浙江大學(xué)生(sheng)物系統(tǒng)工程(cheng)與食品科學(xué)(xue)學(xué)院研究人員(yuan)在國(guó)(guo)內(nèi)期刊《食品(pin)安全(quan)質(zhì)量(liang)檢測(cè)學(xué)報(bào)(bao)》發(fā)表了題為(wei)"基于高精(jing)度3D 打印的(de)三文魚(yú)植(zhi)物基(ji)替代物(wu)研究"的研究論文(wen)。在該論文(wen)中，研究人員使(shi)用上海騰拔Universal TA質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測(cè)(ce)定了三文魚(yú)排和(he)3D 打印植物基替(ti)代物(wu)的硬度(du)、粘性、彈性(xing)與咀嚼性等指(zhi)標(biāo)。

摘 要: 目的(de) 基于高(gao)精度3D 打印技(ji)術(shù)研究三文(wen)魚(yú)植物基替(ti)代物。方法 以豌豆(dou)分離蛋(dan)白(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(jiao)(konjac gum, KGM)和天然(ran)胡蘿卜粉為(wei)原輔料(liao), 進(jìn)行精準(zhǔn)3D 復(fù)合(he)打印生產(chǎn)模擬(ni)三文(wen)魚(yú)色澤(ze)、質(zhì)構(gòu)的植物(wu)基替代物(wu)?？疾觳?bu)同物料(liao)比例對(duì)油(you)墨可打印性的(de)影響; 選取有代(dai)表性的(de)油墨配方, 對(duì)其(qi)流變(bian)特性(xing)、水分分(fen)布情(qing)況、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)(jin)行表征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃(nong)度的升(sheng)高都增強(qiáng)了(le)體系與水結(jié)(jie)合的(de)能力, 且PPI 濃度過(guò)(guo)高時(shí)(20%, m:m)影響(xiang)了KGM 與水結(jié)(jie)合形成穩(wěn)定凝(ning)膠的(de)能力。PPI15KGM5 配(pei)方可(ke)形成致(zhi)密的網(wǎng)格結(jié)(jie)構(gòu), 增強(qiáng)了(le)體系的穩(wěn)定(ding)性, 擁有良好(hao)的剪切恢(hui)復(fù)特(te)性, 有利于3D 打(da)印; 而PPI20KGM3 配方(fang)具有(you)更好的機(jī)(ji)械性能和(he)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度, 但是(shi)由于PPI 濃度(du)過(guò)高(gao)影響KGM 形成(cheng)穩(wěn)定凝膠結(jié)構(gòu)(gou), 其剪切恢(hui)復(fù)特性較差(cha)。流變學(xué)參數(shù)η、τy、G'、屈(qu)服應(yīng)變及(ji)剪切恢復(fù)特性(xing)對(duì)油墨3D 打印過(guò)(guo)程影(ying)響顯著。結(jié)論 通過(guò)(guo)調(diào)整3D 打印精(jing)細(xì)化程度(350 μm 和500 μm)和(he)模型填充(chong)度, 生產(chǎn)了(le)具有(you)差異化質(zhì)構(gòu)(gou)的高(gao)蛋白含量(15%, m:m)產(chǎn)品(pin)。其中, 部分產(chǎn)(chan)品的粘(zhan)性和彈(dan)性與真實(shí)三(san)文魚(yú)類(lèi)似(shi), 這為開(kāi)發(fā)(fa)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(te)性測(cè)試

通過(guò)流動(dòng)自來(lái)(lai)水對(duì)三文(wen)魚(yú)排進(jìn)行(xing)解凍, 恢復(fù)至(zhi)室溫約30 min 后(hou), 沿魚(yú)排(pai)順肌纖維纖維(wei)切下尺寸(cun)一致(zhi)的樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與打(da)印完成的不(bu)同打(da)印精度與模(mo)型填充(chong)度的立方體(2×1×1 cm)進(jìn)(jin)行質(zhì)地(di)剖面分析(texture profile analysis, TPA)測(cè)試(shi)。實(shí)驗(yàn)條(tiao)件為: 兩次(ci)循環(huán)壓縮30%, 觸發(fā)(fa)力8 gf, 探頭移動(dòng)速(su)度為1 mm/s。每組設(shè)置(zhi)3 組及以上平行(xing)測(cè)試。

2、結(jié)果分析(xi)

注: a: 硬度(du); b: 粘性; c: 彈性; d: 咀嚼(jue)性; e: 膠(jiao)著性; f 為真實(shí)(shi)三文魚(yú), 以及不(bu)同模(mo)型填充(chong)度條(tiao)件下(xia), 350 μm 和500 μm 噴(pen)頭打印的產(chǎn)(chan)品彈(dan)性; 圖a~f 中不同(tong)大寫(xiě)(xie)字母(mu)表示組(zu)間差異顯著(zhu), P<0.05。

圖7 不(bu)同打印產(chǎn)品(pin)的質(zhì)地剖(pou)面分析(a~e)和(he)與真(zhen)實(shí)三文(wen)魚(yú)彈性的比(bi)較(f) (n=3)

為了探(tan)究不同打印噴(pen)嘴的產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特性差異, 本(ben)研究進(jìn)(jin)行了TPA 測(cè)試(圖(tu)7a~e), 并分(fen)別對(duì)350 μm 和500 μm的噴(pen)頭產(chǎn)品(pin)進(jìn)行(xing)顯著性分析(圖(tu)7f)。

硬度是(shi)壓縮樣(yang)品所需的力(li), 可以模仿(fang)人口腔對(duì)固(gu)體或(huo)者半固體的(de)咀嚼情況[50]。在(zai)圖7a 中(zhong), 隨著模型填充(chong)度的上升, 500 μm 噴頭(tou)產(chǎn)品的硬度從(cong)(59.3±25.3) gf 上升到了(137.4±19.2) gf, 填充度上升(sheng)提高了打(da)印硬(ying)度。但對(duì)(dui)于350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品, 硬度(du)并沒(méi)有上升(sheng), 且彼此(ci)之間并沒(méi)有(you)顯著性差異(yi), 不過(guò)填充(chong)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(jiao)著性(xing)(圖7e)的(de)結(jié)果與硬(ying)度測(cè)量結(jié)(jie)果類(lèi)似(shi), 即500 μm 噴頭產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)特性(xing)隨模型填充(chong)度上升而上(shang)升; 但是350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品基本(ben)沒(méi)有顯著性差(cha)異。不過(guò), 在(zai)40%填充度時(shí), 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性都顯著(zhu)高于500 μm, 這可能是(shi)精細(xì)化打(da)印提高了產(chǎn)(chan)品內(nèi)部(bu)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性(xing), 從而改善質(zhì)(zhi)構(gòu)特性(xing)。

粘性是(shi)克服樣品本(ben)身的粘性(xing)而消耗的(de)能量, 代表著(zhe)需要從牙(ya)齒或者上顎去(qu)除粘附的食物(wu)所做(zuo)的功。本研究中(zhong),隨著(zhe)模型填充度(du)上升, 350 μm 的噴頭產(chǎn)(chan)品的粘(zhan)性均呈現(xiàn)上(shang)升趨勢(shì)(圖7b), 從(cong)(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]接近真(zhen)實(shí)三文魚(yú)的(de)粘性(xing)[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是樣品(pin)去除形(xing)變后恢復(fù)(fu)到本來(lái)(lai)狀態(tài)的(de)能力, 表現(xiàn)為食(shi)物被(bei)牙齒咬后恢(hui)復(fù)到原(yuan)狀的能(neng)力。且彈性和(he)魚(yú)的新鮮程(cheng)度關(guān)聯(lián)(lian)性極大, 魚(yú)在屠(tu)宰、冰(bing)凍或者(zhe)腐敗(bai)后, 彈性都會(huì)(hui)有一定程(cheng)度的下(xia)降。工業(yè)中, 工(gong)人通常(chang)使用(yong)“手指法"測(cè)量生(sheng)魚(yú)片的質(zhì)構(gòu)以(yi)了解其彈性(xing)是否適合(he)進(jìn)一步加工。在(zai)圖7c 中(zhong), 隨著(zhe)模型填充度(du)的上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品(pin)的彈(dan)性從0.41±0.06 上(shang)升到(dao)了0.58±0.03, 并且接(jie)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)顯著(zhu)性差異, 表明(ming)通過(guò)精細(xì)化打(da)印和調(diào)控模(mo)型填充度(du), 可以(yi)對(duì)三(san)文魚(yú)的質(zhì)構(gòu), 例(li)如彈(dan)性進(jìn)行還原(yuan)。

綜上(shang), 通過(guò)不同(tong)噴頭對(duì)不同填(tian)充度的(de)模型(xing)進(jìn)行(xing)打印(yin)可以(yi)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)(gou)進(jìn)行(xing)調(diào)控, 以接(jie)近真實(shí)三文(wen)魚(yú)的質(zhì)構(gòu),比(bi)如粘(zhan)性和(he)彈性(xing); 且對(duì)(dui)于40%填(tian)充度的模(mo)型, 使用更高(gao)精度的350 μm 噴頭(tou)相較于500 μm 噴頭(tou), 提高(gao)了產(chǎn)品(pin)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(gou)穩(wěn)定性和質(zhì)構(gòu)(gou)特性。

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基于高精度3D 打(da)印的三文魚(yú)植(zhi)物基替(ti)代物(wu)研究