浙江大(da)學(xué)生物(wu)系統(tǒng)工程與(yu)食品科學(xué)學(xué)院(yuan)研究人員在國(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(gao)精度3D 打印的三(san)文魚植(zhi)物基替(ti)代物研(yan)究"的研究論(lun)文。在該論(lun)文中(zhong)，研究(jiu)人員使用上(shang)海騰拔Universal TA質(zhì)構(gòu)儀(yi)測(cè)定了三文魚排和(he)3D 打印植物(wu)基替代物(wu)的硬度、粘性、彈(dan)性與咀嚼性(xing)等指標(biāo)。

摘 要: 目的 基于(yu)高精度3D 打(da)印技術(shù)研(yan)究三文魚(yu)植物基(ji)替代物。方法 以豌(wan)豆分離蛋白(bai)(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(konjac gum, KGM)和(he)天然(ran)胡蘿卜粉為原(yuan)輔料, 進(jìn)行精準(zhǔn)(zhun)3D 復(fù)合打印(yin)生產(chǎn)模擬三(san)文魚(yu)色澤、質(zhì)構(gòu)(gou)的植物(wu)基替代物。考(kao)察不同物料比(bi)例對(duì)油(you)墨可打印性(xing)的影響(xiang); 選取(qu)有代表性的油(you)墨配方, 對(duì)其流(liu)變特性(xing)、水分分布(bu)情況、微(wei)觀結(jié)構(gòu)(gou)進(jìn)行表征(zheng)。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度的(de)升高都增強(qiáng)(qiang)了體(ti)系與(yu)水結(jié)合的能(neng)力, 且(qie)PPI 濃度過(guò)高時(shí)(20%, m:m)影(ying)響了KGM 與水結(jié)(jie)合形成穩(wěn)定凝(ning)膠的(de)能力。PPI15KGM5 配方(fang)可形(xing)成致密(mi)的網(wǎng)格(ge)結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)了(le)體系的穩(wěn)定性(xing), 擁有良好(hao)的剪切恢復(fù)特(te)性, 有利于(yu)3D 打印; 而PPI20KGM3 配方具(ju)有更(geng)好的機(jī)械性能(neng)和結(jié)構(gòu)(gou)強(qiáng)度, 但(dan)是由(you)于PPI 濃度過(guò)高影(ying)響KGM 形(xing)成穩(wěn)(wen)定凝膠結(jié)(jie)構(gòu), 其剪切(qie)恢復(fù)(fu)特性較差。流變(bian)學(xué)參數(shù)η、τy、G'、屈服(fu)應(yīng)變及剪(jian)切恢復(fù)特性(xing)對(duì)油墨3D 打印(yin)過(guò)程影響(xiang)顯著。結(jié)論 通過(guò)調(diào)整(zheng)3D 打印精(jing)細(xì)化程(cheng)度(350 μm 和500 μm)和模型填(tian)充度(du), 生產(chǎn)了具(ju)有差(cha)異化質(zhì)(zhi)構(gòu)的高蛋白含(han)量(15%, m:m)產(chǎn)品。其(qi)中, 部分產(chǎn)品的(de)粘性(xing)和彈性與真(zhen)實(shí)三(san)文魚類(lei)似, 這為開發(fā)(fa)3D 打印生產(chǎn)(chan)植物基替代(dai)物提(ti)供了新(xin)的視角(jiao)。

1、質(zhì)構(gòu)特性測(cè)試(shi)

通過(guò)(guo)流動(dòng)(dong)自來(lái)水對(duì)(dui)三文魚排(pai)進(jìn)行解凍, 恢復(fù)(fu)至室溫約30 min 后, 沿(yan)魚排順肌(ji)纖維纖(xian)維切下尺寸(cun)一致的(de)樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與打印(yin)完成的不同打(da)印精度與模型(xing)填充度的立(li)方體(2×1×1 cm)進(jìn)行質(zhì)地(di)剖面分析(xi)(texture profile analysis, TPA)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)(yan)條件為(wei): 兩次循(xun)環(huán)壓縮30%, 觸發(fā)(fa)力8 gf, 探頭移動(dòng)速(su)度為(wei)1 mm/s。每組設(shè)(she)置3 組及以(yi)上平(ping)行測(cè)試。

2、結(jié)果(guo)分析

注: a: 硬度; b: 粘(zhan)性; c: 彈性(xing); d: 咀嚼性; e: 膠著(zhe)性; f 為真(zhen)實(shí)三文(wen)魚, 以及不(bu)同模(mo)型填充(chong)度條(tiao)件下(xia), 350 μm 和500 μm 噴頭(tou)打印的產(chǎn)品(pin)彈性; 圖a~f 中不同大(da)寫字母(mu)表示(shi)組間差異(yi)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(zhen)實(shí)三(san)文魚(yu)彈性的比較(jiao)(f) (n=3)

為了探究不同(tong)打印噴嘴的產(chǎn)(chan)品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)差異, 本研究進(jìn)(jin)行了TPA 測(cè)(ce)試(圖7a~e), 并分別對(duì)(dui)350 μm 和500 μm的噴頭(tou)產(chǎn)品進(jìn)行顯(xian)著性分析(圖(tu)7f)。

硬度是壓縮(suo)樣品所需(xu)的力(li), 可以模(mo)仿人口腔對(duì)(dui)固體或者(zhe)半固體的(de)咀嚼情況(kuang)[50]。在圖7a 中(zhong), 隨著(zhe)模型填充度(du)的上(shang)升, 500 μm 噴頭(tou)產(chǎn)品(pin)的硬度從(cong)(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(ying)度。但(dan)對(duì)于350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品, 硬度并(bing)沒(méi)有上(shang)升, 且彼此(ci)之間并沒(méi)有顯(xian)著性(xing)差異, 不(bu)過(guò)填充度為40%時(shí)(shi), 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品硬(ying)度大(da)于500 μm。咀(ju)嚼性(xing)(圖7d)和膠(jiao)著性(圖(tu)7e)的結(jié)果(guo)與硬度(du)測(cè)量結(jié)果類(lei)似, 即500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特性隨模型填(tian)充度上升而(er)上升; 但是(shi)350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品基本沒(méi)(mei)有顯(xian)著性差異。不過(guò)(guo), 在40%填充度(du)時(shí), 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)特性(xing)都顯著高于500 μm, 這(zhe)可能是(shi)精細(xì)(xi)化打印(yin)提高了產(chǎn)(chan)品內(nèi)部結(jié)(jie)構(gòu)的穩(wěn)定性, 從(cong)而改(gai)善質(zhì)構(gòu)(gou)特性。

粘性(xing)是克(ke)服樣品本身的(de)粘性而消耗(hao)的能量, 代(dai)表著(zhe)需要從牙齒或(huo)者上顎去除粘(zhan)附的食(shi)物所做的(de)功。本研究中(zhong),隨著(zhe)模型填充度(du)上升, 350 μm 的(de)噴頭(tou)產(chǎn)品的粘(zhan)性均呈現(xiàn)上升(sheng)趨勢(shì)(shi)(圖7b), 從(cong)(3.92±1.68) gf-mm 升到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)品(pin)的粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接(jie)近真實(shí)三文魚(yu)的粘(zhan)性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性(xing)是樣(yang)品去除(chu)形變后恢復(fù)到(dao)本來(lái)狀態(tài)(tai)的能力, 表現(xiàn)為(wei)食物(wu)被牙齒咬(yao)后恢(hui)復(fù)到原(yuan)狀的能力(li)。且彈(dan)性和魚的新(xin)鮮程度關(guān)聯(lián)性(xing)極大, 魚在屠(tu)宰、冰(bing)凍或者(zhe)腐敗后(hou), 彈性都(dou)會(huì)有一定程(cheng)度的下(xia)降。工(gong)業(yè)中, 工人通常(chang)使用“手指法"測(cè)(ce)量生魚片的(de)質(zhì)構(gòu)以了解(jie)其彈性是否適(shi)合進(jìn)(jin)一步加工。在(zai)圖7c 中, 隨著模型(xing)填充(chong)度的(de)上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)品(pin)的彈(dan)性從0.41±0.06 上升(sheng)到了(le)0.58±0.03, 并且接近本次(ci)測(cè)量的(de)三文魚的彈(dan)性(0.61±0.03)。詳(xiang)細(xì)的彈性(xing)數(shù)據(jù)對(duì)(dui)比如圖(tu)7f 所示, 真(zhen)實(shí)三文魚肉的(de)彈性和500-70%的產(chǎn)(chan)品無(wú)顯著(zhu)性差異(yi), 表明通過(guò)精細(xì)(xi)化打印(yin)和調(diào)控模(mo)型填充度, 可(ke)以對(duì)三(san)文魚的(de)質(zhì)構(gòu), 例如(ru)彈性(xing)進(jìn)行還(hai)原。

綜上(shang), 通過(guò)(guo)不同噴頭對(duì)不(bu)同填充度的(de)模型進(jìn)行打(da)印可以對(duì)產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)進(jìn)行(xing)調(diào)控(kong), 以接近真(zhen)實(shí)三文(wen)魚的質(zhì)構(gòu)(gou),比如粘(zhan)性和(he)彈性; 且對(duì)于(yu)40%填充(chong)度的模(mo)型, 使用更(geng)高精(jing)度的350 μm 噴頭相(xiang)較于500 μm 噴頭, 提高(gao)了產(chǎn)品的內(nèi)(nei)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(xing)和質(zhì)構(gòu)(gou)特性。

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基于高(gao)精度3D 打印(yin)的三(san)文魚植物基(ji)替代物研究(jiu)