浙江大(da)學(xué)生(sheng)物系統(tǒng)工程(cheng)與食品科(ke)學(xué)學(xué)(xue)院研究人(ren)員在國內(nèi)期(qi)刊《食品(pin)安全質(zhì)量檢測(cè)(ce)學(xué)報(bào)》發(fā)表(biao)了題為"基于高(gao)精度(du)3D 打印的三文(wen)魚植物(wu)基替代物研究(jiu)"的研究(jiu)論文。在該(gai)論文中，研究(jiu)人員使用上(shang)海騰(teng)拔Universal TA質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定(ding)了三文魚排和3D 打(da)印植物(wu)基替代物(wu)的硬度、粘(zhan)性、彈性與咀(ju)嚼性等指標(biāo)。

摘 要: 目的 基于高精(jing)度3D 打印技術(shù)(shu)研究三文(wen)魚植物基(ji)替代物。方法 以豌豆(dou)分離蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔芋(yu)膠(konjac gum, KGM)和天然胡蘿(luo)卜粉為原輔料(liao), 進(jìn)行(xing)精準(zhǔn)3D 復(fù)合打(da)印生產(chǎn)模(mo)擬三文(wen)魚色澤、質(zhì)構(gòu)(gou)的植(zhi)物基替(ti)代物?？?kao)察不同(tong)物料比(bi)例對(duì)油墨(mo)可打印性的(de)影響; 選取(qu)有代(dai)表性的油墨(mo)配方, 對(duì)其流(liu)變特(te)性、水分分(fen)布情況、微觀結(jié)(jie)構(gòu)進(jìn)行(xing)表征。結(jié)果(guo) PPI 和KGM 濃(nong)度的升高都增(zeng)強(qiáng)了體系與(yu)水結(jié)合(he)的能(neng)力, 且PPI 濃度(du)過高(gao)時(shí)(20%, m:m)影響了(le)KGM 與水結(jié)合(he)形成穩(wěn)定凝膠(jiao)的能力。PPI15KGM5 配(pei)方可形成致(zhi)密的(de)網(wǎng)格結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)(qiang)了體系的(de)穩(wěn)定(ding)性, 擁有(you)良好(hao)的剪(jian)切恢復(fù)(fu)特性(xing), 有利(li)于3D 打印; 而(er)PPI20KGM3 配方(fang)具有更好(hao)的機(jī)械性(xing)能和(he)結(jié)構(gòu)強(qiáng)(qiang)度, 但(dan)是由于PPI 濃度過(guo)高影響KGM 形(xing)成穩(wěn)定凝膠結(jié)(jie)構(gòu), 其剪切恢(hui)復(fù)特性(xing)較差(cha)。流變學(xué)參(can)數(shù)η、τy、G'、屈服應(yīng)變及(ji)剪切恢(hui)復(fù)特性(xing)對(duì)油墨(mo)3D 打印過程影響(xiang)顯著。結(jié)論(lun) 通過調(diào)整3D 打(da)印精細(xì)化(hua)程度(350 μm 和500 μm)和模(mo)型填充度, 生(sheng)產(chǎn)了具有(you)差異化質(zhì)(zhi)構(gòu)的高蛋白含(han)量(15%, m:m)產(chǎn)品(pin)。其中, 部分(fen)產(chǎn)品的粘性(xing)和彈性與真(zhen)實(shí)三文魚(yu)類似, 這為(wei)開發(fā)3D 打印(yin)生產(chǎn)植物(wu)基替代物提供(gong)了新的視(shi)角。

1、質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)測(cè)試

通過流動(dòng)自來(lai)水對(duì)三文魚(yu)排進(jìn)行解(jie)凍, 恢復(fù)至(zhi)室溫(wen)約30 min 后, 沿魚(yu)排順肌(ji)纖維纖維切(qie)下尺寸一致的(de)樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與打印(yin)完成的不同(tong)打印(yin)精度與(yu)模型填充(chong)度的立方(fang)體(2×1×1 cm)進(jìn)行(xing)質(zhì)地剖面分(fen)析(texture profile analysis, TPA)測(cè)試。實(shí)(shi)驗(yàn)條(tiao)件為(wei): 兩次循環(huán)壓(ya)縮30%, 觸發(fā)力(li)8 gf, 探頭移動(dòng)速(su)度為1 mm/s。每組設(shè)置(zhi)3 組及(ji)以上平行測(cè)(ce)試。

2、結(jié)果(guo)分析(xi)

注: a: 硬度(du); b: 粘性; c: 彈(dan)性; d: 咀(ju)嚼性; e: 膠著性; f 為(wei)真實(shí)三文魚, 以(yi)及不同模型填(tian)充度條件下, 350 μm 和(he)500 μm 噴頭打(da)印的產(chǎn)品彈性; 圖a~f 中(zhong)不同大寫字母(mu)表示組間差(cha)異顯(xian)著, P<0.05。

圖7 不同(tong)打印產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)地剖面(mian)分析(a~e)和(he)與真實(shí)三文魚(yu)彈性(xing)的比較(f) (n=3)

為了探(tan)究不同打(da)印噴嘴(zui)的產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)性差異, 本研究(jiu)進(jìn)行(xing)了TPA 測(cè)試(圖(tu)7a~e), 并分別對(duì)(dui)350 μm 和500 μm的(de)噴頭產(chǎn)品進(jìn)(jin)行顯著性分(fen)析(圖(tu)7f)。

硬度是壓(ya)縮樣品(pin)所需的力(li), 可以模仿人(ren)口腔對(duì)(dui)固體或者(zhe)半固體(ti)的咀嚼情況[50]。在(zai)圖7a 中, 隨(sui)著模型填充度(du)的上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)品的(de)硬度從(59.3±25.3) gf 上(shang)升到(dao)了(137.4±19.2) gf, 填充度上(shang)升提高了(le)打印硬度(du)。但對(duì)于350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品, 硬(ying)度并沒有(you)上升, 且彼此之(zhi)間并沒有(you)顯著性差(cha)異, 不過填充(chong)度為40%時(shí), 350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品(pin)硬度(du)大于(yu)500 μm。咀嚼性(圖7d)和膠(jiao)著性(xing)(圖7e)的(de)結(jié)果與(yu)硬度測(cè)量(liang)結(jié)果類似, 即500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)(chan)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性隨(sui)模型(xing)填充度上升(sheng)而上(shang)升; 但是350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品基本沒有(you)顯著性差異。不(bu)過, 在40%填充度時(shí)(shi), 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性都顯(xian)著高于500 μm, 這(zhe)可能是精(jing)細(xì)化打印提(ti)高了(le)產(chǎn)品內(nèi)部(bu)結(jié)構(gòu)的(de)穩(wěn)定(ding)性, 從而(er)改善質(zhì)(zhi)構(gòu)特性。

粘性是克服(fu)樣品(pin)本身的粘(zhan)性而消耗的能(neng)量, 代表著需(xu)要從牙(ya)齒或者上(shang)顎去除粘(zhan)附的食物(wu)所做的功。本研(yan)究中(zhong),隨著模型填(tian)充度上升, 350 μm 的噴(pen)頭產(chǎn)品(pin)的粘性均呈現(xiàn)(xian)上升(sheng)趨勢(shì)(圖7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升(sheng)到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)(chan)品的粘(zhan)性[(12.59±0.75) gf-mm]接近真實(shí)(shi)三文魚的粘(zhan)性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈(dan)性是樣品去(qu)除形變后(hou)恢復(fù)到(dao)本來(lai)狀態(tài)的能力, 表(biao)現(xiàn)為食物(wu)被牙(ya)齒咬(yao)后恢復(fù)到(dao)原狀的能力。且(qie)彈性和魚(yu)的新鮮(xian)程度關(guān)(guan)聯(lián)性極大, 魚(yu)在屠(tu)宰、冰凍或者(zhe)腐敗后, 彈(dan)性都會(huì)(hui)有一(yi)定程度的(de)下降。工(gong)業(yè)中, 工人通常(chang)使用“手(shou)指法"測(cè)量生魚(yu)片的質(zhì)構(gòu)(gou)以了解其彈性(xing)是否適合進(jìn)(jin)一步加工。在(zai)圖7c 中(zhong), 隨著模型填充(chong)度的(de)上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)(chan)品的彈(dan)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)量的三(san)文魚的彈性(0.61±0.03)。詳(xiang)細(xì)的彈性數(shù)據(jù)(ju)對(duì)比如圖(tu)7f 所示, 真(zhen)實(shí)三(san)文魚肉的彈性(xing)和500-70%的產(chǎn)品(pin)無顯著性差(cha)異, 表明(ming)通過精細(xì)化打(da)印和調(diào)控模型(xing)填充度(du), 可以對(duì)(dui)三文魚的質(zhì)構(gòu)(gou), 例如彈(dan)性進(jìn)行還原(yuan)。

綜上, 通過不同(tong)噴頭對(duì)不同(tong)填充度的模(mo)型進(jìn)行打印(yin)可以對(duì)產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)進(jìn)行調(diào)控(kong), 以接近真(zhen)實(shí)三(san)文魚的質(zhì)(zhi)構(gòu),比(bi)如粘(zhan)性和彈性(xing); 且對(duì)于40%填充(chong)度的模(mo)型, 使用更高精(jing)度的350 μm 噴(pen)頭相(xiang)較于500 μm 噴(pen)頭, 提高了(le)產(chǎn)品的內(nèi)(nei)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)(wen)定性和質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)性。

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基于高(gao)精度3D 打(da)印的(de)三文魚植(zhi)物基替代物研(yan)究