浙江大學(xué)(xue)生物系統(tǒng)(tong)工程與食(shi)品科學(xué)學(xué)院研(yan)究人員在國內(nèi)(nei)期刊《食品安(an)全質(zhì)量檢測學(xué)(xue)報》發(fā)(fa)表了題(ti)為"基于高精度3D 打(da)印的三(san)文魚植物(wu)基替代物研究(jiu)"的研(yan)究論文(wen)。在該論文(wen)中，研究人(ren)員使用上(shang)海騰(teng)拔Universal TA質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測定(ding)了三文(wen)魚排和3D 打印植(zhi)物基替代物(wu)的硬度、粘(zhan)性、彈性與咀(ju)嚼性等指標(biāo)。

摘 要: 目的 基于高精度(du)3D 打印技術(shù)研究(jiu)三文(wen)魚植物基替代(dai)物。方法 以豌(wan)豆分(fen)離蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔(mo)芋膠(konjac gum, KGM)和(he)天然胡蘿卜(bo)粉為(wei)原輔料, 進(jin)行精準(zhǔn)3D 復(fù)合(he)打印(yin)生產(chǎn)模擬三文(wen)魚色澤、質(zhì)構(gòu)(gou)的植(zhi)物基替代物(wu)?？疾?cha)不同物料(liao)比例(li)對油墨可打印(yin)性的影響(xiang); 選取(qu)有代表(biao)性的油墨配(pei)方, 對其流變(bian)特性、水分(fen)分布情況、微(wei)觀結(jié)構(gòu)進行表(biao)征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度(du)的升高都增強(qiang)了體(ti)系與水結(jié)合的(de)能力, 且PPI 濃度(du)過高時(20%, m:m)影響了(le)KGM 與水結(jié)合形(xing)成穩(wěn)(wen)定凝膠(jiao)的能力。PPI15KGM5 配(pei)方可(ke)形成致密的(de)網(wǎng)格結(jié)(jie)構(gòu), 增強了(le)體系的穩(wěn)(wen)定性, 擁有(you)良好的剪切(qie)恢復(fù)特(te)性, 有利于(yu)3D 打印; 而PPI20KGM3 配方(fang)具有更(geng)好的機械性能(neng)和結(jié)(jie)構(gòu)強(qiang)度, 但是由(you)于PPI 濃(nong)度過高(gao)影響KGM 形成穩(wěn)定(ding)凝膠結(jié)構(gòu), 其剪(jian)切恢復(fù)(fu)特性較差(cha)。流變學(xué)參數(shù)η、τy、G'、屈(qu)服應(yīng)變及剪切(qie)恢復(fù)特(te)性對油墨3D 打印(yin)過程(cheng)影響顯著(zhu)。結(jié)論 通過調(diào)(diao)整3D 打印(yin)精細化程(cheng)度(350 μm 和(he)500 μm)和模型填充度(du), 生產(chǎn)了具有差(cha)異化質(zhì)構(gòu)的(de)高蛋白含量(liang)(15%, m:m)產(chǎn)品。其(qi)中, 部(bu)分產(chǎn)品的(de)粘性和彈性(xing)與真(zhen)實三文(wen)魚類似(shi), 這為開發(fā)(fa)3D 打印生產(chǎn)植物(wu)基替(ti)代物提(ti)供了新的(de)視角。

1、質(zhì)構(gòu)(gou)特性測試

通過流動(dong)自來水對三文(wen)魚排進行(xing)解凍, 恢復(fù)至室(shi)溫約30 min 后, 沿(yan)魚排順肌纖維(wei)纖維切下(xia)尺寸一(yi)致的樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與(yu)打印完成的不(bu)同打印精度(du)與模型(xing)填充度的(de)立方體(2×1×1 cm)進行(xing)質(zhì)地剖面分析(xi)(texture profile analysis, TPA)測試。實驗條(tiao)件為: 兩次循(xun)環(huán)壓縮30%, 觸發(fā)(fa)力8 gf, 探頭移動速(su)度為1 mm/s。每組(zu)設(shè)置(zhi)3 組及以上(shang)平行測試。

2、結(jié)果分(fen)析

注: a: 硬度; b: 粘性(xing); c: 彈性; d: 咀嚼(jue)性; e: 膠著性(xing); f 為真實(shi)三文魚, 以及不(bu)同模型(xing)填充度條件下(xia), 350 μm 和500 μm 噴頭打印的(de)產(chǎn)品彈性; 圖a~f 中不同大(da)寫字(zi)母表示(shi)組間差異顯著(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)彈性的比較(f) (n=3)

為了(le)探究(jiu)不同打(da)印噴嘴的產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)特性(xing)差異, 本研(yan)究進行了(le)TPA 測試(圖7a~e), 并(bing)分別對350 μm 和500 μm的(de)噴頭產(chǎn)品(pin)進行顯(xian)著性(xing)分析(圖7f)。

硬度是壓縮(suo)樣品所需的力(li), 可以模(mo)仿人口(kou)腔對(dui)固體或者(zhe)半固體(ti)的咀(ju)嚼情(qing)況[50]。在(zai)圖7a 中, 隨著模(mo)型填(tian)充度的上(shang)升, 500 μm 噴頭產(chǎn)品(pin)的硬度(du)從(59.3±25.3) gf 上升到了(le)(137.4±19.2) gf, 填充度(du)上升提高(gao)了打印硬(ying)度。但(dan)對于350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品, 硬(ying)度并(bing)沒有上升, 且(qie)彼此之間并沒(mei)有顯著性(xing)差異, 不過填充(chong)度為40%時, 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)(chan)品硬度大于(yu)500 μm。咀嚼(jue)性(圖(tu)7d)和膠著性(xing)(圖7e)的結(jié)果(guo)與硬度測(ce)量結(jié)(jie)果類似, 即500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)隨模型填充度(du)上升而上升(sheng); 但是350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品基本沒(mei)有顯(xian)著性差(cha)異。不(bu)過, 在40%填充度(du)時, 350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)特性(xing)都顯著高于500 μm, 這(zhe)可能是(shi)精細化打(da)印提(ti)高了(le)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)(jie)構(gòu)的穩(wěn)定性, 從(cong)而改善(shan)質(zhì)構(gòu)特性(xing)。

粘性是克(ke)服樣品本(ben)身的粘(zhan)性而消(xiao)耗的能(neng)量, 代表(biao)著需要從(cong)牙齒或者上(shang)顎去(qu)除粘附的(de)食物所做的功(gong)。本研究中,隨著(zhe)模型填充度(du)上升, 350 μm 的(de)噴頭產(chǎn)(chan)品的粘(zhan)性均呈現(xiàn)上升(sheng)趨勢(圖7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升到(dao)(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)品的粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接(jie)近真實三(san)文魚的(de)粘性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是(shi)樣品去除(chu)形變后恢復(fù)到(dao)本來狀(zhuang)態(tài)的能力, 表現(xiàn)(xian)為食物被牙(ya)齒咬后(hou)恢復(fù)(fu)到原狀的能(neng)力。且彈性和魚(yu)的新鮮程度(du)關(guān)聯(lián)性極大, 魚(yu)在屠宰、冰凍或(huo)者腐敗(bai)后, 彈性都(dou)會有一定程度(du)的下降。工業(yè)中(zhong), 工人通常使用(yong)“手指(zhi)法"測量生(sheng)魚片的質(zhì)(zhi)構(gòu)以了(le)解其彈性是否(fou)適合進(jin)一步加工。在圖(tu)7c 中, 隨著模型(xing)填充(chong)度的上(shang)升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)(chan)品的彈性從0.41±0.06 上(shang)升到了(le)0.58±0.03, 并且(qie)接近(jin)本次(ci)測量的三(san)文魚的彈(dan)性(0.61±0.03)。詳(xiang)細的彈(dan)性數(shù)據(jù)(ju)對比如圖7f 所示(shi), 真實三(san)文魚肉(rou)的彈(dan)性和500-70%的(de)產(chǎn)品無顯著性(xing)差異, 表(biao)明通(tong)過精細(xi)化打印(yin)和調(diào)控模型(xing)填充度, 可以(yi)對三文魚的(de)質(zhì)構(gòu), 例如彈性(xing)進行(xing)還原。

綜上, 通過不同(tong)噴頭對不(bu)同填充度的模(mo)型進行(xing)打印(yin)可以對(dui)產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)進(jin)行調(diào)控, 以接(jie)近真(zhen)實三文魚(yu)的質(zhì)(zhi)構(gòu),比如粘性(xing)和彈(dan)性; 且(qie)對于40%填充(chong)度的模(mo)型, 使(shi)用更高精(jing)度的(de)350 μm 噴頭相較于500 μm 噴(pen)頭, 提高了產(chǎn)(chan)品的(de)內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(ding)性和質(zhì)構(gòu)特性(xing)。

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基于(yu)高精(jing)度3D 打印的三(san)文魚植物基替(ti)代物研(yan)究