豬血凝膠條件的響應面法優化

張佳敏,王　衛,白　婷,吉莉莉

(成都大學肉類加工四川省重點實驗室,四川成都 610106)

?

豬血凝膠條件的響應面法優化

張佳敏,王衛,白婷,吉莉莉

(成都大學肉類加工四川省重點實驗室,四川成都 610106)

實驗研究了不同加工條件下豬血凝膠的持水力和回復性的變化。在分析純血含量、加熱溫度、加熱時間及NaCl含量對豬血凝膠持水力和回復性影響的基礎上,以凝膠持水力和回復性的綜合評分為優化指標,采用響應面法對熱加工條件進行優化。結果表明:加熱溫度、加熱時間及NaCl含量對豬血凝膠的持水力和回復性有顯著影響(p<0.05),各因素對持水力和回復性綜合評分的影響程度依次為NaCl含量>加熱溫度>加熱時間>純血含量。對各因素與持水力和回復性的綜合評分進行擬合分析,所得擬合模型具有較好的可靠性。通過擬合模型進行優化,得到最佳工藝條件為:純血含量86.05%(即血蛋白含量16.66 g/100 mL)、溫度95 ℃、加熱時間20 min及NaCl含量4 g/100 mL,在此條件下的豬血凝膠綜合評分最高,綜合評分為69.66,持水力為88.21%,回復性值為0.511,具有最佳的凝膠品質。

豬血,持水力,回復性,響應面,工藝優化

我國是世界上最大的畜禽肉類生產和消費國,肉類總產量居世界第一。血液是畜禽屠宰加工產生的主要副產物。以2012年統計數據顯示,我國畜禽血液總產量達2500多萬t。血液中蛋白質含量17%～22%,含有18種氨基酸,尤其是賴氨酸含量豐富,還含有多種生物酶、低分子氨化物、葡萄糖、維生素、微量礦質元素,鐵的含量高達6.4%[1-2]。目前我國對畜禽血液的加工利用率較低,除部分用于食用外,加工制品主要包括初級血粉制品、血紅素、水解蛋白、SOD以及氨基酸等產品[3-7]。在食品加工中,添加動物血液不僅能充分利用其營養價值,還可改善產品色澤、風味及質構特性[8-12]。因此畜禽血在食品加工中的利用越來越受到重視[13-15]。但加工中的溫度、時間、含鹽量等對血液的凝膠性質和持水性有重要影響。本實驗以豬血為研究對象,利用質地多面剖析法[16](Texture Profile Analysis,TPA)和離心法對豬血凝膠的質構特性和持水性進行研究,探討豬血在不同條件下凝膠的持水力和回復性的變化,并采用響應面法,以回復性和持水力權重后的綜合評分為優化目標,對豬血的熱加工條件進行優化,以確定豬血的最佳凝膠條件。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮豬血由四川欣康綠食品有限公司提供。氯化鈉(分析純)購于成都市科龍化工試劑廠。

TA-XTplus型質構分析儀英國Stable Micro Systems公司;JA3130N電子天平上海民橋精密科學儀器有限公司;DZKW-4水浴鍋北京中興偉業儀器有限公司;TGL-20M高速臺式冷凍離心機長沙湘儀離心機儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1純血含量對持水力和回復性影響經前期預實驗測得該批次豬血中蛋白質含量為19.36 g/100 mL,在此基礎上,分別量取30、35、40、45、50 mL新鮮豬血于5個50 mL的容量瓶中,加蒸餾水定容至50 mL,制得純血含量分別為60%、70%、80%、90%及100%的血溶液,即血蛋白含量分別為11.62、13.55、15.49、17.42、19.36 g/100 mL,搖勻后轉入燒杯中,用保鮮膜封住燒杯口,在95 ℃溫度條件下加熱15 min,待豬血凝固后取出冷卻,測定豬血凝膠的持水力和回復性。

1.2.2加熱溫度對持水力和回復性影響量取50 mL新鮮純豬血分別置于5個燒杯中,用保鮮膜封住燒杯口,將燒杯放入水浴鍋中,分別于80、85、90、95、100 ℃下加熱15 min,取出冷卻,測定豬血凝膠的持水力和回復性。

1.2.3加熱時間對持水力和回復性影響量取50 mL新鮮純豬血分別置于5個燒杯中,用保鮮膜封住燒杯口,將燒杯放入水浴鍋中,分別于95 ℃下加熱5、10、15、20、25 min,取出冷卻,測定豬血凝膠的持水力和回復性。

1.2.4NaCl含量對持水力和回復性影響分別稱取1、2、3、4、5 g NaCl置于5個50 mL的容量瓶中,用純豬血定容置50 mL,即豬血溶液中NaCl的含量為2、4、6、8、10 g/100 mL,搖勻后轉入燒杯中,用保鮮膜封住燒杯口,在95 ℃溫度條件下加熱15 min,待豬血凝固后取出冷卻,測定豬血凝膠的持水力和回復性。

1.2.5熱凝固工藝條件的優化在單因素實驗基礎上,采用Box-Behnken響應面設計,以豬血含量(A)、加熱溫度(B)及加熱時間(C)三個熱加工參數作為相應因子,以凝膠的持水力(Y1)、回復性(Y2)和綜合評分(Y3)作為響應值建立響應曲面模型,以優化出豬血凝膠最佳熱凝固條件。優化實驗因素水平見表1,由權重法確定持水力和回復性的權重均為0.5,考慮實驗結果數值的數量級,確定綜合評分為:Y3=0.5×Y1+0.5×Y2×100。

表1　優化實驗因素水平

1.2.6持水力的測定稱量離心管的質量(m0),將豬血凝膠樣品放進離心管中,稱離心管和樣品的總質量(m1),于7600 r/min轉速下離心10 min,分離液體后再次稱離心管和樣品的質量(m2),每個樣品做3個平行,按以下公式計算持水力(WHC):

式中:WHC-凝膠持水力(%);m0-離心管的質量(g);m1-離心前離心管與樣品的質量總和(g);m2-離心后離心管與樣品的質量總和(g)。

1.2.7回復性的測定以自制圓柱型模具分別從燒杯中取豬血凝膠樣,切制成直徑13 mm、高10 mm的樣品。采用TA-XTplus型質構分析儀進行TPA質構剖面分析,測定凝膠的回復性(Resilience)?；貜托缘亩x為樣品在第一次壓縮過程中回彈的能力,是第一次壓縮返回過程中樣品所釋放的彈性能與壓縮時探頭的耗能之比[17]。檢測條件參數為:探頭型號(P/36R-圓柱型平底探頭)、測前探頭下降速度(Pre-Test Speed)5 mm/s、測試中探頭下降速度(Test Speed)1 mm/s、測試后探頭上升速度(Post-Test Speed)5 mm/s、測試距離(Distance)2 mm、測試時間(Time)5 s。

2　結果及分析

2.1熱凝固單因素實驗結果

2.1.1純血含量對持水力和回復性的影響不同豬血含量的凝膠持水力和回復性的測定結果如圖1所示,由圖可見,隨著純豬血含量的增加,凝膠的持水力和回復性均明顯地增大(p<0.05),說明豬血蛋白含量越高,凝膠的持水力和回復性越好。豬血漿蛋白在加熱的情況下蛋白變性,結構展開并發生分子間交聯,進而聚集形成凝膠[13]。蛋白含量過低形成凝膠不穩定,水分易析出,血蛋白含量高的豬血漿由于加熱交聯形成的網絡結構更加緊密,束縛水分的能力更強,所以形成的凝膠更加穩定[18]。但蛋白含量過高時,形成的凝膠質地較硬,口感較差,實驗中發現當純血含量在80%～90%時,凝膠彈性、觸感較好,組織細膩光滑無孔洞。

圖1　純血含量對豬血凝膠的持水力和回復性的影響Fig.1　The influence of pure blood content on the WHC and resilience of pig blood gel

2.1.2加熱溫度對持水力和回復性的影響溫度對豬血凝膠持水力和回復性影響的測定結果如圖2所示。由圖可見,隨著溫度的升高,凝膠的持水力顯著地增大(p=0.006<0.05),回復性隨著溫度的升高先增大后降低(p=0.02<0.05)。當溫度低于80 ℃時,豬血蛋白不能完全凝固;85 ℃以下形成凝膠所需的時間較長,凝固后質地較軟,易碎裂;90 ℃以上形成的凝膠結構穩定,蛋白凝固完全,持水力顯著提升;當溫度達到95 ℃時,回復性達到最大值,之后降低,且形成的凝膠彈性差,表面產生較多孔洞,內部組織粗糙。這一方面是由于溫度升高可促進血蛋白快速凝結,保持水分,但另一方面,過高的溫度使蛋白質老化變硬,凝膠回復性變差[19]。實驗表明,較佳的加熱溫度為90～95 ℃。

圖2　溫度對豬血凝膠的持水力和回復性的影響Fig.2　The influence of temperature on the WHC and resilience of pig blood gel

2.1.3加熱時間對持水力和回復性的影響豬血凝膠持水力和回復性隨時間的變化如圖3所示,由圖可知,持水力和回復性均隨著加熱時間延長而先增大后降低(p<0.05)。持水力在15 min時最高,而回復性在20 min時最大。加熱時間短,豬血蛋白凝固不完全,形成的凝膠結構不穩定,持水力差。加熱越長,蛋白凝固越完全,形成的凝膠質地越堅實。但時間過長使得蛋白質過度變性,形成的凝膠組織結構被破壞,且由于水分在高溫下蒸發,使凝膠產生較多孔洞,變得堅硬而失去彈性,持水力也降低。實驗結果顯示,加熱時間在15～20 min較為適宜。

圖3　加熱時間對豬血凝膠的持水力和回復性的影響Fig.3　The influence of heating time on the WHC and resilience of pig blood gel

2.1.4NaCl含量對持水力和回復性的影響豬血凝膠持水力和回復性隨NaCl含量的變化如圖4所示,由圖可見,持水力(p=0.022)和回復性(p=0.001)均隨著NaCl含量的增加先升高后降低(p<0.05)。持水力在NaCl含量為4 g/100 mL時最高,而回復性在3 g/100 mL時最大。這可能是由于NaCl中的Cl-提高了體系離子強度,從而加大豬血蛋白質之間的凈電斥力,蛋白質網狀結構松弛,持水力提高[4,19];但當NaCl含量高于3 g/100 mL時,隨著NaCl含量的增加,由于NaCl的水合作用較強而使蛋白質發生鹽析作用而脫水[20],凝膠內部組織變得松散,持水力降低,回復性也隨之降低。實驗結果顯示,NaCl含量在3～4 g/100 mL左右較為適宜。

圖4　NaCl含量對豬血凝膠的持水力和回復性的影響Fig.4　The influence of NaCl content on the WHC and resilience of pig blood gel

2.2工藝條件優化結果及分析

在單因素實驗結果基礎上,以純血含量、溫度、時間及NaCl含量為影響因子,以持水力、回復性及綜合評分為響應值,采用響應面法對豬血凝膠的熱加工條件進行優化,實驗結果見表2。對表2中各因素與響應值的關系進行擬合,結果的顯著性分析見表3。

表2　響應面設計方案及結果

由表3中各項的p值顯著性分析可見,B、C、D、BC、A2、B2、C2及D2的p<0.05,為顯著項,各影響因子的顯著性依次為D>B>C>A,即NaCl含量>加熱溫度>加熱時間>純血含量;由PBC=0.0490<0.05可知,溫度與時間之間存在交互作用;由P模型=0.0003<0.05,P失擬項=0.9466>0.05,結合相關系數R2=0.8797可知擬合模型可靠,可用于豬血凝膠工藝的優化。通過擬合建立的綜合評分與各因素之間的擬合模型為:

綜合評分=-1664.32775+8.57987A+30.06473B-7.86727C+1.70533D+0.04AB-0.0236AC+0.0725AD+0.178BC+0.095BD-0.081CD-0.070877A2-0.19611B2-0.16531C2-1.80692D2

其中,A為純血含量,B為加熱溫度,C為加熱時間,D為NaCl含量。

圖5　溫度與加熱時間影響綜合評分的響應面Fig.5　Response surface plot of effects combined of temperature and heating time on the score

根據上述回歸方程及溫度與時間之間存在顯著的交互作用,繪出溫度與時間對綜合評分影響的響應面圖,如圖5所示。此回歸模型得出實驗的最優處理條件為純血含量86.05%(即血蛋白含量16.66 g/100 mL),加熱溫度95 ℃,加熱時間20 min,NaCl含量4 g/100 mL,綜合評價得分為69.03。通過驗證實驗,在此條件下處理的豬血凝膠持水力為88.21%,回復性值為0.511,綜合評分為69.66,接近預測值,此條件下得到的豬血凝膠具有較好的凝膠特性。

3　結論

單因素實驗結果表明:純血含量增加,即豬血蛋白濃度越大,形成的凝膠結構越穩定,但過高的蛋白濃度使豬血凝膠組織過于致密,回復性降低,適宜的純血含量范圍為80%～90%;升高溫度和延長加熱時間有利于豬血蛋白變性凝固,提高凝膠的持水力和回復性,但過高的溫度和長時間加熱使血蛋白變性過度,持水力和回復性降低,適宜的溫度和時間范圍為90～95 ℃、15～20 min;添加適量的NaCl有利于提高體系離子強度,增大凝膠持水力,但高濃度的NaCl使蛋白發生鹽析作用,持水力和回復性降低,適宜的NaCl含量為3～4 g/100 mL。

表3　回歸模型方差分析

采用響應面法對純血含量、加熱溫度、加熱時間和NaCl含量進行Box-Behnken優化實驗設計。實驗表明,熱加工條件中,各影響因子對豬血凝膠持水力和回復性綜合評分的影響顯著性大小依次為:NaCl含量>加熱溫度>加熱時間>純血含量,且溫度與時間之間存在交互作用。通過擬合建立綜合評分與各因素之間的擬合模型,得到豬血熱凝固最佳工藝條件為:純血含量86.05%(即血蛋白含量16.66 g/100 mL)、溫度95 ℃、加熱時間20 min及NaCl含量4 g/100 mL。在此條件下處理的豬血凝膠持水力為88.21%,回復性值為0.511,綜合評分為69.66,具有最佳的凝膠特性。

[1]鄭召君,張日俊.畜禽血液的開發與研究進展[J].飼料工業,2014,35(17):65-69.

[2]孔凡春.畜禽屠宰后血液的利用現狀及前景[J].肉類工業,2011(5):46-49.

[3]倪娜,齊月,穆莎茉莉,等.畜禽屠宰副產物附加值提升技術的研究與應用[J].黑龍江畜牧獸醫(科技版),2015(6):67-70.

[4]周光宏. 畜產品加工學[M]. 北京:中國農業出版社,2011,49-50,356-361.

[5]于福滿. 畜禽副產品加工現狀和應用前景[J].肉類工業,2010(2):1-5.

[6]王琳琳,余群力,曹暉,等. 我國牛副產品加工利用現狀及技術研究[J].農業工程技術-農產品加工業,2015(6):36-41.

[7]Jayathilakan K,Sultana Khudsia,Radhakrishna K,et al. Utilization of byproducts and waste materials from meat,poultry and fish processing industries[J]. Journal of Food Science and Technology,2012,49(3):278-293.

[8]雷雨,夏文水,姜啟興,等.豬血漿蛋白對鰱魚魚糜品質的影響[J].食品工業科技,2014,14:103-108.

[9]蔡克周,張立娟,孔保華,等.豬血漿蛋白與大豆蛋白在乳化腸中的應用[J].食品研究與開發,2010,11:44-47.

[10]王堯,張杰,韓璐,等.鵝血食用價值及其深度開發的研

究進展[J].中國畜牧雜志,2013,49(8):68-72.

[11]張崟,雄偉,衡柳青,等. 豬血腸制作工藝的響應面法優化[J]. 成都大學學報(自科版),2015,34(4):339-344.

[12]Toldrá Fidel,Aristoy M.-Concepción,Mora Leticia,et al. Innovations in value-addition of edible meat by-products[J]. Meat Science,2012,92(3):290-296.

[13]堯思華.鴨血制備肉味風味物質的研究[D]. 南昌:南昌大學,2014.

[14]孔保華,張立娟,刁新平.影響豬血漿蛋白熱誘導凝膠質構特性及持水性因素的研究[J].食品科學,2010,31(7):75-80.

[15]陳振林,石忠志,肖華黨,等.影響豬血豆腐品質的主要因素探討[J].肉類工業,2010,5:21-25.

[16]李翔.豬血和鴨血豆腐質構分析(TPA)幾種測試條件的確定[J].西南師范大學學報(自然科學版),2015,11:36-43.

[17]張婷,吳艷艷,李來好,等.咸魚品質的質構與感官相關性分析[J],水產學報,2013,37(2):303-311.

[18]倪娜.羊血漿蛋白—肌原纖維蛋白復合凝膠形成的作用力分析[D].中國農業科學院,2014.

[19]P Wang,X Xu,M Huang,et al. Effect of pH on heat-induced gelation of duck blood plasma protein[J]. Food Hydrocolloids,2014,35(1):324-331.

[20]王鵬. 血液蛋白的凝膠性質及其對肌原纖維蛋白凝膠的影響[D]. 南京:南京農業大學,2010.

Optimization of pig blood gel processing with response surface method

ZHANG Jia-min,WANG Wei,BAI Ting,JI Li-li

(Meat Processing Key Laboratory. of Sichuan Province,Chengdu University,Chengdu 610106,China)

The experiment was carried out to study the water-holding capacity and resilience properties of pig blood gel processed under different conditions. Based on the analysis of the effects of pure blood content,temperature,heating time and NaCl content,by setting the synthesis score of WHC and resilience as optimization target,the processing condition was optimized with response surface method. The results showed that the temperature,heating time and NaCl content impacted the WHC and resilience significantly(p<0.05),the impact degree of different factors ranks as the following:NaCl content>heating time>temperature>pure blood content. The fitting analysis of the factors and the synthesis score results indicated that,the fitting model was comparatively reliable. By using the fitting model to optimize the gelling condition,the best condition was determined as follow:pure blood percentage was 86.05%(blood protein content was 16.66 g/100 mL),temperature,heating time and NaCl content was 95 ℃,20 min and 4 g/100 mL respectively. Under such condition,the synthesis score reached the highest level of 69.66,with 88.21% WHC and 0.511 resilience.,and the gel had the best quality.

pig blood;water-holding capacity;resilience;response surface;process optimization

2016-03-18

張佳敏(1982-)，女，碩士，講師，研究方向：農產品加工與貯藏食品工程，E-mail:492346884@qq.com。

四川省教育廳2015年度科研計劃項目“畜禽屠宰副產物可食內臟與血液的綜合利用與產品開發”(15ZB0389)；成都大學2014年校青年基金“豬屠宰副產物傳統特色風味食品開發與綜合利用研究”(2014XJZ02)；成都市產業集群協同創新項目“優質豬肉精深加工與冷鏈貯運綜合技術集成與產業化”。

TS251.6

B

1002-0306(2016)17-0237-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.038