浙江大學(xué)生(sheng)物系統(tǒng)工程(cheng)與食品科(ke)學(xué)學(xué)院研究人(ren)員在國內(nèi)期刊(kan)《食品(pin)安全(quan)質(zhì)量檢測(ce)學(xué)報》發(fā)表了題(ti)為"基于高精(jing)度3D 打印的(de)三文魚植物(wu)基替(ti)代物研究(jiu)"的研(yan)究論文(wen)。在該論文(wen)中，研究人員使(shi)用上(shang)海騰拔Universal TA質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測定(ding)了三文魚排和(he)3D 打印植物基替(ti)代物的硬(ying)度、粘性、彈性(xing)與咀嚼性等(deng)指標(biāo)。

摘 要: 目的 基于高精度(du)3D 打印(yin)技術(shù)研究三(san)文魚植物(wu)基替代(dai)物。方法 以豌豆(dou)分離蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔(mo)芋膠(konjac gum, KGM)和(he)天然胡(hu)蘿卜粉(fen)為原(yuan)輔料, 進行(xing)精準(zhǔn)(zhun)3D 復(fù)合打印生產(chǎn)(chan)模擬三文魚(yu)色澤(ze)、質(zhì)構(gòu)的(de)植物基(ji)替代物?？?kao)察不(bu)同物料比例對(dui)油墨可打印性(xing)的影(ying)響; 選取有(you)代表性的油(you)墨配(pei)方, 對(dui)其流變特(te)性、水分(fen)分布情(qing)況、微觀結(jié)(jie)構(gòu)進行表(biao)征。結(jié)果(guo) PPI 和KGM 濃度的升高(gao)都增強了(le)體系與水結(jié)合(he)的能(neng)力, 且PPI 濃度(du)過高時(20%, m:m)影(ying)響了KGM 與水結(jié)(jie)合形成穩(wěn)定凝(ning)膠的能力。PPI15KGM5 配方(fang)可形成致(zhi)密的網(wǎng)格(ge)結(jié)構(gòu), 增強了體(ti)系的穩(wěn)(wen)定性, 擁(yong)有良(liang)好的(de)剪切(qie)恢復(fù)(fu)特性, 有利于(yu)3D 打印; 而PPI20KGM3 配(pei)方具有更好(hao)的機械性(xing)能和結(jié)構(gòu)強度(du), 但是由于(yu)PPI 濃度過高(gao)影響(xiang)KGM 形成穩(wěn)定凝膠(jiao)結(jié)構(gòu)(gou), 其剪切恢(hui)復(fù)特(te)性較(jiao)差。流變學(xué)(xue)參數(shù)η、τy、G'、屈服(fu)應(yīng)變及(ji)剪切恢復(fù)特性(xing)對油(you)墨3D 打印過程(cheng)影響顯著(zhu)。結(jié)論(lun) 通過調(diào)整3D 打印(yin)精細化程度(du)(350 μm 和500 μm)和(he)模型填充(chong)度, 生產(chǎn)了(le)具有差異(yi)化質(zhì)(zhi)構(gòu)的高蛋白含(han)量(15%, m:m)產(chǎn)品。其中, 部(bu)分產(chǎn)品的粘(zhan)性和彈性與(yu)真實三文(wen)魚類似, 這(zhe)為開發(fā)(fa)3D 打印生(sheng)產(chǎn)植物(wu)基替(ti)代物提供了新(xin)的視角(jiao)。

1、質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)測試

通過流動(dong)自來(lai)水對三(san)文魚排進行解(jie)凍, 恢復(fù)至室溫(wen)約30 min 后, 沿(yan)魚排順肌纖(xian)維纖維切(qie)下尺(chi)寸一致的(de)樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與(yu)打印完(wan)成的不同打(da)印精度(du)與模型填充度(du)的立(li)方體(2×1×1 cm)進行(xing)質(zhì)地剖面(mian)分析(texture profile analysis, TPA)測試(shi)。實驗條件(jian)為: 兩次循(xun)環(huán)壓縮30%, 觸發(fā)(fa)力8 gf, 探(tan)頭移動速度(du)為1 mm/s。每組設(shè)置(zhi)3 組及以上平(ping)行測試(shi)。

2、結(jié)果分析

注: a: 硬度; b: 粘性(xing); c: 彈性(xing); d: 咀嚼性; e: 膠著性(xing); f 為真實三(san)文魚, 以(yi)及不同(tong)模型填充度條(tiao)件下(xia), 350 μm 和500 μm 噴頭打(da)印的產(chǎn)品(pin)彈性; 圖(tu)a~f 中不同大寫字(zi)母表示組間(jian)差異顯著, P<0.05。

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

為了探究不同(tong)打印噴嘴的產(chǎn)(chan)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)性差異, 本研究(jiu)進行了(le)TPA 測試(圖7a~e), 并分(fen)別對(dui)350 μm 和500 μm的(de)噴頭產(chǎn)(chan)品進行顯著性(xing)分析(圖7f)。

硬度是(shi)壓縮樣品所(suo)需的(de)力, 可(ke)以模仿人(ren)口腔對(dui)固體或者(zhe)半固(gu)體的咀(ju)嚼情況[50]。在(zai)圖7a 中, 隨著模(mo)型填充度(du)的上升, 500 μm 噴頭產(chǎn)(chan)品的硬度從(59.3±25.3) gf 上(shang)升到了(137.4±19.2) gf, 填充度上(shang)升提(ti)高了打印(yin)硬度。但對于(yu)350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)(chan)品, 硬度并沒有(you)上升, 且彼(bi)此之間(jian)并沒有(you)顯著性差異, 不(bu)過填充度(du)為40%時(shi), 350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品硬度(du)大于500 μm。咀嚼性(圖(tu)7d)和膠著(zhe)性(圖7e)的結(jié)果與(yu)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)特性隨(sui)模型填充(chong)度上(shang)升而上升(sheng); 但是350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品基(ji)本沒(mei)有顯著(zhu)性差(cha)異。不過, 在40%填充(chong)度時, 350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性(xing)都顯著(zhu)高于(yu)500 μm, 這可(ke)能是精細化打(da)印提高了產(chǎn)(chan)品內(nèi)部(bu)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定(ding)性, 從而改善質(zhì)(zhi)構(gòu)特性(xing)。

粘性(xing)是克(ke)服樣品本(ben)身的粘性(xing)而消耗(hao)的能量(liang), 代表著(zhe)需要從牙齒或(huo)者上顎(e)去除粘附的食(shi)物所做的功。本(ben)研究中,隨(sui)著模(mo)型填充度(du)上升, 350 μm 的噴頭產(chǎn)(chan)品的粘性(xing)均呈現(xiàn)上升趨(qu)勢(圖7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)(chan)品的粘性[(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]。彈性是樣(yang)品去除形變(bian)后恢復(fù)到本來(lai)狀態(tài)的(de)能力(li), 表現(xiàn)(xian)為食(shi)物被牙齒(chi)咬后恢(hui)復(fù)到(dao)原狀的能(neng)力。且彈性和魚(yu)的新鮮程(cheng)度關(guān)聯(lián)(lian)性極大(da), 魚在(zai)屠宰、冰凍或者(zhe)腐敗后(hou), 彈性都會有一(yi)定程(cheng)度的下降。工(gong)業(yè)中, 工人通(tong)常使用“手指(zhi)法"測(ce)量生魚片的質(zhì)(zhi)構(gòu)以了解其(qi)彈性是否適(shi)合進一步加(jia)工。在圖7c 中, 隨著(zhe)模型(xing)填充度(du)的上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)品的彈(dan)性從(cong)0.41±0.06 上升(sheng)到了(le)0.58±0.03, 并且接近本(ben)次測量的(de)三文魚(yu)的彈性(0.61±0.03)。詳細(xi)的彈性(xing)數(shù)據(jù)(ju)對比如圖7f 所(suo)示, 真實(shi)三文魚(yu)肉的彈性和500-70%的(de)產(chǎn)品無(wu)顯著(zhu)性差(cha)異, 表明(ming)通過精細(xi)化打(da)印和調(diào)(diao)控模型填(tian)充度, 可以對(dui)三文(wen)魚的質(zhì)構(gòu), 例如(ru)彈性進(jin)行還原。

綜上, 通過(guo)不同噴(pen)頭對不同填(tian)充度(du)的模(mo)型進行打印(yin)可以對產(chǎn)(chan)品的(de)質(zhì)構(gòu)進行調(diào)控(kong), 以接(jie)近真實三文魚(yu)的質(zhì)(zhi)構(gòu),比(bi)如粘性(xing)和彈性; 且(qie)對于40%填充度(du)的模型, 使用(yong)更高(gao)精度的350 μm 噴頭相(xiang)較于(yu)500 μm 噴頭, 提高了產(chǎn)(chan)品的內(nèi)(nei)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(xing)和質(zhì)構(gòu)特(te)性。

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基于高(gao)精度3D 打印的三(san)文魚植物基(ji)替代物(wu)研究