浙江大學(xué)生(sheng)物系統(tǒng)(tong)工程(cheng)與食品科(ke)學(xué)學(xué)(xue)院研究(jiu)人員在國內(nèi)期(qi)刊《食品安(an)全質(zhì)量(liang)檢測學(xué)報(bào)》發(fā)表(biao)了題為"基于高精(jing)度3D 打印的(de)三文魚植物(wu)基替代物研(yan)究"的研究論文(wen)。在該論文中(zhong)，研究(jiu)人員使用上海(hai)騰拔(ba)Universal TA質(zhì)構(gòu)儀測定了(le)三文魚排和(he)3D 打印(yin)植物基替(ti)代物的硬度、粘(zhan)性、彈性與咀(ju)嚼性等指標(biāo)(biao)。

摘 要: 目的 基于高精度3D 打(da)印技術(shù)(shu)研究三文(wen)魚植(zhi)物基(ji)替代物。方法(fa) 以豌豆分離蛋(dan)白(pea protein isolate,PPI)、魔芋(yu)膠(konjac gum, KGM)和天然胡蘿(luo)卜粉(fen)為原輔料, 進(jìn)行(xing)精準(zhǔn)3D 復(fù)合(he)打印生產(chǎn)模擬(ni)三文魚色澤、質(zhì)(zhi)構(gòu)的植(zhi)物基替代(dai)物?？疾觳煌?wu)料比例對油(you)墨可打印性(xing)的影響; 選(xuan)取有代(dai)表性的油墨(mo)配方, 對其流(liu)變特(te)性、水分(fen)分布情況、微(wei)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)(jin)行表(biao)征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度的(de)升高都增(zeng)強(qiáng)了體(ti)系與(yu)水結(jié)(jie)合的能力, 且(qie)PPI 濃度過高(gao)時(shí)(20%, m:m)影(ying)響了KGM 與水(shui)結(jié)合形成穩(wěn)(wen)定凝(ning)膠的能力。PPI15KGM5 配(pei)方可形(xing)成致密的網(wǎng)格(ge)結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)了體(ti)系的穩(wěn)(wen)定性, 擁有良(liang)好的剪切恢復(fù)(fu)特性, 有利于3D 打(da)印; 而PPI20KGM3 配(pei)方具有更好(hao)的機(jī)械性能和(he)結(jié)構(gòu)強(qiáng)(qiang)度, 但是由(you)于PPI 濃度過高(gao)影響KGM 形成穩(wěn)定(ding)凝膠結(jié)構(gòu), 其剪(jian)切恢復(fù)特性(xing)較差。流變學(xué)參(can)數(shù)η、τy、G'、屈服應(yīng)變(bian)及剪(jian)切恢復(fù)特性(xing)對油(you)墨3D 打印過程影(ying)響顯著。結(jié)論 通過調(diào)整3D 打(da)印精細(xì)化(hua)程度(350 μm 和500 μm)和模型(xing)填充度, 生(sheng)產(chǎn)了具有差(cha)異化質(zhì)(zhi)構(gòu)的高蛋(dan)白含(han)量(15%, m:m)產(chǎn)品(pin)。其中, 部分產(chǎn)(chan)品的粘性和(he)彈性與真實(shí)(shi)三文魚類似, 這(zhe)為開發(fā)3D 打印生(sheng)產(chǎn)植物(wu)基替代物(wu)提供了新(xin)的視角(jiao)。

1、質(zhì)構(gòu)特性測試(shi)

通過流(liu)動自(zi)來水對三(san)文魚排進(jìn)(jin)行解凍, 恢復(fù)(fu)至室溫(wen)約30 min 后(hou), 沿魚排(pai)順肌纖維(wei)纖維切(qie)下尺寸一致的(de)樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與打(da)印完(wan)成的不同打印(yin)精度與模型填(tian)充度的立方(fang)體(2×1×1 cm)進(jìn)行質(zhì)(zhi)地剖面分析(xi)(texture profile analysis, TPA)測試。實(shí)驗(yàn)(yan)條件為: 兩次(ci)循環(huán)(huan)壓縮30%, 觸發(fā)(fa)力8 gf, 探(tan)頭移(yi)動速(su)度為1 mm/s。每組(zu)設(shè)置3 組及以(yi)上平行測試(shi)。

2、結(jié)果分析

注: a: 硬(ying)度; b: 粘性; c: 彈性(xing); d: 咀嚼性(xing); e: 膠著(zhe)性; f 為(wei)真實(shí)三文(wen)魚, 以及不(bu)同模型填充度(du)條件下, 350 μm 和500 μm 噴頭(tou)打印的(de)產(chǎn)品(pin)彈性; 圖a~f 中(zhong)不同(tong)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(di)剖面分析(a~e)和與(yu)真實(shí)三(san)文魚彈性的(de)比較(f) (n=3)

為了探究不同(tong)打印噴嘴(zui)的產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性差異(yi), 本研究進(jìn)行(xing)了TPA 測(ce)試(圖7a~e), 并分(fen)別對350 μm 和(he)500 μm的噴頭產(chǎn)品(pin)進(jìn)行顯著性分(fen)析(圖7f)。

硬度是(shi)壓縮(suo)樣品所需(xu)的力, 可以模仿(fang)人口(kou)腔對(dui)固體或者半固(gu)體的(de)咀嚼情況[50]。在(zai)圖7a 中(zhong), 隨著模型(xing)填充度的(de)上升, 500 μm 噴頭產(chǎn)品(pin)的硬度從(59.3±25.3) gf 上(shang)升到了(137.4±19.2) gf, 填充度(du)上升提(ti)高了打(da)印硬度(du)。但對于350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品, 硬(ying)度并(bing)沒有(you)上升(sheng), 且彼此之間(jian)并沒有顯著性(xing)差異, 不過(guo)填充(chong)度為40%時(shí)(shi), 350 μm 噴頭的產(chǎn)品(pin)硬度大(da)于500 μm。咀嚼性(圖(tu)7d)和膠(jiao)著性(圖7e)的結(jié)果(guo)與硬度測量結(jié)(jie)果類似, 即500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性隨模(mo)型填充度(du)上升而上(shang)升; 但(dan)是350 μm 噴頭的產(chǎn)品(pin)基本沒有顯(xian)著性差異(yi)。不過, 在(zai)40%填充(chong)度時(shí), 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)(chan)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性都(dou)顯著高于(yu)500 μm, 這可能是(shi)精細(xì)化打印(yin)提高了產(chǎn)品內(nèi)(nei)部結(jié)構(gòu)(gou)的穩(wěn)定性, 從(cong)而改善(shan)質(zhì)構(gòu)特性。

粘性是克(ke)服樣品本身(shen)的粘性而消耗(hao)的能量, 代表(biao)著需要從牙齒(chi)或者上顎去除(chu)粘附的食物所(suo)做的功。本研(yan)究中,隨著模(mo)型填(tian)充度(du)上升, 350 μm 的噴(pen)頭產(chǎn)品(pin)的粘性(xing)均呈現(xiàn)上(shang)升趨(qu)勢(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)近真實(shí)三文魚(yu)的粘性(xing)[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是樣品去(qu)除形變(bian)后恢復(fù)到本(ben)來狀態(tài)的能力(li), 表現(xiàn)為食物被(bei)牙齒咬后恢(hui)復(fù)到原狀(zhuang)的能力。且(qie)彈性和(he)魚的(de)新鮮程(cheng)度關(guān)聯(lián)性極大(da), 魚在屠宰(zai)、冰凍或者(zhe)腐敗后, 彈性都(dou)會有一(yi)定程度的下(xia)降。工(gong)業(yè)中, 工人(ren)通常使(shi)用“手指(zhi)法"測量生魚(yu)片的質(zhì)構(gòu)以了(le)解其彈(dan)性是否適合進(jìn)(jin)一步(bu)加工。在圖(tu)7c 中, 隨著模型填(tian)充度的(de)上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)品的(de)彈性(xing)從0.41±0.06 上升到(dao)了0.58±0.03, 并且接近本(ben)次測量的三(san)文魚的彈(dan)性(0.61±0.03)。詳細(xì)的彈性(xing)數(shù)據(jù)對比(bi)如圖7f 所示, 真(zhen)實(shí)三文魚肉(rou)的彈(dan)性和500-70%的產(chǎn)品無(wu)顯著性(xing)差異, 表明通(tong)過精細(xì)化打(da)印和調(diào)控模(mo)型填充度, 可(ke)以對(dui)三文魚的質(zhì)(zhi)構(gòu), 例如(ru)彈性進(jìn)行還原(yuan)。

綜上(shang), 通過不(bu)同噴頭對不(bu)同填充(chong)度的(de)模型(xing)進(jìn)行打印可(ke)以對產(chǎn)(chan)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控(kong), 以接近真(zhen)實(shí)三(san)文魚的質(zhì)(zhi)構(gòu),比如粘性和(he)彈性; 且對于40%填(tian)充度(du)的模型, 使(shi)用更高精(jing)度的350 μm 噴頭相較(jiao)于500 μm 噴頭, 提高(gao)了產(chǎn)品的內(nèi)部(bu)結(jié)構(gòu)(gou)穩(wěn)定性(xing)和質(zhì)構(gòu)特性。

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基于高精度(du)3D 打印的三文魚(yu)植物基替代物(wu)研究