浙江大学生物系统工程与食品科学学院研究人员在国内期刊《食品安全质量检测学报》发表了题为"基于高精度3D 打印的三文鱼植物基替代物研究"的研究论文。在该论文中，研究人员使用上海腾拔Universal TA质构仪测定了三文鱼排和3D 打印植物基替代物的硬度、粘性、弹性与咀嚼性等指标。

摘 要: 目的 基于高精度3D 打印技术研究三文鱼植物基替代物。方法 以豌豆分离蛋白(pea protein isolate,PPI)、魔芋胶(konjac gum, KGM)和天然胡萝卜粉为原辅料, 进行精准3D 复合打印生产模拟三文鱼色泽、质构的植物基替代物。考察不同物料比例对油墨可打印性的影响; 选取有代表性的油墨配方, 对其流变特性、水分分布情况、微观结构进行表征。结果 PPI 和KGM 浓度的升高都增强了体系与水结合的能力, 且PPI 浓度过高时(20%, m:m)影响了KGM 与水结合形成稳定凝胶的能力。PPI15KGM5 配方可形成致密的网格结构, 增强了体系的稳定性, 拥有良好的剪切恢复特性, 有利于3D 打印; 而PPI20KGM3 配方具有更好的机械性能和结构强度, 但是由于PPI 浓度过高影响KGM 形成稳定凝胶结构, 其剪切恢复特性较差。流变学参数η、τy、G'、屈服应变及剪切恢复特性对油墨3D 打印过程影响显著。结论 通过调整3D 打印精细化程度(350 μm 和500 μm)和模型填充度, 生产了具有差异化质构的高蛋白含量(15%, m:m)产品。其中, 部分产品的粘性和弹性与真实三文鱼类似, 这为开发3D 打印生产植物基替代物提供了新的视角。

1、质构特性测试

通过流动自来水对三文鱼排进行解冻, 恢复至室温约30 min 后, 沿鱼排顺肌纤维纤维切下尺寸一致的样品(2 cm×1 cm×1 cm)与打印完成的不同打印精度与模型填充度的立方体(2×1×1 cm)进行质地剖面分析(texture profile analysis, TPA)测试。实验条件为: 两次循环压缩30%, 触发力8 gf, 探头移动速度为1 mm/s。每组设置3 组及以上平行测试。

2、结果分析

注: a: 硬度; b: 粘性; c: 弹性; d: 咀嚼性; e: 胶着性; f 为真实三文鱼, 以及不同模型填充度条件下, 350 μm 和500 μm 喷头打印的产品弹性; 图a~f 中不同大写字母表示组间差异显著, P<0.05。

图7 不同打印产品的质地剖面分析(a~e)和与真实三文鱼弹性的比较(f) (n=3)

为了探究不同打印喷嘴的产品的质构特性差异, 本研究进行了TPA 测试(图7a~e), 并分别对350 μm 和500 μm的喷头产品进行显著性分析(图7f)。

硬度是压缩样品所需的力, 可以模仿人口腔对固体或者半固体的咀嚼情况[50]。在图7a 中, 随着模型填充度的上升, 500 μm 喷头产品的硬度从(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。但对于350 μm 喷头的产品, 硬度并没有上升, 且彼此之间并没有显著性差异, 不过填充度为40%时, 350 μm 喷头的产品硬度大于500 μm。咀嚼性(图7d)和胶着性(图7e)的结果与硬度测量结果类似, 即500 μm 喷头产品的质构特性随模型填充度上升而上升; 但是350 μm 喷头的产品基本没有显著性差异。不过, 在40%填充度时, 350 μm 喷头的产品的质构特性都显著高于500 μm, 这可能是精细化打印提高了产品内部结构的稳定性, 从而改善质构特性。

粘性是克服样品本身的粘性而消耗的能量, 代表着需要从牙齿或者上颚去除粘附的食物所做的功。本研究中,随着模型填充度上升, 350 μm 的喷头产品的粘性均呈现上升趋势(图7b), 从(3.92±1.68) gf-mm 升到(18.79±4.57) gf-mm。500-40%产品的粘性[(12.59±0.75) gf-mm]接近真实三文鱼的粘性[(13.19±3.97) gf-mm]。弹性是样品去除形变后恢复到本来状态的能力, 表现为食物被牙齿咬后恢复到原状的能力。且弹性和鱼的新鲜程度关联性极大, 鱼在屠宰、冰冻或者腐败后, 弹性都会有一定程度的下降。工业中, 工人通常使用“手指法”测量生鱼片的质构以了解其弹性是否适合进一步加工。在图7c 中, 随着模型填充度的上升, 500 μm 喷头产品的弹性从0.41±0.06 上升到了0.58±0.03, 并且接近本次测量的三文鱼的弹性(0.61±0.03)。详细的弹性数据对比如图7f 所示, 真实三文鱼肉的弹性和500-70%的产品无显著性差异, 表明通过精细化打印和调控模型填充度, 可以对三文鱼的质构, 例如弹性进行还原。

综上, 通过不同喷头对不同填充度的模型进行打印可以对产品的质构进行调控, 以接近真实三文鱼的质构,比如粘性和弹性; 且对于40%填充度的模型, 使用更高精度的350 μm 喷头相较于500 μm 喷头, 提高了产品的内部结构稳定性和质构特性。

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基于高精度3D 打印的三文鱼植物基替代物研究