Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化魷魚復(fù)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(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶 400716;2.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心,重慶 400716)

Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化魷魚復(fù)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(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶 400716;2.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心,重慶 400716)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,選取堿添加量、堿處理時(shí)間、堿處理溫度為自變量,感官評(píng)分、復(fù)水比、可溶性蛋白損失量為響應(yīng)值,采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)優(yōu)化得到干魷魚復(fù)水的最佳工藝條件為:堿添加量0.33%、堿處理時(shí)間8 h、堿處理溫度25 ℃。在此條件下,復(fù)水魷魚感官評(píng)分83.41、復(fù)水比2.96、可溶性蛋白損失量9.835 mg/g,與理論感官評(píng)分82.10、復(fù)水比2.89、可溶性蛋白損失量10.094 mg/g相比,其相對(duì)誤差分別約為1.57%、2.36%、2.63%。說(shuō)明通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化得出的回歸方程具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

魷魚,復(fù)水,Box-Behnken設(shè)計(jì),響應(yīng)面優(yōu)化

魷魚,頭足類,是目前世界上最具有開(kāi)發(fā)潛力的海產(chǎn)品之一[1]。魷魚經(jīng)濟(jì)價(jià)值高,其可食部分達(dá)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牛磺酸,具有緩解疲勞、恢復(fù)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(yǎng)胃、補(bǔ)虛潤(rùn)膚的功能[3]。魷魚不僅肉質(zhì)細(xì)嫩、營(yíng)養(yǎng)豐富,還富含游離氨基酸、呈味核苷酸、無(wú)機(jī)離子等,味道鮮美,備受消費(fèi)者青睞[4-5]。干燥法具有操作簡(jiǎn)單、保藏時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn),因此常作為保藏海產(chǎn)品的方法,新鮮魷魚不易保藏,多需經(jīng)過(guò)脫水干燥,成為市場(chǎng)銷售制品[6-7]。

復(fù)水是利用物理、化學(xué)手段使干制品的化學(xué)組成和質(zhì)地盡可能恢復(fù)到原有狀態(tài)的過(guò)程[8]。堿法復(fù)水是魷魚、鮑魚、蹄筋、毛肚、魚皮等干制品常用的復(fù)水方式[9-11],堿液不僅能增加蛋白質(zhì)的水化能力,增強(qiáng)干物質(zhì)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(yīng)面分析法(RSM)是通過(guò)回歸方程和響應(yīng)曲面分析得到最佳工藝條件的方法,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品的工藝優(yōu)化中[13-14]。目前,現(xiàn)售復(fù)水魷魚存在復(fù)水時(shí)間長(zhǎng)、堿味重、品質(zhì)不一等問(wèn)題,因此本實(shí)驗(yàn)以干魷魚為研究對(duì)象,通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化復(fù)水工藝,旨在縮短復(fù)水時(shí)間、降低堿液濃度,保證復(fù)水魷魚品質(zhì)從而達(dá)到較好的復(fù)水效果。

表1 復(fù)水魷魚感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)(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(jí),質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)號(hào)GB5175-2000;考馬斯亮藍(lán)G250 成都市科龍化工試劑廠。

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

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 魷魚復(fù)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(zhǎng)5 cm、寬3 cm的塊狀,個(gè)體質(zhì)量(6.5±0.5)g;復(fù)水固液比為1∶20(g/mL),預(yù)實(shí)驗(yàn)得到最佳回軟溫度25 ℃、時(shí)間1 h,漂洗脫堿溫度25 ℃、時(shí)間4 h,堿添加量、堿處理時(shí)間及堿處理溫度是影響魷魚復(fù)水效果的主要因素,為確定最佳的復(fù)水工藝,對(duì)以上三個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

式中:mt表示t時(shí)刻魷魚的質(zhì)量(g);m0表示起始時(shí)魷魚的質(zhì)量(g)。

1.2.2 感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)10名(5男5女)食品專業(yè)學(xué)生進(jìn)行感官評(píng)定培訓(xùn)組成感官評(píng)定小組,評(píng)價(jià)人員從色澤、組織、口感、風(fēng)味和滋味四個(gè)方面對(duì)樣品復(fù)水魷魚進(jìn)行綜合評(píng)分[15]。評(píng)定每個(gè)樣品后,評(píng)價(jià)人員都需要用清水漱口3次,休息30s左右再進(jìn)行下一次評(píng)定。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參照表1(總分=∑(項(xiàng)目得分×權(quán)重),滿分100分,最終取平均值)。

1.2.3 可溶性蛋白損失量測(cè)定 采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定復(fù)水液中可溶性蛋白質(zhì)含量,計(jì)算每克干魷魚所損失的可溶性蛋白質(zhì),3次重復(fù),結(jié)果取平均值?？捡R斯亮藍(lán)法標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程:y=0.0084x+0.0107,R2=0.9980。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn) 研究不同堿添加量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%)、堿處理時(shí)間(2、4、6、8、10、12h)、堿處理溫度(15、20、25、30、35、40 ℃)對(duì)復(fù)水魷魚感官評(píng)分、復(fù)水比、可溶性蛋白損失量的影響。

1.2.5 響應(yīng)面優(yōu)化 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選取最佳堿添加量、堿處理時(shí)間、堿處理溫度及其周圍兩個(gè)點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)因素,以感官評(píng)分值、復(fù)水比、可溶性蛋白損失量為響應(yīng)值,應(yīng)用Box-Behnken設(shè)計(jì)模型優(yōu)化以獲得魷魚復(fù)水最佳工藝,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 Box-Behnken設(shè)計(jì)因素水平表

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有實(shí)驗(yàn)均設(shè)定平行3次,重復(fù)3次。運(yùn)用SPSS 19.0對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差(analysis of variance,ANOVA)分析,用origin 8.1作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 堿添加量對(duì)魷魚復(fù)水效果的影響 干魷魚表面有一層脂質(zhì)膜,水很難通過(guò)這層膜滲透到內(nèi)部,堿可通過(guò)水解、皂化等作用破壞脂質(zhì)膜且使細(xì)胞間的脂蛋白分解,增大細(xì)胞間空隙;升高復(fù)水液pH,暴露出蛋白質(zhì)中氨基、羧基、羥基等親水集團(tuán),使蛋白質(zhì)表面負(fù)電荷增多,從而與水分子結(jié)合形成水化層,增強(qiáng)干魷魚的吸水能力[16]。控制堿處理溫度為25 ℃、堿處理時(shí)間為8 h,設(shè)定不同的堿添加量,堿添加量對(duì)魷魚復(fù)水效果的影響見(jiàn)圖1。0.1%～0.3%范圍內(nèi),隨著堿添加量的增大,堿對(duì)干魷魚的作用速率增快,復(fù)水比增大,感官評(píng)分越高;0.3%～0.6%范圍內(nèi),隨著堿添加量的增大,堿液破壞了魷魚肌肉的組織結(jié)構(gòu),使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[12],可溶性蛋白損失量越大,干魷魚營(yíng)養(yǎng)損失顯著增加(p<0.05);復(fù)水魷魚出現(xiàn)軟爛現(xiàn)象,咀嚼性變差,且脫堿后堿味增大,從而使感官評(píng)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(yīng)面實(shí)驗(yàn)的較優(yōu)水平。

圖1 堿添加量對(duì)感官評(píng)分、復(fù)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(shí)間對(duì)魷魚復(fù)水效果的影響 控制堿添加量為0.3%、堿處理溫度為25 ℃,設(shè)定不同的堿處理時(shí)間,堿處理時(shí)間對(duì)魷魚復(fù)水效果的影響見(jiàn)圖2。在堿處理時(shí)間為2～8 h范圍內(nèi),感官評(píng)分和復(fù)水比都顯著增大(p<0.05),在8～12 h范圍內(nèi),感官評(píng)分顯著減小(p<0.05),復(fù)水比趨于平緩;隨堿處理時(shí)間的延長(zhǎng),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(shí)間的延長(zhǎng),堿和干魷魚作用更充分,從而復(fù)水比逐漸增大,感官評(píng)分也增加;8 h后,隨堿處理時(shí)間的延長(zhǎng),干魷魚細(xì)胞空隙減小,蛋白質(zhì)分子的水化能力減弱,魷魚內(nèi)外滲透壓減小,水分?jǐn)U散速率變慢,從而復(fù)水比趨于平緩[17];堿處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則脫堿困難,使復(fù)水魷魚堿味增重,同時(shí)營(yíng)養(yǎng)損失增加,堿過(guò)度作用使復(fù)水魷魚口感軟爛咀嚼性差,感官評(píng)分顯著下降。因此選擇堿處理時(shí)間7、8、9 h作為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)的較優(yōu)水平。

圖2 堿處理時(shí)間對(duì)感官評(píng)分、復(fù)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(duì)魷魚復(fù)水效果的影響 控制堿添加量為0.3%、堿處理時(shí)間為8 h,設(shè)定不同的堿處理溫度,堿處理溫度對(duì)魷魚復(fù)水效果的影響見(jiàn)圖3。在堿處理溫度為15～25 ℃范圍內(nèi),感官評(píng)分顯著增大(p<0.05),25～40 ℃范圍內(nèi),感官評(píng)分顯著減小(p<0.05);隨著堿處理溫度的升高,復(fù)水比呈現(xiàn)先增大后趨于平緩;可溶性蛋白損失量呈現(xiàn)顯著增大的趨勢(shì)(p<0.05)。在15～25 ℃范圍內(nèi),溫度的升高加速物質(zhì)擴(kuò)散,利于堿液對(duì)干魷魚作用,較高溫度能斷開(kāi)膠原分子三股螺旋的次級(jí)鍵,加快魷魚復(fù)水速率,從而增大感官評(píng)分;隨著溫度升高,蛋白質(zhì)分子的立體結(jié)構(gòu)伸展,促進(jìn)蛋白質(zhì)分子的溶解,使得可溶性蛋白損失量增加,同時(shí)加速了堿對(duì)干魷魚蛋白質(zhì)的變性作用[18-19],使復(fù)水魷魚表面軟爛發(fā)粘,感官評(píng)分降低。因此選擇堿處理溫度20、25、30 ℃作為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)的較優(yōu)水平。

圖3 堿處理溫度對(duì)感官評(píng)分、復(fù)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(yīng)面法優(yōu)化魷魚復(fù)水工藝

2.2.1 回歸方程的建立與方差分析 以感官評(píng)分、復(fù)水比、可溶性蛋白損失量為響應(yīng)值,用Design Expert軟件中的Box-Behnken模型設(shè)計(jì)優(yōu)化方案,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表及結(jié)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(yīng)值對(duì)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(yàn)這三個(gè)模型的有效性,對(duì)其進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,感官評(píng)分(Y1)模型的p<0.0001,復(fù)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(shuō)明這三個(gè)模型高度顯著;感官評(píng)分失擬項(xiàng)p=0.2825>0.05,復(fù)水比失擬項(xiàng)p=0.3345>0.05,可溶性蛋白損失量p=0.659>0.05,都不顯著說(shuō)明這三個(gè)模型都不失擬,方程可靠,實(shí)驗(yàn)無(wú)其他因素的影響,誤差小;對(duì)感官評(píng)分、復(fù)水比、可溶性蛋白損失量回歸方程檢驗(yàn),三個(gè)模型的相關(guān)系數(shù)分別為R2=0.9952>0.9、R2=0.9855>0.9和R2=0.9928>0.9,說(shuō)明模型擬合程度良好;因此可用這三個(gè)模型對(duì)魷魚復(fù)水效果進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。

分析這三個(gè)模型方程各個(gè)系數(shù)p值,因素AB、AC、A2、B2、C2對(duì)感官評(píng)分影響極顯著(p<0.01),因素A、BC對(duì)感官評(píng)分影響顯著(p<0.05),說(shuō)明各因素對(duì)感官評(píng)分的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系;因素A、C、A2對(duì)復(fù)水比影響極顯著(p<0.01),B對(duì)復(fù)水比影響顯著(p<0.05);A、B、C、AB、AC、BC、A2、C2對(duì)可溶性蛋白損失量影響極顯著(p<0.01);3個(gè)因素對(duì)感官評(píng)分、復(fù)水比的影響順序都為:堿添加量(A)>堿處理溫度(C)>堿處理時(shí)間(B);對(duì)可溶性蛋白損失量的影響順序?yàn)?堿處理溫度(C)>堿添加量(A)>堿處理時(shí)間(B)。

表4 堿添加量、堿處理時(shí)間、堿處理溫度對(duì)干魷魚復(fù)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(yīng)面結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)因素之間交互作用的響應(yīng)面曲面圖,如圖4、圖5所示。由圖4可知,在一個(gè)因素固定的條件下,感官評(píng)分隨另兩個(gè)因素的增加,都呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì);由于圖4a、圖4b響應(yīng)曲面坡度較陡,圖4c坡面較平,說(shuō)明堿添加量和堿處理時(shí)間、堿添加量和堿處理溫度的交互作用對(duì)感官評(píng)分影響比堿處理溫度和堿處理時(shí)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(shí)間的增加而顯著增加;由圖5b可知,在較低堿處理溫度(20 ℃)時(shí),堿添加量對(duì)可溶性蛋白損失量無(wú)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(shí),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(shí)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(duì)復(fù)水魷魚感官評(píng)分影響的響應(yīng)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(duì)復(fù)水魷魚可溶性蛋白損失量影響的響應(yīng)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(fù)水工藝的驗(yàn)證 以感官評(píng)分最高為主要指標(biāo),復(fù)水比最大及可溶性蛋白損失量最小為輔助指標(biāo),通過(guò)Design Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件優(yōu)化,得到最佳的魷魚復(fù)水工藝參數(shù)為:堿添加量0.33%、堿處理時(shí)間8.17 h、堿處理溫度23.43 ℃。在此條件下,得到復(fù)水魷魚的感官評(píng)分82.10、復(fù)水比2.89、可溶性蛋白損失量10.094 mg/g?？紤]到實(shí)際操作的便利,將最佳復(fù)水工藝修正為:堿添加量0.33%、堿處理時(shí)間8h、堿處理溫度25 ℃。在此條件下驗(yàn)證,得到復(fù)水魷魚的感官評(píng)分83.41、復(fù)水比2.96、可溶性蛋白損失量9.835 mg/g,與響應(yīng)面理論預(yù)測(cè)值接近,其相對(duì)誤差分別約為1.57%、2.36%、2.63%,說(shuō)明該模型優(yōu)化后的方程具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)分別考察了堿添加量、堿作用時(shí)間、堿作用溫度3個(gè)因素對(duì)復(fù)水魷魚感官評(píng)分、復(fù)水比、可溶性蛋白損失量的影響,在此基礎(chǔ)上用Design-Expert軟件Box-Behnken設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),建立了數(shù)學(xué)模型,得到最佳的魷魚復(fù)水工藝:堿添加量0.33%、堿處理時(shí)間8 h、堿處理溫度25 ℃。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到復(fù)水魷魚的感官評(píng)分83.41、復(fù)水比2.96、可溶性蛋白損失量9.835 mg/g,其相對(duì)誤差分別約為1.57%、2.36%、2.63%,表明該模型設(shè)計(jì)合理,對(duì)魷魚的復(fù)水工藝有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)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(fā)酵學(xué),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(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))項(xiàng)目(200903012);三峽庫(kù)區(qū)優(yōu)質(zhì)肉牛安全生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)集成與示范項(xiàng)目(2011BAD36B01)。

TS254.1

B

1002-0306(2015)21-0254-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.044