浙江大學(xué)(xue)生物系統(tǒng)工(gong)程與食品科(ke)學(xué)學(xué)(xue)院研究(jiu)人員在國(guo)內(nèi)期刊(kan)《食品安全質(zhì)(zhi)量檢測學(xué)(xue)報(bào)》發(fā)表了題為(wei)"基于高精度3D 打(da)印的三文魚植(zhi)物基替(ti)代物研究"的研究論(lun)文。在該論文(wen)中，研究人員使(shi)用上海騰拔(ba)Universal TA質(zhì)構(gòu)儀測定(ding)了三文(wen)魚排和3D 打印(yin)植物基替(ti)代物的硬度、粘性(xing)、彈性與咀嚼性(xing)等指標(biāo)。

摘 要: 目的(de) 基于高(gao)精度3D 打印技(ji)術(shù)研(yan)究三文魚植(zhi)物基(ji)替代(dai)物。方法(fa) 以豌豆分離蛋(dan)白(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(konjac gum, KGM)和(he)天然胡蘿卜粉(fen)為原輔料(liao), 進(jìn)行(xing)精準(zhǔn)(zhun)3D 復(fù)合打(da)印生產(chǎn)模擬三(san)文魚色澤(ze)、質(zhì)構(gòu)(gou)的植物基(ji)替代(dai)物。考察不(bu)同物料比(bi)例對(duì)油墨可(ke)打印性(xing)的影響; 選取有(you)代表性的油墨(mo)配方(fang), 對(duì)其流(liu)變特性、水分(fen)分布情況、微(wei)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)(jin)行表征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度的升高(gao)都增(zeng)強(qiáng)了體系(xi)與水結(jié)合(he)的能力, 且PPI 濃度(du)過高時(shí)(20%, m:m)影響(xiang)了KGM 與水結(jié)合形(xing)成穩(wěn)定凝膠(jiao)的能力。PPI15KGM5 配(pei)方可形(xing)成致密的(de)網(wǎng)格(ge)結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)(qiang)了體(ti)系的穩(wěn)定性(xing), 擁有良好的剪(jian)切恢復(fù)特性, 有(you)利于(yu)3D 打印(yin); 而PPI20KGM3 配方具有更(geng)好的機(jī)(ji)械性能(neng)和結(jié)(jie)構(gòu)強(qiáng)度, 但是(shi)由于PPI 濃度過(guo)高影響KGM 形(xing)成穩(wěn)定凝膠結(jié)(jie)構(gòu), 其剪切恢復(fù)(fu)特性較差(cha)。流變學(xué)參數(shù)(shu)η、τy、G'、屈服應(yīng)變及剪(jian)切恢復(fù)特(te)性對(duì)油墨3D 打(da)印過程(cheng)影響顯著。結(jié)論 通過調(diào)整(zheng)3D 打印精細(xì)化(hua)程度(du)(350 μm 和500 μm)和(he)模型填(tian)充度, 生(sheng)產(chǎn)了(le)具有差異化質(zhì)(zhi)構(gòu)的高蛋(dan)白含量(15%, m:m)產(chǎn)品(pin)。其中, 部分產(chǎn)(chan)品的粘(zhan)性和彈性與真(zhen)實(shí)三文(wen)魚類似(shi), 這為(wei)開發(fā)3D 打印生(sheng)產(chǎn)植物(wu)基替代(dai)物提(ti)供了新(xin)的視角。

1、質(zhì)構(gòu)特性測試(shi)

通過流(liu)動(dòng)自(zi)來水對(duì)三文(wen)魚排進(jìn)行(xing)解凍, 恢(hui)復(fù)至室溫約(yue)30 min 后, 沿魚(yu)排順肌(ji)纖維纖維切下(xia)尺寸一致(zhi)的樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與(yu)打印(yin)完成(cheng)的不(bu)同打印精(jing)度與(yu)模型填充度的(de)立方體(2×1×1 cm)進(jìn)行質(zhì)(zhi)地剖面分析(texture profile analysis, TPA)測(ce)試。實(shí)驗(yàn)(yan)條件(jian)為: 兩次循環(huán)壓(ya)縮30%, 觸(chu)發(fā)力(li)8 gf, 探頭移(yi)動(dòng)速度為1 mm/s。每(mei)組設(shè)置(zhi)3 組及以(yi)上平行測(ce)試。

2、結(jié)果分析(xi)

注: a: 硬度; b: 粘性; c: 彈(dan)性; d: 咀嚼(jue)性; e: 膠著性; f 為(wei)真實(shí)三文魚(yu), 以及(ji)不同模型(xing)填充度條件(jian)下, 350 μm 和500 μm 噴(pen)頭打印的(de)產(chǎn)品彈性; 圖a~f 中不(bu)同大寫(xie)字母表(biao)示組間差異顯(xian)著, P<0.05。

圖7 不同打(da)印產(chǎn)品的質(zhì)(zhi)地剖面分析(a~e)和(he)與真實(shí)三(san)文魚彈性(xing)的比較(f) (n=3)

為了(le)探究不同(tong)打印(yin)噴嘴的產(chǎn)(chan)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性差異, 本(ben)研究(jiu)進(jìn)行了TPA 測試(shi)(圖7a~e), 并分別(bie)對(duì)350 μm 和500 μm的(de)噴頭產(chǎn)品(pin)進(jìn)行顯著(zhu)性分析(圖7f)。

硬度是壓縮(suo)樣品所需的(de)力, 可以模仿(fang)人口腔對(duì)(dui)固體或者半固(gu)體的咀(ju)嚼情況[50]。在圖(tu)7a 中, 隨(sui)著模型填充(chong)度的上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)(chan)品的(de)硬度從(59.3±25.3) gf 上升(sheng)到了(le)(137.4±19.2) gf, 填充度(du)上升(sheng)提高了打印(yin)硬度。但對(duì)于(yu)350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品, 硬度(du)并沒有上升(sheng), 且彼此(ci)之間并沒有顯(xian)著性差(cha)異, 不過填(tian)充度為40%時(shí), 350 μm 噴(pen)頭的(de)產(chǎn)品硬度(du)大于500 μm。咀嚼性(xing)(圖7d)和膠著性(xing)(圖7e)的結(jié)果與(yu)硬度測量結(jié)果(guo)類似(shi), 即500 μm 噴頭產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)特性隨模型(xing)填充度上升(sheng)而上升(sheng); 但是350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品基(ji)本沒有顯著(zhu)性差異。不過, 在(zai)40%填充度時(shí), 350 μm 噴(pen)頭的(de)產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)特性(xing)都顯著(zhu)高于500 μm, 這可能(neng)是精細(xì)化(hua)打印提高(gao)了產(chǎn)品(pin)內(nèi)部(bu)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定(ding)性, 從而改善(shan)質(zhì)構(gòu)特性。

粘性是克(ke)服樣品(pin)本身的(de)粘性而消耗(hao)的能量, 代(dai)表著需要(yao)從牙齒或者(zhe)上顎去除粘附(fu)的食物所(suo)做的(de)功。本研(yan)究中,隨著模型(xing)填充度上升(sheng), 350 μm 的噴(pen)頭產(chǎn)品的粘性(xing)均呈現(xiàn)(xian)上升(sheng)趨勢(圖7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升(sheng)到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)(chan)品的粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接(jie)近真(zhen)實(shí)三文魚的粘(zhan)性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性(xing)是樣品(pin)去除形變后恢(hui)復(fù)到(dao)本來狀態(tài)的(de)能力, 表現(xiàn)(xian)為食物被牙(ya)齒咬(yao)后恢復(fù)到(dao)原狀的能(neng)力。且彈性和魚(yu)的新鮮(xian)程度關(guān)(guan)聯(lián)性極大(da), 魚在屠(tu)宰、冰凍或(huo)者腐敗(bai)后, 彈性都會(huì)(hui)有一定(ding)程度(du)的下降(jiang)。工業(yè)中, 工人通(tong)常使(shi)用“手指法"測量(liang)生魚(yu)片的質(zhì)構(gòu)以了(le)解其彈性(xing)是否適(shi)合進(jìn)一步(bu)加工。在圖7c 中, 隨(sui)著模型填(tian)充度的上升(sheng), 500 μm 噴頭產(chǎn)(chan)品的彈性從0.41±0.06 上(shang)升到了0.58±0.03, 并且接(jie)近本次(ci)測量(liang)的三文魚的彈(dan)性(0.61±0.03)。詳細(xì)(xi)的彈性數(shù)據(jù)對(duì)(dui)比如圖7f 所(suo)示, 真(zhen)實(shí)三(san)文魚肉(rou)的彈性(xing)和500-70%的產(chǎn)品無(wu)顯著性(xing)差異, 表(biao)明通(tong)過精(jing)細(xì)化(hua)打印和調(diào)控(kong)模型填充度, 可(ke)以對(duì)三(san)文魚的質(zhì)構(gòu)(gou), 例如彈性進(jìn)(jin)行還原。

綜上, 通(tong)過不(bu)同噴頭對(duì)不同(tong)填充度的模型(xing)進(jìn)行打印(yin)可以對(duì)產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)進(jìn)(jin)行調(diào)(diao)控, 以(yi)接近(jin)真實(shí)三文魚的(de)質(zhì)構(gòu),比如粘性(xing)和彈(dan)性; 且對(duì)(dui)于40%填(tian)充度的模型(xing), 使用更高精(jing)度的350 μm 噴頭(tou)相較于(yu)500 μm 噴頭, 提(ti)高了產(chǎn)(chan)品的內(nèi)部(bu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(ding)性和(he)質(zhì)構(gòu)(gou)特性。

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基于(yu)高精(jing)度3D 打(da)印的三文魚(yu)植物基替(ti)代物研究