浙江大學(xué)(xue)生物(wu)系統(tǒng)工程(cheng)與食(shi)品科學(xué)學(xué)(xue)院研究人(ren)員在國(guó)內(nèi)(nei)期刊《食(shi)品安(an)全質(zhì)量檢(jian)測(cè)學(xué)報(bào)》發(fā)表(biao)了題為(wei)"基于(yu)高精度3D 打印的(de)三文魚(yú)(yu)植物基替代(dai)物研究"的研究論文。在該論文(wen)中，研究人(ren)員使(shi)用上海騰拔Universal TA質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測(cè)(ce)定了三文魚(yú)排(pai)和3D 打(da)印植物基替(ti)代物的硬(ying)度、粘性(xing)、彈性(xing)與咀嚼性(xing)等指標(biāo)。

摘 要: 目的 基于高精度(du)3D 打印技術(shù)研(yan)究三(san)文魚(yú)植(zhi)物基(ji)替代物。方法 以豌豆分離蛋(dan)白(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(konjac gum, KGM)和天(tian)然胡(hu)蘿卜粉為原(yuan)輔料, 進(jìn)(jin)行精準(zhǔn)3D 復(fù)合(he)打印生(sheng)產(chǎn)模擬三文魚(yú)(yu)色澤、質(zhì)構(gòu)的(de)植物基替(ti)代物(wu)。考察不(bu)同物料比(bi)例對(duì)油墨(mo)可打印(yin)性的(de)影響; 選取有(you)代表性的油(you)墨配方, 對(duì)(dui)其流變特性、水(shui)分分布情況(kuang)、微觀結(jié)(jie)構(gòu)進(jìn)行表(biao)征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃(nong)度的升高都(dou)增強(qiáng)(qiang)了體(ti)系與水結(jié)(jie)合的(de)能力, 且PPI 濃度過(guò)(guo)高時(shí)(20%, m:m)影(ying)響了KGM 與水結(jié)(jie)合形成(cheng)穩(wěn)定凝(ning)膠的能力(li)。PPI15KGM5 配方可(ke)形成致(zhi)密的網(wǎng)格(ge)結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)(qiang)了體系的(de)穩(wěn)定性, 擁有(you)良好的剪(jian)切恢復(fù)特性(xing), 有利于3D 打印(yin); 而PPI20KGM3 配方具有更(geng)好的機(jī)(ji)械性能和(he)結(jié)構(gòu)(gou)強(qiáng)度, 但(dan)是由(you)于PPI 濃度(du)過(guò)高影響KGM 形成(cheng)穩(wěn)定凝膠結(jié)構(gòu)(gou), 其剪切恢(hui)復(fù)特性(xing)較差(cha)。流變(bian)學(xué)參(can)數(shù)η、τy、G'、屈服應(yīng)(ying)變及(ji)剪切恢復(fù)特(te)性對(duì)油墨(mo)3D 打印過(guò)程影響(xiang)顯著。結(jié)論 通過(guò)(guo)調(diào)整(zheng)3D 打印精細(xì)化(hua)程度(350 μm 和500 μm)和模型(xing)填充度, 生產(chǎn)了(le)具有差異化質(zhì)(zhi)構(gòu)的高蛋(dan)白含(han)量(15%, m:m)產(chǎn)品。其中, 部(bu)分產(chǎn)(chan)品的粘性和(he)彈性(xing)與真實(shí)三文(wen)魚(yú)類(lèi)(lei)似, 這為開(kāi)(kai)發(fā)3D 打印生產(chǎn)植(zhi)物基替代物(wu)提供(gong)了新(xin)的視角。

1、質(zhì)構(gòu)特性測(cè)試(shi)

通過(guò)流(liu)動(dòng)自來(lái)水(shui)對(duì)三(san)文魚(yú)排進(jìn)行解(jie)凍, 恢復(fù)至(zhi)室溫(wen)約30 min 后, 沿魚(yú)排(pai)順肌纖(xian)維纖維切下(xia)尺寸(cun)一致的樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與(yu)打印完成(cheng)的不同打印(yin)精度與模型(xing)填充度的立方(fang)體(2×1×1 cm)進(jìn)行質(zhì)(zhi)地剖面(mian)分析(texture profile analysis, TPA)測(cè)試(shi)。實(shí)驗(yàn)條件為: 兩(liang)次循環(huán)壓縮30%, 觸(chu)發(fā)力8 gf, 探頭移(yi)動(dòng)速度為1 mm/s。每組(zu)設(shè)置3 組及(ji)以上平(ping)行測(cè)試。

2、結(jié)果分(fen)析

注: a: 硬度; b: 粘(zhan)性; c: 彈性; d: 咀(ju)嚼性(xing); e: 膠著(zhe)性; f 為真實(shí)(shi)三文魚(yú), 以及(ji)不同(tong)模型填充度條(tiao)件下, 350 μm 和500 μm 噴頭打(da)印的(de)產(chǎn)品彈(dan)性; 圖a~f 中不同(tong)大寫(xiě)字母(mu)表示組間差異(yi)顯著, P<0.05。

圖7 不同打印(yin)產(chǎn)品的(de)質(zhì)地剖面分析(xi)(a~e)和與真實(shí)(shi)三文魚(yú)(yu)彈性的比(bi)較(f) (n=3)

為了探究(jiu)不同打印噴嘴(zui)的產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性差(cha)異, 本研究進(jìn)(jin)行了TPA 測(cè)(ce)試(圖7a~e), 并分(fen)別對(duì)350 μm 和500 μm的噴(pen)頭產(chǎn)品(pin)進(jìn)行顯著性(xing)分析(xi)(圖7f)。

硬度是壓縮樣(yang)品所需的(de)力, 可以模(mo)仿人口腔對(duì)(dui)固體或者(zhe)半固體(ti)的咀(ju)嚼情況[50]。在圖(tu)7a 中, 隨著模型填(tian)充度的(de)上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的硬度(du)從(59.3±25.3) gf 上升到(dao)了(137.4±19.2) gf, 填充度上升提(ti)高了(le)打印(yin)硬度。但對(duì)于350 μm 噴(pen)頭的(de)產(chǎn)品(pin), 硬度并沒(méi)(mei)有上升, 且(qie)彼此之(zhi)間并沒(méi)有顯著(zhu)性差(cha)異, 不過(guò)(guo)填充度為40%時(shí), 350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品硬(ying)度大于500 μm。咀嚼性(xing)(圖7d)和膠著性(xing)(圖7e)的(de)結(jié)果與硬度測(cè)(ce)量結(jié)果類(lèi)似, 即(ji)500 μm 噴頭(tou)產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性隨模(mo)型填(tian)充度上升而(er)上升; 但(dan)是350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品基本(ben)沒(méi)有顯(xian)著性(xing)差異。不過(guò), 在40%填(tian)充度時(shí)(shi), 350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)性都(dou)顯著高于500 μm, 這(zhe)可能是精細(xì)(xi)化打(da)印提高(gao)了產(chǎn)品內(nèi)部(bu)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性(xing), 從而(er)改善(shan)質(zhì)構(gòu)特性。

粘性是克服樣(yang)品本(ben)身的粘性而(er)消耗的能量, 代(dai)表著(zhe)需要從牙(ya)齒或者上(shang)顎去(qu)除粘附的(de)食物(wu)所做的(de)功。本研究中,隨(sui)著模型填充度(du)上升, 350 μm 的(de)噴頭(tou)產(chǎn)品(pin)的粘性均呈(cheng)現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖(tu)7b), 從(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(zhen)實(shí)三文魚(yú)(yu)的粘性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性(xing)是樣品去(qu)除形變后恢(hui)復(fù)到本來(lái)狀(zhuang)態(tài)的能力(li), 表現(xiàn)為食(shi)物被(bei)牙齒咬后(hou)恢復(fù)到原狀(zhuang)的能力。且彈(dan)性和魚(yú)的新(xin)鮮程度(du)關(guān)聯(lián)性極大(da), 魚(yú)在屠宰、冰凍(dong)或者腐敗后, 彈(dan)性都會(huì)有(you)一定(ding)程度的(de)下降。工業(yè)(ye)中, 工人通常(chang)使用“手指(zhi)法"測(cè)量生魚(yú)(yu)片的質(zhì)構(gòu)(gou)以了解(jie)其彈(dan)性是否適合(he)進(jìn)一步加工。在(zai)圖7c 中, 隨著模(mo)型填(tian)充度(du)的上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)(chan)品的彈性(xing)從0.41±0.06 上(shang)升到了(le)0.58±0.03, 并且接近本(ben)次測(cè)量的三文(wen)魚(yú)的彈性(0.61±0.03)。詳(xiang)細(xì)的彈性(xing)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖(tu)7f 所示, 真(zhen)實(shí)三文魚(yú)(yu)肉的彈性和500-70%的(de)產(chǎn)品無(wú)(wu)顯著性差(cha)異, 表(biao)明通(tong)過(guò)精細(xì)化(hua)打印(yin)和調(diào)控模(mo)型填(tian)充度, 可以對(duì)三(san)文魚(yú)的質(zhì)(zhi)構(gòu), 例如彈(dan)性進(jìn)行還(hai)原。

綜上, 通過(guò)不(bu)同噴頭(tou)對(duì)不同填(tian)充度(du)的模型(xing)進(jìn)行打(da)印可以對(duì)(dui)產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)進(jìn)行(xing)調(diào)控, 以接近(jin)真實(shí)三文(wen)魚(yú)的質(zhì)構(gòu),比(bi)如粘性和彈(dan)性; 且(qie)對(duì)于40%填充度的(de)模型, 使用更高(gao)精度(du)的350 μm 噴(pen)頭相(xiang)較于500 μm 噴頭, 提高(gao)了產(chǎn)品(pin)的內(nèi)(nei)部結(jié)(jie)構(gòu)穩(wěn)定性(xing)和質(zhì)構(gòu)特(te)性。

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基于高精度(du)3D 打印的(de)三文魚(yú)植物基(ji)替代(dai)物研究