浙江大學(xué)生物(wu)系統(tǒng)工程與食(shi)品科(ke)學(xué)學(xué)院研究(jiu)人員在(zai)國(guó)內(nèi)期刊(kan)《食品安(an)全質(zhì)量(liang)檢測(cè)學(xué)報(bào)》發(fā)表(biao)了題(ti)為"基于(yu)高精度3D 打印(yin)的三(san)文魚(yú)植物基替(ti)代物研究(jiu)"的研究論(lun)文。在該論文(wen)中，研究(jiu)人員使(shi)用上海騰(teng)拔Universal TA質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測(cè)定了(le)三文(wen)魚(yú)排和3D 打印植(zhi)物基替代物的硬度、粘性、彈(dan)性與咀嚼性(xing)等指(zhi)標(biāo)。

摘 要(yao): 目的 基于高(gao)精度(du)3D 打印技術(shù)研究(jiu)三文魚(yú)植物(wu)基替代物。方法 以豌豆(dou)分離蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔芋(yu)膠(konjac gum, KGM)和天然胡(hu)蘿卜粉為(wei)原輔料, 進(jìn)行精(jing)準(zhǔn)3D 復(fù)(fu)合打印生產(chǎn)(chan)模擬三文魚(yú)色(se)澤、質(zhì)構(gòu)的植(zhi)物基替(ti)代物?？疾觳?bu)同物料比(bi)例對(duì)(dui)油墨可打(da)印性(xing)的影響; 選取(qu)有代表性的(de)油墨配方(fang), 對(duì)其(qi)流變特性(xing)、水分分(fen)布情況(kuang)、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行(xing)表征。結(jié)果(guo) PPI 和KGM 濃度的(de)升高都增強(qiáng)了(le)體系與水結(jié)合(he)的能力(li), 且PPI 濃度過(guò)高時(shí)(shi)(20%, m:m)影響(xiang)了KGM 與水(shui)結(jié)合形成(cheng)穩(wěn)定凝膠的能(neng)力。PPI15KGM5 配(pei)方可形成致密(mi)的網(wǎng)格結(jié)(jie)構(gòu), 增強(qiáng)(qiang)了體系的(de)穩(wěn)定性, 擁(yong)有良好(hao)的剪切(qie)恢復(fù)(fu)特性, 有利于3D 打(da)印; 而(er)PPI20KGM3 配方具有更(geng)好的機(jī)械(xie)性能和結(jié)構(gòu)(gou)強(qiáng)度(du), 但是由(you)于PPI 濃(nong)度過(guò)高(gao)影響KGM 形成(cheng)穩(wěn)定(ding)凝膠結(jié)構(gòu), 其(qi)剪切(qie)恢復(fù)特性較差(cha)。流變(bian)學(xué)參數(shù)η、τy、G'、屈服(fu)應(yīng)變(bian)及剪切恢復(fù)特(te)性對(duì)油墨(mo)3D 打印過(guò)(guo)程影(ying)響顯著。結(jié)論(lun) 通過(guò)調(diào)(diao)整3D 打印精細(xì)化(hua)程度(350 μm 和500 μm)和模(mo)型填充(chong)度, 生產(chǎn)了具(ju)有差異化質(zhì)構(gòu)(gou)的高(gao)蛋白(bai)含量(15%, m:m)產(chǎn)品。其(qi)中, 部分產(chǎn)品的(de)粘性和彈性(xing)與真(zhen)實(shí)三文魚(yú)類(lèi)似(shi), 這為開(kāi)發(fā)(fa)3D 打印(yin)生產(chǎn)植(zhi)物基替(ti)代物提供(gong)了新的(de)視角。

1、質(zhì)構(gòu)特性(xing)測(cè)試

通過(guò)流動(dòng)(dong)自來(lái)水對(duì)三(san)文魚(yú)(yu)排進(jìn)行解(jie)凍, 恢復(fù)至室溫(wen)約30 min 后, 沿魚(yú)(yu)排順(shun)肌纖維纖維(wei)切下尺(chi)寸一(yi)致的樣(yang)品(2 cm×1 cm×1 cm)與打(da)印完成的不同(tong)打印精度(du)與模型填充(chong)度的立方體(ti)(2×1×1 cm)進(jìn)行質(zhì)(zhi)地剖面(mian)分析(texture profile analysis, TPA)測(cè)(ce)試。實(shí)驗(yàn)條(tiao)件為: 兩次循(xun)環(huán)壓縮30%, 觸發(fā)(fa)力8 gf, 探(tan)頭移(yi)動(dòng)速度為1 mm/s。每(mei)組設(shè)置(zhi)3 組及以上平行(xing)測(cè)試。

2、結(jié)果(guo)分析

注: a: 硬度; b: 粘性(xing); c: 彈性; d: 咀嚼(jue)性; e: 膠著(zhe)性; f 為真實(shí)三文(wen)魚(yú), 以及不同模(mo)型填充(chong)度條件下, 350 μm 和500 μm 噴(pen)頭打印的產(chǎn)(chan)品彈性; 圖a~f 中不(bu)同大寫(xiě)(xie)字母表示組間(jian)差異(yi)顯著, P<0.05。

圖7 不同打印(yin)產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)地剖面分析(a~e)和(he)與真實(shí)三(san)文魚(yú)彈(dan)性的比較(f) (n=3)

為了探究不同(tong)打印噴嘴(zui)的產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性(xing)差異, 本研究進(jìn)(jin)行了TPA 測(cè)試(圖7a~e), 并(bing)分別對(duì)350 μm 和(he)500 μm的噴頭產(chǎn)品(pin)進(jìn)行顯著性分(fen)析(圖7f)。

硬度(du)是壓縮(suo)樣品所需的力(li), 可以模仿(fang)人口腔對(duì)(dui)固體(ti)或者(zhe)半固(gu)體的咀嚼(jue)情況[50]。在圖7a 中, 隨(sui)著模型填(tian)充度的上(shang)升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的硬(ying)度從(59.3±25.3) gf 上升(sheng)到了(137.4±19.2) gf, 填充度(du)上升提高(gao)了打印硬度(du)。但對(duì)(dui)于350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品, 硬(ying)度并(bing)沒(méi)有上升, 且(qie)彼此之間并沒(méi)(mei)有顯著性差(cha)異, 不過(guò)填充度(du)為40%時(shí), 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品(pin)硬度大于(yu)500 μm。咀嚼性(xing)(圖7d)和膠著性(圖(tu)7e)的結(jié)果(guo)與硬度(du)測(cè)量結(jié)果(guo)類(lèi)似, 即500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性隨模(mo)型填充度上升(sheng)而上升; 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)(shi), 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性都顯著(zhu)高于500 μm, 這(zhe)可能是(shi)精細(xì)(xi)化打印提高(gao)了產(chǎn)品(pin)內(nèi)部結(jié)構(gòu)(gou)的穩(wěn)定性(xing), 從而改善質(zhì)構(gòu)(gou)特性。

粘性是克服(fu)樣品本身的(de)粘性(xing)而消耗的(de)能量, 代表(biao)著需(xu)要從牙齒或(huo)者上顎去(qu)除粘附(fu)的食物(wu)所做的功。本(ben)研究中,隨(sui)著模(mo)型填充度上升(sheng), 350 μm 的噴頭產(chǎn)品(pin)的粘性均呈(cheng)現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖(tu)7b), 從(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)到本來(lái)狀態(tài)(tai)的能力, 表(biao)現(xiàn)為食(shi)物被牙齒咬(yao)后恢復(fù)到原(yuan)狀的能(neng)力。且彈性(xing)和魚(yú)(yu)的新(xin)鮮程度關(guān)聯(lián)性(xing)極大, 魚(yú)(yu)在屠宰、冰凍(dong)或者腐敗后, 彈(dan)性都(dou)會(huì)有一定程(cheng)度的下降。工業(yè)(ye)中, 工人通常(chang)使用(yong)“手指(zhi)法"測(cè)(ce)量生魚(yú)(yu)片的質(zhì)構(gòu)以了(le)解其彈(dan)性是否適(shi)合進(jìn)一步(bu)加工。在圖7c 中, 隨(sui)著模型填充度(du)的上升(sheng), 500 μm 噴頭(tou)產(chǎn)品的彈性從(cong)0.41±0.06 上升到了(le)0.58±0.03, 并且接近(jin)本次測(cè)(ce)量的三文魚(yú)(yu)的彈性(0.61±0.03)。詳細(xì)(xi)的彈性數(shù)(shu)據(jù)對(duì)比如(ru)圖7f 所示, 真實(shí)(shi)三文(wen)魚(yú)肉的彈性(xing)和500-70%的產(chǎn)品(pin)無(wú)顯(xian)著性差異, 表(biao)明通過(guò)精細(xì)(xi)化打印(yin)和調(diào)控模(mo)型填充度, 可以(yi)對(duì)三文魚(yú)的質(zhì)(zhi)構(gòu), 例如彈(dan)性進(jìn)行還原。

綜上, 通過(guò)不(bu)同噴頭對(duì)不同(tong)填充度的模型(xing)進(jìn)行打(da)印可以對(duì)(dui)產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)(gou)進(jìn)行調(diào)控, 以接(jie)近真實(shí)三(san)文魚(yú)(yu)的質(zhì)構(gòu)(gou),比如粘性和彈(dan)性; 且對(duì)于40%填(tian)充度的模(mo)型, 使用更高(gao)精度的350 μm 噴(pen)頭相較于(yu)500 μm 噴頭(tou), 提高了(le)產(chǎn)品的(de)內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)(wen)定性和質(zhì)構(gòu)特(te)性。

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基于高精度3D 打(da)印的三文(wen)魚(yú)植物基替(ti)代物研究(jiu)