上海騰拔質(zhì)構儀相關(guān)論文：基于高精度3D 打印的三文魚(yú)植物基替代物研究

浙江大學(xué)生物系統工程與食品科學(xué)學(xué)院研究人員在國內期刊《食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報》發(fā)表了題為"基于高精度3D 打印的三文魚(yú)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)構儀測定了三文魚(yú)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(shù)研究三文魚(yú)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3D 復合打印生產(chǎn)模擬三文魚(yú)色澤、質(zhì)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(guān)結構進(jìn)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(guò)高時(shí)(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(wǎng)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(guò)高影響KGM 形成穩定凝膠結構, 其剪切恢復特性較差。流變學(xué)參數η、τy、G'、屈服應變及剪切恢復特性對油墨3D 打印過(guò)程影響顯著(zhù)。結論 通過(guò)調整3D 打印精細化程度(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(yú)類(lèi)似, 這為開(kāi)發(fā)3D 打印生產(chǎn)植物基替代物提供了新的視角。

1、質(zhì)構特性測試

通過(guò)流動(dòng)自來(lái)水對三文魚(yú)排進(jìn)行解凍, 恢復至室溫約30 min 后, 沿魚(yú)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(zhù)性; f 為真實(shí)三文魚(yú), 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(xiě)字母表示組間差異顯著(zhù), 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(yú)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(zhù)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(zhù)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(méi)有上升, 且彼此之間并沒(méi)有顯著(zhù)性差異, 不過(guò)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(zhù)性(圖7e)的結果與硬度測量結果類(lèi)似, 即500 μm 噴頭產(chǎn)品的質(zhì)構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(méi)有顯著(zhù)性差異。不過(guò), 在40%填充度時(shí), 350 μm 噴頭的產(chǎn)品的質(zhì)構特性都顯著(zhù)高于500 μm, 這可能是精細化打印提高了產(chǎn)品內部結構的穩定性, 從而改善質(zhì)構特性。

粘性是克服樣品本身的粘性而消耗的能量, 代表著(zhù)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(zhù)模型填充度上升, 350 μm 的噴頭產(chǎn)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(chǎn)品的粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接近真實(shí)三文魚(yú)的粘性[(13.19±3.97) gf-mm]。彈性是樣品去除形變后恢復到本來(lái)狀態(tài)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(yú)的新鮮程度關(guān)聯(lián)性極大, 魚(yú)在屠宰、冰凍或者腐敗后, 彈性都會(huì )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(yú)片的質(zhì)構以了解其彈性是否適合進(jìn)一步加工。在圖7c 中, 隨著(zhù)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(yú)的彈性(0.61±0.03)。詳細的彈性數據對比如圖7f 所示, 真實(shí)三文魚(yú)肉的彈性和500-70%的產(chǎn)品無(wú)顯著(zhù)性差異, 表明通過(guò)精細化打印和調控模型填充度, 可以對三文魚(yú)的質(zhì)構, 例如彈性進(jìn)行還原。

綜上, 通過(guò)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)構進(jìn)行調控, 以接近真實(shí)三文魚(yú)的質(zhì)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(chǎn)品的內部結構穩定性和質(zhì)構特性。

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基于高精度3D 打印的三文魚(yú)植物基替代物研究