浙江大學生(sheng)物系統(tǒng)工(gong)程與食(shi)品科學(xue)學院研究(jiu)人員在國內(nèi)(nei)期刊《食品安全(quan)質(zhì)量檢測學報(bao)》發(fā)表了題為"基于高精(jing)度3D 打印(yin)的三文魚植(zhi)物基替代(dai)物研究"的研(yan)究論文。在該(gai)論文中，研究人(ren)員使用(yong)上海騰拔Universal TA質(zhì)構(gòu)(gou)儀測定(ding)了三文魚排和3D 打(da)印植物(wu)基替代物的硬(ying)度、粘性(xing)、彈性(xing)與咀嚼性(xing)等指標。

摘 要: 目的 基于高精度3D 打(da)印技術(shù)(shu)研究三文魚植(zhi)物基替代物。方法 以豌豆分離蛋(dan)白(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(konjac gum, KGM)和(he)天然(ran)胡蘿卜粉為原(yuan)輔料, 進行精準(zhun)3D 復合(he)打印生產(chǎn)模擬(ni)三文魚色澤(ze)、質(zhì)構(gòu)的植物(wu)基替代物。考(kao)察不同物料(liao)比例對油墨可(ke)打印性的影響(xiang); 選取有代表性(xing)的油墨配方, 對(dui)其流變特(te)性、水分分(fen)布情況、微(wei)觀結(jié)構(gòu)進行(xing)表征。結(jié)果(guo) PPI 和KGM 濃度的升高(gao)都增(zeng)強了體系與水(shui)結(jié)合(he)的能(neng)力, 且PPI 濃(nong)度過高時(20%, m:m)影響(xiang)了KGM 與水(shui)結(jié)合(he)形成穩(wěn)定凝(ning)膠的能(neng)力。PPI15KGM5 配(pei)方可(ke)形成(cheng)致密的網(wǎng)格(ge)結(jié)構(gòu), 增(zeng)強了體系(xi)的穩(wěn)定性, 擁(yong)有良(liang)好的剪切恢復(fu)特性, 有利(li)于3D 打印(yin); 而PPI20KGM3 配方(fang)具有更好(hao)的機械性能和(he)結(jié)構(gòu)強度(du), 但是由(you)于PPI 濃度過高(gao)影響KGM 形(xing)成穩(wěn)定凝膠(jiao)結(jié)構(gòu), 其剪切恢(hui)復特性較差(cha)。流變學參數(shù)(shu)η、τy、G'、屈服應(yīng)變及(ji)剪切(qie)恢復(fu)特性(xing)對油墨(mo)3D 打印過程(cheng)影響顯著。結(jié)論(lun) 通過調(diào)整3D 打(da)印精細化程(cheng)度(350 μm 和500 μm)和模(mo)型填充(chong)度, 生產(chǎn)了具(ju)有差異化質(zhì)構(gòu)(gou)的高蛋白含(han)量(15%, m:m)產(chǎn)品(pin)。其中, 部分(fen)產(chǎn)品的粘(zhan)性和彈性(xing)與真(zhen)實三文魚類似(shi), 這為開發(fā)3D 打(da)印生產(chǎn)(chan)植物基替(ti)代物(wu)提供了新的視(shi)角。

1、質(zhì)構(gòu)(gou)特性測(ce)試

通過流動自來(lai)水對三文魚排(pai)進行解凍(dong), 恢復(fu)至室溫(wen)約30 min 后, 沿魚排(pai)順肌(ji)纖維纖維切(qie)下尺寸(cun)一致的樣品(pin)(2 cm×1 cm×1 cm)與打印完(wan)成的(de)不同打印精(jing)度與模(mo)型填(tian)充度(du)的立方體(2×1×1 cm)進(jin)行質(zhì)地剖(pou)面分析(texture profile analysis, TPA)測試。實(shi)驗條件(jian)為: 兩(liang)次循環(huán)(huan)壓縮30%, 觸發(fā)(fa)力8 gf, 探頭(tou)移動速度為1 mm/s。每(mei)組設(shè)置3 組(zu)及以上平行(xing)測試。

2、結(jié)果分析(xi)

注: a: 硬(ying)度; b: 粘性; c: 彈性; d: 咀(ju)嚼性; e: 膠著(zhe)性; f 為真(zhen)實三文魚(yu), 以及(ji)不同模型填充(chong)度條(tiao)件下, 350 μm 和500 μm 噴頭打(da)印的產(chǎn)品彈(dan)性; 圖a~f 中(zhong)不同大寫字母(mu)表示組間差異(yi)顯著, P<0.05。

圖7 不(bu)同打印產(chǎn)(chan)品的(de)質(zhì)地剖(pou)面分析(a~e)和(he)與真(zhen)實三(san)文魚彈性的比(bi)較(f) (n=3)

為了探究不同(tong)打印噴(pen)嘴的產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)性差異, 本研(yan)究進(jin)行了TPA 測試(圖7a~e), 并(bing)分別對350 μm 和(he)500 μm的噴頭產(chǎn)品進(jin)行顯著性(xing)分析(圖7f)。

硬度是(shi)壓縮樣(yang)品所需(xu)的力, 可以(yi)模仿人(ren)口腔對固體(ti)或者(zhe)半固體的(de)咀嚼(jue)情況[50]。在(zai)圖7a 中, 隨著(zhe)模型填(tian)充度的上(shang)升, 500 μm 噴頭產(chǎn)品的(de)硬度從(cong)(59.3±25.3) gf 上升到了(le)(137.4±19.2) gf, 填充度上(shang)升提高了打印(yin)硬度。但對(dui)于350 μm 噴頭的產(chǎn)品(pin), 硬度并沒有上(shang)升, 且彼此(ci)之間并沒(mei)有顯著性(xing)差異, 不過填充(chong)度為40%時, 350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品硬度(du)大于500 μm。咀嚼性(xing)(圖7d)和(he)膠著性(圖7e)的(de)結(jié)果(guo)與硬度測(ce)量結(jié)果類似(shi), 即500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性隨模型(xing)填充度上(shang)升而上升; 但是(shi)350 μm 噴頭的產(chǎn)品基(ji)本沒有顯著性(xing)差異。不過, 在(zai)40%填充度時, 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)特性(xing)都顯著高于500 μm, 這(zhe)可能(neng)是精細化打(da)印提高了(le)產(chǎn)品(pin)內(nèi)部結(jié)(jie)構(gòu)的穩(wěn)定性(xing), 從而(er)改善(shan)質(zhì)構(gòu)特性。

粘性是克(ke)服樣品(pin)本身的粘(zhan)性而消(xiao)耗的能量, 代(dai)表著需要從(cong)牙齒或者(zhe)上顎去(qu)除粘附的食(shi)物所做的功(gong)。本研(yan)究中,隨著模型(xing)填充度上(shang)升, 350 μm 的噴頭產(chǎn)品(pin)的粘性(xing)均呈(cheng)現(xiàn)上升趨勢(shi)(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)文魚的粘性(xing)[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性(xing)是樣品去除形(xing)變后恢復到(dao)本來(lai)狀態(tài)的能力(li), 表現(xiàn)為食(shi)物被牙齒(chi)咬后恢復到(dao)原狀(zhuang)的能力。且彈性(xing)和魚的新(xin)鮮程度關(guān)聯(lián)(lian)性極大, 魚在屠(tu)宰、冰凍(dong)或者腐敗(bai)后, 彈性(xing)都會有一(yi)定程度的(de)下降。工業(yè)中(zhong), 工人通(tong)常使用(yong)“手指法"測量生(sheng)魚片的質(zhì)構(gòu)(gou)以了解(jie)其彈性(xing)是否適合進一(yi)步加工。在(zai)圖7c 中, 隨(sui)著模型填(tian)充度的上(shang)升, 500 μm 噴頭產(chǎn)品(pin)的彈性從(cong)0.41±0.06 上升到了0.58±0.03, 并且(qie)接近本次測(ce)量的三(san)文魚的彈性(xing)(0.61±0.03)。詳細的彈性(xing)數(shù)據(jù)對比如(ru)圖7f 所(suo)示, 真實(shi)三文魚肉的彈(dan)性和(he)500-70%的產(chǎn)品(pin)無顯著性差異(yi), 表明通過精(jing)細化(hua)打印(yin)和調(diào)控模(mo)型填(tian)充度, 可(ke)以對三文(wen)魚的質(zhì)構(gòu)(gou), 例如彈性進(jin)行還原。

綜上(shang), 通過不同噴頭(tou)對不同填(tian)充度的模(mo)型進行(xing)打印可以對(dui)產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)進行調(diào)控, 以(yi)接近真(zhen)實三(san)文魚的質(zhì)構(gòu)(gou),比如粘性和彈(dan)性; 且對于(yu)40%填充度(du)的模型, 使用更(geng)高精(jing)度的(de)350 μm 噴頭相較于500 μm 噴(pen)頭, 提高了(le)產(chǎn)品的(de)內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)(wen)定性和質(zhì)構(gòu)特(te)性。

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基于(yu)高精度3D 打印(yin)的三(san)文魚(yu)植物(wu)基替代物(wu)研究(jiu)