Plackett-Burman 設計及響應面法優化扇貝邊醬制作工藝

盧蕓，周瑩，董雪萌，楊天賜，戴陽軍*

(1.揚州大學 旅游烹飪學院，江蘇 揚州 225127；2.常熟理工學院 生物與食品工程學院，江蘇 常熟 215500)

扇貝(Placopectamagellanicus)是一種雙殼類軟體動物，在世界海域分布廣泛，以熱帶海域的種類最為豐富[1]。扇貝富含蛋白質、脂肪、微量元素等營養物質和多糖、牛磺酸和膽堿等活性物質[2,3]，具有抗病毒、抗腫瘤、抗氧化、提高記憶力、防止肝硬化和預防心血管疾病等功效。扇貝肉中鈣、鎂含量相對其他貝類高，對維持人體酸堿平衡和神經肌肉的興奮性等起到了重要的作用[4-6]。扇貝邊是干貝加工過程中的下腳料，包括外套膜、內臟團、腮等部分，大多被用作動物飼料或被廢棄，造成資源的浪費。有研究發現，扇貝邊的營養物質相比扇貝柱毫不遜色，其中含有的人體必需氨基酸高達45.74%[7-9]。因此，以扇貝下腳料制作扇貝邊醬，對扇貝的深加工利用有重要意義。由于扇貝肉質鮮嫩，在加熱處理過程中易造成產品失水縮小、口感粗硬的現象，出品率降低，因此需在前期進行保水處理，盡可能保持扇貝肉的水分。本試驗結合前人的經驗，探尋扇貝邊醬的最佳制作工藝，旨在為扇貝邊醬的工業化生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 試驗材料

干凍扇貝邊(山東蓬萊欒家口水產食品公司)、紫蘇提取液、食用鹽、白砂糖、味特鮮、雞精、干辣椒、花椒、檸檬酸(食品級)、脫氫乙酸鈉(食品級)、山梨酸鉀(食品級)、保水劑(復合磷酸鹽)、營養瓊脂、胰蛋白胨、氯化鈉(分析純)、硫酸鉀(分析純)、硫酸銅(分析純)、氫氧化鈉(分析純)、鹽酸(分析純)、無水乙醚(分析純)、磷酸氫二鉀(分析純)、磷酸二氫鉀(分析純)：市售。

1.1.2 試驗設備

JP-010S型超聲波清洗機 深圳市潔盟清洗設備有限公司；ZB-125型變頻斬拌機 山東創盛機械科技有限公司；LM-Z500型真空滾揉機 廣州尚德機械科技有限公司；JJ-2型高速組織搗碎機 上海精密儀器儀表有限公司；C21-ST2106型電磁爐 廣東美的生活電器制造有限公司；Anke LXJ-Ⅱ B型離心沉淀機 上海安亭科學儀器廠；HH-4型數顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司；FA2004型電子精密天平 上海儀器天平廠；LP502B型電子天平 上海越平科學儀器有限公司；BD/C-230型白雪冷柜 常熟白雪電器股份有限公司；303A-00(S)型電熱恒溫培養箱 上海索譜儀器有限公司；LDZH-100KBS型立式壓力蒸汽滅菌器 上海申安醫療器械廠。

試管、錐形瓶、培養皿等：市售。

1.2 制作工藝

1.2.1 工藝流程

原料解凍→超聲清洗→保水處理→熱燙→斬拌→裝罐→加紅油→真空封蓋→高溫滅菌。

1.2.2 操作要點

超聲清洗：使用超聲波清洗機對原料清洗30 min至水透明，去除貝殼、小石塊等雜質。

保水處理：料液比1∶1，加入3%保水劑、3%紫蘇提取液，調節pH至4，真空滾揉3 h。

熱燙：原料放入90 ℃熱水中熱燙40 s制熟。

斬拌：精確稱取1%雞精、0.5%白砂糖、2%鹽、0.5%味特鮮、0.1%脫氫乙酸鈉、0.1%山梨酸鉀同扇貝邊料放入斬拌機中，以1500 r/min的速度斬拌5 min。

裝罐：醬添加量應不大于65%，將加熱后的紅油加入罐中。

真空封蓋：抽真空后封蓋。

高溫滅菌：滅菌鍋高溫121 ℃滅菌15 min。

1.3 試驗方法

1.3.1 單因素試驗

以水分含量為指標，分別考察料液比(2∶1、1∶1、2∶3、1∶2、2∶5)、保水劑添加量(1%、2%、3%、4%、5%)、滾揉時間(1，2，3，4，5 h)、pH值(3，4，5，6，7)、紫蘇提取物添加量(1%、2%、3%、4%、5%)、熱燙溫度(60，70，80，90，100 ℃)、熱燙時間(20，30，40，50，60 s)對扇貝邊醬的影響，所有試驗重復3次，取平均值。

1.3.2 Plackett-Burman試驗

在單因素試驗的前提下對因素進行篩選，篩選出對結果影響顯著性較強的因素[10]。本試驗采用Minitab 16.0軟件進行Plackett-Burman試驗設計。

1.3.3 Box-Behnken試驗

篩選試驗可以篩選出對結果影響顯著的因素，篩選試驗后繼續進行響應面優化試驗，采用Box-Behnken試驗設計進行響應面試驗優化。

1.4 指標測定

1.4.1 水分測定

按照GB 5009.3-2011《食品中水分的測定》規定的方法進行測定。

1.4.2 微生物檢測

菌落總數的測定：采用GB 4789.2-2010《食品微生物學檢驗 菌落總數測定》規定的方法進行測定。

大腸菌群的測定：采用GB 4789.38-2012《食品微生物學檢驗 大腸埃希氏菌計數》規定的方法進行測定。

1.4.3 感官評價

成品最終定型后，按照優化條件進行試驗，制作出最終的產品。根據食品感官評價方法，邀請10名食品專業人員組成綜合評定小組，從色、香、味、形4個方面進行最終產品感官評價，具體的感官評價標準見表1。

表1 感官評分標準Table 1 Standards of sensory scoring

1.5 數據處理

試驗數據使用軟件Origin 7.5及Design-Expert 8.0進行制圖和方差分析。所有試驗數據重復3次，取平均值。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 料液比對扇貝邊水分含量的影響

圖1 料液比對扇貝邊水分含量的影響Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on water content of scallop skirt

由圖1可知，隨著料液比的增加，扇貝邊水分含量呈現先增加后減少的趨勢。經綜合分析，過少的水量使扇貝邊無法充分吸收水分，故選擇料液比為1∶1～1∶2這一區間進行進一步試驗。

2.1.2 保水劑添加量對扇貝邊水分含量的影響

圖2 保水劑對扇貝邊水分含量的影響Fig.2 Effect of water retaining agent on water content of scallop skirt

由圖2可知，隨著保水劑添加量的不斷增加，水分含量明顯增加后趨于平緩。經綜合分析，保水劑的主要成分為磷酸鹽，能提高肉類的pH值，螯合金屬離子和解離肌動球蛋白，同時與蛋白質相互作用，提高水產品的持水能力，在加工過程中保持產品的嫩度和水分，提升產品的得率，而過多的磷酸鹽則會產生不愉快的金屬味，使口感下降[11]。當添加量在3%時，水分含量達到最大值，故選擇2%～4%這一區間進行進一步試驗。

2.1.3 滾揉時間對扇貝邊水分含量的影響

圖3 滾揉時間對扇貝邊水分含量的影響Fig.3 Effect of rolling time on water content of scallop skirt

由圖3可知，當滾揉時間從1 h增加到3 h這一過程中，扇貝邊水分含量持續上升，隨著時間的增加，水分含量基本無變化。經綜合分析，滾揉時間的增加使扇貝內部溶質含量增加，增加了扇貝的持水性[12]。故選擇3～5 h這一區間進行進一步試驗。

2.1.4 pH值對扇貝邊水分含量的影響

圖4 pH值對扇貝邊水分含量的影響Fig.4 Effect of pH on water content of scallop skirt

由圖4可知，隨著pH值的升高，水分含量呈現先上升后下降的趨勢。說明此保水條件應該為一個弱酸性環境。比較分析后選擇pH值為3～5這一區間進行進一步試驗。

2.1.5 紫蘇提取物添加量對扇貝邊水分含量的影響

圖5 紫蘇提取物對扇貝邊水分含量的影響Fig.5 Effect of Perilla frutescens extract on water content of scallop skirt

由圖5可知，隨著紫蘇提取物添加量的增加，水分含量有較小的增長，當紫蘇提取物達到3%時，水分含量最高。經綜合分析，紫蘇提取物能降低海產品腥味，提高肉質的嫩度，考慮到過多的紫蘇提取物對產品風味會有所影響，選擇紫蘇添加量為3%～5%這一區間進行進一步試驗。

2.1.6 熱燙溫度對扇貝邊水分含量的影響

圖6 熱燙溫度對扇貝邊水分含量的影響Fig.6 Effect of blanching temperature on water content of scallop skirt

由圖6可知，隨著熱燙溫度的不斷增高，扇貝邊水分含量也在慢慢增長。當溫度達到90 ℃時，水分含量最高。綜合比較分析，溫度過高會導致扇貝邊蛋白質的過度變性，持水性下降，因此最終選取熱燙溫度為80～100 ℃這一區間進行進一步試驗。

2.1.7 熱燙時間對扇貝邊水分含量的影響

圖7 熱燙時間對扇貝邊水分含量的影響Fig.7 Effect of blanching time on water content of scallop skirt

由圖7可知，隨著熱燙時間的不斷變長，水分含量先慢慢增長后迅速下降。當熱燙時間達到40 s時，水分含量最高。綜合比較分析，熱燙時間過長會導致扇貝邊蛋白質變性過度，從而降低扇貝邊的水分，導致口感變硬，因此最終選取熱燙時間為20～40 s這一區間進行進一步試驗。

2.2 Plackett-Burman試驗結果

根據單因素試驗，設計出因素水平表：料液比(A)、保水劑添加量(B)、滾揉時間(C)、pH值(D)、紫蘇提取物添加量(E)、熱燙溫度(F)、熱燙時間(G)，見表2。

表2 Plackett-Burman試驗因素水平Table 2 Factors and levels of Plackett-Burman experiment

根據Minitab 16.0導出的試驗序號表(見表3)，按照試驗序號及相關條件進行試驗，最終得到的結果填入表內。

表3 Plackett-Burman試驗設計及結果Table 3 Design and results of Plackett-Burman experiment

對得到的數據進一步分析，得到因素顯著性圖(見圖8)、帕累托圖(見圖9)、殘差圖(見圖10)。

圖8 因素顯著性圖Fig.8 The chart of significant factors

圖9 帕累托圖Fig.9 Pareto diagram

圖10 殘差圖Fig.10 Residual plot

由圖8可知，方形點表示顯著性因素，圓形點表示非顯著性因素。所有的9個因素中有4個對結果的影響是顯著的，這4個顯著性因素分別為：保水劑添加量、pH值、熱燙溫度、熱燙時間。由圖9可知，初步試驗表明，對于結果影響的強弱性為：保水劑添加量>pH值>熱燙時間>熱燙溫度。由圖10可知，試驗數據無規律地分布于各線的兩邊，說明試驗數據較好。由此篩選出4個對結果影響較大的因素繼續試驗，這4個因素為：保水劑添加量、pH值、熱燙溫度、熱燙時間。

2.3 Box-Behnken試驗結果分析

在篩選試驗的基礎上，選擇保水劑添加量(A)、pH值(B)、熱燙時間(C)、熱燙溫度(D)進行試驗。使用Design-Expert 8.0軟件進行Box-Behnken試驗設計，因素水平表見表4，試驗設計及試驗結果見表5，數據分析結果見表6。

經軟件分析，得到多元二次回歸方程：

Y=35.58+0.66A+1.61B+1.56C-0.48D+0.40AB-0.38AC+0.40AD-0.58BC-0.16BD+0.14CD-5.84A2-0.78B2-0.93C2-3.39D2。

表4 Box-Behnken設計因素水平表Table 4 Factors and levels of Box-Behnken design

表5 Box-Behnken設計方案與結果Table 5 Scheme and results of Box-Behnken design

表6 回歸方程顯著性檢驗與方差分析Table 6 Significance test and variance analysis of regression equation

續 表

注：“*”表示差異顯著(P<0.05)；“**”表示差異極顯著(P<0.01)。

由表6可知，該模型的P<0.0001(P<0.01)極顯著，失擬項P=0.1194(P>0.05)不顯著，表示該回歸模型效應極顯著且失擬度好，設計合理。未調整前的相關系數R2=0.9636，經過試驗優化，調整后的相關系數RAdj2=0.9273，說明該回歸模型可解釋92.73%的可變性，預測值與真實值相關性好，試驗誤差小。該試驗的變異系數(離散系數)C.V.(%)為3.05，遠小于5。這些數值都能較好地說明試驗模型建立較為合理，試驗進展較為順利，試驗準確性較高，本試驗能夠較好地揭露各因素對結果的影響程度，能夠建立較好的多元二次回歸方程，揭露各因素與結果之間較為復雜的關系。由F值大小可知，影響扇貝邊保水效果因素主次順序為pH值(B)>熱燙時間(C)>保水劑添加量(A)>熱燙溫度(D)。

通過Box-Behnken試驗對模型進行響應面圖分析，以觀察A，B，C，D 4個因素之間的交互作用對扇貝邊保水效果的影響。由圖11可知，響應曲面陡峭，等高線呈密集橢圓形，說明pH值和熱燙溫度的交互作用對扇貝邊保水效果影響最為顯著。

圖11 各因素交互作用對產品品質的等高線和響應面圖Fig.11 The contour diagram and response surface figure of interaction of various factors on product quality

2.4 最佳工藝與驗證試驗

對所建立模型進行參數最優分析處理，最終得到如下結果：當保水劑添加量為3.07%，pH值為4.85，熱燙時間為35.51 s，熱燙溫度為89.24 ℃時，水分含量最高，達到36.73%。根據實際生產情況將工藝修正為保水劑添加量為3%，pH值為5，熱燙時間為36 s，熱燙溫度為90 ℃。按照此條件進行3次平行試驗，最終得到水分含量為35.82%±0.34%，與預測值36.73接近，相對誤差為2.48%，說明優化試驗結果較為準確，符合統計學規律，優化試驗成功。

2.5 產品感官評價結果分析

根據感官評分標準(見表1)，感官評分結果見表7，繼續對表7進行分析，制作出圖12的感官評分雷達圖。

表7 感官評分結果Table 7 The results of sensory score

圖12 感官評分雷達圖Fig.12 The radar chart of sensory score

由圖12可知，產品的風味較好，感官分值最高，其次為組織形態，香氣的感官評分偏低，說明產品在香氣方面需要進一步改善。從雷達圖整體來看，線性較為規則，為近似于圓形的不規則圖形，進一步分析可以看出，評價員對于本產品的各感官指標的單一偏向性較小，說明產品整體的感官評價較好。

2.6 產品微生物檢測結果分析

在低溫保藏的情況下，分別在30天和45天對樣品進行微生物檢測。

細菌總數(CFU/g)：在30天時細菌總數≤1×103，在45天時細菌總數≤1×104。

大腸桿菌(MPN/mL)：在30天和45天時均未檢出。

3 結論

本研究運用Plackett-Burman 試驗，結合Box-Behnken響應面試驗對扇貝邊醬的制作工藝進行分析優化，確定扇貝邊醬制作最佳配方。所得扇貝邊醬口感濃郁鮮美，可成為人們日常佐餐、調味的佳品。通過本試驗，旨在為扇貝的深加工與綜合利用提供參考依據。