǎn)品彈性; 圖a~f 中(zhong)不同(tong)大寫(xie)字母表(biao)示組間(jian)差異(yi)顯著, P<0.05。

圖7 不同打印(yin)產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)地剖面分析(a~e)和(he)與真(zhen)實三文魚彈(dan)性的比(bi)較(f) (n=3)

為了探(tan)究不同(tong)打印噴(pen)嘴的產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性(xing)差異, 本研(yan)究進(jin)行了TPA 測(ce)試(圖7a~e), 并分(fen)別對350 μm 和500 μm的噴(pen)頭產(chǎn)(chan)品進(jin)行顯(xian)著性(xing)分析(圖7f)。

硬度(du)是壓縮(suo)樣品(pin)所需的力, 可以(yi)模仿(fang)人口腔對(dui)固體(ti)或者半固體的(de)咀嚼(jue)情況[50]。在圖(tu)7a 中, 隨著(zhe)模型填(tian)充度的上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)(chan)品的硬(ying)度從(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(qie)彼此(ci)之間并(bing)沒有顯(xian)著性差異, 不(bu)過填(tian)充度為(wei)40%時, 350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品硬度大于(yu)500 μm。咀嚼性(圖7d)和膠(jiao)著性(圖7e)的結(jié)(jie)果與硬度測量(liang)結(jié)果類(lei)似, 即500 μm 噴頭產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特性隨(sui)模型填(tian)充度上升而(er)上升; 但是(shi)350 μm 噴頭的產(chǎn)品基(ji)本沒有(you)顯著性差異。不(bu)過, 在40%填充(chong)度時, 350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性都(dou)顯著(zhu)高于500 μm, 這(zhe)可能是(shi)精細化打印提(ti)高了產(chǎn)(chan)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的(de)穩(wěn)定(ding)性, 從而改善(shan)質(zhì)構(gòu)特性。

粘性是(shi)克服樣品(pin)本身(shen)的粘性而消(xiao)耗的能量(liang), 代表著需要(yao)從牙齒(chi)或者上顎(e)去除粘附(fu)的食物所做(zuo)的功。本研究(jiu)中,隨(sui)著模型填充度(du)上升(sheng), 350 μm 的噴頭產(chǎn)品(pin)的粘性均呈現(xiàn)(xian)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)品的(de)粘性(xing)[(12.59±0.75) gf-mm]接近真(zhen)實三文魚的粘(zhan)性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性(xing)是樣品(pin)去除形變(bian)后恢復到本(ben)來狀(zhuang)態(tài)的能(neng)力, 表現(xiàn)為食物(wu)被牙齒咬后(hou)恢復(fu)到原(yuan)狀的能(neng)力。且彈性和魚(yu)的新鮮程(cheng)度關(guān)聯(lián)性極(ji)大, 魚在屠(tu)宰、冰凍或者腐(fu)敗后, 彈性都會(hui)有一(yi)定程度的下(xia)降。工業(yè)中(zhong), 工人通常使(shi)用“手指法(fa)"測量生(sheng)魚片(pian)的質(zhì)構(gòu)以(yi)了解(jie)其彈(dan)性是否適合進(jin)一步(bu)加工(gong)。在圖7c 中, 隨著模(mo)型填充(chong)度的上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的彈性(xing)從0.41±0.06 上升到了(le)0.58±0.03, 并且接近本次(ci)測量的三文魚(yu)的彈性(xing)(0.61±0.03)。詳細(xi)的彈性數(shù)據(jù)(ju)對比(bi)如圖7f 所示, 真實(shi)三文魚肉的(de)彈性和500-70%的(de)產(chǎn)品無顯著性(xing)差異, 表明通(tong)過精(jing)細化打(da)印和調(diào)控模型(xing)填充(chong)度, 可以對三文(wen)魚的質(zhì)(zhi)構(gòu), 例如(ru)彈性進(jin)行還原(yuan)。

綜上, 通過不(bu)同噴頭(tou)對不(bu)同填充度的(de)模型進行打(da)印可以(yi)對產(chǎn)(chan)品的(de)質(zhì)構(gòu)進(jin)行調(diào)控, 以(yi)接近(jin)真實三文魚的(de)質(zhì)構(gòu),比(bi)如粘性和彈性(xing); 且對于(yu)40%填充度的模(mo)型, 使用更高(gao)精度的350 μm 噴頭相(xiang)較于(yu)500 μm 噴頭, 提高了(le)產(chǎn)品的內(nèi)部(bu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和(he)質(zhì)構(gòu)特性(xing)。

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基于高精(jing)度3D 打印的三文(wen)魚植物基(ji)替代(dai)物研究(jiu)