D-最優(yōu)混料設(shè)計優(yōu)化水晶皮凍配方

李俊宏，李洪軍，2，胡欣穎，李雪，曾令英，賀稚非,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400715)

膠凍類產(chǎn)品作為一種傳統(tǒng)保健美容休閑食品，具有低脂肪、低熱量和高蛋白等特點。其中用豬皮制成的水晶皮凍產(chǎn)品，富含膠原蛋白且脂肪含量極低，不僅可以除皺美容、抗衰老，更有促進造血功能、抗癌等特殊功效[1-2]。由于豬皮膠原蛋白含量豐富，其水解之后的多種活性肽具有良好抗氧化活性[3-5]，食用價值較高且具有廣闊開發(fā)前景。

單純以豬皮為原料加工制成的水晶皮凍，凝膠黏性小，且凝膠熔點過低，影響其風味口感，且對殺菌工藝運輸條件等有一定限制[6]，為解決實際應用中存在的問題，選用添加食品膠如卡拉膠等的方式，一方面對皮凍的凝膠強度，熔點等特性進行優(yōu)化，另一方面相較改變生產(chǎn)工藝或使用添加劑，最終產(chǎn)品的安全性更高且成本較低[7]。

近年來，具有安全、獨特理化性質(zhì)的食品膠體的應用越來越廣泛，其中又以卡拉膠、魔芋膠、黃原膠等應用最廣[8]，皮凍的感官及質(zhì)構(gòu)特性主要取決于其凝膠特性，而如果將某一種食品膠添加到皮凍中，可能很難同時滿足各種指標要求，而采用復配膠的方式，其凝膠強度、持水力、熔點和感官評分可能都會達到期望水平[9]。因此，選擇常應用于肉制品中，且單一添加對皮凍無不良影響的3種凝膠：魔芋膠、卡拉膠和結(jié)冷膠對水晶皮凍進行復配[10-11]，以期通過凝膠間的協(xié)同作用使水晶皮凍有更好的凝膠效果。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮豬皮，鹽，料酒，十三香，均購自重慶北碚永輝超市；食品級魔芋膠，食品級κ-卡拉膠，食品級結(jié)冷膠(高?；?，購自山東省青島市明月海藻集團有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-6富華數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市富華儀器有限公司；CT-3型質(zhì)構(gòu)儀，美國Brookfield公司；MR-09H插入式溫度計，廣州銘睿電子科技有限公司；L16M 冷凍離心機，長沙湘智離心機儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

水晶皮凍的制備：新鮮豬皮購自當?shù)厥袌?，?4℃下保存。使用時切塊(2 cm×1 cm×0.3 cm)，清洗后于沸水中預煮2 min，稱量分裝，加入調(diào)味劑(鹽、料酒、十三香)和水，熬煮2 h，加入復配膠并攪拌10 min，放置冷卻，進行指標測定。

1.3.2 單因素試驗

通過查閱相關(guān)文獻[12-14]，選擇產(chǎn)品的凝膠強度、持水力和熔點作為評價指標，進行單因素試驗，以確定3種膠的最優(yōu)添加范圍，試驗分組如下：(1)固定魔芋膠質(zhì)量分數(shù)比70%，結(jié)冷膠15%，卡拉膠為15%、20%、25%、30%、35%。(2)固定卡拉膠質(zhì)量分數(shù)25%，結(jié)冷膠占比15%，魔芋膠為50%、60%、70%、80%、90%。(3)固定魔芋膠質(zhì)量分數(shù)70%，卡拉膠20%，結(jié)冷膠為5%、10%、15%、20%、25%。

1.3.3 混料實驗設(shè)計

依據(jù)單因素試驗結(jié)果，得出3種膠的最優(yōu)添加范圍，見表1。然后采用輔助軟件Design Expert中的D-最優(yōu)混料試驗(D-optimal)設(shè)計。以魔芋膠、κ-卡拉膠(后文簡稱卡拉膠)和結(jié)冷膠的添加比例為變量，以產(chǎn)品的凝膠強度、持水力、熔點和感官評分作為響應值，設(shè)定復合膠總量為1，三者的組合配方見表2。

表1 混料實驗因素和水平Table 1 Mixing experimental factors and levels

表2 水晶皮凍配方的混料設(shè)計表Table 2 Crystal jelly formula mixing design table

1.3.4 凝膠強度的測定

采用質(zhì)構(gòu)儀，測定凝膠破裂時所施加于凝膠的作用力，將這一作用力定義為凝膠強度。測定方法參照王曉婧[15]的方法并稍作修改，將大小均一，平均厚度50 mm的樣品放置于250 mL燒杯中，室溫放置5 min后測定，每組樣品平行測定3次。參數(shù)設(shè)置如下：下壓距離10 mm，觸發(fā)壓力5 g，測前速度5.00 mm/s,測試速度1.00 mm/s，測后速度5.00 mm/s。探頭P/0.5。

1.3.5 持水力測定

參照王雅菲[16]的方法并稍作修改，稱取樣品5 g，用3層濾紙包裹，放于離心機中，5 000 r/min，離心15 min，分別測定離心前、后重量，按公式(1)計算持水力(water holding capcity,WHC)：

(1)

式中：X1，離心前質(zhì)量，g；X2，離心后質(zhì)量，g。

1.3.6 熔點測定

皮凍熔點的測定參考PRANOTO等[17]的方法并稍作修改，取樣品20 g分別放入50 mL燒杯中，于室溫下平衡15 min，設(shè)定水浴鍋起始溫度為25 ℃，目標溫度80 ℃，記錄燒杯中皮凍達到固液混合，且能平衡1 min時的溫度，即為熔點。

1.3.7 感官評價

為明確影響晶皮凍口感的關(guān)鍵因素，以及盡可能減少人為主觀因素造成的誤差，需確定各級指標權(quán)重，首先采用層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)[18]，請10名食品專業(yè)學生，根據(jù)個人經(jīng)驗分別給予各指標權(quán)重，構(gòu)造判斷矩陣，采用特征向量法計算權(quán)重，最終確定綜合評分X=口感× 0.44 +色澤× 0.8 +風味× 0.48。然后選擇10名(5男5女)經(jīng)過專業(yè)培訓的食品專業(yè)碩士研究生，具體評價標準見表3，每個樣品每人評價1次，最終分數(shù)取平均值。

表3 感官評定標準Table 3 Sensory evaluation standard

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 卡拉膠質(zhì)量分數(shù)對凝膠效果的影響

由圖1可知，隨著卡拉膠質(zhì)量分數(shù)的不斷增大，皮凍凝膠強度不斷增大，在30% 時趨于平穩(wěn)；持水力先增大后減小，在卡拉膠濃度為20%～30%，皮凍凝膠強度和持水力均有顯著增大(P< 0.05),因此選擇20%～30% 作為卡拉膠最優(yōu)濃度范圍。

圖1 卡拉膠質(zhì)量分數(shù)對皮凍凝膠強度和持水力的影響Fig.1 Effect of carrageenan mass fraction on thestrength and water holding capacity of dermal jelly gel注：大寫字母表示差異極顯著(P < 0.01)；小寫字母表示差異顯著(P < 0.05)。下同。

2.1.2 魔芋膠質(zhì)量分數(shù)對凝膠效果的影響

由圖2可知，隨著魔芋膠質(zhì)量分數(shù)的不斷增大，皮凍凝膠強度不斷增大，在70%時趨于平穩(wěn)；持水力先增大后減小，在魔芋膠質(zhì)量分數(shù)為60%～80%，皮凍凝膠強度和持水力均有顯著增大(P< 0.05),之后變化不顯著(P> 0.05)，因此選擇60%～80% 作為魔芋膠最優(yōu)質(zhì)量分數(shù)范圍。

圖2 魔芋膠質(zhì)量分數(shù)對皮凍凝膠強度和持水力的影響Fig.2 Effect of konjac gum mass fraction on thestrength and water holding capacity of dermal gel

2.1.3 結(jié)冷膠質(zhì)量分數(shù)對凝膠效果的影響

由圖3可知，隨著結(jié)冷膠質(zhì)量分數(shù)的不斷增大，皮凍凝膠強度不斷增大，持水力先增大后減小，在結(jié)冷膠質(zhì)量分數(shù)為10%～20%，皮凍凝膠強度和持水力均有顯著增大(P< 0.05),因此選擇10%～20% 作為魔芋膠最優(yōu)質(zhì)量分數(shù)范圍。

圖3 結(jié)冷膠質(zhì)量分數(shù)對皮凍凝膠強度和持水力的影響Fig.3 Effect of gellan gum mass fraction on thestrength and water holding capacity of gelatin gel

2.2 模型及回歸方程的建立

選用分析模型quadratic和special quartic回歸方程分析法分析，可得預測方程，如表4所示。根據(jù)Design Expert建議，凝膠強度和持水力選用特殊四次方分析模型，熔點和感官綜合評分選用二次分析模型。

P值的大小代表模型或各指標的顯著水平。P<0.05 時，說明模型或者各指標影響顯著。P<0.01時，說明模型或者各指標影響極顯著。

由表5可知,以凝膠強度為響應值，模型P=0.00 1<0.050 0,說明該特殊四次方模型顯著，失擬項P=0.606 4>0.100 0,表明實驗結(jié)果與數(shù)學模型擬合良好，可以采用該數(shù)學模型推測試驗結(jié)果。方程相關(guān)系數(shù)R2= 0.975 8，說明變量Y1的變異種有97.58%是由變量(A、B、C)引起，即97.58% 的數(shù)據(jù)可以運用此方程解釋，本試驗變異系數(shù)為2.29%，表明該模型方程可以較好反映真實試驗值，可以運用此模型分析凝膠強度的變化。由表6也可得知AB影響差異極顯著，BC影響差異顯著，而其他組合差異不顯著。

表4 水晶皮凍的混料設(shè)計及實驗結(jié)果Table 4 Crystal jelly design and experimental results

續(xù)表4

序號配方比例/%卡拉膠(A)魔芋膠(B)結(jié)冷膠(C)凝膠強度/g持水力/%熔點/℃感官評分/分821.7066.7011.70507.240.893852.74.08930.0060.0010.00407.630.838649.84.081020.0065.0015.00482.170.885354.14.041125.0060.0015.00431.280.831753.94.161220.0070.0010.00487.20.891551.94.021325.0065.0010.00500.120.879650.84.181421.7064.2014.20499.720.8625534.211520.0070.0010.00481.320.889451.83.961620.0060.0020.00372.520.811253.14

表5 各指標的預測模型Table 5 Predictive model for each indicator

表6 凝膠強度方差分析Table 6 Analysis of variance of gel strength

注: *表示差異顯著，P< 0. 05; **表示差異極顯著，P< 0. 01。

由表7可知，以持水力為響應值，模型P<0.000 1<0.010 0，說明該特殊四次方模型極顯著，而失擬項P=0.116 6>0.100 0，說明該試驗結(jié)果與數(shù)學模型擬合良好，可以采用該數(shù)學模型來推測試驗結(jié)果。方程相關(guān)系數(shù)R2=0.983 6，變異系數(shù)為0.62%，表明該模型方程可以很好地反映真實試驗值，可以采用此模型來分析持水力的變化。由表7還可以知道，AB、BC的影響差異極顯著，A2BC的影響差異顯著，而AC、AB2C、ABC2的影響差異不顯著。

由表8可知，以熔點為響應值，模型P= 0. 001< 0.010 0，說明該二次方程模型極顯著，失擬項P= 0.117 6 > 0.100 0，表明該試驗結(jié)果與數(shù)學模型擬合良好，可以采用該數(shù)學模型來推測試驗結(jié)果。方程相關(guān)系數(shù)R2= 0.971 8，變異系數(shù)為0.56%，表明該模型方程可以較好反映真實試驗值，可采用此模型分析持水力的變化。由表8還可以知道AC、BC的影響差異極顯著，而AB的影響差異不顯著。

表7 持水力方差分析Table 7 Hydraulic analysis of variance

表8 熔點方差分析Table 8 Analysis of variance of melting point

注: **:差異極顯著，P< 0. 01。

由表9可知，以感官評分為響應值，模型P=0.000 8<0.050 0，說明該二次方程模型顯著，失擬項P= 0.194 6 > 0. 100 0，說明該試驗結(jié)果與數(shù)學模型擬合良好，可采用該數(shù)學模型來推測試驗結(jié)果。方程相關(guān)系數(shù)R2=0.847 5，變異系數(shù)為0.93%，表明該模型方程可以較好反映真實試驗值，可采用此模型分析感官評分的變化。由表9還可以知道AB、AC的影響差異極顯著，BC的影響差異顯著。

表9 感官評分方差分析Table 9 Analysis of variance of sensory score

2.3 復配膠不同比例組合對凝膠強度、持水力、熔點和感官評分的影響

在最優(yōu)混料設(shè)計中，各因素對指標的影響可以用等高線圖及3D效應面圖譜表示，在試驗中，魔芋膠、卡拉膠和結(jié)冷膠三者的交互作用下，對凝膠強度、持水力、熔點和感官評分的作用如圖4、圖5所示。

圖4描述了3種膠復配比例變化對皮凍凝膠強度的影響，響應面為曲面，說明三者之間存在交互作用。由圖5可以看出，隨著魔芋膠添加比例的逐漸增大，整體凝膠強度有較大提升，這可能與魔芋膠本身的強親水性有關(guān)，在較低質(zhì)量分數(shù)時就具有不同于其他水溶性高分子溶液的高黏度[19]，同時等高線圖中魔芋膠與卡拉膠的交互作用曲線趨向于橢圓形，也證實二者之間存在較強的交互作用，這在一些研究中也早已證實[20-22]。結(jié)果也表明結(jié)冷膠與另外兩者之間存在交互作用，但在10%～20%，結(jié)冷膠對整體凝膠強度變化的影響并不顯著。

a-3D效應面圖；b-等高線圖圖4 復配膠比例對凝膠強度影響的3D 效應面圖譜及等高線圖Fig.4 3D effect surface map and contour map of theeffect of compounding ratio on gel strength

圖5描述了3種膠復配比例變化對皮凍持水力的影響，響應面為曲面證明三者之間存在交互作用，同時由等高線圖可得，魔芋膠與卡拉膠之間交互作用顯著，隨著魔芋膠添加量的增大，持水力顯著增大，而結(jié)冷膠的作用并不明顯，推測可能是因為結(jié)冷膠的使用條件限制，其凝膠性質(zhì)受到陽離子的影響[23]，以及其添加量最低，從而對持水力變化的影響并不顯著。

a-3D效應面圖；b-等高線圖圖5 復配膠比例對持水力影響的3D 效應面圖譜及等高線圖Fig.5 3D effect surface map and contour map of the effect of compounding rubber ratio on water holding capacity

圖6描述了3種膠復配比例變化對皮凍熔點的影響，響應面為曲面證明三者之間存在交互作用，同時由等高線圖可以看出，結(jié)冷膠和卡拉膠的作用顯著，這可能與結(jié)冷膠自身性質(zhì)有關(guān)，結(jié)冷膠在較低質(zhì)量分數(shù)時，加熱后水化，冷凝之后就可以形成熱不可逆凝膠[24]，結(jié)冷膠的加入顯著改善了皮凍熔點。雖然魔芋膠與卡拉膠之間存在較強的相互作用，對熔點的變化也有影響，但作用并不顯著。

a-3D效應面圖；b-等高線圖圖6 復配膠比例對熔點影響的3D效應面圖譜及等高線圖Fig.6 3D effect surface map and contour mapof the effect of compounding ratio on melting point

圖7描述了3種膠復配比例變化對皮凍綜合感官評分的影響，響應面呈坡度較大曲面，證明三者之間存在較強相互作用，觀察等高線圖可以得出三者最優(yōu)配比范圍，魔芋膠在濃度低于66.7% 時口感較好，根據(jù)前文中各感官指標所占權(quán)重，口感對水晶皮凍產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，而魔芋膠本身具有較高粘度，因此魔芋膠的添加對產(chǎn)品口感有較大影響[25]?？ɡz和結(jié)冷膠的添加可以改善皮凍的穩(wěn)定性和脆度，使產(chǎn)品獲得更好的口感，同時卡拉膠與結(jié)冷膠的添加對產(chǎn)品的風味沒有不良影響，這與ZHOU等[26]的研究相符。

2.4 配方優(yōu)化及驗證試驗

凝膠強度對皮凍整體的口感影響較大，過低或過高都會對結(jié)果產(chǎn)生不良影響，綜合感官評價結(jié)果，選擇凝膠強度350～450 g進行優(yōu)化；持水力高說明凝膠具有良好穩(wěn)定性；在保證皮凍口感風味的同時，盡可能提高其熔點，以便進行后續(xù)的殺菌工藝優(yōu)化以及適應更多的包裝運輸條件，也是本研究的目的之一。綜上期望持水力、熔點和感官評分同時達到最大值，凝膠強度在設(shè)定范圍內(nèi)，運用軟件進行優(yōu)化，可得3個組合配方：配方1：卡拉膠22.6%，魔芋膠60%，結(jié)冷膠17.4%；配方2：卡拉膠20%，魔芋膠60%，結(jié)冷膠20%；配方3：卡拉膠22.8%,魔芋膠67.2%，結(jié)冷膠10%。如表10所示。分析優(yōu)化結(jié)果可知，期望值越接近1綜合評價越好，故選擇優(yōu)化配方1。

a-3D效應面圖；b-等高線圖圖7 復配膠比例對感官評分影響的3D效應面圖譜及等高線圖Fig.7 3D effect surface map and contour map of theeffect of compounding ratio on sensory score

表10 水晶皮凍響應值最優(yōu)點參數(shù)、預測值和期望值Table 10 The most advantageous parameters, predicted values and expected values of the skin freeze response value

根據(jù)得到的3組優(yōu)化配方進行驗證試驗，結(jié)果見表11。配方1和配方2中凝膠強度與預測值差異顯著(P< 0.05)，而其他指標結(jié)果與預測值差異與預測值不顯著(P>0.05)。配方3中凝膠強度和熔點與預測值差異顯著，其他指標不顯著。說明得到的目標配方與預測值可信度高，且與實驗值一致。

表11 優(yōu)化配方驗證試驗結(jié)果Table 11 Optimized formula verification test results

3 結(jié)論

通過混料優(yōu)化設(shè)計實驗，證實卡拉膠、魔芋膠和結(jié)冷膠對水晶皮凍的凝膠強度、持水力具有一定交互作用，且魔芋膠所占比例較大時，凝膠強度和持水力較高；三者不同比例對皮凍熔點和感官評分也存在一定交互作用，總體來說，結(jié)冷膠和卡拉膠的添加比例越大，熔點和感官評分的期望值越高。通過回歸方程和多目標優(yōu)化分析，得到組合配方為22.6% 卡拉膠、60% 魔芋膠和17.4% 結(jié)冷膠，經(jīng)驗證，優(yōu)化后的配方凝膠強度、持水力、熔點和感官評分分別為435.27 g、87.12%、54.2℃、4.21，與預測值相符，可達到預期目標。優(yōu)化配方后的水晶皮凍成凍完整，質(zhì)地適口，色澤均一且具有較高透明度，風味協(xié)調(diào)，無腥味及其他異味。