浙江大學(xué)(xue)生物系統(tǒng)工(gong)程與食(shi)品科學(xué)學(xué)院研(yan)究人(ren)員在國內(nèi)期(qi)刊《食(shi)品安全質(zhì)量檢(jian)測學(xué)(xue)報》發(fā)(fa)表了(le)題為"基于高精度(du)3D 打印的三(san)文魚植物基(ji)替代物(wu)研究"的研究(jiu)論文。在該論(lun)文中，研(yan)究人員使用(yong)上海騰拔Universal TA質(zhì)構(gòu)(gou)儀測定了三文魚排和3D 打(da)印植物基替(ti)代物的硬度、粘(zhan)性、彈性與(yu)咀嚼性等指(zhi)標。

摘 要: 目的 基于高精(jing)度3D 打印技術(shù)(shu)研究三文魚植(zhi)物基替代(dai)物。方法 以豌(wan)豆分離蛋白(bai)(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(konjac gum, KGM)和天然(ran)胡蘿卜(bo)粉為(wei)原輔(fu)料, 進行精(jing)準3D 復(fù)合打印(yin)生產(chǎn)(chan)模擬(ni)三文魚(yu)色澤、質(zhì)(zhi)構(gòu)的(de)植物基替代物(wu)?？疾觳?bu)同物料比(bi)例對(dui)油墨可打印(yin)性的影響(xiang); 選取有代表(biao)性的(de)油墨配方, 對其(qi)流變(bian)特性、水分(fen)分布情況(kuang)、微觀結(jié)(jie)構(gòu)進行表(biao)征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度的升(sheng)高都增(zeng)強了體(ti)系與水結(jié)合的(de)能力, 且PPI 濃度(du)過高(gao)時(20%, m:m)影響了(le)KGM 與水結(jié)(jie)合形成穩(wěn)(wen)定凝(ning)膠的(de)能力(li)。PPI15KGM5 配方可形(xing)成致密的網(wǎng)(wang)格結(jié)構(gòu)(gou), 增強(qiang)了體系的(de)穩(wěn)定性, 擁有良(liang)好的(de)剪切恢復(fù)(fu)特性, 有利于(yu)3D 打印(yin); 而PPI20KGM3 配方(fang)具有(you)更好的機械性(xing)能和結(jié)構(gòu)強度(du), 但是由于(yu)PPI 濃度過高影(ying)響KGM 形(xing)成穩(wěn)定凝膠結(jié)(jie)構(gòu), 其剪(jian)切恢復(fù)特(te)性較差。流變(bian)學(xué)參數(shù)(shu)η、τy、G'、屈服(fu)應(yīng)變(bian)及剪(jian)切恢復(fù)特性(xing)對油(you)墨3D 打印過(guo)程影響顯著。結(jié)論(lun) 通過調(diào)整3D 打(da)印精細(xi)化程度(350 μm 和500 μm)和(he)模型填充度, 生(sheng)產(chǎn)了具有差異(yi)化質(zhì)(zhi)構(gòu)的高蛋白含(han)量(15%, m:m)產(chǎn)品(pin)。其中, 部分產(chǎn)(chan)品的粘(zhan)性和彈性與真(zhen)實三(san)文魚類(lei)似, 這(zhe)為開(kai)發(fā)3D 打印生產(chǎn)(chan)植物(wu)基替代(dai)物提供了新的(de)視角。

1、質(zhì)構(gòu)特性(xing)測試

通過流動自(zi)來水(shui)對三文魚排(pai)進行解凍(dong), 恢復(fù)至室溫(wen)約30 min 后, 沿魚排(pai)順肌纖(xian)維纖維切下尺(chi)寸一(yi)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(mo)型填充(chong)度的立方(fang)體(2×1×1 cm)進行質(zhì)(zhi)地剖面分(fen)析(texture profile analysis, TPA)測(ce)試。實驗條件(jian)為: 兩(liang)次循環(huán)(huan)壓縮30%, 觸(chu)發(fā)力8 gf, 探頭移動(dong)速度(du)為1 mm/s。每組設(shè)置3 組(zu)及以上平行測(ce)試。

2、結(jié)果(guo)分析

注: a: 硬度; b: 粘(zhan)性; c: 彈性; d: 咀嚼(jue)性; e: 膠著性(xing); f 為真實(shi)三文魚, 以及不(bu)同模型(xing)填充度條件(jian)下, 350 μm 和500 μm 噴頭打(da)印的產(chǎn)品彈(dan)性; 圖a~f 中不同(tong)大寫字(zi)母表(biao)示組間(jian)差異顯著, P<0.05。

圖7 不(bu)同打印產(chǎn)(chan)品的質(zhì)地剖(pou)面分析(xi)(a~e)和與真實(shi)三文魚彈性的(de)比較(f) (n=3)

為了探究不同(tong)打印噴嘴的(de)產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)差異, 本研究進(jin)行了TPA 測試(圖(tu)7a~e), 并分別對350 μm 和500 μm的(de)噴頭產(chǎn)品(pin)進行顯著性分(fen)析(圖(tu)7f)。

硬度是壓(ya)縮樣品所需(xu)的力, 可以模仿(fang)人口腔對(dui)固體或者半(ban)固體的咀嚼(jue)情況[50]。在(zai)圖7a 中, 隨著模型(xing)填充度(du)的上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的硬(ying)度從(cong)(59.3±25.3) gf 上升到了(137.4±19.2) gf, 填充度上(shang)升提高了打印(yin)硬度(du)。但對(dui)于350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品(pin), 硬度并沒(mei)有上(shang)升, 且(qie)彼此之間(jian)并沒有(you)顯著(zhu)性差異(yi), 不過填充度(du)為40%時, 350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品硬度大于(yu)500 μm。咀嚼性(圖7d)和(he)膠著性(圖7e)的(de)結(jié)果(guo)與硬度測量(liang)結(jié)果類似, 即(ji)500 μm 噴頭產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性隨(sui)模型填充度(du)上升而上升(sheng); 但是350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品基本沒(mei)有顯著性(xing)差異(yi)。不過(guo), 在40%填充(chong)度時, 350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性(xing)都顯著(zhu)高于500 μm, 這可能(neng)是精細化打印(yin)提高了產(chǎn)品內(nèi)(nei)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定(ding)性, 從而改善質(zhì)(zhi)構(gòu)特性。

粘性是克服(fu)樣品本身(shen)的粘(zhan)性而消(xiao)耗的能(neng)量, 代表著(zhe)需要從牙(ya)齒或者上(shang)顎去(qu)除粘附的食(shi)物所做(zuo)的功。本研究中(zhong),隨著模(mo)型填充度上(shang)升, 350 μm 的噴頭(tou)產(chǎn)品的粘性(xing)均呈現(xiàn)上(shang)升趨勢(圖(tu)7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)品的(de)粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接(jie)近真實三文(wen)魚的粘性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈(dan)性是樣品(pin)去除形變后(hou)恢復(fù)到(dao)本來狀態(tài)的(de)能力, 表現(xiàn)為食(shi)物被牙齒咬后(hou)恢復(fù)到原(yuan)狀的能力。且彈(dan)性和魚的新鮮(xian)程度(du)關(guān)聯(lián)性極大(da), 魚在屠宰、冰凍(dong)或者腐敗(bai)后, 彈性(xing)都會有一定(ding)程度的下(xia)降。工業(yè)中(zhong), 工人通常(chang)使用“手(shou)指法"測(ce)量生魚(yu)片的(de)質(zhì)構(gòu)以了解其(qi)彈性是否適(shi)合進一步加工(gong)。在圖7c 中, 隨著(zhe)模型填充度(du)的上升, 500 μm 噴頭(tou)產(chǎn)品的彈性從(cong)0.41±0.06 上升到了0.58±0.03, 并且(qie)接近本(ben)次測量的三(san)文魚的(de)彈性(0.61±0.03)。詳(xiang)細的彈性數(shù)據(jù)(ju)對比如圖7f 所(suo)示, 真實三文魚(yu)肉的彈性和(he)500-70%的產(chǎn)品無顯(xian)著性差異, 表明(ming)通過精細化打(da)印和調(diào)控(kong)模型填(tian)充度(du), 可以對(dui)三文魚(yu)的質(zhì)構(gòu), 例如彈(dan)性進行還原(yuan)。

綜上, 通過不(bu)同噴頭對不同(tong)填充度的(de)模型(xing)進行打印可以(yi)對產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)進(jin)行調(diào)控, 以(yi)接近真實三(san)文魚(yu)的質(zhì)構(gòu),比如(ru)粘性和彈性; 且(qie)對于40%填充(chong)度的模型(xing), 使用更高精(jing)度的350 μm 噴頭相(xiang)較于500 μm 噴頭(tou), 提高了產(chǎn)(chan)品的內(nèi)(nei)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(ding)性和質(zhì)構(gòu)特性(xing)。

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基于高(gao)精度(du)3D 打印的三文魚(yu)植物(wu)基替代物研(yan)究