Box-Behnken響應面法優化魷魚復水工藝的研究

王 珊,李洪軍,2,賀稚非,2,*,徐明悅,耿鐵柱,員 璐,夏軍軍

(1.西南大學食品科學學院,重慶 400716;2.重慶市特色食品工程技術研究中心,重慶 400716)

Box-Behnken響應面法優化魷魚復水工藝的研究

王 珊1,李洪軍1,2,賀稚非1,2,*,徐明悅1,耿鐵柱1,員 璐1,夏軍軍1

(1.西南大學食品科學學院,重慶 400716;2.重慶市特色食品工程技術研究中心,重慶 400716)

在單因素實驗基礎上,選取堿添加量、堿處理時間、堿處理溫度為自變量,感官評分、復水比、可溶性蛋白損失量為響應值,采用Box-Behnken中心組合設計優化得到干魷魚復水的最佳工藝條件為:堿添加量0.33%、堿處理時間8 h、堿處理溫度25 ℃。在此條件下,復水魷魚感官評分83.41、復水比2.96、可溶性蛋白損失量9.835 mg/g,與理論感官評分82.10、復水比2.89、可溶性蛋白損失量10.094 mg/g相比,其相對誤差分別約為1.57%、2.36%、2.63%。說明通過響應面優化得出的回歸方程具有一定的實踐指導意義。

魷魚,復水,Box-Behnken設計,響應面優化

魷魚,頭足類,是目前世界上最具有開發潛力的海產品之一[1]。魷魚經濟價值高,其可食部分達80%,比一般魚類高出近20%,蛋白含量15%～20%,脂肪含量1%～2%[2],是一種高蛋白低脂肪的食品。魷魚富含人體必需氨基酸外還含有大量?；撬?具有緩解疲勞、恢復視力、改善肝臟功能;含有豐富的鈣、磷、鐵、硒等微量元素,具有滋陰養胃、補虛潤膚的功能[3]。魷魚不僅肉質細嫩、營養豐富,還富含游離氨基酸、呈味核苷酸、無機離子等,味道鮮美,備受消費者青睞[4-5]。干燥法具有操作簡單、保藏時間長的特點,因此常作為保藏海產品的方法,新鮮魷魚不易保藏,多需經過脫水干燥,成為市場銷售制品[6-7]。

復水是利用物理、化學手段使干制品的化學組成和質地盡可能恢復到原有狀態的過程[8]。堿法復水是魷魚、鮑魚、蹄筋、毛肚、魚皮等干制品常用的復水方式[9-11],堿液不僅能增加蛋白質的水化能力,增強干物質的吸收能力,而且具有緩沖、螯合、乳化的作用,提高肉的持水性[12]。響應面分析法(RSM)是通過回歸方程和響應曲面分析得到最佳工藝條件的方法,現已廣泛應用于食品的工藝優化中[13-14]。目前,現售復水魷魚存在復水時間長、堿味重、品質不一等問題,因此本實驗以干魷魚為研究對象,通過響應面法優化復水工藝,旨在縮短復水時間、降低堿液濃度,保證復水魷魚品質從而達到較好的復水效果。

表1 復水魷魚感官評價標準表

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

北太平洋白魷魚干 魷魚體長(35.38±2.31)cm,寬(20.45±2.28)cm,重(333.3±47.70)g,含水量27.81%±1.73%,重慶永輝超市;氫氧化鈉 食品級,質量符合標準號GB5175-2000;考馬斯亮藍G250 成都市科龍化工試劑廠。

722型可見分光光度計 上海元析儀器有限公司;電子分析天平 賽多利斯科學儀器有限公司;HH-2數顯恒溫水浴鍋 常州澳華儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 魷魚復水工藝流程 魷魚干→分割→回軟→堿液浸泡→漂洗脫堿。魷魚干去尾,取魚身中下部,切成長5 cm、寬3 cm的塊狀,個體質量(6.5±0.5)g;復水固液比為1∶20(g/mL),預實驗得到最佳回軟溫度25 ℃、時間1 h,漂洗脫堿溫度25 ℃、時間4 h,堿添加量、堿處理時間及堿處理溫度是影響魷魚復水效果的主要因素,為確定最佳的復水工藝,對以上三個因素進行優化實驗。

式中:mt表示t時刻魷魚的質量(g);m0表示起始時魷魚的質量(g)。

1.2.2 感官評定標準 對10名(5男5女)食品專業學生進行感官評定培訓組成感官評定小組,評價人員從色澤、組織、口感、風味和滋味四個方面對樣品復水魷魚進行綜合評分[15]。評定每個樣品后,評價人員都需要用清水漱口3次,休息30s左右再進行下一次評定。評分標準參照表1(總分=∑(項目得分×權重),滿分100分,最終取平均值)。

1.2.3 可溶性蛋白損失量測定 采用考馬斯亮藍G-250法測定復水液中可溶性蛋白質含量,計算每克干魷魚所損失的可溶性蛋白質,3次重復,結果取平均值?？捡R斯亮藍法標準曲線線性方程:y=0.0084x+0.0107,R2=0.9980。

1.2.4 單因素實驗 研究不同堿添加量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%)、堿處理時間(2、4、6、8、10、12h)、堿處理溫度(15、20、25、30、35、40 ℃)對復水魷魚感官評分、復水比、可溶性蛋白損失量的影響。

1.2.5 響應面優化 根據單因素實驗結果,選取最佳堿添加量、堿處理時間、堿處理溫度及其周圍兩個點為實驗因素,以感官評分值、復水比、可溶性蛋白損失量為響應值,應用Box-Behnken設計模型優化以獲得魷魚復水最佳工藝,實驗設計如表2所示。

表2 Box-Behnken設計因素水平表

1.3 數據統計與分析

所有實驗均設定平行3次,重復3次。運用SPSS 19.0對實驗數據進行單因素方差(analysis of variance,ANOVA)分析,用origin 8.1作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 堿添加量對魷魚復水效果的影響 干魷魚表面有一層脂質膜,水很難通過這層膜滲透到內部,堿可通過水解、皂化等作用破壞脂質膜且使細胞間的脂蛋白分解,增大細胞間空隙;升高復水液pH,暴露出蛋白質中氨基、羧基、羥基等親水集團,使蛋白質表面負電荷增多,從而與水分子結合形成水化層,增強干魷魚的吸水能力[16]?？刂茐A處理溫度為25 ℃、堿處理時間為8 h,設定不同的堿添加量,堿添加量對魷魚復水效果的影響見圖1。0.1%～0.3%范圍內,隨著堿添加量的增大,堿對干魷魚的作用速率增快,復水比增大,感官評分越高;0.3%～0.6%范圍內,隨著堿添加量的增大,堿液破壞了魷魚肌肉的組織結構,使其結構發生變化[12],可溶性蛋白損失量越大,干魷魚營養損失顯著增加(p<0.05);復水魷魚出現軟爛現象,咀嚼性變差,且脫堿后堿味增大,從而使感官評分顯著降低(p<0.05)。因此選擇堿添加量0.2%、0.3%、0.4%作為響應面實驗的較優水平。

圖1 堿添加量對感官評分、復水比、可溶性蛋白損失量的影響Fig.1 Effect of alkali addition on sensory evaluation,rehydration ratio,soluble protein loss注:不同的小寫字母代表差異顯著(p<0.05);圖2、圖3同。

2.1.2 堿處理時間對魷魚復水效果的影響 控制堿添加量為0.3%、堿處理溫度為25 ℃,設定不同的堿處理時間,堿處理時間對魷魚復水效果的影響見圖2。在堿處理時間為2～8 h范圍內,感官評分和復水比都顯著增大(p<0.05),在8～12 h范圍內,感官評分顯著減小(p<0.05),復水比趨于平緩;隨堿處理時間的延長,可溶性蛋白損失量顯著增大(p<0.05)。堿的作用使得干魷魚組織疏松,隨時間的延長,堿和干魷魚作用更充分,從而復水比逐漸增大,感官評分也增加;8 h后,隨堿處理時間的延長,干魷魚細胞空隙減小,蛋白質分子的水化能力減弱,魷魚內外滲透壓減小,水分擴散速率變慢,從而復水比趨于平緩[17];堿處理時間過長則脫堿困難,使復水魷魚堿味增重,同時營養損失增加,堿過度作用使復水魷魚口感軟爛咀嚼性差,感官評分顯著下降。因此選擇堿處理時間7、8、9 h作為響應面實驗的較優水平。

圖2 堿處理時間對感官評分、復水比、可溶性蛋白損失量的影響Fig.2 Effect of alkali treatment time on sensory evaluation,rehydration ratio,soluble protein loss

2.1.3 堿處理溫度對魷魚復水效果的影響 控制堿添加量為0.3%、堿處理時間為8 h,設定不同的堿處理溫度,堿處理溫度對魷魚復水效果的影響見圖3。在堿處理溫度為15～25 ℃范圍內,感官評分顯著增大(p<0.05),25～40 ℃范圍內,感官評分顯著減小(p<0.05);隨著堿處理溫度的升高,復水比呈現先增大后趨于平緩;可溶性蛋白損失量呈現顯著增大的趨勢(p<0.05)。在15～25 ℃范圍內,溫度的升高加速物質擴散,利于堿液對干魷魚作用,較高溫度能斷開膠原分子三股螺旋的次級鍵,加快魷魚復水速率,從而增大感官評分;隨著溫度升高,蛋白質分子的立體結構伸展,促進蛋白質分子的溶解,使得可溶性蛋白損失量增加,同時加速了堿對干魷魚蛋白質的變性作用[18-19],使復水魷魚表面軟爛發粘,感官評分降低。因此選擇堿處理溫度20、25、30 ℃作為響應面實驗的較優水平。

圖3 堿處理溫度對感官評分、復水比、可溶性蛋白損失量的影響Fig.3 Effect of alkali treatment temperature on sensory evaluation,rehydration ratio,soluble protein loss

2.2 響應面法優化魷魚復水工藝

2.2.1 回歸方程的建立與方差分析 以感官評分、復水比、可溶性蛋白損失量為響應值,用Design Expert軟件中的Box-Behnken模型設計優化方案,實驗結果如表3所示。

表3 Box-Behnken實驗設計表及結果

利用Design-Expert 8.0.6軟件中的多元線性回歸分析程序,建立響應值對自變量編碼值的二次回歸模型方程。式中,**代表極顯著(p<0.01);*代表顯著(p<0.05)。

Y1=84.38-0.83A*-0.48B+0.5C-2.27AB**-2.21AC**-1.39BC*-13.32A2**-6.79B2**-5.18C2**

Y2=2.8+0.52A**+0.08B*+0.23C**+0.028AB+0.085AC-0.079BC-0.16A2**-0.023B2+0.013C2

Y3=10.82+1.72A**+0.53B**+3.64C**-1.47AB**+1.64AC**+0.86BC**-1.03A2**-0.01B2+1.77C2**

為檢驗這三個模型的有效性,對其進行方差分析和顯著性檢驗,結果見表4。由表4可知,感官評分(Y1)模型的p<0.0001,復水比(Y2)模型的p<0.0001,可溶性蛋白損失量(Y3)模型的p<0.0001,說明這三個模型高度顯著;感官評分失擬項p=0.2825>0.05,復水比失擬項p=0.3345>0.05,可溶性蛋白損失量p=0.659>0.05,都不顯著說明這三個模型都不失擬,方程可靠,實驗無其他因素的影響,誤差小;對感官評分、復水比、可溶性蛋白損失量回歸方程檢驗,三個模型的相關系數分別為R2=0.9952>0.9、R2=0.9855>0.9和R2=0.9928>0.9,說明模型擬合程度良好;因此可用這三個模型對魷魚復水效果進行分析預測。

分析這三個模型方程各個系數p值,因素AB、AC、A2、B2、C2對感官評分影響極顯著(p<0.01),因素A、BC對感官評分影響顯著(p<0.05),說明各因素對感官評分的影響不是簡單的線性關系;因素A、C、A2對復水比影響極顯著(p<0.01),B對復水比影響顯著(p<0.05);A、B、C、AB、AC、BC、A2、C2對可溶性蛋白損失量影響極顯著(p<0.01);3個因素對感官評分、復水比的影響順序都為:堿添加量(A)>堿處理溫度(C)>堿處理時間(B);對可溶性蛋白損失量的影響順序為:堿處理溫度(C)>堿添加量(A)>堿處理時間(B)。

表4 堿添加量、堿處理時間、堿處理溫度對干魷魚復水效果影響的最佳擬合方程表

注:**代表極顯著(p<0.01)。

2.2.2 響應面結果分析 實驗因素之間交互作用的響應面曲面圖,如圖4、圖5所示。由圖4可知,在一個因素固定的條件下,感官評分隨另兩個因素的增加,都呈現先升高后下降的趨勢;由于圖4a、圖4b響應曲面坡度較陡,圖4c坡面較平,說明堿添加量和堿處理時間、堿添加量和堿處理溫度的交互作用對感官評分影響比堿處理溫度和堿處理時間的交互作用更顯著。由圖5a可知,可溶性蛋白損失量隨堿添加量和堿處理時間的增加而顯著增加;由圖5b可知,在較低堿處理溫度(20 ℃)時,堿添加量對可溶性蛋白損失量無明顯影響;可溶性蛋白損失量在較高堿處理溫度(30 ℃)下是隨堿添加量的增加而顯著增加;堿添加量一定時,可溶性蛋白損失量隨堿處理溫度的增大而顯著增加;由圖5c可知,在堿處理溫度和堿處理時間交互作用中,可溶性蛋白損失量隨堿處理溫度的增大而顯著增加。

圖4 兩因素交互作用對復水魷魚感官評分影響的響應曲面圖Fig.4 Response surface for the effects of cross-interactions among factors on sensory evaluation of rehydration squid

圖5 兩因素交互作用對復水魷魚可溶性蛋白損失量影響的響應曲面圖Fig.5 Response surface for the effects of cross-interactions among factors on soluble protein loss of rehydration squid

2.2.3 魷魚最佳復水工藝的驗證 以感官評分最高為主要指標,復水比最大及可溶性蛋白損失量最小為輔助指標,通過Design Expert 8.0.6數據分析軟件優化,得到最佳的魷魚復水工藝參數為:堿添加量0.33%、堿處理時間8.17 h、堿處理溫度23.43 ℃。在此條件下,得到復水魷魚的感官評分82.10、復水比2.89、可溶性蛋白損失量10.094 mg/g?？紤]到實際操作的便利,將最佳復水工藝修正為:堿添加量0.33%、堿處理時間8h、堿處理溫度25 ℃。在此條件下驗證,得到復水魷魚的感官評分83.41、復水比2.96、可溶性蛋白損失量9.835 mg/g,與響應面理論預測值接近,其相對誤差分別約為1.57%、2.36%、2.63%,說明該模型優化后的方程具有一定的實踐指導意義。

3 結論

通過單因素實驗分別考察了堿添加量、堿作用時間、堿作用溫度3個因素對復水魷魚感官評分、復水比、可溶性蛋白損失量的影響,在此基礎上用Design-Expert軟件Box-Behnken設計法設計響應面實驗,建立了數學模型,得到最佳的魷魚復水工藝:堿添加量0.33%、堿處理時間8 h、堿處理溫度25 ℃。驗證實驗得到復水魷魚的感官評分83.41、復水比2.96、可溶性蛋白損失量9.835 mg/g,其相對誤差分別約為1.57%、2.36%、2.63%,表明該模型設計合理,對魷魚的復水工藝有現實指導作用。

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Box-Behnken design response surface methodology to optimize process of squid rehydration

WANG Shan1,LI Hong-jun1,HE Zhi-fei1,2,*,XU Ming-yue1,GENG Tie-zhu1,YUN Lu1,XIA Jun-jun1

(1.College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400716,China;2.Chongqing Special Food Engineering and Technology Research Center,Chongqing 400716,China)

Three extraction parameters including the addition amount of alkali,treatment time of alkali and treatment temperature of alkali were optimized using the Box-Behnken central composite design optimization for achieving maximum sensory scores,rehydration ratio and minimum the amount of soluble protein loss. The rehydrated squid optimum conditions were the amount of 0.33% alkali,alkaline reaction time of 8h,alkali effect temperature 25 ℃.Under these conditions,sensory score of the rehydration squid was 83.41,rehydration ratio was 2.96,the amount of soluble protein loss was 9.835 mg/g.Compared to the theoretical value that sensory score of the rehydration squid was 82.10,rehydration ratio was 2.89,the amount of soluble protein loss was 10.094 mg/g,the relative error were 1.57%,2.36% and 2.63%,respectively. Regression equation optimized by response surface derived some practical significance.

squid;rehydration;Box-Behnken design;response surface method

2015-02-09

王珊(1990-),女,碩士,研究方向:微生物發酵學,E-mail:957386482@qq.com。

*通訊作者:賀稚非(1960-),女,博士,研究方向:微生物,E-mail:2628576386@qq.com。

國家公益性行業(農業)項目(200903012);三峽庫區優質肉牛安全生產關鍵技術集成與示范項目(2011BAD36B01)。

TS254.1

B

1002-0306(2015)21-0254-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.044