植物蛋白肉3D打印工艺参数优化.pdf

植物蛋白肉 3D 打印工艺参数优化蔡维1,2,3，王羽1，高艳娥1，李丽1（1.西南大学工程技术学院，重庆400715；2.宜宾西南大学研究院，宜宾644000；3.香港理工大学物流及航运学系，香港999077）摘要：为提高植物蛋白肉 3D 打印品质，该研究探究了 3D 打印工艺参数对植物蛋白肉品质的影响。通过单因素试验，分析打印速度、喷嘴高度和挤压流量等 3D 打印工艺参数对植物蛋白肉的硬度、弹性和咀嚼性的影响。采用 Box-BehnkenDesign 响应面试验设计，分别建立硬度、弹性和咀嚼性的多元回归拟合模型，提出基于多目标烟花算法的植物蛋白肉硬度、弹性和咀嚼性的 3D 打印工艺参数优化方法。研究结果表明，打印速度为 49.06mm/s、喷嘴高度为1.21mm、挤压流量为 80.75mm3/s 时，植物蛋白肉硬度、弹性和咀嚼性分别为 43.14N、2.78mm、75.92mJ，与鸡肉品质相似度最高。优化结果与验证性试验结果相比，硬度相对误差为 2.21%、弹性相对误差为 5.48%、咀嚼性相对误差为2.52%。该研究通过 3D 打印工艺参数的优化改善了植物蛋白肉的品质，可为高品质植物蛋白肉研究与生产提供参考。关键词：蛋白质；优化；植物肉；3D 打印；植物蛋白doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202304141中图分类号：TS214.2文献标志码：A文章编号：1002-6819(2023)-12-0254-11蔡维，王羽，高艳娥，等.植物蛋白肉 3D 打印工艺参数优化J.农业工程学报，2023，39（12）：254-264.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202304141http:/www.tcsae.orgCAI Wei,WANG Yu,GAO Yane,et al.Optimization of the process parameters for 3D printing plant protein meatJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2023,39(12):254-264.(inChinesewithEnglishabstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202304141http:/www.tcsae.org0引言畜牧业（包括牧场和动物饲料生产）占用了大量土地面积，其约占全球 80%的农业用地，消耗了世界上 32%的淡水资源，由畜牧业引起的温室气体排放占全球总排放量的 14.5%，对生态系统造成严重影响1-3。为缓解土地占用、淡水资源消耗和温室气体排放等环境问题4-6，植物肉已成为替代动物肉需求增长的有效产品7-10。植物蛋白肉是一种以植物蛋白为主要原料的植物肉，其主要成分为蛋白质、脂质和碳水化合物，并添加维生素、矿物质、添加剂等11。其中，蛋白质、脂质、多糖和淀粉等成分加工形成的复合物，具有较好的持水性、凝胶性和黏弹性12-13，对植物蛋白肉的质地、风味和营养发挥着关键作用14，增强了其与动物肉质地、味道和颜色的相似度15-17。当前，植物蛋白肉的加工方法主要有挤压、纺丝、剪切及 3D 打印技术等18-19。挤压技术能满足植物蛋白肉大规模生产的需求，并且纤维成型程度高，但色泽差、营养物质在高温作用下易变性。纺丝技术具备大规模生产能力，但会产生大量的化学品废液。剪切技术剪切力恒定，但设备操作复杂，植物蛋白肉批量生产困难。3D 打印技术具备形状、纹理、营养个性化定制能力20-23，可有效减少产品加工工序24-26。近年来，为提高食品 3D 打印的品质，国内外学者已开展大量研究。LIU 等27发现，在明胶、玉米淀粉和蔗糖中补充 5%的蛋清蛋白，可以显著提高凝胶样品的硬度、弹性和黏度，从而使其更适合 3D 打印。段松岐等28研究发现添加 1.3%卡拉胶的 3D 打印产品表现出较好的微观结构及咀嚼性。CHEN 等29探讨了不同的蛋白质为基质的油墨特性，结果表明基于花生蛋白的油墨流变性能更优。KIM 等30研究了在具有不同水化特性的水胶体基质中加入不同质量分数（10%和 30%）的蔬菜粉，如西兰花、菠菜或胡萝卜，对印刷性能和流变学特性有一定影响。王晶等31研究了直链淀粉含量对淀粉基凝胶的硬度、弹性、黏附性和回复性的影响，并得出3D 打印的直链淀粉与支链淀粉最优比例。CHEN 等32研究了添加海藻酸钠和不同比例明胶对大豆分离蛋白3D 打印特性的影响，结果表明添加明胶提高了产品硬度、弹性和咀嚼性。BULUT 等33研究了不同水胶体浓度和工艺参数对 3D 打印食品质量的影响。目前的研究主要集中在 3D 打印的油墨材料和水胶体成分的优化，关于工艺参数与植物蛋白肉品质的影响关系研究还相对匮乏。3D 打印技术制造的植物蛋白肉品质与动物肉相比存在较大差距。因此，本试验在单因素试验研究基础上，采用 Box-BehnkenDesign 响应面试验设计，分析 3D 打印速度、喷嘴高度、挤压流量对植物蛋白肉硬度、弹性和咀嚼性的影响规律，并利用多目标烟花算法优化 3D 打印工艺参数，改善 3D 打印植物蛋白肉的品质，为高品质植物蛋白肉研究和生产提供参考。收稿日期：2023-04-18修订日期：2023-05-17基金项目：四川省科技计划项目（2023JDRC0067）；香港理工大学杰出博士后计划（P0039216）；国家自然科学基金（51875480）；重庆市研究生科研创新项目（CYS23208）；重庆市教委重庆市青少年创新人才培养雏鹰计划项目作者简介：蔡维，博士，副教授，研究方向植物肉制造技术与装备、绿色智能制造。Email：第39卷第12期农 业 工 程 学 报Vol.39No.122542023年6月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJune20231材料与方法1.1材料与设备试验材料包括大豆蛋白粉（安阳得天力食品有限责任公司）、大豆分离蛋白（临沂山松生物制品有限公司）、谷朊粉（封丘县华丰粉业有限公司）、黄原胶（山东阜丰发酵有限公司）、羟甲基纤维素钠（上申光食用化学品有限公司）、马铃薯淀粉（静宁红光淀粉有限公司）、着色剂（珠海锦田天然色素有限公司）、酵母提取物（安琪酵母股份有限公司）、香精（青岛味香林食品配料有限公司），菜籽油和盐（市场购买），鸡肉。仪器设备包括 Procusini5.0 食物 3D 打印设备（德国Procusini 公司），平底煎锅和蒸锅（广东美的公司），高精度电子秤（武汉睿智商贸公司，精度为 0.01g），TMS-PRO 质构仪（美国 FoodTechnologyCorporation 公司）。1.2试验方法本文试验流程如图 1 所示。通过单因素试验设计，进行植物蛋白肉 3D 打印和品质测试，筛选出 3D 打印工艺参数优选范围。在此基础上进行响应面试验设计，开展植物蛋白肉 3D 打印和品质测试，分析 3D 打印工艺参数对硬度、弹性和咀嚼性等品质影响，通过多目标优化得到最优工艺参数组合，并进行优化结果验证。植物蛋白肉原料单因素试验设计响应面试验设计3D 打印植物蛋白肉3D 打印植物蛋白肉硬度、弹性、咀嚼性品质测试硬度、弹性、咀嚼性品质测试最优3D打印工艺参数组合多目标优化优化结果试验验证图 1植物蛋白肉 3D 打印工艺参数优化试验流程图Fig.1Experimentalflowchartofprocessparametersoptimizationfor3Dprintingplantproteinmeat1.2.13D 打印工艺参数3D 打印植物蛋白肉的品质与其工艺参数密切相关，打印速度、喷嘴高度、挤压流量参数变化对植物蛋白肉成品硬度、弹性和咀嚼性有较大影响，3D 打印植物蛋白肉工艺参数如图 2 所示。层高Layerheight喷嘴高度Nozzleheight长度Length宽度Width挤压流量Extrusionrate打印速度Print speed喷嘴直径Nozzlediameter图 23D 打印植物蛋白肉工艺参数Fig.2Processparametersof3DprintingplantproteinmeatWANG 等34研究表明，喷嘴高度对打印产品品质具有重要影响。当喷嘴高度 h 小于临界喷嘴高度 hc时，挤出的材料会沿垂直于打印路径的方向扩散，致使横截面变形，从而影响产品品质。喷嘴高度 h 大于临界喷嘴高度 hc时，横截面形状取决于原材料流变特性，但喷嘴高度过高会使材料出现拉扯，影响产品品质。因此，喷嘴高度是影响 3D 打印产品品质的重要工艺参数35。临界喷嘴高度 hc如式（1）36所示：hc=qvd（1）式中 hc为临界喷嘴高度，mm；q 为挤压流量，mm3/s；v 为打印速度（喷嘴相对于打印平台的移动速度），mm/s；d 为打印机喷嘴直径，mm。KHALIL 等37研究发现，3D 打印过程中打印速度影响挤出材料的直径大小。当打印速度 v 大于临界打印速度 vn时，会使挤出材料出现拉伸。当打印速度 v 小于临界打印速度 vn时，会使挤出材料出现堆积，影响 3D打印产品品质34。临界打印速度 vn为特定挤压流量与喷嘴直径情况下合适的打印速度理论参考值，其与挤压流量和喷嘴直径之间的关系如式（2）38所示：vn=4qd2（2）式中 vn为临界打印速度，mm/s。由式（1）和（2）知，挤压流量与临界喷嘴高度和临界打印速度呈正相关，改变挤压流量也将改变临界喷嘴高度和临界打印速度，间接影响 3D 打印产品品质。综上，本研究选择打印速度、喷嘴高度、挤压流量3 个参数作为试验因素进行单因素试验，通过检测植物蛋白肉成品的硬度、弹性和咀嚼性，综合分析 3D 打印速度、喷嘴高度、挤压流量对植物蛋白肉品质的影响规律。1.2.2样品制备试验样品根据现有植物蛋白肉配方进行改进39，其制备过程如下：将 1g 大豆蛋白粉、1g 大豆分离蛋白和6.5g 谷朊粉溶解于 28.5g 水，搅拌均匀，再加入 1.2g第12期蔡维等：植物蛋白肉 3D 打印工艺参数优化255黄原胶、6.5g 马铃薯淀粉、1.5g 菜籽油等其他物质搅拌 30min，得到植物蛋白肉原料。将植物蛋白肉原料加入 3D 打印机料筒，导入打印预设试验模型。通过 3D 打印预设模型及参数设置，制备植物蛋白肉样品。将打印完成的植物蛋白肉样品放在 100 蒸锅中蒸 5min 后取出，并在 170 平底锅中双面各煎 2min，直至全熟。待样品冷却到室温后，将样品放置于 8 的冷藏室内冷藏 24h。3D 打印模型采用 Solidworks2020 软件设计并保存为 STL 文件，再通过 Ultimaker-Cura5.0 软件设置打印参数，切片为 G-Code 文件。本研究打印模型为（35355）mm3的长方体样品。鸡肉样品制备过程如下：将清洗后的鸡肉切成（35355）mm3的长方体样品，加入 2.8%淀粉与 1.0%盐腌制 2h，在平底锅中双面各煎 5min，直至全熟。本试验设定的3D 打印工艺参数为：喷嘴直径1.20mm、首层层高 0.80mm、顶层层高 0.80mm、加热温度及打印温度为 30、填充率 60%，打印速度、喷嘴高度、挤压流量参数如表 1 所示。表1单因素试验因素和水平Table1Factorsandlevelsofsinglefactortest水平Levels打印速度Printspeed/(mms1)喷嘴高度Nozzleheight/mm挤压流量Extrusionrate/(mm3s1)1200.643.22400.857.63601.072.04801.286.451001.4100.8根据单因素试验结果，选择打印速度（40mm/s、60mm/s、80mm/s）、喷嘴高度（1.0mm、1.2mm、1.4 mm）、挤 压 流 量（57.60 mm3/s、72.00 mm3/s、86.40mm3/s）设计3 因素3 水平响应面试验，如表2 所示。表2响应面试验因素和水平Table2Factorsandlevelsofresponsesurface水平Levels打印速度Printspeed/(mms1)喷嘴高度Nozzleheight/mm挤压流量Extrusionrate/(mm3s1)1401.057.60601.272.01801.486.41.2.3质构品质指标测量将待测样品放在 TMS-PRO 质构仪（美国 FoodTec-hnologyCorporation 公司）的测试平台上进行品质测试。TMS-PRO 质构仪采用 TPA 模式，选用量程为 250N 的感应元件，探头型号选择 432-010，测试速度为 40mm/s，起始力为 0.375N，压缩变形量为 40%，两次下压间隔时间 3s，测量的参数包括硬度、弹性和咀嚼性。1.3统计分析本试验采用 Design-Expert13 软件进行单因素和响应面试验设计，并通过 Origin2021 软件分析试验数据。响应面试验过程中，采用方差分析 3 个工艺参数分别对植物蛋白肉品质的影响和各参数之间的相互作用效果。同时，基于响应面试验数据拟合回归模型，使用多目标烟花算法进行 3D 工艺参数优化。1.4多目标优化1.4.1目标函数针对 3D 打印植物蛋白肉工艺参数优化，建立硬度（H,N）、弹性（E,mm）、咀嚼性（C,mJ）与打印速度（v,mm/s）、喷嘴高度（h,mm）、挤压流量（q,mm3/s）3 个打印工艺参数的优化模型，如式（3）所示。Min(HH0、EE0、CC0)=f(v、h、q)（3）式中 H0、E0、C0为鸡肉的硬度、弹性、咀嚼性标准值。1.4.2约束条件所选打印速度、喷嘴高度、挤压流量等 3D 打印工艺参数需满足相应约束条件，保证植物蛋白肉的正常打印，具体约束条件如下：在打印速度方面，打印速度过快会导致原材料拉伸，打印速度过慢会导致原材料堆积。因此，打印速度的变化会影响产品打印品质，打印速度约束如式（4）所示。0v100 mm/s（4）在喷嘴高度方面，喷嘴高度过高会导致挤出材料与已打印材料出现拉扯，影响产品品质，喷嘴高度过低会导致挤出材料横截面出现变化。因此，喷嘴高度的参数设定与打印产品的品质密切相关，喷嘴高度约束如式（5）所示。0h2 mm（5）在挤压流量方面，挤压流量影响植物蛋白肉打印过程流量控制，挤压流量与打印速度不协调会导致原材料堆积或拉扯，从而影响打印品质，挤压流量约束如式（6）所示。0q144 mm3/s（6）1.5多目标优化与求解在 3D 打印植物蛋白肉工艺参数优化试验中，为了保证植物蛋白肉的品质与鸡肉高度相似，通过多目标优化方法，获取最优工艺参数组合。本研究通过硬度、弹性和咀嚼性量化植物蛋白肉的品质，并以打印速度、喷嘴高度、挤压流量为决策变量。本研究基于一种群体智能优化算法烟花算法（fireworksalgorithm，FWA）40实现对 3D 打印植物蛋白肉工艺参数优化。在建立多目标模型的基础上，采用基于 pareto 优化解集的多目标烟花算法(multi-objectfireworksalgorithm，MOFWA)。本研究采用 MOFWA 作为优化方法，利用 MatlabR2022a 软件对建立的打印速度、喷嘴高度和挤压流量与硬度、弹性和咀嚼性之间的多目标模型进行优化求解。步骤 1：初始化变异烟花数量 P=10，爆炸振幅A=0.5，爆炸强度M=10，爆炸数目限制因子a=0.3、b=0.6，迭代次数 Ie=400，种群数量 N=100。初始解 v、h、q 从可行解空间随机生成。步骤 2：对于 xi个烟花产生的烟花数量用式（7）、（8）计算，爆炸振幅用式（9）计算：Si=Mymax f(xi)+ni=1(ymax f(xi)+)（7）bSi=round(aM),Si bM且a b 1round(Si),其他（8）256农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年Ai=Af(xi)ymin+ni=1(f(xi)ymin+)（9）式中 ymin=min（f（xi），ymax=max（f（xi），i=1,2,n，M、A、a、b 均为常数，M 用于调节爆炸火花数量，A 用于调节爆炸半径，是一个机器最小值，round()为四舍五入的取整函数。步骤 3：利用高斯分布对种群进行高斯变异，增强烟花算法的全局性，如式（10）所示：xki,gauss=xkie（10）xki，gaussxki式中是烟花算子经过高斯变异后 k 维的位置信息，为烟花算子 k 维的位置信息，e 是服从均值、方差都为 1 的高斯分布。步骤 4：将烟花爆炸算子超出解集空间的部分通过式（11）映射到解集空间内部：xki=xkLB+?xki?%(xkUBxkLB)（11）xkixkLBxkUB式中为烟花算子 k 维的位置信息，是解空间 k 维的下界信息，是解空间 k 维的上界信息，%是模运算。步骤 5：保证每一代烟花算子数量为 100 个，将烟花算子集合 中适应度最大的烟花算子选入下一代初始种群，剩余 99 个烟花算子通过轮盘赌的方式进行选择，候选者 xi被选中的概率通过式（12）、（13）计算：P(xi)=R(xi)xjxj（12）R(xi)=xjd(xixj)=xjxixj（13）式中 R(xi)为候选者集合 xi与其他所有算子的距离之和，d(xixj)为 xi与 xj之间的距离。步骤 6：返回优化结果。1.6优化解决策本研究通过熵权-模糊 TOPSIS（techniquefororderperformancebysimilaritytoidealsolution）综合评价方法筛选出植物蛋白肉 3D 打印工艺参数优化解集中的最优解。熵权-模糊 TOPSIS 综合评价方法通过对植物蛋白肉硬度、弹性和咀嚼性 3 个指标对应的优化数据进行归一化处理。计算植物蛋白肉硬度、弹性和咀嚼性对应的信息熵，确定 3 个指标分别对应的权重。构建决策矩阵并计算加权正负理想解，并计算每个决策对象到加权正负理想解的距离。最后，获取植物蛋白肉优化解的贴近度，贴近度最大的优化解对应的 3D 打印植物蛋白肉品质综合最优。2结果与分析2.1单一工艺参数对植物蛋白肉品质的影响通过调整打印速度、喷嘴高度和挤压流量等单一工艺参数，探究单一工艺参数对植物蛋白肉硬度、弹性和咀嚼性的影响。3D 打印植物蛋白肉工艺过程及单一工艺参数试验样品，如图 3 所示。a.v=20 h=1.0 q=72.0b.v=40 h=1.0 q=72.0c.v=60 h=1.0 q=72.0d.v=80 h=1.0 q=72.0e.v=100 h=1.0 q=72.0f.v=60 h=0.6 q=72.0g.v=60 h=0.8 q=72.0h.v=60 h=1.0 q=72.0i.v=60 h=1.2 q=72.0j.v=60 h=1.4 q=72.0k.v=60 h=1.0 q=43.2l.v=60 h=1.0 q=57.6m.v=60 h=1.0 q=72.0n.v=60 h=1.0 q=86.4o.v=60 h=1.0 q=100.8注：v 为打印速度，mms-1；h 为喷嘴高度，mm；q 为挤压流量，mm3s1，下同。Note：vistheprintspeed，mms-1；histhenozzleheight，mm；qistheextrusionrate，mm3s1.Thesamebelow.图 33D 打印植物蛋白肉工艺过程及单一工艺参数试验样品Fig.33Dprintingplantproteinmeatprocessandexperimentalsamplesthroughsingleprocessparameters2.1.1打印速度对品质的影响当喷嘴高度为 1.0mm，挤压流量为 72.0mm3/s 时，植物蛋白肉品质受打印速度影响规律如图 4 所示。试验结果表明，当打印速度在 20mm/s 时，打印材料堆积，材料显现出“过度挤出”现象，此时硬度较低，弹性、咀嚼性较大。在打印速度为 4080mm/s 时，打印速度第12期蔡维等：植物蛋白肉 3D 打印工艺参数优化257在临界打印速度附近波动，打印材料较为完整，使硬度达到峰值，弹性有所下降，咀嚼性与鸡肉更接近。在打印速度为 100mm/s 时，逐渐表现出“挤出不足”现象，植物蛋白材料出现“拉扯”，导致打印材料出现部分断裂。此时植物蛋白肉硬度表现出与鸡肉高度相似，但弹性较小；因打印材料断裂致使植物蛋白肉可咀嚼性减小。因此，在打印速度为 4080mm/s 时，植物蛋白肉具有较高的品质特性。2040608010012091.7390.381.3973.5675.4478.80咀嚼性 Chewiness/mJ打印速度 Print speed/(mms1)打印速度 Print speed/(mms1)打印速度 Print speed/(mms1)1.01.52.02.53.03.54.03.213.082.492.782.703.07弹性 Springiness/mm0204060801000204060801000204060801002030405060708039.1640.1750.9741.9145.7945.24硬度 Hardness/N植物蛋白肉硬度 PPM hardness鸡肉硬度 Chicken hardnessa.打印速度对硬度的影响b.打印速度对弹性的影响c.打印速度对咀嚼性的影响a.The effect of print speed on hardnessb.The effect of print speed on springinessc.The effect of print speed on chewiness植物蛋白肉弹性 PPM springiness鸡肉弹性 Chicken springiness植物蛋白肉咀嚼性 PPM chewiness鸡肉咀嚼性 Chicken chewiness注：植物蛋白肉简称 PPM，下同。Note：PlantproteinmeatisabbreviatedasPPM.Thesamebelow.图 4不同打印速度对 3D 打印植物蛋白肉品质的影响Fig.4Effectofdifferentprintspeedonthequalityof3Dprintedplantproteinmeat2.1.2喷嘴高度对品质的影响当打印速度为 60mm/s，挤压流量为 72.0mm3/s 时，植物蛋白肉的品质受喷嘴高度影响较大，如图 5 所示。喷嘴高度为 0.60.8mm 时，喷嘴高度小于临界喷嘴高度，导致挤出材料横截面变形，相邻打印材料之间出现干涉，样品打印密度增大。此时植物蛋白肉样品硬度和咀嚼性较高，弹性较小。在喷嘴高度为 1.01.4mm 时，喷嘴高度与临界喷嘴高度相近，挤出材料更完整，其硬度、弹性、咀嚼性更趋近于鸡肉。因此，喷嘴高度为 1.01.4mm 时，植物蛋白肉具有较高的品质特性。2.1.3挤压流量对品质的影响当喷嘴高度为 1.0mm，打印速度为 60mm/s 时，植物蛋白肉的品质受挤压流量影响规律如图 6 所示。20406080100120102.4286.3781.3978.0774.778.801.01.52.02.53.03.54.02.212.202.492.402.403.0700.60.81.01.21.400.60.81.01.21.400.60.81.01.21.42030405060708070.9862.4350.9746.5852.7245.24喷嘴高度 Nozzle height/mm喷嘴高度 Nozzle height/mm喷嘴高度 Nozzle height/mma.喷嘴高度对硬度的影响b.喷嘴高度对弹性的影响c.喷嘴高度对咀嚼性的影响a.The effect of nozzle height on hardnessb.The effect of nozzle height on springinessc.The effect of nozzle height on chewiness植物蛋白肉硬度 PPM hardness鸡肉硬度 Chicken hardness植物蛋白肉弹性 PPM springiness鸡肉弹性 Chicken springiness植物蛋白肉咀嚼性 PPM chewiness鸡肉咀嚼性 Chicken chewiness咀嚼性 Chewiness/mJ弹性 Springiness/mm硬度 Hardness/N图 5不同喷嘴高度对 3D 打印植物蛋白肉品质的影响Fig.5Effectofdifferentnozzleheightonthequalityof3Dprintedplantproteinmeat2040608010012027.9838.8681.3970.8667.7578.81.01.52.02.53.03.54.02.242.582.492.913.013.070 43.257.672.086.4100.80 43.257.672.086.4100.80 43.257.672.086.4100.82030405060708021.8225.6050.9738.9136.4445.24挤压流量 Extrusion rate/(mm3s1)挤压流量 Extrusion rate/(mm3s1)挤压流量 Extrusion rate/(mm3s1)a.挤压流量对硬度的影响b.挤压流量对弹性的影响c.挤压流量对咀嚼性的影响a.The effect of extrusion rate on hardnessb.The effect of extrusion rate on springinessc.The effect of extrusion rate on chewiness植物蛋白肉硬度 PPM hardness鸡肉硬度 Chicken hardness植物蛋白肉弹性 PPM springiness鸡肉弹性 Chicken springiness植物蛋白肉咀嚼性 PPM chewiness鸡肉咀嚼性 Chicken chewiness咀嚼性 Chewiness/mJ弹性 Springiness/mm硬度 Hardness/N图 6不同挤压流量对 3D 打印植物蛋白肉品质的影响Fig.6Effectofdifferentextrusionrateonthequalityof3Dprintedplantproteinmeat258农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年在挤压流量为 43.2mm3/s 时，喷嘴挤出的植物蛋白肉原材料较少，导致供料与打印速度不匹配，出现“挤出不足”现象，致使打印产品密度较低，植物蛋白肉的硬度、弹性和咀嚼性低于鸡肉。在挤压流量为 57.686.4mm3/s时，挤压流量与打印速度较为匹配，挤出材料完整度高，其硬度、咀嚼性与鸡肉相似，弹性趋近于鸡肉。在挤压流量为 100.8mm3/s 时，喷嘴挤出原材料过多，出现“过度挤出”现象，导致挤出的植物蛋白肉原材料通过喷嘴后膨胀。此时弹性有所增加，接近鸡肉品质，但硬度与咀嚼性较小。因此，在挤压流量为 57.686.4mm3/s时，植物蛋白肉具有较高的品质特性。2.2多工艺参数耦合对植物蛋白肉品质的影响2.2.1试验设计基于响应面法的 Box-Behnken(BBD)设计，以硬度、弹性和咀嚼性为响应指标，采用响应面分析 3D 打印植物蛋白肉工艺参数耦合作用对响应指标的影响，如图 7所示。采用 Design-Expert13 设计 3 因素 3 水平 17 个试验点的响应面，结果如表 3 所示，并对响应面试验结果进行多元回归拟合，建立硬度、弹性、咀嚼性分别与打印速度、喷嘴高度、挤压流量之间的数学模型。a.v=60 h=1.2 q=72.0b.v=40 h=1.2 q=57.6c.v=60 h=1.4 q=57.6d.v=80 h=1.2 q=86.4e.v=60 h=1.2 q=72.0f.v=40 h=1.2 q=86.4g.v=80 h=1.2 q=57.6h.v=60 h=1.0 q=86.4i.v=60 h=1.2 q=72.0j.v=60 h=1.0 q=57.6k.v=60 h=1.2 q=72.0l.v=40 h=1.4 q=72.0m.v=60 h=1.4 q=86.4n.v=60 h=1.2 q=72.0o.v=40 h=1.0 q=72.0p.v=80 h=1.0 q=72.0q.v=80 h=1.4 q=72.0图 73D 打印植物蛋白肉工艺过程及不同工艺参数响应面试验设计Fig.73Dprintingplantproteinmeatprocessandexperimentaldesignofdifferentprocessparametersresponsesurface表3响应面试验设计与结果Table3Experimentaldesignandresultsofresponsesurface序号No.打印速度Printspeed/(mms1)喷嘴高度Nozzleheight/mm挤压流量Extrusionrate/(mm3s1)硬度Hardness/N弹性Springiness/mm咀嚼性Chewiness/mJ1601.272.043.772.6170.512401.257.636.052.4776.883601.457.647.942.2650.144801.286.439.583.1662.205601.272.046.532.3672.086401.286.439.323.1376.567801.257.637.622.6657.738601.086.442.832.6562.199601.272.044.152.5169.5610601.057.640.342.1261.6211601.272.043.382.7575.0912401.472.047.362.3078.3313601.486.449.172.2661.5314601.272.044.052.6276.6715401.072.040.332.2982.5216801.072.041.552.3166.7417801.472.047.692.3063.632.2.2回归模型的建立与方差分析基于单因素试验进行响应面试验设计，通过方差分析，分别构建硬度、弹性、咀嚼性与打印速度、喷嘴高度、挤压流量之间的回归模型。在拟合过程中，消除不显著项，得到多元回归方程（14）（16）。H=44.38+3.39h+1.12q3.54v2+3.39h22.70q2（14）E=2.57+0.21q0.40h2（15）C=72.788.00v2.43h+4.75v24.73h29.19q2（16）式中 H 为硬度响应值；E 为弹性响应值；C 为咀嚼性响应值；v为打印速度编码值；h为喷嘴高度编码值；q为挤压流量编码值。植物蛋白肉拟合的硬度回归方程模型方差分析如表 4 所示。硬度模型的 F 值为 27.58，P 值0.05，失拟项不显著，试验误差较小。由模型各项 P 值可知，对硬度的工艺参数显著性影响由大到小顺序为 B-喷嘴高度、C-挤压流量、A-打印速度。植物蛋白肉拟合的弹性回归方程模型方差分析如表 5 所示。弹性模型的 F 值为 6.70，P 值0.05，失拟项不显著，试验误差较小。由模型各项 P 值可知，对弹性的工艺参数显著性影响由大到小顺序为 C-挤压流量、A-打印速度、B-喷嘴高度。第12期蔡维等：植物蛋白肉 3D 打印工艺参数优化259表4硬度模型方差分析Table4Analysisofvarianceforhardnessmodel来源Source平方和Sumofsquares自由度Degreeofsquare均方MeansquareF 值F-valueP 值P-value模型Model231.37925.7127.580.0001A1.4311.431.530.2557B91.87191.8798.550.0001C10.01110.0110.740.0135AB0.2010.200.210.6588AC0.4310.430.460.5193BC0.4010.400.430.5349A252.63152.6356.460.0001B248.44148.4451.970.0002C230.65130.6532.880.0007残差Residual6.5370.93失拟项Lackoffit0.3730.120.080.9675纯误差Pureerror6.1641.54总和Total237.9016注：P0.01表示该项极显著；P0.05表示该项显著，下同。Note:P0.01meanstheitemisextremelysignificant;P0.05meanstheitemissignificant.Thesamebelow.表5弹性模型方差分析Table5Analysisofvarianceforspringinessmodel来源Source平方和Sumofsquares自由度Degreeofsquare均方MeansquareF 值F-valueP 值P-value模型Model1.2590.146.700.010A7.910317.91030.380.5560B7.410317.41030.360.5684C0.3610.3617.210.0043AB2104121047.41030.9340AC6.910316.91030.330.5824BC0.06810.0683.280.1130A20.07110.0713.420.1069B20.6710.6732.430.0007C20.09910.0994.760.0655残差Residual0.1470.021失拟项Lackoffit0.06330.0211.020.4732纯误差Pureerror0.08240.021总和Total1.3916植物蛋白肉拟合的咀嚼性回归方程模型方差分析如表 6 所示。咀嚼性模型的 F 值为 18.76，P 值0.05，失配项不显著，试验误差较小。由模型各项 P 值可知，对咀嚼性的工艺参数显著性影响由大到小顺序为A-打印速度、B-喷嘴高度、C-挤压流量。表6咀嚼性模型方差分析Table6Analysisofvarianceforchewinessmodel来源Source平方和Sumofsquares自由度Degreeofsquare均方MeansquareF 值F-valueP 值P-value模型Model1163.779129.3118.760.0004A511.991511.9974.290.0001B47.24147.246.850.0345C32.40132.404.700.0668AB0.2910.290.040.8433AC5.7515.750.830.3915BC29.29129.294.250.0782A294.87194.8713.770.0076B294.02194.0213.640.0077C2355.371355.3751.570.0002残差Residual48.2476.89失拟项Lackoffit11.7133.900.430.7446纯误差Pureerror36.5349.13总和Total1212.01162.3多目标优化分析基于 MOFWA 在 MatlabR2022a 软件上的程序运行，得到如图 8 所示的 Pareto 优化解集。仿真结果表明，MOFWA 可以得到一定代数下的 Pareto 解，且单个粒子密度相对分散。为实现植物蛋白肉的硬度、弹性、咀嚼性均与鸡肉具有较高的相似度，对众多 Pareto 优化解进行评估和计算，筛选出植物蛋白肉的硬度、弹性、咀嚼性与鸡肉的硬度、弹性、咀嚼性