浙江(jiang)大學(xué)生物系統(tǒng)(tong)工程與食(shi)品科(ke)學(xué)學(xué)院研(yan)究人員在國內(nèi)(nei)期刊《食品(pin)安全質(zhì)量檢測(ce)學(xué)報》發(fā)(fa)表了題(ti)為"基于高精度3D 打(da)印的三文魚植(zhi)物基(ji)替代物研究(jiu)"的研究論(lun)文。在該論文中(zhong)，研究人員(yuan)使用(yong)上海(hai)騰拔Universal TA質(zhì)構(gòu)儀(yi)測定了三文魚(yu)排和3D 打(da)印植物基替代(dai)物的硬度、粘(zhan)性、彈性與咀嚼(jue)性等(deng)指標(biāo)。

摘 要: 目的 基于高(gao)精度(du)3D 打印技術(shù)研(yan)究三文魚植(zhi)物基替代物(wu)。方法 以豌豆分離蛋(dan)白(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(jiao)(konjac gum, KGM)和天然胡蘿(luo)卜粉為原輔(fu)料, 進行精準(zhǔn)(zhun)3D 復(fù)合打印(yin)生產(chǎn)(chan)模擬三文魚色(se)澤、質(zhì)構(gòu)的植(zhi)物基替(ti)代物。考察不同(tong)物料比例對(dui)油墨(mo)可打印性(xing)的影(ying)響; 選取(qu)有代(dai)表性的(de)油墨配方(fang), 對其流(liu)變特性、水分(fen)分布情況(kuang)、微觀結(jié)構(gòu)進行(xing)表征。結(jié)果(guo) PPI 和KGM 濃度的升(sheng)高都增強(qiang)了體系與水結(jié)(jie)合的能力, 且(qie)PPI 濃度過(guo)高時(shi)(20%, m:m)影響(xiang)了KGM 與(yu)水結(jié)合形成(cheng)穩(wěn)定凝膠的能(neng)力。PPI15KGM5 配方可形(xing)成致密(mi)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu), 增(zeng)強了(le)體系的穩(wěn)(wen)定性, 擁有良(liang)好的剪切(qie)恢復(fù)特(te)性, 有(you)利于3D 打印; 而(er)PPI20KGM3 配方具(ju)有更好的機械(xie)性能和結(jié)構(gòu)(gou)強度, 但是由于(yu)PPI 濃度過高影響(xiang)KGM 形成穩(wěn)定凝膠(jiao)結(jié)構(gòu), 其剪切恢(hui)復(fù)特性(xing)較差(cha)。流變學(xué)參數(shù)(shu)η、τy、G'、屈服(fu)應(yīng)變及剪切恢(hui)復(fù)特(te)性對油(you)墨3D 打印過(guo)程影響顯(xian)著。結(jié)論 通過調(diào)整3D 打(da)印精(jing)細化(hua)程度(350 μm 和(he)500 μm)和模型填(tian)充度, 生產(chǎn)了具(ju)有差(cha)異化質(zhì)(zhi)構(gòu)的高蛋白含(han)量(15%, m:m)產(chǎn)品(pin)。其中, 部(bu)分產(chǎn)品的粘性(xing)和彈性(xing)與真實三文魚(yu)類似, 這為(wei)開發(fā)(fa)3D 打印生產(chǎn)(chan)植物基替代物(wu)提供了新(xin)的視角。

1、質(zhì)構(gòu)特性測試(shi)

通過(guo)流動(dong)自來水對三(san)文魚(yu)排進行(xing)解凍, 恢(hui)復(fù)至室溫(wen)約30 min 后, 沿魚(yu)排順肌纖維(wei)纖維切下尺寸(cun)一致的樣(yang)品(2 cm×1 cm×1 cm)與打(da)印完成的(de)不同打印精(jing)度與模型填(tian)充度的立方(fang)體(2×1×1 cm)進行(xing)質(zhì)地剖面(mian)分析(texture profile analysis, TPA)測試。實驗(yan)條件(jian)為: 兩次循環(huán)(huan)壓縮30%, 觸(chu)發(fā)力8 gf, 探頭(tou)移動速度為1 mm/s。每(mei)組設(shè)置(zhi)3 組及(ji)以上平行測(ce)試。

2、結(jié)果分(fen)析

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

圖7 不同(tong)打印產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)地剖面分(fen)析(a~e)和與真實三(san)文魚彈性的比(bi)較(f) (n=3)

為了探(tan)究不(bu)同打印噴嘴(zui)的產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)特性差(cha)異, 本研究進(jin)行了TPA 測試(圖(tu)7a~e), 并分別對350 μm 和(he)500 μm的噴頭(tou)產(chǎn)品進(jin)行顯著性(xing)分析(圖(tu)7f)。

硬度是(shi)壓縮(suo)樣品所需的力(li), 可以模仿人口(kou)腔對固(gu)體或者半固體(ti)的咀嚼情況[50]。在(zai)圖7a 中, 隨著模型(xing)填充度的(de)上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)(chan)品的硬度從(59.3±25.3) gf 上(shang)升到了(137.4±19.2) gf, 填充度上升提(ti)高了打印硬(ying)度。但對于(yu)350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品(pin), 硬度并(bing)沒有上升, 且(qie)彼此之間并(bing)沒有顯著性差(cha)異, 不過填充度(du)為40%時(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(de)結(jié)果與硬(ying)度測量結(jié)果類(lei)似, 即500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性隨(sui)模型填(tian)充度上升(sheng)而上升; 但是350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品(pin)基本(ben)沒有顯著(zhu)性差異(yi)。不過, 在40%填充(chong)度時, 350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性(xing)都顯著(zhu)高于500 μm, 這可(ke)能是精(jing)細化打(da)印提高了產(chǎn)品(pin)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)(wen)定性, 從而改(gai)善質(zhì)(zhi)構(gòu)特性。

粘性是克(ke)服樣品本身的(de)粘性而(er)消耗的能量(liang), 代表著需要從(cong)牙齒或者(zhe)上顎去(qu)除粘(zhan)附的食(shi)物所(suo)做的(de)功。本研究中(zhong),隨著模(mo)型填充(chong)度上(shang)升, 350 μm 的噴頭產(chǎn)品(pin)的粘性(xing)均呈現(xiàn)上升(sheng)趨勢(圖(tu)7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升到(dao)(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)品的粘(zhan)性[(12.59±0.75) gf-mm]接近真實三(san)文魚(yu)的粘性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性(xing)是樣(yang)品去除形變后(hou)恢復(fù)到(dao)本來(lai)狀態(tài)(tai)的能(neng)力, 表現(xiàn)為(wei)食物(wu)被牙齒(chi)咬后恢復(fù)到原(yuan)狀的能力(li)。且彈性和魚的(de)新鮮程(cheng)度關(guān)聯(lián)性極大(da), 魚在屠宰、冰凍(dong)或者腐敗后, 彈(dan)性都會有一定(ding)程度的(de)下降(jiang)。工業(yè)中(zhong), 工人通(tong)常使用“手(shou)指法"測量(liang)生魚(yu)片的質(zhì)構(gòu)(gou)以了解其彈性(xing)是否適合(he)進一步加(jia)工。在圖7c 中, 隨(sui)著模型(xing)填充(chong)度的(de)上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的彈性(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(de)三文(wen)魚的(de)彈性(xing)(0.61±0.03)。詳細的彈性數(shù)(shu)據(jù)對比如圖7f 所(suo)示, 真實三(san)文魚(yu)肉的彈性(xing)和500-70%的產(chǎn)品無顯(xian)著性差異, 表(biao)明通過精(jing)細化(hua)打印(yin)和調(diào)控(kong)模型(xing)填充度, 可(ke)以對(dui)三文魚的質(zhì)(zhi)構(gòu), 例如(ru)彈性進行還原(yuan)。

綜上, 通(tong)過不同噴頭(tou)對不同填充度(du)的模型(xing)進行打印可以(yi)對產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)進(jin)行調(diào)控(kong), 以接近真實三(san)文魚(yu)的質(zhì)構(gòu)(gou),比如(ru)粘性和(he)彈性; 且對(dui)于40%填充度的模(mo)型, 使用更高(gao)精度的350 μm 噴頭相(xiang)較于500 μm 噴頭(tou), 提高了產(chǎn)品(pin)的內(nèi)部結(jié)(jie)構(gòu)穩(wěn)(wen)定性和(he)質(zhì)構(gòu)特(te)性。

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基于高精度(du)3D 打印(yin)的三文(wen)魚植物基替代(dai)物研究