基于高精度3D打印的三文鱼植物基替代物研究_朱益源.pdf

第 14 卷 第 11 期 食 品 安 全 质 量 检 测 学 报 Vol.14 No.11 2023 年 6 月 Journal of Food Safety and Quality Jun.,2023 基金项目:国家重点研发计划项目(2022YFF1101800)Fund:Supported by the National Key Research and Development Program of China(2022YFF1101800)*通信作者:徐恩波,副研究员,主要研究方向为食品结构调控及 3D 打印先进加工。E-mail: 刘东红,教授,主要研究方向为食品柔性智能制造与装备平台。E-mail:*Corresponding author:XU En-Bo,Associate Professor,College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,No.866,Yuhangtang Road,Hangzhou 310058,China.E-mail: LIU Dong-Hong,Professor,College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,No.866,Yuhangtang Road,Hangzhou 310058,China.E-mail: 基于高精度 3D 打印的三文鱼植物基替代物研究 朱益源1,2,3,徐恩波1,2,3,4,5*,程 焕1,2,3,4,5,王文骏1,2,3,4,5,叶兴乾1,2,4,5,刘东红1,2,3,4,5*(1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院,杭州 310058;2.浙江大学长三角智慧绿洲创新中心,嘉兴 314100;3.浙江大学南方果蔬保鲜技术集成科研基地,杭州 310058;4.浙江大学智能食品加工技术与装备国家地方 联合工程实验室,杭州 310058;5.浙江大学馥莉食品研究院,杭州 310058)摘摘 要要:目的目的 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、y、G、屈服应变及剪切恢复特性对油墨 3D 打印过程影响显著。结论结论 通过调整 3D 打印精细化程度(350 m 和 500 m)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。关键词关键词:豌豆蛋白;魔芋胶;3D 打印;质构;植物基;替代物 Study on plant-based salmon substitutes based on high precision 3D printing ZHU Yi-Yuan1,2,3,XU En-Bo1,2,3,4,5*,CHENG Huan1,2,3,4,5,WANG Wen-Jun1,2,3,4,5,YE Xing-Qian1,2,4,5,LIU Dong-Hong1,2,3,4,5*(1.College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;2.Innovation Center of Yangtze River Delta,Zhejiang University,Jiaxing 314100,China;3.Integrated Research Base of Southern Fruit and Vegetable Preservation Technology,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;4.National-Local Joint Engineering Laboratory of Intelligent Food Technology and Equipment,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;5.Fuli Institute of Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)ABSTRACT:Objective To study plant-based salmon substitutes based on high precision 3D printing technology.Methods Using pea protein isolate(PPI),konjac gum(KGM)and natural carrot powder as rawand auxiliary materials,precise 3D composite printing was performed to produce plant-based substitutes simulating the color and texture of salmon.The influence of different material ratio on printability of ink were investigated.Selecting representative ink DOI:10.19812/ki.jfsq11-5956/ts.2023.11.019112 食 品 安 全 质 量 检 测 学 报 第 14 卷 formula,its rheological properties,water distribution,microstructure were characterized.Results The increase of the concentration of PPI and KGM enhanced the ability of the system to bind with water,and the high concentration of PPI(20%,m:m)affected the ability of KGM to bind with water to form stable gel.PPI15KGM5 formula could form a dense grid structure,enhance the stability of the system,had good shear recovery characteristics,and conducive to 3D printing;the PPI20KGM3 formula had better mechanical properties and structural strength,but its shear recovery property was poor due to the high PPI concentration affecting the formation of stable gel structure of KGM.Rheological parameters,y,G,yield strain and shear recovery characteristics had significant effects on ink 3D printing process.Conclusion By adjusting the 3D printing precision(350 m nd 500 m)and model filling degree,the products with differentiated texture and high protein content(15%,m:m)can be produced.The viscosity and elasticity of some products are similar to that of real salmon,which provides a new perspective for the development of 3D printing and production of plant-based substitutes.KEY WORDS:pea protein;konjacgum;3D printing;texture;plant-based;analogs 0 引 言 以三文鱼(Oncorhynchus)为代表的海洋鱼类,风味鲜美,富含多种蛋白质和微量元素,同时含有大量-3 不饱和脂肪酸和二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA),有助于预防心血管疾病与精神障碍1。从 1990 年到 2018年,全球鱼类总消费量增长了 122%2,但是过度捕捞及石油泄漏、白色污染、重金属泄露、核废水污染等问题严重阻碍了传统渔业的可持续发展35。考虑到整鱼利用率低、未来肉类供给压力大、素食主义需求及动物伦理等因素,一场关于植物基海鲜替代物的食品革命已然兴起。目前已经报道了许多基于多糖模仿三文鱼片外观的植物基肉的研究,但是这些水胶体产品存在两个问题:其一是蛋白质含量低、提供的营养物质少,如 WANG 等6生产的三文鱼替代物蛋白含量仅为 4%或 8%(w/w);且蛋白质烹饪过程受热变性的质构未知7;其二是基于挤压成型的鱼片类似物蛋白质含量虽高,但是离真实鱼肉的结构和质构仍有差距8。3D 打印作为一种从微观到宏观结构的跨尺度功能制造技术,具有很大的食品应用潜力,可以克服上述关于结构、质构及烹饪过程的限制,并且可以对打印墨水的成分进行调控,实现精准营养与控制910。然而,对于当前的食品 3D 打印,以 1 mm 直径以下的喷头生产植物蛋白基类似物仍然是一种挑战,喷头直径过小会导致物料堵塞、打印断条等问题,影响产品打印效果11。例如,TAY等7生产的 3D 打印三文鱼替代物中,用于挤出豌豆蛋白基油墨的喷头直径为 1.5 mm;KIM等12使用同轴打印生产的蟹棒替代物中,用于挤出的喷头直径分别为1.6 和 1 mm。而人类在咀嚼时,口腔黏膜中的味觉受体直径为 1830 m13,且鱼类肌纤维的直径为 20100 m14,能提供独特咀嚼感和纤维感。因此,提高 3D 打印精度,有助于对三文鱼替代物的微观结构和宏观质构进行仿真调控。豌豆被认为是一种非过敏性、绿色环保且可持续的“绿色”蛋白质来源15,尤其是富含赖氨酸的豌豆蛋白,可以促进肌肉生长,且不含过敏原,已被认为是开发替代肉制品的宝贵原料16。豌豆分离蛋白(pea protein isolate,PPI)是经过低温碱提的高纯度豌豆蛋白,溶解度良好,但是凝胶性和热稳定性较差17。PPI 溶解度高、不易凝胶的特性有利于以豌豆蛋白为主要成分的高蛋白、优质营养的植物基三文鱼替代物开发。研究表明,当多糖被添加到蛋白质基的原料中时,合适的浓度可对混合物质地产生显著的改善作用18。此外,蛋白质-多糖的相互作用在很大程度