浙江大學生物(wu)系統(tǒng)工程(cheng)與食品科學學(xue)院研究人員(yuan)在國內(nèi)(nei)期刊《食品(pin)安全質量檢測(ce)學報》發(fā)表(biao)了題為"基于高精(jing)度3D 打印的(de)三文魚(yu)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)員使用上海騰(teng)拔Universal TA質構儀測(ce)定了三文魚排(pai)和3D 打(da)印植物基(ji)替代物的硬度(du)、粘性、彈性與(yu)咀嚼性等指(zhi)標。

摘 要(yao): 目的 基于高(gao)精度3D 打印技術(shu)研究三文魚植(zhi)物基替代物(wu)。方法 以豌豆分離(li)蛋白(bai)(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(konjac gum, KGM)和天(tian)然胡蘿卜粉為(wei)原輔料(liao), 進行精準(zhun)3D 復合打印生產(chǎn)(chan)模擬三文(wen)魚色(se)澤、質(zhi)構的(de)植物基替代(dai)物?？疾觳?bu)同物料比例(li)對油(you)墨可打(da)印性的(de)影響; 選取(qu)有代(dai)表性(xing)的油(you)墨配(pei)方, 對其(qi)流變特(te)性、水分分布情(qing)況、微觀結構進(jin)行表征。結果 PPI 和KGM 濃度的升(sheng)高都增(zeng)強了體(ti)系與水(shui)結合的(de)能力, 且PPI 濃度過(guo)高時(shi)(20%, m:m)影響了KGM 與水(shui)結合形成穩(wěn)定(ding)凝膠的能(neng)力。PPI15KGM5 配方可(ke)形成致密(mi)的網(wǎng)格(ge)結構(gou), 增強了體系(xi)的穩(wěn)定性(xing), 擁有(you)良好的(de)剪切恢復(fu)特性, 有利(li)于3D 打印; 而PPI20KGM3 配(pei)方具有更(geng)好的機械性能(neng)和結構強度(du), 但是由于PPI 濃度(du)過高影響(xiang)KGM 形成穩(wěn)(wen)定凝膠結(jie)構, 其剪切恢(hui)復特性較(jiao)差。流變學參(can)數(shù)η、τy、G'、屈服(fu)應變及剪切恢(hui)復特性(xing)對油墨3D 打印過(guo)程影響顯著。結論 通過調整3D 打(da)印精細化程(cheng)度(350 μm 和500 μm)和(he)模型填充度, 生(sheng)產(chǎn)了(le)具有(you)差異化質構的(de)高蛋白含量(liang)(15%, m:m)產(chǎn)品。其中, 部(bu)分產(chǎn)品(pin)的粘性和(he)彈性與真實(shi)三文魚類似, 這(zhe)為開發(fā)(fa)3D 打印生產(chǎn)植(zhi)物基替代物(wu)提供了新(xin)的視角。

1、質構特性測(ce)試

通過流動自來(lai)水對三(san)文魚排進行(xing)解凍, 恢復至(zhi)室溫約30 min 后, 沿(yan)魚排順肌(ji)纖維纖(xian)維切下(xia)尺寸一致的樣(yang)品(2 cm×1 cm×1 cm)與打印(yin)完成的不同(tong)打印精度與(yu)模型(xing)填充度(du)的立方(fang)體(2×1×1 cm)進行質地剖(pou)面分(fen)析(texture profile analysis, TPA)測試。實驗(yan)條件為: 兩(liang)次循環(huán)壓縮(suo)30%, 觸發(fā)力8 gf, 探頭(tou)移動(dong)速度為(wei)1 mm/s。每組設置(zhi)3 組及以上平(ping)行測試。

2、結果分析

注: a: 硬度; b: 粘(zhan)性; c: 彈性(xing); d: 咀嚼(jue)性; e: 膠著性; f 為(wei)真實三文魚(yu), 以及不同模(mo)型填充度(du)條件(jian)下, 350 μm 和500 μm 噴頭打(da)印的產(chǎn)(chan)品彈(dan)性; 圖a~f 中不同大(da)寫字(zi)母表(biao)示組(zu)間差異顯著, P<0.05。

圖7 不同打印產(chǎn)(chan)品的質地剖面(mian)分析(a~e)和與真(zhen)實三文魚彈(dan)性的比較(f) (n=3)

為了探究不(bu)同打(da)印噴(pen)嘴的產(chǎn)品的(de)質構特性差異(yi), 本研究進(jin)行了TPA 測(ce)試(圖7a~e), 并(bing)分別對350 μm 和(he)500 μm的噴頭產(chǎn)品進(jin)行顯(xian)著性分析(xi)(圖7f)。

硬度是壓(ya)縮樣品所需的(de)力, 可以(yi)模仿(fang)人口腔對固(gu)體或(huo)者半固體的(de)咀嚼情(qing)況[50]。在圖7a 中(zhong), 隨著模(mo)型填充度的上(shang)升, 500 μm 噴頭產(chǎn)品(pin)的硬度從(59.3±25.3) gf 上(shang)升到了(le)(137.4±19.2) gf, 填充度上(shang)升提高(gao)了打印(yin)硬度。但對于(yu)350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品, 硬(ying)度并沒有(you)上升, 且彼此(ci)之間并沒有(you)顯著性差(cha)異, 不過填充度(du)為40%時, 350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品硬度大于(yu)500 μm。咀嚼(jue)性(圖7d)和膠(jiao)著性(圖(tu)7e)的結果(guo)與硬(ying)度測量(liang)結果類似, 即(ji)500 μm 噴頭產(chǎn)品的質(zhi)構特性(xing)隨模型填充(chong)度上升而上(shang)升; 但是(shi)350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品基(ji)本沒(mei)有顯(xian)著性差異。不(bu)過, 在40%填充度時(shi), 350 μm 噴頭的產(chǎn)品的(de)質構特(te)性都顯(xian)著高于500 μm, 這可能(neng)是精細化(hua)打印提高(gao)了產(chǎn)品(pin)內(nèi)部結構的穩(wěn)(wen)定性, 從而(er)改善質構特性(xing)。

粘性是克服(fu)樣品(pin)本身的粘(zhan)性而消耗(hao)的能量, 代表著(zhe)需要從牙(ya)齒或(huo)者上顎去除粘(zhan)附的食物(wu)所做(zuo)的功(gong)。本研究中,隨(sui)著模(mo)型填充(chong)度上升, 350 μm 的噴頭(tou)產(chǎn)品的(de)粘性均(jun)呈現(xiàn)上(shang)升趨勢(圖7b), 從(cong)(3.92±1.68) gf-mm 升到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)品的粘(zhan)性[(12.59±0.75) gf-mm]接近真實(shi)三文魚(yu)的粘(zhan)性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是(shi)樣品去除形(xing)變后恢復(fu)到本來狀(zhuang)態(tài)的能(neng)力, 表(biao)現(xiàn)為食(shi)物被牙齒咬后(hou)恢復到(dao)原狀(zhuang)的能力。且彈(dan)性和魚的(de)新鮮(xian)程度關聯(lián)性(xing)極大(da), 魚在屠宰、冰凍(dong)或者腐敗后(hou), 彈性都(dou)會有(you)一定程度的下(xia)降。工業(yè)中, 工人(ren)通常使(shi)用“手指法(fa)"測量生(sheng)魚片的質構(gou)以了(le)解其彈性是否(fou)適合進一(yi)步加工。在圖(tu)7c 中, 隨著模(mo)型填充度的(de)上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)品的彈(dan)性從0.41±0.06 上(shang)升到了0.58±0.03, 并且(qie)接近本次(ci)測量的三文魚(yu)的彈性(xing)(0.61±0.03)。詳細的彈(dan)性數(shù)據(jù)對比如(ru)圖7f 所(suo)示, 真實(shi)三文魚肉(rou)的彈性(xing)和500-70%的產(chǎn)品無(wu)顯著(zhu)性差異, 表明(ming)通過(guo)精細化打印和(he)調控模型(xing)填充度, 可以(yi)對三文魚的(de)質構, 例如彈(dan)性進行還原(yuan)。

綜上, 通過不同(tong)噴頭(tou)對不同填充(chong)度的模型進(jin)行打印(yin)可以對產(chǎn)品(pin)的質構進(jin)行調控, 以接(jie)近真實三(san)文魚的質構(gou),比如(ru)粘性和彈性(xing); 且對(dui)于40%填充度的模(mo)型, 使(shi)用更高精度(du)的350 μm 噴(pen)頭相較(jiao)于500 μm 噴(pen)頭, 提高了產(chǎn)品(pin)的內(nèi)部結構(gou)穩(wěn)定性和質(zhi)構特性。

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