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)(nei)期刊《食品安(an)全質(zhì)量(liang)檢測(cè)學(xué)報(bào)》發(fā)(fa)表了(le)題為"基于高精度3D 打(da)印的三(san)文魚植物基替(ti)代物研究(jiu)"的研(yan)究論文。在該論文中，研(yan)究人員使用(yong)上海騰拔Universal TA質(zhì)構(gòu)(gou)儀測(cè)定了三文魚排(pai)和3D 打印(yin)植物基替代物(wu)的硬度、粘(zhan)性、彈性與咀嚼(jue)性等指標(biāo)。

摘 要: 目的 基于高精度(du)3D 打印技術(shù)研(yan)究三文魚(yu)植物基替代物(wu)。方法(fa) 以豌豆分離(li)蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(konjac gum, KGM)和(he)天然胡(hu)蘿卜粉為原輔(fu)料, 進(jìn)(jin)行精準(zhǔn)3D 復(fù)(fu)合打(da)印生產(chǎn)模擬(ni)三文(wen)魚色(se)澤、質(zhì)構(gòu)的(de)植物基(ji)替代物(wu)。考察不同物(wu)料比例對(duì)油墨(mo)可打印性(xing)的影響; 選取(qu)有代表性的(de)油墨(mo)配方, 對(duì)其(qi)流變(bian)特性(xing)、水分分布(bu)情況、微觀(guan)結(jié)構(gòu)進(jìn)行(xing)表征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃(nong)度的升高都(dou)增強(qiáng)(qiang)了體系(xi)與水結(jié)合的(de)能力, 且PPI 濃度(du)過高時(shí)(20%, m:m)影(ying)響了(le)KGM 與水結(jié)合形成(cheng)穩(wěn)定(ding)凝膠(jiao)的能力。PPI15KGM5 配方可(ke)形成致密(mi)的網(wǎng)格結(jié)(jie)構(gòu), 增強(qiáng)(qiang)了體系(xi)的穩(wěn)定性, 擁有(you)良好(hao)的剪切(qie)恢復(fù)(fu)特性, 有(you)利于3D 打(da)印; 而PPI20KGM3 配(pei)方具有(you)更好的機(jī)械性(xing)能和(he)結(jié)構(gòu)強(qiáng)(qiang)度, 但是(shi)由于PPI 濃度過(guo)高影響KGM 形成(cheng)穩(wěn)定凝膠結(jié)(jie)構(gòu), 其(qi)剪切恢復(fù)(fu)特性較(jiao)差。流(liu)變學(xué)參數(shù)η、τy、G'、屈(qu)服應(yīng)變及(ji)剪切恢復(fù)特性(xing)對(duì)油墨3D 打印(yin)過程影(ying)響顯著(zhu)。結(jié)論 通過調(diào)(diao)整3D 打印精(jing)細(xì)化程(cheng)度(350 μm 和500 μm)和模型填(tian)充度, 生(sheng)產(chǎn)了具有差(cha)異化質(zhì)構(gòu)(gou)的高蛋白含(han)量(15%, m:m)產(chǎn)品。其中, 部(bu)分產(chǎn)品(pin)的粘性和彈(dan)性與真實(shí)(shi)三文魚類(lei)似, 這為開發(fā)(fa)3D 打印生產(chǎn)植(zhi)物基替代物(wu)提供了新(xin)的視角。

1、質(zhì)構(gòu)特性測(cè)(ce)試

通過流動(dòng)自來(lai)水對(duì)(dui)三文(wen)魚排進(jìn)行解凍(dong), 恢復(fù)(fu)至室溫約(yue)30 min 后, 沿魚排(pai)順肌纖(xian)維纖維(wei)切下尺(chi)寸一致的樣(yang)品(2 cm×1 cm×1 cm)與打印完(wan)成的不同(tong)打印(yin)精度與模型填(tian)充度的立方(fang)體(2×1×1 cm)進(jìn)(jin)行質(zhì)地剖面分(fen)析(texture profile analysis, TPA)測(cè)(ce)試。實(shí)驗(yàn)(yan)條件(jian)為: 兩次(ci)循環(huán)壓縮(suo)30%, 觸發(fā)力8 gf, 探(tan)頭移動(dòng)速度為(wei)1 mm/s。每組設(shè)(she)置3 組及(ji)以上平行測(cè)試(shi)。

2、結(jié)果分析

注: a: 硬度(du); b: 粘性; c: 彈(dan)性; d: 咀嚼(jue)性; e: 膠著(zhe)性; f 為真實(shí)三文(wen)魚, 以及不同(tong)模型(xing)填充(chong)度條件下, 350 μm 和(he)500 μm 噴頭打印的(de)產(chǎn)品(pin)彈性; 圖a~f 中不同(tong)大寫字母表示(shi)組間(jian)差異顯(xian)著, P<0.05。

圖7 不同打印(yin)產(chǎn)品(pin)的質(zhì)(zhi)地剖面分析(a~e)和(he)與真(zhen)實(shí)三文魚(yu)彈性的(de)比較(f) (n=3)

為了探究不(bu)同打印(yin)噴嘴的產(chǎn)品(pin)的質(zhì)構(gòu)特性差(cha)異, 本研究進(jìn)(jin)行了TPA 測(cè)試(shi)(圖7a~e), 并分別對(duì)350 μm 和(he)500 μm的噴頭產(chǎn)品(pin)進(jìn)行顯著性(xing)分析(圖7f)。

硬度是壓縮樣(yang)品所(suo)需的(de)力, 可以(yi)模仿人口腔(qiang)對(duì)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(chong)度的上(shang)升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品(pin)的硬度從(cong)(59.3±25.3) gf 上升到了(137.4±19.2) gf, 填充度(du)上升提高了打(da)印硬(ying)度。但對(duì)于350 μm 噴(pen)頭的(de)產(chǎn)品(pin), 硬度并沒(mei)有上(shang)升, 且(qie)彼此之(zhi)間并(bing)沒有(you)顯著(zhu)性差(cha)異, 不過填(tian)充度為(wei)40%時(shí), 350 μm 噴頭的產(chǎn)(chan)品硬(ying)度大于500 μm。咀(ju)嚼性(圖7d)和膠著(zhe)性(圖7e)的結(jié)果與(yu)硬度測(cè)(ce)量結(jié)果(guo)類似, 即500 μm 噴(pen)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(shang)升; 但(dan)是350 μm 噴(pen)頭的產(chǎn)(chan)品基本沒有(you)顯著(zhu)性差異。不(bu)過, 在40%填(tian)充度時(shí)(shi), 350 μm 噴頭的(de)產(chǎn)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性(xing)都顯著高于(yu)500 μm, 這可(ke)能是精細(xì)(xi)化打印提高了(le)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)(gou)的穩(wěn)(wen)定性, 從而改(gai)善質(zhì)構(gòu)特性。

粘性是(shi)克服樣品本身(shen)的粘性而消耗(hao)的能(neng)量, 代表(biao)著需要從牙齒(chi)或者上顎去除(chu)粘附的食(shi)物所做的功。本(ben)研究中,隨著(zhe)模型填充度上(shang)升, 350 μm 的噴頭產(chǎn)(chan)品的(de)粘性(xing)均呈現(xiàn)上(shang)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)品的(de)粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接近真實(shí)(shi)三文魚(yu)的粘性(xing)[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是樣(yang)品去除形(xing)變后恢復(fù)到本(ben)來狀態(tài)的能力(li), 表現(xiàn)為食物(wu)被牙齒咬(yao)后恢復(fù)(fu)到原狀的能力(li)。且彈性和魚(yu)的新鮮程度(du)關(guān)聯(lián)性(xing)極大, 魚在(zai)屠宰、冰凍或者(zhe)腐敗(bai)后, 彈性都(dou)會(huì)有一定程度(du)的下(xia)降。工業(yè)(ye)中, 工人通常(chang)使用(yong)“手指法"測(cè)(ce)量生魚片(pian)的質(zhì)(zhi)構(gòu)以了解(jie)其彈性是否(fou)適合進(jìn)一(yi)步加工(gong)。在圖(tu)7c 中, 隨著(zhe)模型填充度的(de)上升, 500 μm 噴(pen)頭產(chǎn)品(pin)的彈性從0.41±0.06 上升(sheng)到了0.58±0.03, 并且(qie)接近本次(ci)測(cè)量的(de)三文魚的彈(dan)性(0.61±0.03)。詳(xiang)細(xì)的彈性數(shù)據(jù)(ju)對(duì)比如(ru)圖7f 所示, 真實(shí)三(san)文魚肉的彈(dan)性和500-70%的產(chǎn)(chan)品無顯著性(xing)差異, 表明通過(guo)精細(xì)化(hua)打印和調(diào)(diao)控模型(xing)填充度, 可以(yi)對(duì)三(san)文魚的質(zhì)構(gòu)(gou), 例如彈(dan)性進(jìn)行(xing)還原(yuan)。

綜上, 通(tong)過不(bu)同噴頭對(duì)不(bu)同填充度的模(mo)型進(jìn)行打印可(ke)以對(duì)產(chǎn)(chan)品的質(zhì)構(gòu)進(jìn)(jin)行調(diào)控(kong), 以接近真(zhen)實(shí)三文(wen)魚的質(zhì)構(gòu),比(bi)如粘性和彈性(xing); 且對(duì)(dui)于40%填充(chong)度的模型, 使(shi)用更高精(jing)度的(de)350 μm 噴頭相較于500 μm 噴(pen)頭, 提高了(le)產(chǎn)品的(de)內(nèi)部結(jié)構(gòu)(gou)穩(wěn)定性和質(zhì)(zhi)構(gòu)特性。

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基于高(gao)精度3D 打(da)印的三(san)文魚植(zhi)物基(ji)替代物研究(jiu)