浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院研究人員在國內(nèi)期刊《食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報(bào)》發(fā)表了題為"基于高精度3D 打印的三文魚植物基替代物研究"的研究論文。在該論文中，研究人員使用上海騰拔Universal TA質(zhì)構(gòu)儀測定了三文魚排和3D 打印植物基替代物的硬度、粘性、彈性與咀嚼性等指標(biāo)。

摘 要: 目的 基于高精度3D 打印技術(shù)研究三文魚植物基替代物。方法 以豌豆分離蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔芋膠(konjac gum, KGM)和天然胡蘿卜粉為原輔料, 進(jìn)行精準(zhǔn)3D 復(fù)合打印生產(chǎn)模擬三文魚色澤、質(zhì)構(gòu)的植物基替代物。考察不同物料比例對油墨可打印性的影響; 選取有代表性的油墨配方, 對其流變特性、水分分布情況、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。結(jié)果 PPI 和KGM 濃度的升高都增強(qiáng)了體系與水結(jié)合的能力, 且PPI 濃度過高時(shí)(20%, m:m)影響了KGM 與水結(jié)合形成穩(wěn)定凝膠的能力。PPI15KGM5 配方可形成致密的網(wǎng)格結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)了體系的穩(wěn)定性, 擁有良好的剪切恢復(fù)特性, 有利于3D 打印; 而PPI20KGM3 配方具有更好的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度, 但是由于PPI 濃度過高影響KGM 形成穩(wěn)定凝膠結(jié)構(gòu), 其剪切恢復(fù)特性較差。流變學(xué)參數(shù)η、τy、G'、屈服應(yīng)變及剪切恢復(fù)特性對油墨3D 打印過程影響顯著。結(jié)論 通過調(diào)整3D 打印精細(xì)化程度(350 μm 和500 μm)和模型填充度, 生產(chǎn)了具有差異化質(zhì)構(gòu)的高蛋白含量(15%, m:m)產(chǎn)品。其中, 部分產(chǎn)品的粘性和彈性與真實(shí)三文魚類似, 這為開發(fā)3D 打印生產(chǎn)植物基替代物提供了新的視角。

1、質(zhì)構(gòu)特性測試

通過流動(dòng)自來水對三文魚排進(jìn)行解凍, 恢復(fù)至室溫約30 min 后, 沿魚排順肌纖維纖維切下尺寸一致的樣品(2 cm×1 cm×1 cm)與打印完成的不同打印精度與模型填充度的立方體(2×1×1 cm)進(jìn)行質(zhì)地剖面分析(texture profile analysis, TPA)測試。實(shí)驗(yàn)條件為: 兩次循環(huán)壓縮30%, 觸發(fā)力8 gf, 探頭移動(dòng)速度為1 mm/s。每組設(shè)置3 組及以上平行測試。

2、結(jié)果分析

注: a: 硬度; b: 粘性; c: 彈性; d: 咀嚼性; e: 膠著性; f 為真實(shí)三文魚, 以及不同模型填充度條件下, 350 μm 和500 μm 噴頭打印的產(chǎn)品彈性; 圖a~f 中不同大寫字母表示組間差異顯著, P<0.05。

圖7 不同打印產(chǎn)品的質(zhì)地剖面分析(a~e)和與真實(shí)三文魚彈性的比較(f) (n=3)

為了探究不同打印噴嘴的產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特性差異, 本研究進(jìn)行了TPA 測試(圖7a~e), 并分別對350 μm 和500 μm的噴頭產(chǎn)品進(jìn)行顯著性分析(圖7f)。

硬度是壓縮樣品所需的力, 可以模仿人口腔對固體或者半固體的咀嚼情況[50]。在圖7a 中, 隨著模型填充度的上升, 500 μm 噴頭產(chǎn)品的硬度從(59.3±25.3) gf 上升到了(137.4±19.2) gf, 填充度上升提高了打印硬度。但對于350 μm 噴頭的產(chǎn)品, 硬度并沒有上升, 且彼此之間并沒有顯著性差異, 不過填充度為40%時(shí), 350 μm 噴頭的產(chǎn)品硬度大于500 μm。咀嚼性(圖7d)和膠著性(圖7e)的結(jié)果與硬度測量結(jié)果類似, 即500 μm 噴頭產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特性隨模型填充度上升而上升; 但是350 μm 噴頭的產(chǎn)品基本沒有顯著性差異。不過, 在40%填充度時(shí), 350 μm 噴頭的產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特性都顯著高于500 μm, 這可能是精細(xì)化打印提高了產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性, 從而改善質(zhì)構(gòu)特性。

粘性是克服樣品本身的粘性而消耗的能量, 代表著需要從牙齒或者上顎去除粘附的食物所做的功。本研究中,隨著模型填充度上升, 350 μm 的噴頭產(chǎn)品的粘性均呈現(xiàn)上升趨勢(圖7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產(chǎn)品的粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接近真實(shí)三文魚的粘性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是樣品去除形變后恢復(fù)到本來狀態(tài)的能力, 表現(xiàn)為食物被牙齒咬后恢復(fù)到原狀的能力。且彈性和魚的新鮮程度關(guān)聯(lián)性極大, 魚在屠宰、冰凍或者腐敗后, 彈性都會有一定程度的下降。工業(yè)中, 工人通常使用“手指法"測量生魚片的質(zhì)構(gòu)以了解其彈性是否適合進(jìn)一步加工。在圖7c 中, 隨著模型填充度的上升, 500 μm 噴頭產(chǎn)品的彈性從0.41±0.06 上升到了0.58±0.03, 并且接近本次測量的三文魚的彈性(0.61±0.03)。詳細(xì)的彈性數(shù)據(jù)對比如圖7f 所示, 真實(shí)三文魚肉的彈性和500-70%的產(chǎn)品無顯著性差異, 表明通過精細(xì)化打印和調(diào)控模型填充度, 可以對三文魚的質(zhì)構(gòu), 例如彈性進(jìn)行還原。

綜上, 通過不同噴頭對不同填充度的模型進(jìn)行打印可以對產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控, 以接近真實(shí)三文魚的質(zhì)構(gòu),比如粘性和彈性; 且對于40%填充度的模型, 使用更高精度的350 μm 噴頭相較于500 μm 噴頭, 提高了產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和質(zhì)構(gòu)特性。

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基于高精度3D 打印的三文魚植物基替代物研究