浙江大學(xué)生(sheng)物系統(tǒng)(tong)工程與食品科(ke)學(xué)學(xué)院研(yan)究人員在國(guo)內(nèi)期(qi)刊《食品安全(quan)質(zhì)量檢測學(xué)(xue)報》發(fā)表了題(ti)為"基于高精度3D 打(da)印的三(san)文魚(yu)植物基替代(dai)物研(yan)究"的研究(jiu)論文。在該論文(wen)中，研究人員使(shi)用上(shang)海騰(teng)拔Universal TA質(zhì)構(gòu)儀測定(ding)了三文魚排(pai)和3D 打(da)印植物(wu)基替代(dai)物的硬(ying)度、粘性(xing)、彈性與咀嚼(jue)性等指標(biao)。

摘 要(yao): 目的 基于(yu)高精度(du)3D 打印技術(shù)(shu)研究三文魚(yu)植物基替(ti)代物。方法 以豌豆(dou)分離蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔芋(yu)膠(konjac gum, KGM)和天然胡蘿(luo)卜粉為原輔料(liao), 進行精準3D 復(fù)(fu)合打印(yin)生產(chǎn)模擬三文(wen)魚色澤、質(zhì)構(gòu)的(de)植物基替代(dai)物。考察(cha)不同物料(liao)比例對油墨(mo)可打印性(xing)的影響; 選取有(you)代表性的(de)油墨配(pei)方, 對其(qi)流變特性、水分(fen)分布情(qing)況、微觀(guan)結(jié)構(gòu)進(jin)行表征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃(nong)度的(de)升高都增(zeng)強了(le)體系與水結(jié)合(he)的能力, 且PPI 濃(nong)度過高時(20%, m:m)影響(xiang)了KGM 與(yu)水結(jié)合形成(cheng)穩(wěn)定(ding)凝膠(jiao)的能力。PPI15KGM5 配方(fang)可形成致(zhi)密的網(wǎng)(wang)格結(jié)(jie)構(gòu), 增強(qiang)了體系(xi)的穩(wěn)定性, 擁(yong)有良好的剪切(qie)恢復(fù)特(te)性, 有利于3D 打(da)印; 而PPI20KGM3 配方(fang)具有更好(hao)的機械性(xing)能和結(jié)構(gòu)強(qiang)度, 但(dan)是由于PPI 濃(nong)度過高(gao)影響KGM 形成(cheng)穩(wěn)定凝膠結(jié)構(gòu)(gou), 其剪切(qie)恢復(fù)特(te)性較差。流變(bian)學(xué)參數(shù)η、τy、G'、屈服應(yīng)(ying)變及剪切恢(hui)復(fù)特性對(dui)油墨3D 打印過程(cheng)影響顯(xian)著。結(jié)論 通過調(diào)整(zheng)3D 打印精細(xi)化程度(350 μm 和(he)500 μm)和模型填(tian)充度, 生產(chǎn)了具(ju)有差異化(hua)質(zhì)構(gòu)的(de)高蛋白含量(liang)(15%, m:m)產(chǎn)品。其中, 部分(fen)產(chǎn)品的粘性和(he)彈性與(yu)真實三文魚類(lei)似, 這為開(kai)發(fā)3D 打(da)印生產(chǎn)植物基(ji)替代物提供(gong)了新的視角(jiao)。

1、質(zhì)構(gòu)特(te)性測試

通過流動自來(lai)水對(dui)三文魚排(pai)進行解(jie)凍, 恢復(fù)至室(shi)溫約30 min 后, 沿魚排(pai)順肌纖維纖(xian)維切(qie)下尺(chi)寸一(yi)致的(de)樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與打印完(wan)成的不同(tong)打印(yin)精度與模型(xing)填充度的立方(fang)體(2×1×1 cm)進(jin)行質(zhì)地剖(pou)面分析(texture profile analysis, TPA)測(ce)試。實驗(yan)條件為(wei): 兩次循環(huán)壓(ya)縮30%, 觸發(fā)力8 gf, 探頭(tou)移動速度為1 mm/s。每(mei)組設(shè)置3 組及以(yi)上平行(xing)測試。

2、結(jié)果分析

注: a: 硬度(du); b: 粘性(xing); c: 彈性; d: 咀嚼性; e: 膠(jiao)著性(xing); f 為真實三(san)文魚, 以及不(bu)同模型填充度(du)條件下, 350 μm 和(he)500 μm 噴頭打(da)印的產(chǎn)品彈(dan)性; 圖a~f 中不(bu)同大寫字母(mu)表示組(zu)間差異顯著(zhu), P<0.05。

圖7 不同打印(yin)產(chǎn)品(pin)的質(zhì)地剖面(mian)分析(a~e)和(he)與真實三文魚(yu)彈性的(de)比較(f) (n=3)

為了探究不(bu)同打(da)印噴(pen)嘴的產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性(xing)差異, 本(ben)研究進行了(le)TPA 測試(圖7a~e), 并分(fen)別對350 μm 和(he)500 μm的噴頭產(chǎn)品(pin)進行顯著性分(fen)析(圖7f)。

硬度(du)是壓(ya)縮樣品所(suo)需的力, 可以(yi)模仿人口腔對(dui)固體或者半(ban)固體(ti)的咀嚼情況(kuang)[50]。在圖7a 中(zhong), 隨著模型填充(chong)度的上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的硬度(du)從(59.3±25.3) gf 上升到了(137.4±19.2) gf, 填充度上(shang)升提高了(le)打印硬(ying)度。但對于350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品, 硬度(du)并沒有(you)上升, 且(qie)彼此(ci)之間并(bing)沒有顯著(zhu)性差異(yi), 不過填充(chong)度為40%時, 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品硬(ying)度大于(yu)500 μm。咀嚼性(圖7d)和膠(jiao)著性(圖7e)的(de)結(jié)果與硬度(du)測量結(jié)果(guo)類似, 即500 μm 噴頭產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)特性(xing)隨模(mo)型填充度(du)上升而上升(sheng); 但是350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)(chan)品基本沒(mei)有顯著性差(cha)異。不過(guo), 在40%填充度(du)時, 350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性都(dou)顯著(zhu)高于(yu)500 μm, 這可能是精細(xi)化打印(yin)提高了產(chǎn)品內(nèi)(nei)部結(jié)(jie)構(gòu)的穩(wěn)(wen)定性(xing), 從而(er)改善質(zhì)構(gòu)特性(xing)。

粘性是克服樣(yang)品本身的(de)粘性而消(xiao)耗的(de)能量, 代表著(zhe)需要從(cong)牙齒或者上顎(e)去除粘附的(de)食物所做(zuo)的功(gong)。本研(yan)究中,隨(sui)著模(mo)型填充度(du)上升(sheng), 350 μm 的噴(pen)頭產(chǎn)品的粘性(xing)均呈現(xiàn)(xian)上升趨勢(shi)(圖7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升到(dao)(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)品(pin)的粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接(jie)近真(zhen)實三文魚(yu)的粘性(xing)[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是(shi)樣品去(qu)除形變后恢復(fù)(fu)到本來(lai)狀態(tài)(tai)的能力, 表現(xiàn)為(wei)食物被牙(ya)齒咬后恢(hui)復(fù)到原狀的(de)能力。且彈性(xing)和魚的新鮮程(cheng)度關(guān)(guan)聯(lián)性極(ji)大, 魚在屠宰(zai)、冰凍或者腐敗(bai)后, 彈性都(dou)會有一(yi)定程度(du)的下降。工業(yè)(ye)中, 工人通常(chang)使用“手指法(fa)"測量(liang)生魚片的質(zhì)構(gòu)(gou)以了解其彈(dan)性是(shi)否適合(he)進一步加工(gong)。在圖7c 中, 隨(sui)著模(mo)型填(tian)充度的上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的彈(dan)性從0.41±0.06 上升到了(le)0.58±0.03, 并且接近本次(ci)測量的三(san)文魚的彈性(0.61±0.03)。詳(xiang)細的彈(dan)性數(shù)據(jù)對比(bi)如圖7f 所(suo)示, 真實三文魚(yu)肉的彈性和500-70%的(de)產(chǎn)品無顯(xian)著性差異, 表明(ming)通過(guo)精細化打印(yin)和調(diào)控模(mo)型填(tian)充度, 可以對三(san)文魚的質(zhì)(zhi)構(gòu), 例(li)如彈性進行(xing)還原。

綜上, 通過(guo)不同噴頭(tou)對不同(tong)填充度的模(mo)型進行打印可(ke)以對(dui)產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)進行調(diào)控(kong), 以接近真(zhen)實三文魚的(de)質(zhì)構(gòu),比如粘性(xing)和彈(dan)性; 且(qie)對于40%填(tian)充度(du)的模型, 使用更(geng)高精度的350 μm 噴(pen)頭相較于500 μm 噴(pen)頭, 提高(gao)了產(chǎn)品(pin)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)(wen)定性和質(zhì)(zhi)構(gòu)特性。

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基于高精度(du)3D 打印的三文(wen)魚植物基(ji)替代(dai)物研(yan)究