技術(shù)文章(zhang)
Technical articles浙江大學(xué)生物(wu)系統(tǒng)工程與(yu)食品科(ke)學(xué)學(xué)院研究人(ren)員在國內(nèi)期(qi)刊《食(shi)品安全質(zhì)量檢(jian)測學(xué)(xue)報》發(fā)表(biao)了題為"基于高精(jing)度3D 打印的三文(wen)魚植物基替(ti)代物研究(jiu)"的研究論(lun)文。在該論文中,研(yan)究人員(yuan)使用上(shang)海騰拔(ba)Universal TA質(zhì)構(gòu)儀(yi)測定了(le)三文(wen)魚排和(he)3D 打印(yin)植物(wu)基替代物(wu)的硬度、粘(zhan)性、彈(dan)性與咀(ju)嚼性等指標(biao)。
摘 要: 目的(de) 基于(yu)高精度3D 打印(yin)技術(shù)研究三(san)文魚植物基替(ti)代物。方法 以豌豆分離蛋(dan)白(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(konjac gum, KGM)和天(tian)然胡蘿(luo)卜粉為原(yuan)輔料, 進行(xing)精準3D 復(fù)合打印(yin)生產(chǎn)模擬三(san)文魚色澤、質(zhì)構(gòu)(gou)的植物基(ji)替代物??疾觳?bu)同物(wu)料比例(li)對油墨可打印(yin)性的影響; 選(xuan)取有(you)代表性的(de)油墨配方(fang), 對其流變特(te)性、水分分布情(qing)況、微觀結(jié)(jie)構(gòu)進(jin)行表征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度(du)的升高都(dou)增強了(le)體系(xi)與水(shui)結(jié)合的能力, 且(qie)PPI 濃度過(guo)高時(20%, m:m)影響了KGM 與(yu)水結(jié)合(he)形成穩(wěn)定凝(ning)膠的能(neng)力。PPI15KGM5 配(pei)方可形成(cheng)致密的網(wǎng)(wang)格結(jié)構(gòu), 增強(qiang)了體系的穩(wěn)定(ding)性, 擁有良好(hao)的剪切(qie)恢復(fù)(fu)特性, 有利于(yu)3D 打印; 而PPI20KGM3 配(pei)方具(ju)有更好的機械(xie)性能和結(jié)(jie)構(gòu)強度, 但是(shi)由于PPI 濃度過高(gao)影響KGM 形成(cheng)穩(wěn)定凝膠結(jié)(jie)構(gòu), 其剪切(qie)恢復(fù)特性較(jiao)差。流變學(xué)(xue)參數(shù)η、τy、G'、屈服(fu)應(yīng)變及剪切(qie)恢復(fù)特(te)性對油墨3D 打(da)印過(guo)程影響(xiang)顯著。結(jié)論 通過調(diào)整3D 打(da)印精細(xi)化程度(350 μm 和500 μm)和(he)模型(xing)填充(chong)度, 生產(chǎn)了具有(you)差異化質(zhì)構(gòu)的(de)高蛋白含(han)量(15%, m:m)產(chǎn)(chan)品。其中, 部分(fen)產(chǎn)品的粘性和(he)彈性(xing)與真實(shi)三文魚類(lei)似, 這為開(kai)發(fā)3D 打印生產(chǎn)(chan)植物(wu)基替代物提供(gong)了新的視角(jiao)。
1、質(zhì)構(gòu)特性(xing)測試
通過流(liu)動自來水對(dui)三文魚排(pai)進行解凍, 恢復(fù)(fu)至室溫約30 min 后(hou), 沿魚(yu)排順肌纖維(wei)纖維(wei)切下(xia)尺寸一致的(de)樣品(pin)(2 cm×1 cm×1 cm)與打印完(wan)成的不同(tong)打印精度與模(mo)型填充度的立(li)方體(2×1×1 cm)進行質(zhì)(zhi)地剖(pou)面分(fen)析(texture profile analysis, TPA)測試(shi)。實驗(yan)條件(jian)為: 兩次循(xun)環(huán)壓縮30%, 觸(chu)發(fā)力(li)8 gf, 探頭(tou)移動速度(du)為1 mm/s。每組設(shè)置(zhi)3 組及以上(shang)平行測(ce)試。
2、結(jié)果分析
注: a: 硬度; b: 粘性; c: 彈(dan)性; d: 咀(ju)嚼性(xing); e: 膠著性; f 為(wei)真實三文魚(yu), 以及不同模(mo)型填充度(du)條件(jian)下, 350 μm 和500 μm 噴頭(tou)打印(yin)的產(chǎn)(chan)品彈性; 圖a~f 中不同大(da)寫字母表(biao)示組間差異(yi)顯著, P<0.05。
圖7 不同打(da)印產(chǎn)品(pin)的質(zhì)(zhi)地剖面分析(a~e)和(he)與真實三(san)文魚(yu)彈性的(de)比較(f) (n=3)
為了探(tan)究不同打印噴(pen)嘴的產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性差(cha)異, 本研究(jiu)進行了TPA 測(ce)試(圖7a~e), 并分別對(dui)350 μm 和500 μm的噴(pen)頭產(chǎn)品(pin)進行顯著性分(fen)析(圖7f)。
硬度是(shi)壓縮樣品所(suo)需的力, 可以(yi)模仿(fang)人口(kou)腔對固體或(huo)者半固體的咀(ju)嚼情(qing)況[50]。在圖7a 中, 隨著(zhe)模型填充度的(de)上升, 500 μm 噴頭產(chǎn)(chan)品的(de)硬度從(cong)(59.3±25.3) gf 上升到了(le)(137.4±19.2) gf, 填充度上升提(ti)高了(le)打印硬度。但(dan)對于350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品, 硬度并沒(mei)有上升, 且彼此(ci)之間并沒(mei)有顯著(zhu)性差異, 不(bu)過填充度(du)為40%時, 350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品硬度大于500 μm。咀(ju)嚼性(xing)(圖7d)和膠著(zhe)性(圖(tu)7e)的結(jié)果與硬度(du)測量(liang)結(jié)果(guo)類似, 即(ji)500 μm 噴頭產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性(xing)隨模型填(tian)充度上升而(er)上升(sheng); 但是350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)品基本(ben)沒有顯著性(xing)差異。不過(guo), 在40%填充度(du)時, 350 μm 噴頭(tou)的產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性都顯著高(gao)于500 μm, 這(zhe)可能是精細(xi)化打印提高(gao)了產(chǎn)品內(nèi)(nei)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)(wen)定性, 從(cong)而改善質(zhì)構(gòu)(gou)特性。
粘性(xing)是克服樣品(pin)本身的(de)粘性(xing)而消耗的能量(liang), 代表著需(xu)要從牙(ya)齒或者上顎去(qu)除粘附的(de)食物所(suo)做的功(gong)。本研究(jiu)中,隨著模型填(tian)充度上升(sheng), 350 μm 的噴(pen)頭產(chǎn)品(pin)的粘(zhan)性均呈現(xiàn)上(shang)升趨勢(shi)(圖7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)(chan)品的粘性(xing)[(12.59±0.75) gf-mm]接近真(zhen)實三(san)文魚(yu)的粘性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈(dan)性是樣品(pin)去除形變后恢(hui)復(fù)到(dao)本來(lai)狀態(tài)的能力, 表(biao)現(xiàn)為食(shi)物被牙齒(chi)咬后恢復(fù)到原(yuan)狀的能力。且(qie)彈性和(he)魚的新(xin)鮮程度關(guān)(guan)聯(lián)性極大(da), 魚在屠宰、冰(bing)凍或者腐敗(bai)后, 彈性都會(hui)有一(yi)定程度的(de)下降。工業(yè)中(zhong), 工人通常使(shi)用“手指法(fa)"測量生魚(yu)片的質(zhì)構(gòu)以了(le)解其(qi)彈性是否(fou)適合進一步加(jia)工。在圖7c 中, 隨著(zhe)模型填充度(du)的上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)(chan)品的彈(dan)性從0.41±0.06 上升(sheng)到了(le)0.58±0.03, 并且接近本次(ci)測量的三文魚(yu)的彈性(xing)(0.61±0.03)。詳細的(de)彈性數(shù)據(jù)對(dui)比如圖(tu)7f 所示, 真實三(san)文魚肉(rou)的彈性和500-70%的(de)產(chǎn)品無顯(xian)著性差異(yi), 表明通(tong)過精細化打(da)印和調(diào)控(kong)模型填充度, 可(ke)以對三(san)文魚的(de)質(zhì)構(gòu), 例如彈(dan)性進行還原。
綜上, 通過(guo)不同(tong)噴頭對(dui)不同填充度(du)的模型進行打(da)印可以對產(chǎn)品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)進行(xing)調(diào)控(kong), 以接近真實三(san)文魚的質(zhì)構(gòu),比(bi)如粘(zhan)性和(he)彈性; 且(qie)對于40%填充度的(de)模型, 使用更(geng)高精度的(de)350 μm 噴頭相較于500 μm 噴(pen)頭, 提高了(le)產(chǎn)品(pin)的內(nèi)部結(jié)(jie)構(gòu)穩(wěn)定性和質(zhì)(zhi)構(gòu)特性。
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基于高精(jing)度3D 打(da)印的三(san)文魚植物基(ji)替代物(wu)研究