浙江大學(xué)(xue)生物系統(tǒng)工(gong)程與食品科學(xué)(xue)學(xué)院研究人員(yuan)在國(guó)內(nèi)期刊(kan)《食品安全質(zhì)(zhi)量檢測(cè)(ce)學(xué)報(bào)》發(fā)(fa)表了題為"基于高精(jing)度3D 打印的三(san)文魚(yú)(yu)植物基替代物(wu)研究"的研究論文(wen)。在該(gai)論文中(zhong)，研究人員使用(yong)上海騰拔(ba)Universal TA質(zhì)構(gòu)儀(yi)測(cè)定了三文魚(yú)排(pai)和3D 打印植物基(ji)替代物的硬度、粘性、彈(dan)性與咀嚼性(xing)等指標(biāo)。

摘 要: 目的 基于高精(jing)度3D 打印技術(shù)研(yan)究三文魚(yú)植物(wu)基替代(dai)物。方法 以豌豆分(fen)離蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔芋(yu)膠(konjac gum, KGM)和天(tian)然胡蘿卜粉為(wei)原輔料, 進(jìn)行精(jing)準(zhǔn)3D 復(fù)合(he)打印生產(chǎn)模擬(ni)三文魚(yú)色澤(ze)、質(zhì)構(gòu)的植物基(ji)替代物(wu)?？疾觳?bu)同物(wu)料比例對(duì)(dui)油墨可打印(yin)性的影響; 選(xuan)取有(you)代表(biao)性的油墨(mo)配方, 對(duì)其流(liu)變特性(xing)、水分(fen)分布(bu)情況(kuang)、微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)(jin)行表征。結(jié)果(guo) PPI 和KGM 濃(nong)度的升高(gao)都增強(qiáng)了(le)體系與水結(jié)(jie)合的能(neng)力, 且PPI 濃度過(guò)高(gao)時(shí)(20%, m:m)影響了KGM 與水(shui)結(jié)合形(xing)成穩(wěn)定凝膠(jiao)的能力。PPI15KGM5 配方可(ke)形成致密的(de)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(gou), 增強(qiáng)了體系(xi)的穩(wěn)定(ding)性, 擁有(you)良好(hao)的剪切恢復(fù)特(te)性, 有利于3D 打(da)印; 而PPI20KGM3 配方(fang)具有更好(hao)的機(jī)(ji)械性能和結(jié)構(gòu)(gou)強(qiáng)度, 但(dan)是由于(yu)PPI 濃度過(guò)高影(ying)響KGM 形成穩(wěn)定凝(ning)膠結(jié)構(gòu), 其(qi)剪切恢復(fù)(fu)特性較差。流(liu)變學(xué)參數(shù)η、τy、G'、屈(qu)服應(yīng)變(bian)及剪切恢復(fù)特(te)性對(duì)(dui)油墨3D 打印過(guò)(guo)程影(ying)響顯著。結(jié)論 通過(guò)調(diào)整3D 打印(yin)精細(xì)(xi)化程度(du)(350 μm 和500 μm)和模型填(tian)充度, 生(sheng)產(chǎn)了具有差異(yi)化質(zhì)構(gòu)的(de)高蛋白含(han)量(15%, m:m)產(chǎn)品(pin)。其中(zhong), 部分(fen)產(chǎn)品的粘性和(he)彈性與(yu)真實(shí)三文魚(yú)(yu)類(lèi)似, 這(zhe)為開(kāi)(kai)發(fā)3D 打(da)印生(sheng)產(chǎn)植物基替代(dai)物提供了新(xin)的視角。

1、質(zhì)構(gòu)特性測(cè)(ce)試

通過(guò)(guo)流動(dòng)自(zi)來(lái)水對(duì)三文(wen)魚(yú)排進(jìn)(jin)行解凍, 恢(hui)復(fù)至室溫(wen)約30 min 后, 沿魚(yú)(yu)排順肌纖維(wei)纖維切下(xia)尺寸一致(zhi)的樣(yang)品(2 cm×1 cm×1 cm)與打印完(wan)成的不同(tong)打印(yin)精度與模型(xing)填充度的立(li)方體(2×1×1 cm)進(jìn)(jin)行質(zhì)地剖面分(fen)析(texture profile analysis, TPA)測(cè)試。實(shí)(shi)驗(yàn)條件為: 兩(liang)次循環(huán)壓(ya)縮30%, 觸(chu)發(fā)力8 gf, 探頭移動(dòng)(dong)速度(du)為1 mm/s。每組設(shè)(she)置3 組及(ji)以上平行(xing)測(cè)試。

2、結(jié)果分析

注: a: 硬度; b: 粘(zhan)性; c: 彈性(xing); d: 咀嚼性(xing); e: 膠著性; f 為(wei)真實(shí)三文(wen)魚(yú), 以(yi)及不同模型填(tian)充度(du)條件下, 350 μm 和500 μm 噴頭(tou)打印的(de)產(chǎn)品(pin)彈性; 圖(tu)a~f 中不同大寫(xiě)字(zi)母表(biao)示組間差(cha)異顯著(zhu), P<0.05。

圖7 不同打印(yin)產(chǎn)品的(de)質(zhì)地(di)剖面分析(a~e)和與(yu)真實(shí)三文魚(yú)彈(dan)性的比較(f) (n=3)

為了探(tan)究不同打印(yin)噴嘴的(de)產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)性差異, 本研究(jiu)進(jìn)行了TPA 測(cè)試(圖(tu)7a~e), 并分別(bie)對(duì)350 μm 和(he)500 μm的噴頭產(chǎn)(chan)品進(jìn)行顯(xian)著性分析(圖7f)。

硬度是壓縮樣(yang)品所需的力(li), 可以模仿人(ren)口腔對(duì)固體或(huo)者半固(gu)體的(de)咀嚼(jue)情況[50]。在(zai)圖7a 中, 隨著模型(xing)填充度的上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)品的(de)硬度從(59.3±25.3) gf 上升(sheng)到了(137.4±19.2) gf, 填充度上升提(ti)高了打印硬(ying)度。但(dan)對(duì)于350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品, 硬度(du)并沒(méi)有上升(sheng), 且彼(bi)此之間并沒(méi)有(you)顯著性差異, 不(bu)過(guò)填充度為40%時(shí)(shi), 350 μm 噴頭的產(chǎn)品(pin)硬度大于500 μm。咀(ju)嚼性(圖(tu)7d)和膠著性(圖(tu)7e)的結(jié)果(guo)與硬度測(cè)(ce)量結(jié)(jie)果類(lèi)似, 即(ji)500 μm 噴頭(tou)產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)性隨模型填充(chong)度上升而上升(sheng); 但是350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品基本沒(méi)有顯(xian)著性差異。不過(guò)(guo), 在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(xian)著高(gao)于500 μm, 這可能是(shi)精細(xì)化打印(yin)提高了(le)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)(jie)構(gòu)的穩(wěn)定性(xing), 從而(er)改善質(zhì)構(gòu)特性(xing)。

粘性是克服樣(yang)品本身的(de)粘性而消耗(hao)的能量(liang), 代表著(zhe)需要(yao)從牙齒或者(zhe)上顎去除(chu)粘附的食物所(suo)做的(de)功。本研(yan)究中,隨(sui)著模型(xing)填充度(du)上升, 350 μm 的噴(pen)頭產(chǎn)品的(de)粘性均呈現(xiàn)(xian)上升趨勢(shì)(圖7b), 從(cong)(3.92±1.68) gf-mm 升到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)品的(de)粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接(jie)近真實(shí)三(san)文魚(yú)的(de)粘性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是樣(yang)品去除形變(bian)后恢復(fù)到(dao)本來(lái)狀態(tài)的能(neng)力, 表(biao)現(xiàn)為食(shi)物被(bei)牙齒咬后恢復(fù)(fu)到原狀的(de)能力。且(qie)彈性和(he)魚(yú)的新(xin)鮮程度關(guān)(guan)聯(lián)性(xing)極大, 魚(yú)在屠(tu)宰、冰凍或者(zhe)腐敗(bai)后, 彈性都會(huì)(hui)有一定程度的(de)下降。工業(yè)(ye)中, 工人通常使(shi)用“手指(zhi)法"測(cè)量生(sheng)魚(yú)片的(de)質(zhì)構(gòu)以了(le)解其(qi)彈性是(shi)否適合進(jìn)(jin)一步加工。在(zai)圖7c 中, 隨著模(mo)型填充度(du)的上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)(chan)品的彈性(xing)從0.41±0.06 上升(sheng)到了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)據(jù)(ju)對(duì)比如圖7f 所(suo)示, 真實(shí)(shi)三文魚(yú)肉(rou)的彈性和(he)500-70%的產(chǎn)(chan)品無(wú)顯(xian)著性差(cha)異, 表明(ming)通過(guò)(guo)精細(xì)化(hua)打印和調(diào)控模(mo)型填充度, 可以(yi)對(duì)三文(wen)魚(yú)的質(zhì)構(gòu)(gou), 例如彈性(xing)進(jìn)行還原。

綜上, 通過(guò)不(bu)同噴頭對(duì)(dui)不同填(tian)充度的模型(xing)進(jìn)行打印可以(yi)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)進(jìn)(jin)行調(diào)控, 以接近(jin)真實(shí)三文魚(yú)(yu)的質(zhì)構(gòu),比如(ru)粘性(xing)和彈性; 且對(duì)于(yu)40%填充度的模(mo)型, 使用更(geng)高精度(du)的350 μm 噴(pen)頭相較(jiao)于500 μm 噴頭, 提高了(le)產(chǎn)品的(de)內(nèi)部結(jié)(jie)構(gòu)穩(wěn)定(ding)性和質(zhì)構(gòu)特性(xing)。

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基于高精度3D 打(da)印的三文魚(yú)植(zhi)物基替代(dai)物研究