浙江大學(xué)生物(wu)系統(tǒng)工程與(yu)食品科(ke)學(xué)學(xué)院研(yan)究人員在國(guó)(guo)內(nèi)期刊《食品(pin)安全質(zhì)量(liang)檢測(cè)學(xué)報(bào)(bao)》發(fā)表了題為"基于高精度(du)3D 打印(yin)的三文魚(yú)植物(wu)基替(ti)代物研究"的研究(jiu)論文。在該論文(wen)中，研究(jiu)人員使(shi)用上海騰拔Universal TA質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測(cè)定(ding)了三文魚(yú)(yu)排和3D 打(da)印植物基(ji)替代物的硬度、粘(zhan)性、彈性與咀(ju)嚼性等指標(biāo)(biao)。

摘 要(yao): 目的 基于高精度3D 打(da)印技術(shù)(shu)研究三(san)文魚(yú)(yu)植物基替代物(wu)。方法 以豌豆分離蛋(dan)白(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(konjac gum, KGM)和(he)天然胡(hu)蘿卜粉為(wei)原輔料, 進(jìn)(jin)行精準(zhǔn)3D 復(fù)(fu)合打(da)印生產(chǎn)模擬三(san)文魚(yú)(yu)色澤、質(zhì)(zhi)構(gòu)的植(zhi)物基替代(dai)物?？?kao)察不同(tong)物料比例對(duì)(dui)油墨可打印(yin)性的(de)影響(xiang); 選取(qu)有代(dai)表性(xing)的油(you)墨配方, 對(duì)其流(liu)變特(te)性、水分(fen)分布情(qing)況、微(wei)觀結(jié)(jie)構(gòu)進(jìn)行表(biao)征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度(du)的升(sheng)高都(dou)增強(qiáng)了體系與(yu)水結(jié)合的(de)能力, 且PPI 濃(nong)度過(guò)高時(shí)(20%, m:m)影響(xiang)了KGM 與水結(jié)(jie)合形成穩(wěn)(wen)定凝膠的能(neng)力。PPI15KGM5 配方可形成(cheng)致密的網(wǎng)格(ge)結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)了體(ti)系的(de)穩(wěn)定(ding)性, 擁有(you)良好的剪切恢(hui)復(fù)特性(xing), 有利(li)于3D 打印; 而PPI20KGM3 配方(fang)具有更好的機(jī)(ji)械性能(neng)和結(jié)(jie)構(gòu)強(qiáng)度, 但是由(you)于PPI 濃度過(guò)高影(ying)響KGM 形成穩(wěn)(wen)定凝膠結(jié)構(gòu), 其(qi)剪切恢復(fù)特(te)性較差。流變(bian)學(xué)參(can)數(shù)η、τy、G'、屈服應(yīng)變及(ji)剪切恢復(fù)(fu)特性(xing)對(duì)油墨3D 打印過(guò)(guo)程影(ying)響顯著。結(jié)論 通過(guò)調(diào)整(zheng)3D 打印精(jing)細(xì)化(hua)程度(350 μm 和500 μm)和(he)模型填充(chong)度, 生產(chǎn)了(le)具有差異化質(zhì)(zhi)構(gòu)的高(gao)蛋白含量(15%, m:m)產(chǎn)(chan)品。其中, 部分產(chǎn)(chan)品的粘性(xing)和彈性(xing)與真實(shí)(shi)三文魚(yú)類(lèi)(lei)似, 這為(wei)開(kāi)發(fā)(fa)3D 打印(yin)生產(chǎn)植(zhi)物基(ji)替代物提(ti)供了新(xin)的視角。

1、質(zhì)構(gòu)特性測(cè)(ce)試

通過(guò)流動(dòng)(dong)自來(lái)水對(duì)(dui)三文(wen)魚(yú)排進(jìn)行(xing)解凍, 恢復(fù)(fu)至室溫約(yue)30 min 后, 沿魚(yú)排順(shun)肌纖(xian)維纖維切下(xia)尺寸一致(zhi)的樣(yang)品(2 cm×1 cm×1 cm)與打印完成(cheng)的不(bu)同打印精度(du)與模型填(tian)充度的立方體(ti)(2×1×1 cm)進(jìn)行質(zhì)(zhi)地剖面(mian)分析(xi)(texture profile analysis, TPA)測(cè)試(shi)。實(shí)驗(yàn)條件(jian)為: 兩次循環(huán)(huan)壓縮30%, 觸(chu)發(fā)力(li)8 gf, 探頭移(yi)動(dòng)速度(du)為1 mm/s。每組設(shè)(she)置3 組及以上(shang)平行測(cè)(ce)試。

2、結(jié)果分(fen)析

注: a: 硬度; b: 粘(zhan)性; c: 彈(dan)性; d: 咀嚼性; e: 膠(jiao)著性; f 為真實(shí)三(san)文魚(yú), 以及(ji)不同模型填(tian)充度條件下, 350 μm 和(he)500 μm 噴頭打印的產(chǎn)(chan)品彈性; 圖a~f 中不同大(da)寫(xiě)字母(mu)表示組間(jian)差異顯著, P<0.05。

圖7 不同打(da)印產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)地剖面分析(xi)(a~e)和與真實(shí)(shi)三文魚(yú)彈(dan)性的比較(jiao)(f) (n=3)

為了探究不(bu)同打印噴嘴的(de)產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特(te)性差異, 本研(yan)究進(jìn)(jin)行了(le)TPA 測(cè)試(圖(tu)7a~e), 并分別對(duì)350 μm 和(he)500 μm的噴頭產(chǎn)品進(jìn)(jin)行顯著性分析(xi)(圖7f)。

硬度是(shi)壓縮樣(yang)品所需的力(li), 可以模仿人(ren)口腔對(duì)固體(ti)或者(zhe)半固體的(de)咀嚼(jue)情況[50]。在(zai)圖7a 中(zhong), 隨著模型填充(chong)度的上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)品的(de)硬度(du)從(59.3±25.3) gf 上升到(dao)了(137.4±19.2) gf, 填充(chong)度上升提(ti)高了打印硬(ying)度。但(dan)對(duì)于350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品(pin), 硬度并沒(méi)(mei)有上升(sheng), 且彼此之間(jian)并沒(méi)有(you)顯著(zhu)性差異(yi), 不過(guò)填充度(du)為40%時(shí), 350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品硬度大(da)于500 μm。咀嚼性(圖7d)和(he)膠著性(圖7e)的(de)結(jié)果與硬度測(cè)(ce)量結(jié)(jie)果類(lèi)似, 即(ji)500 μm 噴頭(tou)產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性(xing)隨模型(xing)填充度上升(sheng)而上升; 但(dan)是350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品基本沒(méi)(mei)有顯著性差異(yi)。不過(guò), 在40%填充度(du)時(shí), 350 μm 噴頭的產(chǎn)品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性都(dou)顯著(zhu)高于500 μm, 這可能是(shi)精細(xì)化(hua)打印提(ti)高了(le)產(chǎn)品內(nèi)(nei)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)(wen)定性, 從而改善(shan)質(zhì)構(gòu)(gou)特性。

粘性(xing)是克服樣品(pin)本身的(de)粘性而(er)消耗的能(neng)量, 代表著需(xu)要從牙齒(chi)或者上顎(e)去除粘附(fu)的食物(wu)所做的(de)功。本(ben)研究中,隨著(zhe)模型填充(chong)度上升, 350 μm 的噴頭(tou)產(chǎn)品(pin)的粘(zhan)性均呈現(xiàn)上(shang)升趨(qu)勢(shì)(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(jie)近真(zhen)實(shí)三文魚(yú)的(de)粘性(xing)[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是樣品(pin)去除形變后(hou)恢復(fù)到本來(lái)狀(zhuang)態(tài)的能力, 表(biao)現(xiàn)為(wei)食物(wu)被牙齒咬后恢(hui)復(fù)到原狀(zhuang)的能力。且(qie)彈性和魚(yú)(yu)的新鮮程度(du)關(guān)聯(lián)性極(ji)大, 魚(yú)在屠宰(zai)、冰凍或者腐敗(bai)后, 彈性都會(huì)(hui)有一定程度的(de)下降。工(gong)業(yè)中(zhong), 工人通常使用(yong)“手指法"測(cè)量生(sheng)魚(yú)片的質(zhì)構(gòu)以(yi)了解其彈性(xing)是否(fou)適合(he)進(jìn)一(yi)步加工。在(zai)圖7c 中, 隨著模型(xing)填充度的上(shang)升, 500 μm 噴頭產(chǎn)(chan)品的彈性(xing)從0.41±0.06 上(shang)升到了0.58±0.03, 并且(qie)接近本次測(cè)量(liang)的三文(wen)魚(yú)的彈(dan)性(0.61±0.03)。詳細(xì)(xi)的彈性(xing)數(shù)據(jù)對(duì)比(bi)如圖(tu)7f 所示, 真實(shí)三(san)文魚(yú)肉的彈性(xing)和500-70%的產(chǎn)品(pin)無(wú)顯著性差異(yi), 表明通過(guò)(guo)精細(xì)化打印和(he)調(diào)控模型(xing)填充(chong)度, 可以(yi)對(duì)三(san)文魚(yú)的質(zhì)(zhi)構(gòu), 例如彈(dan)性進(jìn)(jin)行還原(yuan)。

綜上, 通過(guò)不(bu)同噴(pen)頭對(duì)不同(tong)填充(chong)度的模型進(jìn)行(xing)打印可以(yi)對(duì)產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)(gou)進(jìn)行調(diào)(diao)控, 以接近真實(shí)(shi)三文魚(yú)(yu)的質(zhì)(zhi)構(gòu),比如粘(zhan)性和彈性(xing); 且對(duì)于40%填充(chong)度的(de)模型(xing), 使用更高精(jing)度的350 μm 噴頭相(xiang)較于500 μm 噴頭, 提(ti)高了產(chǎn)品(pin)的內(nèi)部結(jié)(jie)構(gòu)穩(wěn)定性和質(zhì)(zhi)構(gòu)特性(xing)。

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基于高(gao)精度3D 打印的三(san)文魚(yú)植物(wu)基替代物研究(jiu)