浙江大學(xue)生物(wu)系統(tǒng)(tong)工程與食品科(ke)學學院研(yan)究人員在國(guo)內期刊(kan)《食品安(an)全質量(liang)檢測(ce)學報》發(fā)表了(le)題為"基于(yu)高精度3D 打印(yin)的三文(wen)魚植物基替(ti)代物(wu)研究"的研究論文。在該論文中，研(yan)究人員使用(yong)上海騰拔Universal TA質構(gou)儀測定了三文魚排和3D 打(da)印植物基替代(dai)物的硬度、粘(zhan)性、彈性(xing)與咀嚼性(xing)等指(zhi)標。

摘 要: 目的(de) 基于高精(jing)度3D 打印技術(shu)研究三文魚植(zhi)物基替(ti)代物。方法 以豌豆分離蛋(dan)白(pea protein isolate,PPI)、魔芋(yu)膠(konjac gum, KGM)和天(tian)然胡蘿卜粉(fen)為原輔(fu)料, 進(jin)行精準3D 復(fu)合打印(yin)生產(chan)模擬三文魚色(se)澤、質構(gou)的植物基替代(dai)物?？疾觳?bu)同物料(liao)比例對油(you)墨可打印性的(de)影響; 選取有(you)代表性的油(you)墨配方, 對其(qi)流變特(te)性、水分分(fen)布情況、微觀結(jie)構進行(xing)表征。結果 PPI 和KGM 濃度的升(sheng)高都增(zeng)強了體(ti)系與水結(jie)合的能力, 且(qie)PPI 濃度過(guo)高時(20%, m:m)影響了KGM 與(yu)水結合形成穩(wěn)(wen)定凝(ning)膠的能(neng)力。PPI15KGM5 配方可形成(cheng)致密(mi)的網格結構, 增(zeng)強了體系的穩(wěn)(wen)定性, 擁有良(liang)好的剪切恢(hui)復特性, 有(you)利于3D 打印; 而PPI20KGM3 配(pei)方具(ju)有更好(hao)的機(ji)械性能(neng)和結構強(qiang)度, 但是由于PPI 濃(nong)度過高(gao)影響KGM 形成(cheng)穩(wěn)定凝膠(jiao)結構(gou), 其剪切恢(hui)復特性較差(cha)。流變學(xue)參數η、τy、G'、屈服應變(bian)及剪切恢復(fu)特性對油墨3D 打(da)印過程(cheng)影響顯著。結論 通過調(diao)整3D 打印精細(xi)化程度(du)(350 μm 和500 μm)和(he)模型(xing)填充度(du), 生產了具有(you)差異化質構(gou)的高蛋白(bai)含量(15%, m:m)產品(pin)。其中, 部分產(chan)品的粘性和(he)彈性與真實(shi)三文魚(yu)類似, 這為開發(fā)(fa)3D 打印生產(chan)植物基替(ti)代物提供了(le)新的視角。

1、質構特性測試(shi)

通過流動(dong)自來水對三(san)文魚(yu)排進行解凍(dong), 恢復至室溫約(yue)30 min 后, 沿(yan)魚排順肌纖維(wei)纖維切下(xia)尺寸一致的樣(yang)品(2 cm×1 cm×1 cm)與打印完(wan)成的不(bu)同打(da)印精度與模型(xing)填充度的立方(fang)體(2×1×1 cm)進行質(zhi)地剖面分析(xi)(texture profile analysis, TPA)測試(shi)。實驗條件為: 兩(liang)次循(xun)環(huán)壓縮30%, 觸發(fā)(fa)力8 gf, 探頭移動(dong)速度(du)為1 mm/s。每組(zu)設置3 組(zu)及以(yi)上平行(xing)測試。

2、結果分析

注: a: 硬度; b: 粘性; c: 彈(dan)性; d: 咀嚼性; e: 膠(jiao)著性; f 為真實三(san)文魚, 以及不(bu)同模型填(tian)充度條(tiao)件下, 350 μm 和500 μm 噴頭(tou)打印(yin)的產(chan)品彈性; 圖a~f 中不同(tong)大寫字母(mu)表示組間差(cha)異顯著, P<0.05。

圖7 不同打印產(chan)品的質(zhi)地剖面分析(a~e)和(he)與真(zhen)實三文魚彈性(xing)的比較(jiao)(f) (n=3)

為了探究不(bu)同打印噴(pen)嘴的產品(pin)的質(zhi)構特(te)性差異, 本研究(jiu)進行(xing)了TPA 測試(圖7a~e), 并分(fen)別對(dui)350 μm 和500 μm的噴頭(tou)產品進行顯著(zhu)性分(fen)析(圖7f)。

硬度是(shi)壓縮(suo)樣品所需的(de)力, 可(ke)以模(mo)仿人口腔(qiang)對固體或者半(ban)固體的(de)咀嚼情況[50]。在(zai)圖7a 中, 隨(sui)著模型填充度(du)的上升, 500 μm 噴頭(tou)產品的硬(ying)度從(59.3±25.3) gf 上升(sheng)到了(le)(137.4±19.2) gf, 填充度上升提(ti)高了打印硬度(du)。但對于350 μm 噴頭的(de)產品(pin), 硬度并(bing)沒有上升, 且彼(bi)此之(zhi)間并沒有顯著(zhu)性差(cha)異, 不過填(tian)充度為40%時, 350 μm 噴頭(tou)的產品(pin)硬度大于500 μm。咀嚼(jue)性(圖7d)和膠(jiao)著性(圖(tu)7e)的結(jie)果與硬度(du)測量(liang)結果類似, 即500 μm 噴(pen)頭產品的質構(gou)特性隨模(mo)型填充(chong)度上升而(er)上升(sheng); 但是350 μm 噴(pen)頭的產(chan)品基(ji)本沒(mei)有顯著性(xing)差異。不過, 在40%填(tian)充度時, 350 μm 噴(pen)頭的產品的質(zhi)構特性都(dou)顯著(zhu)高于500 μm, 這可能(neng)是精細化打(da)印提高了產(chan)品內部結構(gou)的穩(wěn)定(ding)性, 從而改(gai)善質構(gou)特性。

粘性是克服(fu)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(chi)或者上顎去除(chu)粘附的食物所(suo)做的功。本(ben)研究中(zhong),隨著模(mo)型填充度(du)上升, 350 μm 的噴頭產(chan)品的粘性均(jun)呈現上升趨(qu)勢(圖7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升到(dao)(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產品的粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接(jie)近真實三文(wen)魚的粘(zhan)性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性(xing)是樣品(pin)去除(chu)形變后(hou)恢復(fu)到本來狀態(tài)的(de)能力, 表現為食(shi)物被牙(ya)齒咬(yao)后恢復到(dao)原狀(zhuang)的能力。且彈性(xing)和魚的(de)新鮮程度關聯(lian)性極大, 魚在(zai)屠宰、冰凍(dong)或者(zhe)腐敗后(hou), 彈性(xing)都會有一定(ding)程度(du)的下降。工業(yè)中(zhong), 工人通常使(shi)用“手指法"測量(liang)生魚片的質(zhi)構以了解(jie)其彈性是否適(shi)合進一步(bu)加工。在(zai)圖7c 中, 隨(sui)著模型填充度(du)的上(shang)升, 500 μm 噴(pen)頭產品的(de)彈性(xing)從0.41±0.06 上升(sheng)到了(le)0.58±0.03, 并且(qie)接近本次測(ce)量的三文魚(yu)的彈性(0.61±0.03)。詳細(xi)的彈性(xing)數據對比如圖(tu)7f 所示, 真實三文(wen)魚肉(rou)的彈(dan)性和500-70%的(de)產品(pin)無顯著(zhu)性差異, 表明通(tong)過精細化(hua)打印和調控模(mo)型填(tian)充度, 可以(yi)對三(san)文魚的(de)質構, 例(li)如彈性進行還(hai)原。

綜上, 通過不(bu)同噴頭(tou)對不(bu)同填充(chong)度的模型進(jin)行打(da)印可以對產品(pin)的質構進(jin)行調控, 以接(jie)近真實(shi)三文魚(yu)的質構,比如粘(zhan)性和彈性; 且對(dui)于40%填充(chong)度的模型, 使用(yong)更高精(jing)度的350 μm 噴頭(tou)相較于(yu)500 μm 噴頭, 提高(gao)了產品的內部(bu)結構穩(wěn)(wen)定性和質(zhi)構特性。

原文(wen)下載(zai)鏈接

基于高精(jing)度3D 打印的三(san)文魚植物基替(ti)代物研究