Plackett-Burman設計和響應面法優化速凍紫蘇籽肉丸的配方

陳昌勇，何臘平，3，*，李翠芹，田　耘，陳　平，薛榮濤，駱　艷（.貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州貴陽002；2.貴州省農畜產品貯藏與加工重點實驗室，貴州貴陽002；3.貴州省豬肉制品工程技術研究中心，貴州貴陽002；.貴州大學化學與化工學院，貴州貴陽002；.北京市朝陽區常營地區辦事處，北京0002；.貴州大學理學院，貴州貴陽002）

Plackett-Burman設計和響應面法優化速凍紫蘇籽肉丸的配方

陳昌勇1，2，何臘平1，2，3，*，李翠芹4，田耘5，陳平6，薛榮濤1，2，駱艷1
（1.貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州貴陽550025；2.貴州省農畜產品貯藏與加工重點實驗室，貴州貴陽550025；3.貴州省豬肉制品工程技術研究中心，貴州貴陽550025；4.貴州大學化學與化工學院，貴州貴陽550025；5.北京市朝陽區常營地區辦事處，北京100024；6.貴州大學理學院，貴州貴陽550025）

為改善速凍紫蘇籽肉丸的品質，運用Plackett-Burman實驗、最陡爬坡實驗結合Box-Behnken響應面實驗對影響速凍紫蘇籽肉丸品質的工藝配方參數進行優化。首先用Plackett-Burman設計對影響速凍紫蘇籽肉丸的品質的七個因素進行了評價，篩選出具有顯著效應的三個因素：紫蘇籽、冰水和大豆分離蛋白；然后用最陡爬坡路徑逼近最大響應區域；最后采用響應面法確定了主要影響因素的最佳配方工藝為紫蘇籽7%、冰水29%和大豆分離蛋白2.5%。經驗證實驗得到感官評分為22.03分，硬度為2158.83 g，彈性為8.82 mm，內聚性為0.63，相對誤差在0.57%～1.61%之間，與預測值很接近，表明Plackett-Burman實驗、最陡爬坡實驗結合響應面法可以很好地對速凍紫蘇籽肉丸的工藝配方參數進行優化，而且制備的紫蘇籽肉丸富含多不飽和脂肪酸。

速凍紫蘇籽肉丸，Plackett-Burman設計，配方優化，響應面法

肉及肉制品是日常飲食中蛋白質、脂肪酸、礦物質和維生素的重要來源，在人類進化過程中產生了至關重要的作用［1］。但肉中還含有飽和脂肪酸、膽固醇等對人體健康不利的物質，在人體中這些物質量的失衡可能誘發肥胖癥、癌癥和心腦血管疾?。?］。所以，改變肉制品的脂肪含量和脂肪酸組分可以幫助增加其營養品質。研究表明增加多不飽和脂肪酸的攝入對健康非常有利［3］。目前，高不飽和脂肪酸的功能產品的開發呈現日益增長的趨勢，富含代脂物質油脂、蛋白質和纖維素的植物果實，如罌粟籽［4］、亞麻籽［5-6］、核桃［7-8］等已被成功應用到傳統肉制品中去替代動物脂肪，改善其功能特性。

紫蘇籽是中國衛生部頒布的87種藥食同源食物之一［9］，含油量34.0%～45.2%，含蛋白質18.5%～21.8%，含纖維素19.0%～25.1%［10］。紫蘇籽蛋白中氨基酸種類達18種，其中含有人體所需的8種必需氨基酸。紫蘇籽油含不飽和脂肪酸90%以上，其中α-亞麻酸含量高達54%～64%，是目前所知α-亞麻酸含量最高的食用植物油［11］。大量研究證明，紫蘇油具有降血脂、防癌和增強大腦功能發育的功效［12-13］。目前還沒有將紫蘇籽作為功能性成分應用到肉制品中的報道。

Plackett-Burman實驗、最陡爬坡實驗結合Box-Behnken響應面實驗是一套經濟高效的優化實驗設計方法，能用較少的實驗數據推算出目標值的最優條件，已被廣泛應用于微生物發酵［14-15］和功能成分提?。?6］方面，但在肉制品中的應用卻鮮有報道。本研究將紫蘇籽作為動物脂肪替代物和功能性成分添加到傳統肉丸中，運用Plackett-Burman實驗、最陡爬坡實驗結合Box-Behnken響應面實驗對影響速凍紫蘇籽肉丸品質的工藝配方參數進行優化，以獲得最優的速凍紫蘇籽肉丸配方，為紫蘇籽在肉制品中的進一步應用提供理論依據，同時為類似的肉制品中配方的篩選實驗提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

豬后腿瘦肉、豬肥膘、紫蘇籽、食鹽均購于貴陽市花溪區星力超市；木薯淀粉廣西紅楓淀粉有限公司；卡拉膠福建省綠麒食品膠體有限公司；大豆分離蛋白谷神生物科技集團有限公司；復合磷酸鹽上海健鷹食品科技研究所；37種脂肪酸甲酯混標美國Sigma公司。

RY-12（S）電動絞肉機正元精密機械有限公司；CT3質構儀美國Brookfield公司；JYL-C012攪拌機九陽股份有限公司；DW-50W255低溫冰箱青島海爾特種電器有限公司；7820A氣相色譜儀美國Agilent公司；JM-A15002電子天平余姚市紅銘稱重校驗設備有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1肉丸基本配方豬瘦肉∶肥膘為4∶1，調味料：白糖1.2%，味精0.30%，白胡椒0.15%，鮮蔥1.5%，鮮姜1.0%（按實際生產慣例所有配料以豬瘦肉、肥膘的總重量百分比添加，實驗中維持肥膘和紫蘇籽添加量的總和為20%不變）。

1.2.2工藝流程豬肉的預處理與絞制→紫蘇籽粉的制備→混合斬拌→成型→預煮制→冷卻→速凍→包裝凍藏。

1.2.3操作要點

1.2.3.1豬肉的預處理與絞制選取新鮮豬瘦肉和肥膘為原料，洗凈并切成小塊放入冰箱冷藏至10℃以下；分別取出放入絞肉機內絞碎。

1.2.3.2紫蘇籽粉的制備將干凈的紫蘇籽放入鍋中用文火炒制，爆裂有香氣逸出即可；炒制好后取出放涼并多次粉碎，每次粉碎3～5 s，至表面出油即可。

1.2.3.3混合斬拌將制備好的肉糜、肥膘和紫蘇籽粉按比例放入斬拌機中，同時按比例加入食鹽、復合磷酸鹽、卡拉膠、大豆分離蛋白、淀粉、白糖、味精、白胡椒、鮮蔥、鮮姜和冰水進行斬拌，斬拌至膠狀肉泥。將斬拌完畢的肉餡放入0～4℃下靜置3 h。

1.2.3.4成型將肉餡制成直徑約2.5 cm的肉丸。

1.2.3.5預煮制將成型的肉丸放入初始溫度為60℃的熱水中煮制，水溫升高至85℃后恒溫，肉丸浮起后再煮3～5 min，即可撈出。

1.2.3.6冷卻將煮制好的肉丸放入冰水中降溫12 min。

1.2.3.7速凍將冷卻好的肉丸放入-40℃條件下速凍處理30 min。

1.2.3.8包裝凍藏經速凍處理的產品進行真空包裝，放入-18℃的冷庫中凍藏。

1.2.4Plackett-Burman實驗根據前期單因素預實驗確定的各個因素的水平，選用實驗次數N=12的Plackett-Burman實驗設計，對影響肉丸品質的紫蘇籽、淀粉、食鹽、冰水、卡拉膠、大豆分離蛋白和復合磷酸鹽的添加量7個因素進行考察，每個因素取高低兩個水平，高水平為低水平的1.5倍。另設四個空白項（對應表中的X3、X6、X9和X11），用以估計實驗誤差。實驗因素與水平見表1。

表1　Plackett-Burman實驗因素與水平Table 1　Factors and levels of Plackett-Burman design

1.2.5最陡爬坡實驗根據上一步Plackett-Burman實驗的結果設計爬坡方向和步長，按一定梯度改變紫蘇籽、冰水、大豆分離蛋白的添加量，測定感官評分、硬度、彈性、內聚性和咀嚼性從而確定紫蘇籽、冰水、大豆分離蛋白三個因素的最適濃度范圍。

1.2.6Box-Behnken響應面實驗在1.2.5的基礎上，以紫蘇籽、冰水、大豆分離蛋白的添加量為自變量，肉丸的感官評分、硬度、彈性和內聚性為響應值進行響應面實驗，因為咀嚼性是硬度、彈性和內聚性的線性函數，所以不以其為響應值［17］。實驗因素與水平見表2。其中，零點實驗重復5次，用以考察實驗誤差。

表2　Box-Behnken實驗因素與水平Table 2　Factors and levels of Box-Behnken design

1.2.7感官評價評定小組由10名專業人員組成，評分標準［18］見下表，感官評分為色澤、彈性、滋氣味、口感和組織狀態五項的得分總和。

1.2.8質構指標測定將冷凍肉丸樣品在3～4℃解凍12 h，解凍完全后，置于80℃水浴加熱5 min，再冷卻至室溫，樣品規格修正至20 mm高圓柱體，用質構儀進行測定。

測定方法：質構剖面分析法。測定參數為測試前速2.0 mm/s、測試速度2.0 mm/s、測試后速2.0 mm/s、測試距離50%，兩次壓縮中停頓時間5.0 s，探頭類型TA11。測定結果以硬度、彈性、內聚性、咀嚼性為指標。每組處理6個樣品，取其平均值。

1.2.9脂肪酸組成測定脂肪酸組成的測定參照G?k［4］的方法。

表3　感官質量評分標準（滿分25分）Table 3　Standards of product quality sense grades （full score：25）

1.3處理處理

實驗數據采用Design Expert 8.0.6軟件進行統計分析。

2　結果與分析

2.1Plackett-Burman實驗

Plackett-Bunnan設計是一種經典的兩水平實驗設計方法，它可以利用最少的實驗次數，從眾多考察因素中快速有效地篩選出最為重要的幾個因素，供進一步研究用［19］。Plackett-Burnman實驗的結果和方差分析見表4和表5。

從表5的方差分析中可以看出所有實驗模型的p值均小于0.05，表明模型顯著，擬合性好。以感官評分為主，質構指標為輔，得到紫蘇籽、冰水和大豆分離蛋白為影響肉丸品質的主要因素。紫蘇籽含有油脂、蛋白質和膳食纖維，能夠與肉丸中的蛋白質發生乳化作用；冰水可以溶解配料，大豆分離蛋白可以束縛水分和脂肪，其都能改善肉丸的凝膠結構［20］。以這三個因素為研究對象，作為進一步的優化實驗。對結果無顯著影響的因素，根據因素的正負效應并結合單因素實驗結果確定添加量為淀粉12%、食鹽2.5%、卡拉膠0.3%和復合磷酸鹽0.3%。

表4　Plackett-Burman實驗設計及響應值Table 4　Plackett-Burman design and results

表5　Plackett-Burman實驗方差分析Table 5　Analysis of variance on Plackett-Burman design

2.2最陡爬坡實驗

Plackett-Burnman實驗設計及結果如表6所示。隨著紫蘇籽、冰水和大豆分離蛋白的變化，其感官評分、彈性、內聚性均呈現出先增大后減小的趨勢，硬度和咀嚼性不斷減小，當紫蘇籽、冰水和大豆分離蛋白分別為8%、30%和2.4%時，其感官評分和質構均為最好，說明其比較接近最佳響應區域。因此，下一步實驗將以紫蘇籽8%、冰水30%和大豆分離蛋白2.4%作為實驗中心點，進行響應面實驗。

2.3響應面實驗

2.3.1響應面優化實驗結果Box-Behnken響應面實驗設計結果如表7所示。

采用Design Expert 8.0.6軟件對表7中的實驗數據進行回歸分析，得到以各響應值為目標函數的二次回歸模型為：

硬度=2139.13-36.66A-178.04B+22.47C+26.17AB+ 74.52AC-140.92BC-42.60A2-76.37B2-55.35C2

彈性=8.75-0.071A+0.029B-0.020C+0.040AB-0.073AC+0.027BC-0.056A2-（5.000E-004）B2-0.018C2

內聚性=0.61-0.018A+（5.000E-003）B-（2.500E-003）C+（5.000E-003）AB-0.010BC-（7.500E-003）A2-（2.500E-003）B2-（2.500E-003）C2

感官評分=22.08-0.24A-0.32B-0.19C+0.64AB-0.52AC-1.21BC-1.64A2-1.59B2-0.71C2

表7　Box-Behnken響應面實驗設計結果Table 7　The results of Box-Behnken response surface design

表8　Box-Behnken響應面實驗方差分析Table 8　Analysis of variance of Box-Behnken response surface design

對各模型進行方差分析，結果見表8。由表8可以看出，所有模型的p值＜0.05，顯著，而失擬項的p值＞0.05，不顯著，模型的R2＞0.85，說明此次實驗的模型擬合程度良好、實驗誤差較小，可用于速凍紫蘇籽肉丸品質的預測。

表6　最陡爬坡實驗設計與結果Table 6　Experimental design and results of steepest ascent

2.3.2響應面分析繪制響應曲面（圖1～圖4）進行直觀分析，研究相關變量之間的交互作用。

2.3.2.1各因素對感官評分的交互作用圖1（a）顯示了紫蘇籽和冰水對肉丸感官評分的交互作用，由響應面圖可以看出，冰水對感官評分的影響最為顯著，隨著冰水添加量的增加感官評分先上升后下降，這是因為適當的冰水可增加肉丸的多汁性和口感，但超過一定量后，會使肉丸蛋白質分子之間游離水過剩，導致肉丸松散，成型度和口感變差［21］。由圖1（b）可知，感官評分隨著紫蘇籽、大豆分離蛋白的增加都呈先上升后下降的趨勢，且紫蘇籽對感官評分的影響比大豆分離蛋白添加量更顯著。這是因為適量的紫蘇籽會增加肉丸硬度和口感，特別是紫蘇籽能賦予肉丸獨特的香味，增加其感官評分，但過量又會使其口感粗糙、結構不致密，同時香味過濃，風味不協調，感官評分下降。圖1（c）表明，冰水和大豆分離蛋白之間的交互作用具有顯著性，對肉丸的感官評分影響較大。隨著大豆分離蛋白添加量的增加，肉丸感官評分先升高后降低，這是因為大豆分離蛋白能形成縛住水分和脂肪液滴的基質，乳化肉丸中的脂肪，結合水分，改進組織結構［21］，同時大豆分離蛋白富含必需氨基酸，但過量加入會影響口感。

圖1　各兩因素交互作用對感官評分影響的響應面圖Fig.1　Response surface for the effects of three process parameters on sensory scores

2.3.2.2各因素對硬度的交互作用圖2顯示了大豆分離蛋白和冰水對肉丸硬度的交互作用，由圖2可知，其交互作用顯著。隨著大豆分離蛋白添加量的增加，硬度呈快速上升的趨勢，這是因為大豆分離蛋白添加量增多會造成固形物的增加，而使硬度增加；而硬度隨冰水添加量的增加呈下降趨勢，因為冰水的增加，蛋白質與水相互作用，形成交叉的連接相互作用降低［22］，使得肉丸硬度降低。

圖2　大豆分離蛋白和冰水對硬度影響的響應面圖Fig.2　Response surface showing the effects of soy proteinisolate and ice water on hardness

2.3.2.3各因素對彈性的交互作用圖3（a）顯示了冰水和紫蘇籽對肉丸彈性的交互影響，由圖可知，其交互作用顯著，且紫蘇籽對彈性的影響比冰水添加量顯著的多。隨著紫蘇籽的增加肉丸彈性下降，這是由于紫蘇籽增多的同時肥膘的量降低會造成干物質的增加，可能與豬肉蛋白質競爭可利用的水分，從而對蛋白相產生濃縮效應，降低彈性。由圖3（b）可知，大豆分離蛋白和紫蘇籽對肉丸彈性的交互作用具有顯著性，這與方差分析的結果是一致的。

圖3　各兩因素交互作用對彈性影響的響應面圖Fig.3　Response surface for the effects of two process parameters on springiness

2.3.2.4各因素對內聚性的交互作用圖4顯示了冰水和大豆分離蛋白對肉丸內聚性的交互影響，從圖4中可以看出冰水和大豆分離蛋白對肉丸內聚性具有顯著的交互作用。當大豆分離蛋白添加量較低時，內聚性隨著冰水添加量的增加而上升，因為適量的冰水可以與大豆分離蛋白、淀粉等發生乳化作用，使得預煮制時淀粉發揮最大的糊化作用，強化肉丸的凝膠結構，增加內聚性［20］。

圖4　冰水和大豆分離蛋白對內聚性影響的響應面圖Fig.4　Response surface showing the effects of ice water and soy protein isolate on cohesiveness

2.3.3最優配方的確定及驗證實驗以感官評分、硬度、彈性和內聚性為響應值，設定感官評分、彈性和內聚性的目標為最大值，硬度的目標為范圍值2000～2200 g之間，通過回歸模型預測的最佳配方參數為紫蘇籽6.88%，冰水28.89%，大豆分離蛋白2.54%，在此條件下生產出來的產品感官評分為21.82分，硬度為2185.14 g，彈性為8.77 mm，內聚性為0.62。為檢驗響應曲面法所得結果的可靠性，采用最佳工藝配方進行肉丸的加工，考慮到實際操作的便利，將參數修正為：紫蘇籽7%，冰水29%，大豆分離蛋白2.5%。在此條件下做驗證實驗，經6次平行實驗，實際測得感官評分為22.03分，硬度為2158.83 g，彈性為8.82 mm，內聚性為0.63，相對誤差在0.57%～1.61%之間，與預測值很接近，證明響應面分析法得到的速凍紫蘇籽肉丸的工藝配方參數是真實可靠的。

2.3.4脂肪酸組成測定通過檢測得到速凍紫蘇籽肉丸中多不飽和脂肪酸占總脂肪酸含量的28.83%，特別是α-亞麻酸占總脂肪酸含量的12.68%，遠高于文獻［8］中豬肉香腸的0.88%，也遠高于85℃水浴中煮制的豬肉［23］的0.53%。這表明，本研究制備的紫蘇肉丸富含多不飽和脂肪酸α-亞麻酸。Bilek等［5］獲得過類似的結果：將與紫蘇籽營養成分類似的亞麻籽添加到肉餅中，發現亞麻籽的添加能顯著提高肉餅中的α-亞麻酸含量。

3　結論

本文將藥食同源的紫蘇籽作為動物脂肪替代物和功能性成分添加到肉丸中，運用Plackett-Burman實驗、最陡爬坡實驗結合Box-Behnken響應面實驗對影響速凍紫蘇籽肉丸品質的工藝配方參數進行優化。建立了紫蘇籽、冰水和大豆分離蛋白對硬度、彈性、內聚性和感官評分的二次回歸方程模型，確定了速凍紫蘇籽肉丸的最佳配方為紫蘇籽7%、冰水29%、大豆分離蛋白2.5%、淀粉12%、食鹽2.5%、卡拉膠0.3%、復合磷酸鹽0.3%、豬瘦肉80%和肥膘13%。最佳配方所得產品富含多不飽和脂肪酸、兼有豬肉清香和紫蘇籽特有香味，風味協調，口感好，具有廣闊的市場前景。

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Optimization of formula for quick-frozen perilla meatballs by Plackett-Burman design and response surface methodology

CHEN Chang-yong1，2，HE La-ping1，2，3，*，LI Cui-qin4，TIAN Yun5，CHEN Ping6，XUE Rong-tao1，2，LUO Yan1
（1.School of Liquor and Food Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.Key Laboratory of Agricultural and Animal Products Store&Processing of Guizhou Province，Guizhou University，Guiyang 550025，China；3.Guizhou Pork products Research Center of Engineering Technology，Guiyang 550025，China；4.School of Chemistry and Chemical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China；5.Office of Changying District，Beijing 100024，China；6.College of Science，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

In order to improve quality of quick-frozen perilla meatballs，the formula parameters which affected quality of quick-frozen perilla meatballs were optimized by Plackett-Burman design，the steepest ascent experiment and Box-Benhnken response surface methodology．First，two level factorial design of Plackett-Burman was used to evaluate the influence of seven related factors，and substitution amount of perilla seed，ice water and soy protein isolated were identified as the most significant variables.Second，the path of steepest ascent was used to approach the optimal region of response surface.Third，further optimization was made by using response surface methodology.The results showed that the optimal production formula were as follows：perilla seed 7%，ice water 29%，soy protein isolated 2.5%.Under the optimal conditions，the sensory score of 22.03，hardness of 2158.83 g，springiness of 8.82 mm and cohesiveness of 0.63 was obtained by the verification experiment，and the relative error was 0.57%～1.61%，which indicated that the combination of Plackett-Burman design，the steepest ascent experiment and response surface methodology could welloptimize the production formula for quick-frozen perilla meatballs.Moreover，the perilla meatballs were rich in polyunsaturated fatty acids.

quick-frozen perilla meatballs；Plackett-Burman design；formula optimization；response surface methodology

2015－09－10

陳昌勇（1989-），男，碩士研究生，研究方向：畜產品加工與貯藏工程，E-mail：cychenhn@163.com。

何臘平（1972-），男，博士，教授，研究方向：發酵工程，食品營養與安全，E-mail：helaping@163.com。

貴州省豬肉特色制品深加工關鍵技術研究及產業化示范（黔科合重大專項字［2015］6004號）；貴州省研究生特色食品加工創新工作站（黔教研合JYSZ字［2015］009）；貴州省豬肉制品工程技術研究中心項目（黔科合農G字［2013］4001號）。

TS251.5

B

1002-0306（2016）04-0259-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.04.044