響應面法優化蓮子紅衣肉丸加工工藝

王 悅,陳 曦,姚 倩,曹 楊,徐 虹

(北京工商大學,北京市食品添加劑工程技術研究中心,北京食品營養與人類健康高精尖創新中心,北京 100048)

蓮子,又稱蓮米、水芝丹,睡蓮科蓮屬,是老百姓喜愛的滋補佳品。現代研究表明,蓮子不僅富含蛋白質、維生素、碳水化合物及人體所需的8種必需氨基酸,還含有多種活性成分如生物堿、多糖、多酚、原花青素、黃酮等,具有補脾止瀉、益心補腎、固精安神和潤腸的功效[1-2]。蓮子的加工主要采用機械除衣的方式,這種生產方式損耗率較高,每加工100 kg紅蓮,就會磨去約15 kg紅衣粉,只能得到約85 kg白蓮。目前這層紅衣粉尚未得到有效的利用,由于味澀甚至不能作為牲畜飼料,只能大量地堆于田間地頭,對環境造成污染[3-4]。因此,如何有效利用紅衣粉,減少環境污染,降低生產成本,是蓮子加工的一個研究重點。經本實驗室前期研究測定,紅衣粉中蛋白質含量約為17.65%[5]。

肉丸作為一種歷史悠久的肉制品,它的原料主要有:淀粉、蛋白質、食鹽、水等。這些常見材料有些用量很少,但卻對豬肉丸品質具有顯著影響[6]。蛋白質具有較好的乳化性、凝膠性、保水性等,經常應用于乳制品、肉制品及烘焙食品等食品工業中[7]。

表1 感官評價評分標準Table 1 Scoring criteria of sensory evaluation

研究表明,在肉制品中添加蛋白質,可以提高產品的保水性、保油性[8],增加產品彈性,提高肉制品蒸煮得率,改善其口感[9]。石曉等[10]在火腿腸和肉糜中添加花生蛋白,明顯改善了其質構特性。高云中[11]選用花生蛋白粉和花生濃縮蛋白替代香腸中的大豆蛋白,研究表明把60%大豆蛋白換成花生濃縮蛋白時,香腸的感官評價評分較高,質構特性也達到最佳值。

為了使營養豐富的蓮子資源得到充分利用,本研究使用堿法從蓮子紅衣粉中提取蛋白,然后采用單因素實驗和響應面分析法,以感官評價得分為主要指標,探索蓮子紅衣蛋白在豬肉丸加工中的最佳添加量,為蓮子加工副產物的綜合利用提供新的思路和技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蓮子紅衣粉 浙江杭州三湘蓮業貿易有限公司;新鮮豬肉、淀粉、食鹽、花椒、大料 均北京市永輝超市;氫氧化鈉 天津市光復科技發展有限公司;鹽酸 國藥集團化學試劑有限公司;硫酸、丙酮 北京化工廠;以上試劑均為分析純。

DHG-9246A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司;JA2003C型電子天平 上海越平科學儀器有限公司;FE20型實驗室PH計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;HJ-3型數顯恒溫磁力攪拌器 常州國華電器有限公司;MG02810202 XMTB數顯控溫儀 余姚市東方電工儀器廠;QL-901型振蕩器 海門市其林貝爾儀器制造有限公司;美的電磁爐 美的電器有限公司;CR 22G型高速冷凍離心機 北京中豪萊博科技有限公司;8695型超低溫冰箱 Thermo Fisher Scientific,USA;CT3質構儀 美國BROOKFIELD公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 蓮子紅衣蛋白的堿法提取 以80目篩篩出蓮子紅衣粉100 g,加入1000 mL水,攪拌后用0.5 mol/L NaOH調節pH至8.0,攪拌1 h。5000 r/min的離心機在25 ℃離心15 min,取上清液;用0.5 mol/L HCl調節pH至4.9,攪拌后用5000 r/min的離心機25 ℃離心15 min,取沉淀,凍干得提取物。測得提取物中蛋白質純度為85.6%。

1.2.2 肉丸的制作 大料10 g,花椒5 g,沖洗后放入鍋中,加入100 mL水,大火煮沸后轉小火煮15 min,取湯汁。以1∶10 (mL/g)的比例將花椒大料水倒入肉餡,充分攪拌10 min左右之后,添加一定量淀粉、食鹽、蓮子紅衣蛋白,再充分攪拌數分鐘,然后將混合均勻的肉糜手工搓成約15 g左右的肉丸。在鍋中加入500 mL水,待水沸騰后,放入6個肉丸,加熱至100 ℃。肉丸變色后再煮4 min左右,即可撈出、品嘗、評分。

1.2.3 肉丸的感官評價 請8名接受過感官評價培訓的食品專業在校大學生(4男4女)作為評判員,根據喜好程度就5個品質指標(口感、彈性、味道、色澤和切面)對樣品進行評定。評分標準見表1,樣品各項品質指標得分為所有評判員評定的平均值。

1.2.4 單因素實驗設計

1.2.4.1 食鹽添加量對肉丸品質的影響 實驗過程中,分別采用添加量為1.6%、1.8%、2.0%、2.2%和2.4%的食鹽,蓮子紅衣蛋白為1.8%,水為40%,淀粉為8%,溫度為25 ℃。采取感官評定的方法對肉丸品質進行評價,確定合適的食鹽添加量范圍。

1.2.4.2 淀粉添加量對肉丸品質的影響 實驗過程中,分別采用添加量為2%、4%、6%、8%和10%的淀粉,蓮子紅衣蛋白為1.8%,水為40%,食鹽為1.8%,溫度為25 ℃。采取感官評定的方法對肉丸品質進行評價,確定合適的淀粉添加量范圍。

1.2.4.3 水添加量對肉丸品質的影響 實驗過程中,分別采用添加量為25%、30%、35%、40%和45%的水,紅衣蛋白為1.8%,食鹽為1.8%,淀粉為8%,溫度為25 ℃。采取感官評定的方法對肉丸品質進行評價,確定合適的水分添加量范圍。

1.2.4.4 蓮子紅衣蛋白添加量對肉丸品質的影響 實驗過程中,分別采用添加量為0、0.6%、1.2%、1.8%、2.4%和3.0%的蓮子紅衣蛋白,食鹽為1.8%,水為40%,淀粉為8%,溫度為25 ℃。采取感官評定的方法對肉丸品質進行評價,確定合適的紅衣蛋白添加量范圍。

1.2.5 響應面分析設計方案 采用軟件Design-Expert8.1中的Box-Benhnken試驗設計原理,綜合單因素實驗結果,設計三因素三水平試驗設計見表2。三因素分別是A水添加量、B蓮子紅衣蛋白添加量、C食鹽添加量,以肉丸的感官評分為評價指標。

表2 Box-Benhnken試驗設計因素和水平Table 2 Factors and coded levelsin Box-Benhnken experiment design

1.3 數據處理

本研究實驗數據通過ANOVA程序進行方差分析,使用統計軟件Design-Expert 8.1設計響應面試驗分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 食鹽添加量對肉丸感官評分的影響 由圖1可知,隨著食鹽添加量的增加,肉丸的感官評分也逐漸升高,當食鹽添加量為1.8%時,肉丸的感官評分達到最高,為18.3分。但是當食鹽量達到1.8%以后,感官評分逐漸下降。這可能是因為食鹽本身具有鮮味性質,少量的食鹽能起到調味和增加制品黏性的作用。然而過多地添加食鹽使肉丸腥味更加明顯,并且在斬拌的時候破壞了肌肉中的蛋白質網狀結構,使肉丸黏性下降[12]。所以,最適的食鹽添加量范圍為1.6%～2.0%。

圖1 食鹽添加量對肉丸感官評分的影響Fig.1 Effects of salt addition on sensory score of meatballs

2.1.2 淀粉添加量對肉丸感官評分的影響 由圖2可知,當淀粉添加量在2%～8%時,肉丸的感官評分一直升高,在8%時達到最高,為19.3分。隨著淀粉添加量的繼續增加,評分開始下降。這與高雅文等[13]的研究結論一致。這可能是因為在豬肉丸中添加淀粉,不僅能降低生產成本,還能提高肉丸的持水性,改善肉丸的色澤、口感、彈性等[14]。然而淀粉過多,會導致肉丸口感過硬,粗糙,彈性差[15]。所以,最適的淀粉添加量為8%。但總體來說,淀粉添加量對肉丸感官評分的影響不及其他因素明顯。

圖2 淀粉添加量對肉丸感官評分的影響Fig.2 Effects of starch addition on sensory score of meatballs

2.1.3 水添加量對肉丸感官評分的影響 由圖3可知,隨著水添加量的增加,肉丸的感官評分也逐漸升高,在添加量達到40%時,肉丸的感官評分最高,為19.1分。之后隨著水添加量的繼續增加,感官評分開始下降。其原因可能是適量的低溫水加入到肉丸的配料中,一方面能提供原輔料充分混合溶解的溶劑環境,另一方面能使淀粉充分吸濕,發揮其最大的糊化能力[16]。然而加水量過多,會導致游離水過剩,降低蛋白質的粘著力和凝膠結構的牢固性,從而使產品過軟,彈性變差[17]。所以,最適的水添加量范圍為35%～45%。

圖3 水添加量對肉丸感官評分的影響Fig.3 Effects of water addition on sensory score of meatballs

2.1.4 蓮子紅衣蛋白添加量對肉丸感官評分的影響 由圖4可知,隨著蓮子紅衣蛋白添加量的增加,肉丸的感官評分呈先升高后降低的趨勢。并在蓮子紅衣蛋白添加量為1.8%時達到最高,為17.0分。在此條件下制成的肉丸口感和色澤較好,富有彈性。其原因可能是適量的蛋白形成的凝膠網狀結構具有較高的彈性和黏性,為保持水分和脂肪提供基質,可以改善肉丸的彈性,增加肉丸的硬度和咀嚼感[18-19]。但是蛋白加入量過多會使凝膠強度過大,導致肉丸口感發硬,澀味更重[20]。所以,適量地添加蓮子紅衣蛋白會使肉丸的口感有所改善,尤其是在添加量為1.2%～2.4%時,肉丸的品質較好。

圖4 蓮子紅衣蛋白添加量對肉丸感官評分的影響Fig.4 Effects of lotus seed red-skin protein addition on sensory score of meatballs

2.2 蓮子紅衣蛋白肉丸制作工藝的響應面優化結果

2.2.1 響應面法優化肉丸的制作工藝 以A、B、C為自變量,感官評分Y為響應值,響應面分析方案及結果見表4。

表4 響應面分析設計及結果Table 4 Design and results of response surface analysis

2.2.2 模型的建立及顯著性檢驗 利用Design-Expert軟件對表4數據進行多元回歸擬合,得到肉丸感官評分對水添加量(A)、蓮子紅衣蛋白添加量(B)和食鹽添加量(C)的二次多項回歸模型:Y=-120.07-0.21A+20.18B+150.00C+0.20AB+0.12AC-2.04BC-5.93A2-7.34B2-38.96C2。

由表5可知,整體模型達極限著水平(P<0.01),失擬項P=0.3529>0.05不顯著,R2=0.9831,RAdj=0.9613,說明該方程的擬合較好。方差分析結果表明,A、B、B2、C2為極顯著項(P<0.01),C、AB為顯著項(P<0.05)。由方差分析結果可知,三因素影響的大小關系依次是:蓮子紅衣蛋白添加量(B)>水添加量(A)>食鹽添加量(C)。

表5 響應面二次回歸方程方差分析結果Table 5 Response surface equations of quadratic regression analysis of variance

注:*表示顯著差異P<0.05;**表示極顯著差異P<0.01。

2.2.3 肉丸制作工藝的響應面分析與優化 用Design-Expert軟件,根據回歸方程分析作響應面圖5～圖7。圖5顯示在食鹽添加量為1.8%的條件下,水添加量與蓮子紅衣蛋白添加量對肉丸感官評分的影響。感官評分隨著水添加量的增大而平緩下降,隨著蓮子紅衣蛋白添加量的增加呈先增大后減小的趨勢。水添加量與蓮子紅衣蛋白添加量交互作用的等高線呈橢圓，說明二者交互作用顯著，與方差分析結果一致。圖6顯示在蓮子紅衣蛋白添加量為1.8%的條件下,水添加量與食鹽添加量對肉丸感官評分的影響。感官評分隨水添加量的增大呈平緩下降的趨勢,隨食鹽添加量的增加呈先增大后減小的趨勢。圖7顯示在水添加量為40%的條件下,蓮子紅衣蛋白添加量和食鹽添加量對肉丸感官評分的影響。感官評分隨蓮子紅衣蛋白添加量和食鹽添加量的增加均呈先增大后減小的趨勢。由圖5和圖7可知,感官評分隨蓮子紅衣蛋白添加量的變化幅度比水添加量和食鹽添加量更陡峭,說明蓮子紅衣蛋白添加量對感官評分的影響較大。

圖5 水添加量與蓮子紅衣蛋白添加量對肉丸感官評分影響的響應面分析Fig.5 Response surface analysis of effects of water and protein addition levels on sensory evaluation of meatballs

圖6 水添加量與食鹽添加量對肉丸感官評分影響的響應面分析Fig.6 Response surface analysis of effects of water and salt addition levels on sensory evaluation of meatballs

圖7 蓮子紅衣蛋白添加量與食鹽添加量對肉丸感官評分影響的響應面分析Fig.7 Response surface analysis of effects of protein and salt addition levels on sensory evaluation of meatballs

2.2.4 烹調肉丸的最佳制作工藝條件 結合二次回歸模型的數學分析結果,獲得制作肉丸的最佳工藝參數為:水添加量35%,蓮子紅衣蛋白添加量1.6%,食鹽添加量1.8%,在此條件下烹調肉丸理論感官評分為19.43分。依據上述最佳條件進行三次平行試驗驗證,其實際感官評分為(19.57±0.08)分,與預測誤差值為0.7%,說明該模型可靠。

3 結論

蓮子紅衣作為蓮子加工的副產物,經常被直接棄去而忽略了它的利用價值。本研究在單因素實驗基礎上設計響應面實驗,探索了堿法提取的蓮子紅衣蛋白在烹調豬肉丸加工中的最佳工藝參數:水35%,蓮子紅衣蛋白1.6%,食鹽1.8%,淀粉8%。在此條件下所制肉丸感官評分為(19.57±0.08)分,口感滑嫩、富有彈性、味道柔和無異味、色澤均勻、切面致密均一,與大豆蛋白、花生蛋白改善肉丸品質的功效相似[9-10]。由此可見,蓮子紅衣粉在食品加工中的應用值得深入研究,研究成果可以幫助解決蓮子產業副產物多的難題,變廢為寶,給蓮產業帶來附加效益。