響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化無硝香腸的關(guān)鍵工藝

沈雪 查恩輝 王玉田

（遼寧醫(yī)學(xué)院，錦州 121000）

肉制品是人們?nèi)粘Ｉ攀持械闹饕称分弧Ｏ隳c類肉制品因其各具風(fēng)味、安全衛(wèi)生、營(yíng)養(yǎng)豐富、食用及攜帶方便成為廣大消費(fèi)者喜愛的肉制品[1]。

在國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的肉制品中，硝酸鹽、亞硝酸鹽一直作為肉制品的腌制劑而被廣泛使用。而亞硝酸鹽的應(yīng)用最為廣泛、使用歷史最長(zhǎng)，它主要有發(fā)色、抑菌和改善風(fēng)味及抗氧化三方面作用[2]。但從20世紀(jì)70年代初起，人們逐漸發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽可以和肉制品中的仲胺反應(yīng)生成亞硝胺，亞硝胺是一種強(qiáng)致癌物，動(dòng)物試驗(yàn)表明，不僅長(zhǎng)期小劑量食用有致癌作用，而且一次攝入足夠的劑量也有致癌作用，研究表明，亞硝酸鹽的中毒量為40～70mg/kg體重，致死量為100mg/kg體重[3]。由于使用亞硝酸鹽進(jìn)行肉品腌制具有極大危害性，解決“亞硝酸鹽問題”迫在眉睫，因此無硝腌制、低硝腌制的概念應(yīng)運(yùn)而生。

響應(yīng)面法是一種優(yōu)化工藝條件的有效方法，用于確定各因素及其交互效應(yīng)在工藝工程中對(duì)響應(yīng)值的影響，通過對(duì)方程的回歸擬合和響應(yīng)曲面、等高線的繪制，可方便求出相應(yīng)于各因素水平的響應(yīng)值，精確的表述因素和響應(yīng)值間的關(guān)系[4～6]。本試驗(yàn)以新鮮的豬腿精瘦肉和豬背膘為原料，用無硝腌制的方法研制香腸配方，添加胡蘿卜和山藥來提升香腸的風(fēng)味，采用四因素三水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，以香腸感官評(píng)分為指標(biāo)，對(duì)無硝香腸加工的關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為工業(yè)化生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)無硝香腸、改善香腸品質(zhì)與風(fēng)味提供理論依據(jù)，并為深入研究無硝香腸品質(zhì)的影響因素、機(jī)理、調(diào)控機(jī)制奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

水、新鮮豬腿精瘦肉、豬背膘、羊腸衣、胡蘿卜、山藥、香菇、番茄、加碘鹽、味精、精細(xì)白糖、玉米淀粉、大豆分離蛋白、桂皮、丁香、豆蔻、大茴香、小茴香、白芷、白胡椒粉 均購置于錦州市大潤(rùn)發(fā)超市；卡拉膠 青島德惠海洋生物科技有限公司；紅曲紅色素 江門科隆生物技術(shù)股份有限公司；異抗壞血酸鈉江西省德興市百勤異VC鈉有限公司；復(fù)合磷酸鹽（三聚磷酸鈉、磷酸二氫鈉、焦磷酸鈉等） 徐州恒世食品有限公司；煙熏液（乙醇、還原糖、氨基酸等） 北方霞光食品添加劑有限公司。

JA1003分析天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司；MG5838電動(dòng)絞肉機(jī) 廣東省韶關(guān)市新通力食品機(jī)械有限公司；ZB20斬拌機(jī) 河北省大廠縣華映食品機(jī)械有限公司；HS30A液壓灌腸機(jī) 沈陽市第三量具；BYX50煙熏箱 杭州艾博機(jī)械有限公司；CS101-A烘箱 南京實(shí)驗(yàn)儀器廠；SY11蒸煮鍋 山東鼎泰盛食品工業(yè)裝備股份有限公司；GTCB高溫高壓殺菌鍋 浙江金華市浙中壓力容器制造公司；

DZQ400/2S真空充氣包裝機(jī) 章丘市炊具機(jī)械總廠；HH-SY21電熱恒溫水浴鍋天津市泰斯特儀器有限公司；PEN電子鼻 法國(guó)AlphaMos公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 無硝香腸配方的研制 按照處理肉的精確重量（豬腿精瘦肉與豬背膘的比例為8:2），以10kg計(jì)算,水5kg，腸衣200g，加碘鹽200g，精細(xì)白糖300g，味精20g，紅曲紅色素7g，異抗壞血酸鈉100g，大茴香10g，小茴香10g，桂皮12g，豆蔻17g，白芷18g，丁香10g，白胡椒粉10g，復(fù)合磷酸鹽100g。

1.2.2 無硝香腸的加工工藝流程

1.2.3 操作要點(diǎn) 無硝香腸的制作方法是以熏煮香腸為代表，在普通熏煮香腸的工藝流程基礎(chǔ)上[7]，在經(jīng)過斬拌后的肉餡中加入加碘鹽和紅曲紅色素，經(jīng)過一次攪拌后進(jìn)行無硝腌制，將預(yù)處理的蔬菜丁（經(jīng)清洗、燙漂、切丁）及香辛料與腌制后的肉餡一起混合攪拌均勻、灌裝，剩余工序同普通的熏煮香腸。無硝香腸的主要加工工藝參數(shù)：斬拌溫度6～8℃、時(shí)間6min；一次攪拌溫度控制在10℃以下、時(shí)間15～20min；無硝腌制時(shí)間為24h（2～4℃）；煙熏溫度為60～65℃、時(shí)間30～40min；蒸煮溫度為85～90℃、時(shí)間40～50min；二次殺菌時(shí)殺菌鍋的溫度為121℃（0.25MPa）。

1.2.4 感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 選擇20名評(píng)定員組成評(píng)定小組，每個(gè)評(píng)定員要事先接受專業(yè)訓(xùn)練，分別對(duì)香腸的色澤、風(fēng)味、口感及組織狀態(tài)進(jìn)行感官評(píng)定，運(yùn)用10分制，對(duì)20名評(píng)定員的評(píng)分結(jié)果取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果[8]。感官指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 無硝香腸感官指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table1 Score standards of the nitrate free sausage sensory indicators

所添加的蔬菜味道和較濃烈的異味口感 口感細(xì)膩均勻，具有良好的咀嚼性能具有香腸固有的風(fēng)味，無不良味道具有香腸固有的風(fēng)味，略帶所添加的蔬菜味道，無其他異味口感較為粗糙咀嚼性能一般口感粗糙，咀嚼性能較差組織狀態(tài)組織緊密，有彈性，切片良好、整齊，無軟骨及其他雜物，無氣孔組織較為緊密，有一定的彈性，切片較整齊，有少量氣孔組織松散，彈性小，切片不整齊，有大量氣孔

1.2.5 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 由于未添加硝酸鹽和亞硝酸鹽的香腸在風(fēng)味上可能會(huì)不同于傳統(tǒng)香腸，將通過添加具有特殊風(fēng)味的輔料來突出成品的香氣，本試驗(yàn)選取胡蘿卜、山藥、香菇、番茄作為添加輔料，通過對(duì)3種輔料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、特殊風(fēng)味及成本預(yù)算等方面研究，考慮將胡蘿卜和山藥作為混合輔料添加，香菇、番茄作為單獨(dú)添加輔料，添加量為5%、10%、15%[9～11]。1.2.6 電子鼻測(cè)定 按照1.2.2的工藝流程加工無硝香腸，選取蔬菜丁添加量10%、卡拉膠添加量0.5%、玉米淀粉添加量6%、大豆分離蛋白添加量4%加工香腸，對(duì)加工成品用電子鼻PEN3測(cè)定揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)成分，對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，選擇最佳添加輔料。PEN3的標(biāo)準(zhǔn)傳感器陣列見表2。

表2 PEN3標(biāo)準(zhǔn)傳感器陣列Table2 Array of PEN3 standard sensor

9 W2W R(9)有機(jī)硫化物 硫化氫，1 10 W3S R(10)長(zhǎng)鏈烷烴 甲烷，10

1.2.7 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用Design Expert 8.0.5對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，采用中心復(fù)合模型(Box-Behnken)建立實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型。進(jìn)行以蔬菜丁、卡拉膠、玉米淀粉及大豆分離蛋白的添加量為自變量，以香腸的感官評(píng)分為響應(yīng)值設(shè)計(jì)分析試驗(yàn)，應(yīng)用二次模型對(duì)結(jié)果進(jìn)行變異分析[12]。各因素水平編碼見表3。

表3 響應(yīng)面分析因素水平表Table3 Factors and levels of response surface design

1.2.8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 各組試驗(yàn)重復(fù)5次，取其平均值，使用Design Expert 8.0.5軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 電子鼻傳感器分析 未經(jīng)過工藝優(yōu)化但添加風(fēng)味輔料的無硝香腸，用電子鼻PEN3測(cè)定3組香腸的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)成分。由于3種輔料的3號(hào)、5號(hào)和10號(hào)傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比無顯著性差異，只對(duì)有顯著性差異的1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。電子鼻傳感器分析響應(yīng)圖見圖1。

圖1 電子鼻傳感器分析響應(yīng)圖Fig1 Response surface of electronic nose sensor analysis

由圖1可知，經(jīng)過傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，添加胡蘿卜和山藥混合蔬菜丁的無硝香腸風(fēng)味物質(zhì)含量最高。

2.1.2 電子鼻雷達(dá)圖比較 經(jīng)過電子鼻測(cè)試分析，選取測(cè)試時(shí)間40s時(shí)的雷達(dá)圖作比較，見圖2。

圖2 電子鼻分析雷達(dá)圖Fig2 Radar chart of electronic nose analysis

由圖2可知，添加3種輔料的無硝香腸風(fēng)味輪廓大體相同，其中添加胡蘿卜和山藥混合菜丁的香腸含有的風(fēng)味物質(zhì)更全面。

因此，經(jīng)過單因素試驗(yàn)對(duì)比可知[13]，無硝香腸的最佳風(fēng)味輔料為胡蘿卜和山藥混合菜丁。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化關(guān)鍵加工工藝參數(shù)

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果 采用四因素三水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合法，蔬菜丁、卡拉膠、玉米淀粉及大豆分離蛋白的添加量對(duì)無硝香腸感官評(píng)分的影響，結(jié)果見表4。

表4 響應(yīng)面 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié) 果Table4 Experimental design and results of RSM

通過擬合可求出影響因素的一次效應(yīng)、二次效應(yīng)及其交互效應(yīng)的關(guān)聯(lián)方程[14]，多元回歸擬合分析得到以感官評(píng)分為Y值，得出以蔬菜丁、卡拉膠、玉米淀粉及大豆分離蛋白的添加量編碼值為自變量的四元二次回歸方程，見式（1）：

采用Design Expert 8.0.5軟件中的Box-Behnken對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，得出回歸模型方差分析表，見表5。

表5 響應(yīng)面方差分析結(jié)果Table5 ANOVA of response surface quadratic model

由表5可知，二次回歸模型的F值為15.74，P＜0.0001，大于在0.01水平上的F值；決定系數(shù)R2=0.8516，失擬項(xiàng)的F值為0.0899，小于在0.05水平上的F值，分析表明，該模型擬合度較好，試驗(yàn)誤差較小，說明該模型是合適的。方程一次項(xiàng)、二次項(xiàng)的影響均顯著，由此可以看出，各具體試驗(yàn)因素與響應(yīng)值的關(guān)系不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是呈二次拋物面關(guān)系[15～16]。對(duì)無硝香腸感官評(píng)分影響的大小順序?yàn)椋菏卟硕√砑恿浚╔1）＞卡拉膠添加量（X2）＞大豆分離蛋白添加量（X4）＞玉米淀粉添加量（X3）。

2.2.2 各因素之間的交互作用 采用降維的分析方法，進(jìn)行雙因素效應(yīng)分析對(duì)感官評(píng)分的影響。見圖3～圖8。

圖3 蔬菜丁和卡拉膠的添加量對(duì)無硝香腸感官評(píng)分影響的響應(yīng)面圖Fig.3 Response surface of the amount of vegetables diced and carrgeenan on the sensory score of nitrite free sausage

圖4 蔬菜丁和玉米淀粉的添加量對(duì)無硝香腸感官評(píng)分影響的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface of the amount of vegetables diced and corn starch on the sensory score of nitrite free sausage

圖5 蔬菜丁和大豆分離蛋白的添加量對(duì)無硝香腸感官評(píng)分影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface of the amount of vegetables diced and soy protein isolate on the sensory score of nitrite free sausage

圖6 卡拉膠和玉米淀粉的添加量對(duì)無硝香腸感官評(píng)分影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface of the amount of carrgeenan and corn starch on the sensory score of nitrite free sausage

圖7 卡拉膠和大豆分離蛋白的添加量對(duì)無硝香腸感官評(píng)分影響的響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface of the amount of carrgeenan and soy protein isolate on the sensory score of nitrite free sausage

圖8 玉米淀粉和大豆分離蛋白的添加量對(duì)無硝香腸感官評(píng)分影響的響應(yīng)面圖Fig.8 Response surface of the amount of corn starch and soy protein isolate on the sensory score of nitrite free sausage

由圖3～圖8可知，所有響應(yīng)曲面圖均開口向下、呈現(xiàn)凸面，隨著各個(gè)自變量X1、X2、X3、X4的增大，響應(yīng)值逐漸增大；但當(dāng)響應(yīng)值增大到某極值后，隨著自變量X1、X2、X3、X4的增大，響應(yīng)值有減小的趨勢(shì)。

從圖3、圖4、圖5可以看出，蔬菜丁添加量表現(xiàn)為曲線陡度較大，其次是卡拉膠添加量，最后是玉米淀粉和大豆分離蛋白的添加量。比較6組響應(yīng)曲面圖及數(shù)據(jù)可知，蔬菜丁添加量對(duì)香腸感官評(píng)分的影響最為顯著。

由表5得知，X1X3交互作用對(duì)響應(yīng)值影響顯著，說明蔬菜丁添加量（X1）和玉米淀粉添加量（X3）的交互作用對(duì)感官評(píng)分（Y）的影響顯著，其他自變量之間的交互作用對(duì)響應(yīng)值影響不顯著。

通過SAS8.0軟件分析，對(duì)回歸模型求解可得到各極值點(diǎn)，從而確定無硝香腸的最佳關(guān)鍵工藝參數(shù)為：蔬菜丁添加量12.75%、卡拉膠添加量0.55%、玉米淀粉添加量6.77%、大豆分離蛋白添加量4.58%。

2.2.3 工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證 通過Design Expert 8.0.5軟件模擬分析，最后確定出模型最優(yōu)感官評(píng)定條件，根據(jù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行近似驗(yàn)證試驗(yàn)，考慮到實(shí)際操作的便利，將最佳工藝參數(shù)修正為蔬菜丁添加量12.7%、卡拉膠添加量0.5%、玉米淀粉添加量6.8%、大豆分離蛋白添加量4.6%，預(yù)測(cè)感官評(píng)分為9.302分。

在近似值條件下進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，重復(fù)3次，結(jié)果得到的香腸的感官評(píng)分為9.327，試驗(yàn)值與模型的理論值接近，且相對(duì)偏差小于1%，表明重現(xiàn)性良好。說明該模型可以較好的反映無硝香腸的工藝條件。

3 結(jié)論

在原有熏煮香腸基礎(chǔ)上選用無硝腌制的方法加工香腸，對(duì)三種不同的風(fēng)味輔料用電子鼻進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，確定了無硝香腸的最適風(fēng)味輔料為胡蘿卜山藥混合菜丁。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上利用響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)，根據(jù)Box-Bcnhken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選擇影響無硝香腸質(zhì)量的4個(gè)顯著因素：蔬菜丁添加量、卡拉膠添加量、玉米淀粉添加量、大豆分離蛋白添加量進(jìn)行 4因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，得到最佳工藝參數(shù)為：蔬菜丁添加量12.75%、卡拉膠添加量0.55%、玉米淀粉添加量6.77%、大豆分離蛋白添加量4.58%。經(jīng)過工藝優(yōu)化的兒童香腸感官評(píng)分可達(dá)9.327分。為工業(yè)化生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)無硝香腸、改善香腸品質(zhì)與風(fēng)味提供理論依據(jù)，并為深入研究無硝香腸品質(zhì)的影響因素、機(jī)理、調(diào)控機(jī)制奠定理論基礎(chǔ)。

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