浙江大學(xué)生物(wu)系統(tǒng)工程與食(shi)品科學(xué)學(xué)院(yuan)研究人員(yuan)在國內(nèi)期刊(kan)《食品安全質(zhì)(zhi)量檢測學(xué)報》發(fā)(fa)表了題為"基于高精度(du)3D 打印的三文魚(yu)植物(wu)基替代物研(yan)究"的研究論文(wen)。在該論文(wen)中，研究(jiu)人員使用上海(hai)騰拔Universal TA質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測定了(le)三文魚(yu)排和3D 打印植(zhi)物基(ji)替代(dai)物的硬(ying)度、粘性、彈性與(yu)咀嚼性等指(zhi)標(biāo)。

摘 要: 目的 基于高(gao)精度(du)3D 打印(yin)技術(shù)研(yan)究三文魚植(zhi)物基(ji)替代物。方法 以豌豆分離(li)蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔(mo)芋膠(konjac gum, KGM)和天(tian)然胡蘿卜(bo)粉為原輔(fu)料, 進(jin)行精準(zhǔn)3D 復(fù)合(he)打印生(sheng)產(chǎn)模擬三文(wen)魚色澤、質(zhì)(zhi)構(gòu)的(de)植物基(ji)替代(dai)物?？疾觳?bu)同物料比例(li)對油墨(mo)可打印性(xing)的影(ying)響; 選取(qu)有代表性(xing)的油(you)墨配方, 對其(qi)流變特性、水(shui)分分(fen)布情況(kuang)、微觀結(jié)構(gòu)進(jin)行表征(zheng)。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度的(de)升高都增強了(le)體系(xi)與水(shui)結(jié)合的能(neng)力, 且(qie)PPI 濃度過高(gao)時(20%, m:m)影響了(le)KGM 與水結(jié)合形成(cheng)穩(wěn)定凝膠(jiao)的能(neng)力。PPI15KGM5 配方可(ke)形成致密的(de)網(wǎng)格結(jié)構(gòu), 增(zeng)強了體(ti)系的穩(wěn)(wen)定性, 擁有良好(hao)的剪切恢復(fù)特(te)性, 有利于(yu)3D 打印; 而PPI20KGM3 配方(fang)具有(you)更好的機械(xie)性能和結(jié)構(gòu)(gou)強度, 但是由于(yu)PPI 濃度過(guo)高影響KGM 形(xing)成穩(wěn)定凝膠結(jié)(jie)構(gòu), 其剪(jian)切恢復(fù)(fu)特性較差。流(liu)變學(xué)參數(shù)η、τy、G'、屈服(fu)應(yīng)變及剪(jian)切恢復(fù)特(te)性對油(you)墨3D 打(da)印過程(cheng)影響(xiang)顯著。結(jié)論 通過調(diào)(diao)整3D 打印精(jing)細化程度(du)(350 μm 和500 μm)和模型填充(chong)度, 生產(chǎn)(chan)了具有(you)差異化質(zhì)構(gòu)(gou)的高蛋白(bai)含量(15%, m:m)產(chǎn)(chan)品。其中, 部(bu)分產(chǎn)品(pin)的粘性和彈(dan)性與真實三(san)文魚類似, 這(zhe)為開發(fā)3D 打(da)印生產(chǎn)植物(wu)基替代(dai)物提供了新(xin)的視角。

1、質(zhì)構(gòu)特性(xing)測試

通過(guo)流動(dong)自來水對三(san)文魚排進行解(jie)凍, 恢復(fù)至室(shi)溫約(yue)30 min 后, 沿魚(yu)排順肌(ji)纖維纖維切下(xia)尺寸一(yi)致的樣(yang)品(2 cm×1 cm×1 cm)與打印完成(cheng)的不同打(da)印精度(du)與模(mo)型填充(chong)度的立方體(2×1×1 cm)進(jin)行質(zhì)(zhi)地剖(pou)面分析(texture profile analysis, TPA)測試(shi)。實驗條件為(wei): 兩次循環(huán)(huan)壓縮30%, 觸發(fā)力(li)8 gf, 探頭移動速度(du)為1 mm/s。每組設(shè)(she)置3 組及以(yi)上平行測試。

2、結(jié)果分析

注: a: 硬度(du); b: 粘性; c: 彈性(xing); d: 咀嚼性; e: 膠著(zhe)性; f 為真(zhen)實三文魚, 以(yi)及不同模型(xing)填充度條(tiao)件下, 350 μm 和500 μm 噴頭打(da)印的產(chǎn)(chan)品彈(dan)性; 圖(tu)a~f 中不同大寫字(zi)母表(biao)示組間差異(yi)顯著(zhu), P<0.05。

圖7 不同打印產(chǎn)(chan)品的(de)質(zhì)地(di)剖面分(fen)析(a~e)和與(yu)真實(shi)三文魚彈性的(de)比較(f) (n=3)

為了探究不(bu)同打印噴(pen)嘴的產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性差異, 本研(yan)究進行了(le)TPA 測試(圖(tu)7a~e), 并分別對(dui)350 μm 和500 μm的噴(pen)頭產(chǎn)品進行(xing)顯著性分析(xi)(圖7f)。

硬度是壓(ya)縮樣品(pin)所需的力, 可(ke)以模(mo)仿人(ren)口腔(qiang)對固體(ti)或者半固體(ti)的咀嚼(jue)情況(kuang)[50]。在圖7a 中(zhong), 隨著模型(xing)填充度的(de)上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)(chan)品的(de)硬度從(59.3±25.3) gf 上升到(dao)了(137.4±19.2) gf, 填充(chong)度上升提高了(le)打印硬度(du)。但對于350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品, 硬度(du)并沒有(you)上升, 且彼此之(zhi)間并沒有顯(xian)著性差(cha)異, 不過填(tian)充度為40%時, 350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)(chan)品硬度大于500 μm。咀(ju)嚼性(圖7d)和膠(jiao)著性(圖7e)的結(jié)果(guo)與硬度(du)測量結(jié)(jie)果類(lei)似, 即500 μm 噴頭產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特性隨模型(xing)填充度上升(sheng)而上升(sheng); 但是350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品基本(ben)沒有顯(xian)著性差(cha)異。不過, 在40%填充(chong)度時, 350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特性都顯(xian)著高于500 μm, 這可能(neng)是精細(xi)化打印(yin)提高了產(chǎn)品內(nèi)(nei)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)(wen)定性, 從而(er)改善質(zhì)構(gòu)(gou)特性。

粘性是克服樣(yang)品本身的(de)粘性(xing)而消耗的能(neng)量, 代表著需要(yao)從牙齒(chi)或者上顎(e)去除粘(zhan)附的(de)食物所做的(de)功。本研(yan)究中,隨著(zhe)模型填(tian)充度上升, 350 μm 的(de)噴頭產(chǎn)品的粘(zhan)性均呈現(xiàn)上升(sheng)趨勢(圖7b), 從(cong)(3.92±1.68) gf-mm 升到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)(chan)品的粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接(jie)近真(zhen)實三文魚的粘(zhan)性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是樣品(pin)去除形變后恢(hui)復(fù)到(dao)本來狀態(tài)的(de)能力, 表現(xiàn)為食(shi)物被牙齒(chi)咬后恢復(fù)(fu)到原狀(zhuang)的能力。且彈(dan)性和魚的新鮮(xian)程度關(guān)聯(lián)性(xing)極大, 魚在屠宰(zai)、冰凍或者腐(fu)敗后, 彈性都(dou)會有一定(ding)程度的(de)下降。工(gong)業(yè)中, 工人通(tong)常使用“手指(zhi)法"測量(liang)生魚片的質(zhì)(zhi)構(gòu)以了解其(qi)彈性是(shi)否適合進一步(bu)加工。在圖7c 中(zhong), 隨著模(mo)型填充度的上(shang)升, 500 μm 噴頭(tou)產(chǎn)品的(de)彈性從0.41±0.06 上升(sheng)到了0.58±0.03, 并且接(jie)近本次測量的(de)三文魚的彈性(xing)(0.61±0.03)。詳細的彈性(xing)數(shù)據(jù)對比如(ru)圖7f 所示, 真實(shi)三文(wen)魚肉的彈性(xing)和500-70%的(de)產(chǎn)品無(wu)顯著性差異(yi), 表明通(tong)過精細(xi)化打(da)印和調(diào)(diao)控模型(xing)填充度, 可(ke)以對三文(wen)魚的質(zhì)構(gòu), 例如(ru)彈性進行還原(yuan)。

綜上, 通過不(bu)同噴頭(tou)對不同填(tian)充度的模(mo)型進行打(da)印可以(yi)對產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)進行調(diào)控(kong), 以接近(jin)真實三文魚的(de)質(zhì)構(gòu),比(bi)如粘性(xing)和彈性; 且(qie)對于40%填充(chong)度的(de)模型(xing), 使用更高精(jing)度的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(bu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和(he)質(zhì)構(gòu)(gou)特性。

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基于高精(jing)度3D 打印的(de)三文魚植物基(ji)替代(dai)物研究