浙江大學(xue)生物系(xi)統(tǒng)工程(cheng)與食品科(ke)學學院(yuan)研究人員在國(guo)內(nèi)期刊《食品(pin)安全質(zhì)量檢(jian)測學報》發(fā)(fa)表了題為"基于高精度(du)3D 打印的三文魚(yu)植物基替代物(wu)研究"的研究論文(wen)。在該論文(wen)中，研究人員(yuan)使用(yong)上海(hai)騰拔Universal TA質(zhì)構(gòu)儀(yi)測定了(le)三文魚排(pai)和3D 打印植物(wu)基替代物(wu)的硬度(du)、粘性、彈(dan)性與咀(ju)嚼性等指標。

摘 要: 目的(de) 基于(yu)高精(jing)度3D 打(da)印技(ji)術(shù)研究(jiu)三文(wen)魚植物(wu)基替代物。方法(fa) 以豌豆分(fen)離蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔(mo)芋膠(konjac gum, KGM)和天然胡(hu)蘿卜粉為(wei)原輔料, 進行精(jing)準3D 復(fù)合打印生(sheng)產(chǎn)模擬三文魚(yu)色澤、質(zhì)(zhi)構(gòu)的植(zhi)物基替代物(wu)。考察不同(tong)物料比例對(dui)油墨可打印(yin)性的影響; 選(xuan)取有代(dai)表性的油墨(mo)配方, 對其流變(bian)特性、水分(fen)分布情況(kuang)、微觀結(jié)構(gòu)進行(xing)表征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度的(de)升高都增強了(le)體系與(yu)水結(jié)合的能(neng)力, 且PPI 濃度過(guo)高時(20%, m:m)影響了KGM 與(yu)水結(jié)合形成(cheng)穩(wěn)定凝(ning)膠的(de)能力。PPI15KGM5 配方可形(xing)成致密的網(wǎng)格(ge)結(jié)構(gòu), 增強(qiang)了體(ti)系的(de)穩(wěn)定性(xing), 擁有良好的剪(jian)切恢復(fù)(fu)特性(xing), 有利于(yu)3D 打印; 而PPI20KGM3 配(pei)方具有(you)更好的機械(xie)性能和(he)結(jié)構(gòu)強(qiang)度, 但是由(you)于PPI 濃度過高影(ying)響KGM 形成穩(wěn)(wen)定凝(ning)膠結(jié)構(gòu), 其(qi)剪切恢復(fù)特性(xing)較差。流(liu)變學參數(shù)η、τy、G'、屈(qu)服應(yīng)變(bian)及剪切恢復(fù)特(te)性對(dui)油墨3D 打印(yin)過程影(ying)響顯著。結(jié)論 通過調(diào)(diao)整3D 打印精細化(hua)程度(350 μm 和(he)500 μm)和模型(xing)填充度, 生產(chǎn)(chan)了具有差(cha)異化(hua)質(zhì)構(gòu)的(de)高蛋白含(han)量(15%, m:m)產(chǎn)品。其中(zhong), 部分產(chǎn)品的(de)粘性和(he)彈性與(yu)真實(shi)三文魚類似(shi), 這為開(kai)發(fā)3D 打(da)印生產(chǎn)植物基(ji)替代物提供了(le)新的視角。

1、質(zhì)構(gòu)特性測試(shi)

通過流動自來(lai)水對三文魚排(pai)進行解凍(dong), 恢復(fù)至(zhi)室溫約30 min 后, 沿(yan)魚排順肌纖(xian)維纖(xian)維切下尺寸(cun)一致的(de)樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與打印完(wan)成的不(bu)同打印(yin)精度與模型(xing)填充度(du)的立方(fang)體(2×1×1 cm)進行(xing)質(zhì)地剖面分析(xi)(texture profile analysis, TPA)測試(shi)。實驗條件為: 兩(liang)次循環(huán)壓縮30%, 觸(chu)發(fā)力8 gf, 探(tan)頭移(yi)動速度為1 mm/s。每(mei)組設(shè)(she)置3 組及以(yi)上平行測(ce)試。

2、結(jié)果分(fen)析

注: a: 硬度; b: 粘性; c: 彈(dan)性; d: 咀嚼性(xing); e: 膠著性(xing); f 為真實三文(wen)魚, 以(yi)及不同模型填(tian)充度條(tiao)件下, 350 μm 和500 μm 噴(pen)頭打印的產(chǎn)(chan)品彈性; 圖a~f 中不同大(da)寫字母表(biao)示組間(jian)差異顯著, P<0.05。

圖7 不同(tong)打印產(chǎn)(chan)品的質(zhì)地剖(pou)面分析(a~e)和與(yu)真實三(san)文魚彈性(xing)的比較(f) (n=3)

為了探究不(bu)同打印噴嘴(zui)的產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性差異(yi), 本研究進行(xing)了TPA 測試(shi)(圖7a~e), 并分別(bie)對350 μm 和500 μm的噴(pen)頭產(chǎn)品進行(xing)顯著(zhu)性分析(圖(tu)7f)。

硬度是壓縮樣(yang)品所需的力(li), 可以(yi)模仿人口腔(qiang)對固體(ti)或者半固體(ti)的咀(ju)嚼情況(kuang)[50]。在圖7a 中, 隨(sui)著模型填充(chong)度的上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)(chan)品的硬度(du)從(59.3±25.3) gf 上升到了(137.4±19.2) gf, 填充度上升(sheng)提高(gao)了打印(yin)硬度(du)。但對于350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品, 硬度(du)并沒有上升(sheng), 且彼此之(zhi)間并沒有(you)顯著性(xing)差異, 不過填(tian)充度為40%時, 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品硬度(du)大于500 μm。咀嚼性(圖(tu)7d)和膠著性(圖7e)的(de)結(jié)果(guo)與硬度(du)測量結(jié)(jie)果類(lei)似, 即500 μm 噴頭產(chǎn)品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性(xing)隨模型填(tian)充度上升而(er)上升; 但(dan)是350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品基本沒(mei)有顯著(zhu)性差異(yi)。不過, 在40%填(tian)充度時, 350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性都(dou)顯著高于(yu)500 μm, 這可能(neng)是精細化打印(yin)提高了(le)產(chǎn)品(pin)內(nèi)部結(jié)(jie)構(gòu)的(de)穩(wěn)定性, 從(cong)而改(gai)善質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)。

粘性(xing)是克服樣品(pin)本身的粘性而(er)消耗的能量(liang), 代表著需要從(cong)牙齒或(huo)者上(shang)顎去除粘附的(de)食物(wu)所做的(de)功。本研究中(zhong),隨著模(mo)型填充度上(shang)升, 350 μm 的噴頭產(chǎn)品(pin)的粘性均呈現(xiàn)(xian)上升(sheng)趨勢(圖7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升(sheng)到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)品(pin)的粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接近(jin)真實三文魚(yu)的粘性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈(dan)性是樣品去除(chu)形變后恢(hui)復(fù)到本(ben)來狀態(tài)(tai)的能力, 表(biao)現(xiàn)為食物被牙(ya)齒咬后恢復(fù)(fu)到原狀的能力(li)。且彈性和魚的(de)新鮮程(cheng)度關(guān)聯(lián)性(xing)極大, 魚在屠(tu)宰、冰凍(dong)或者腐敗后(hou), 彈性都會(hui)有一(yi)定程度的下(xia)降。工業(yè)中, 工(gong)人通常使用(yong)“手指法"測量(liang)生魚片的質(zhì)(zhi)構(gòu)以了解(jie)其彈性是(shi)否適合進(jin)一步加工。在(zai)圖7c 中, 隨著(zhe)模型填(tian)充度的上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的彈(dan)性從(cong)0.41±0.06 上升到了(le)0.58±0.03, 并且接近本(ben)次測量的三文(wen)魚的彈性(xing)(0.61±0.03)。詳細的彈(dan)性數(shù)(shu)據(jù)對(dui)比如圖7f 所示(shi), 真實三(san)文魚肉的(de)彈性和500-70%的(de)產(chǎn)品無顯著(zhu)性差(cha)異, 表(biao)明通過精(jing)細化(hua)打印和調(diào)(diao)控模型填充(chong)度, 可以對(dui)三文魚(yu)的質(zhì)構(gòu), 例如彈(dan)性進(jin)行還原。

綜上, 通(tong)過不同噴頭對(dui)不同填充度的(de)模型(xing)進行打(da)印可以對(dui)產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)進行(xing)調(diào)控, 以接近真(zhen)實三文(wen)魚的質(zhì)構(gòu)(gou),比如粘(zhan)性和彈性(xing); 且對(dui)于40%填充度的模(mo)型, 使用更(geng)高精度(du)的350 μm 噴頭相較(jiao)于500 μm 噴頭, 提(ti)高了產(chǎn)品的內(nèi)(nei)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(xing)和質(zhì)(zhi)構(gòu)特性。

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基于高精度(du)3D 打印的三文魚(yu)植物(wu)基替代物研究(jiu)