浙江大學生物系統工程與食品科學學院研究人員在國內期刊《食品安全質量檢測學報》發表了題為"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質構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。

摘 要: 目的 基于高精度3D 打印技術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, 進行精準3D 復合打印生產模擬三文魚色澤、質構的植物基替代物?？疾觳煌锪媳壤龑τ湍纱蛴⌒缘挠绊? 選取有代表性的油墨配方, 對其流變特性、水分分布情況、微觀結構進行表征。結果 PPI 和KGM 濃度的升高都增強了體系與水結合的能力, 且PPI 濃度過高時(20%, m:m)影響了KGM 與水結合形成穩定凝膠的能力。PPI15KGM5 配方可形成致密的網格結構, 增強了體系的穩定性, 擁有良好的剪切恢復特性, 有利于3D 打印; 而PPI20KGM3 配方具有更好的機械性能和結構強度, 但是由于PPI 濃度過高影響KGM 形成穩定凝膠結構, 其剪切恢復特性較差。流變學參數η、τy、G'、屈服應變及剪切恢復特性對油墨3D 打印過程影響顯著。結論 通過調整3D 打印精細化程度(350 μm 和500 μm)和模型填充度, 生產了具有差異化質構的高蛋白含量(15%, m:m)產品。其中, 部分產品的粘性和彈性與真實三文魚類似, 這為開發3D 打印生產植物基替代物提供了新的視角。

1、質構特性測試

通過流動自來水對三文魚排進行解凍, 恢復至室溫約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)進行質地剖面分析(texture profile analysis, TPA)測試。實驗條件為: 兩次循環壓縮30%, 觸發力8 gf, 探頭移動速度為1 mm/s。每組設置3 組及以上平行測試。

2、結果分析

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 不同打印產品的質地剖面分析(a~e)和與真實三文魚彈性的比較(f) (n=3)

為了探究不同打印噴嘴的產品的質構特性差異, 本研究進行了TPA 測試(圖7a~e), 并分別對350 μm 和500 μm的噴頭產品進行顯著性分析(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, 350 μm 噴頭的產品硬度大于500 μm。咀嚼性(圖7d)和膠著性(圖7e)的結果與硬度測量結果類似, 即500 μm 噴頭產品的質構特性隨模型填充度上升而上升; 但是350 μm 噴頭的產品基本沒有顯著性差異。不過, 在40%填充度時, 350 μm 噴頭的產品的質構特性都顯著高于500 μm, 這可能是精細化打印提高了產品內部結構的穩定性, 從而改善質構特性。

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 的噴頭產品的粘性均呈現上升趨勢(圖7b), 從(3.92±1.68) gf-mm 升到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%產品的粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接近真實三文魚的粘性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是樣品去除形變后恢復到本來狀態的能力, 表現為食物被牙齒咬后恢復到原狀的能力。且彈性和魚的新鮮程度關聯性極大, 魚在屠宰、冰凍或者腐敗后, 彈性都會有一定程度的下降。工業中, 工人通常使用“手指法"測量生魚片的質構以了解其彈性是否適合進一步加工。在圖7c 中, 隨著模型填充度的上升, 500 μm 噴頭產品的彈性從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)。詳細的彈性數據對比如圖7f 所示, 真實三文魚肉的彈性和500-70%的產品無顯著性差異, 表明通過精細化打印和調控模型填充度, 可以對三文魚的質構, 例如彈性進行還原。

綜上, 通過不同噴頭對不同填充度的模型進行打印可以對產品的質構進行調控, 以接近真實三文魚的質構,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, 提高了產品的內部結構穩定性和質構特性。

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基于高精度3D 打印的三文魚植物基替代物研究