響應面法優化魚頭湯熬煮工藝

馮雨 鄧夢琦 陳志奇 瑪合巴勒·庫望努西 巴吐爾·阿不力克木

摘 ?要：采用響應面法對魚頭湯熬煮工藝進行優化。以新鮮草魚頭為原料，以熬煮時間、熬煮溫度、料液比為變量因素，蛋白質和總固形物含量為評價指標，采用響應面試驗對魚頭湯熬煮工藝參數進行優化。結果表明：熬煮時間為3.51 h、熬煮溫度95.54 ℃、料液比為1：5.85時，魚頭湯中蛋白質含量為1.539 g/100 g、總固形物含量為29.97 g/L;通過驗證實驗證明最終熬制魚頭湯中的蛋白質含量為（1.569±0.04） g/100 g、總固形物含量（30.56±0.66） g/L，試驗結果與軟件分析相符合，可運用于實際生產中。

關鍵詞：魚頭湯;熬煮工藝;響應面法;蛋白質;總固形物

Abstract： The response surface methodology was used to optimize the cooking of fish head broth. Fresh grass carp heads were used as a starting material to prepare fish head broth. Cooking time， temperature and material-to-water ratio were considered as independent variables. Protein and total solid contents were used as dependent variables. The results showed that the optimum conditions obtained were as follows： cooking time 3.51 h， temperature 95.54 ℃， and material-to-water ratio 1：5.85. Under the optimized conditions， the predicted protein and total solid contents of fish head broth were 1.539 g/100 g and 29.97 g/L compared to （1.569 ± 0.04） g/100 g and （30.56 ± 0.66） g/L in the validation experiments， respectively. The good agreement confirmed the practical applicability of the optimized cooking process.

Keywords： fish head broth; cooking process; response surface methodology; protein; total solids

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20190911-215

中圖分類號：TS254.4 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：

草魚（Ctenopharyngodon idellus）屬鯉形目、鯉科、雅羅魚亞科、草魚屬，俗稱鯇、草根（東北）、混子等。草魚、青魚、鰱魚、鳙魚“四大家魚”是中國重要的淡水魚類[1-3]。草魚產量高、肉質鮮美為大多數人們所喜愛[4]，但受消費習慣的影響，草魚多以鮮銷為主，深加工、工業化生產比例較少，所以當草魚集中上市時，易發生價格下滑現象。因此，發展淡水魚類養殖的同時，實現工業化加工至關重要[5-7]。目前，大多數水產加工企業在加工時只利用了魚肉的可食用部分，忽略了營養價值較高的魚頭和骨刺[8]，而魚頭和骨刺占魚體質量的40%，大量丟棄不僅造成食物資源浪費和環境污染，而且導致加工成本增加和企業利潤降低。因此，應對魚肉加工副產物充分利用，運用科學的加工方法開發消費者接受的高附加值產品[9-11]。

黃春紅等[12]對青魚、草魚、鰱魚和鳙魚4 種魚頭營養成分進行比較發現，草魚頭粗脂肪含量分別是青魚頭和鳙魚頭中粗脂肪含量的5 倍和6 倍。總氨基酸和必需氨基酸含量以青魚頭和鳙魚頭中較高，但必需氨基酸在總氨基酸中的占比則以草魚頭和鰱魚頭較高，鮮味氨基酸含量也以草魚頭中最高，表明魚頭營養成分較多且味道鮮美，具有較高的食用價值。王正云等[13]利用草魚下腳料制備魚醬油，結果表明所制魚醬油香味濃郁、無異味和臭味，口感咸鮮，入口滑爽，符合二級醬油國家標準。胡愛軍等[14]以真鯛魚魚頭為原料，通過酶解技術對其綜合利用并開發蛋白肽和魚油2 種產品，結果表明蛋白質水解度達到61.15%，提油率為82.09%，且水解液色澤較淺，具有濃郁的魚香味。劉鐵玲等[15]以鰱魚頭為主要原料，加以黃豆醬、香菇、辣椒等輔料，經科學加工制成含鈣豐富的鮮辣醬。目前針對魚頭深加工、新產品研發等方面的研究仍缺乏理論參數支撐。本實驗以草魚頭為材料，設計單因素試驗，結合響應面法優化魚頭湯生產工藝參數，為制作即食魚頭湯等相關產品的工業化生產提供理論依據。

1 ? 材料與方法

1.1 ? 材料與試劑

新鮮草魚頭（平均質量為300 g）、植物油、食鹽、大蔥、生姜、桂皮、八角、小茴香，購于新疆烏魯木齊市友好超市。

硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、亞甲基藍指示劑、氫氧化鈉、乙醇（體積分數95%） ? 天津市致遠化學試劑有限公司;硫酸、鹽酸 ? 成都市科隆化學品有限公司;甲基紅指示劑（C15H15N3O2） ? 南京化學試劑有限公司。

1.2 ? 儀器與設備

XH-BWL定氮蒸餾裝置 ? 上海昕滬實驗設備有限公司;DHG-9123A電熱恒溫鼓風干燥箱 ? 上海一恒科技有限公司;fk2101可控溫式電磁爐 ? 廣東美的生活電器制造有限公司;GY-TS型商用電磁爐 ? 佛山市國盈環保設備有限公司;FL-1可調式封閉電爐 ? 北京永光明醫療儀器有限公司;HH-S4數顯恒溫水浴鍋 ? 金壇市醫療儀器廠;JA2003電子天平 ? 上海蒲春計量儀器有限公司;LE204E/02電子天平 ? 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.3 ? 方法

1.3.1 ? 魚頭湯熬煮工藝流程

魚頭湯制作工藝流程如下：新鮮草魚頭→清洗→去腥→油炸→熬煮→過濾→魚頭湯

操作要點：1）預處理：將新鮮草魚頭去腮，剖開，洗凈表面黏液、血漬，清洗水溫控制在10 ?℃以下。2）去腥：將洗凈的魚頭放入0.5 g/100 mL食鹽水中，加入0.5%八角、0.5%小茴香和1%桂皮浸泡1 h后取出晾干。3）油炸：采用朱琳芳等[16]的方法并稍作修改。油炸溫度為180 ℃，油炸時間為30 s。4）熬煮：根據實驗設計的料液比加入魚頭和水，待魚湯溫度升高時，撇去浮沫，每隔15 min補加凈水1 次，使保持魚湯體積不變。5）過濾：將熬煮后的魚頭湯使用100 目不銹鋼過濾器過濾，去除魚肉、魚骨渣，濾液中不得出現可見雜質。

1.3.2 ? 蛋白質含量和總固形物含量的測定

蛋白質含量：參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》中的凱氏定氮法。

總固形物含量：參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》，準確量取50 mL湯汁于瓷蒸發皿中，于103 ℃常壓下烘干至恒質量，結果以g/L表示。

1.3.3 ? 單因素試驗設計

根據預實驗結果，分別固定熬煮時間為3 h、熬煮溫度100 ℃、料液比1：4（m/V，下同），考察熬煮時間（2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 h）、熬煮溫度（80、85、90、95、100 ℃）、料液比（1：3、1：4、1：5、1：6、1：7）對魚頭湯中蛋白質和總固形物含量的影響。每組試驗重復3 次。

1.3.4 ? 響應面試驗設計

綜合單因素試驗結果，以熬煮時間（A）、熬煮溫度（B）、料液比（C）為自變量，蛋白質含量（Y1）、總固形物含量（Y2）為響應值，使用Box-Behnken 設計3因素3水平響應面試驗模型，確定魚頭湯的最佳熬煮工藝參數，試驗因素水平見表1。

1.4 ? 數據處理

采用SPSS 19軟件進行單因素方差分析，利用Origin pro 8.5軟件進行繪圖，采用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應面分析。

2 ? 結果與分析

2.1 ? 單因素試驗結果

2.1.1 ? 熬煮時間對魚頭湯中蛋白質和總固形物含量的影響

由圖1可知，當熬煮2.0～3.5 h時，魚頭湯中的蛋白質和總固形物含量持續上升，熬煮3.5～4.0 h，隨著熬煮時間的延長，蛋白質含量呈平穩趨勢，總固形物含量略微下降。熬煮初始階段，魚頭結構較緊致，隨著熬煮時間的延長，魚頭結構變得松散，促進了含氮物質和可溶性物質溶出[17]，使魚頭湯中蛋白質含量和總固形物顯著增加（P<0.05），當熬煮時間達到3.5 h后，蛋白質析出達到平衡不再增加;而在3.5～4.0 h之間，總固形物含量略微減少，這可能是因為熬煮時間過長，魚頭湯中一部分碳水化合物發生水解，生成中間產物肽，這些物質進一步水解生成各種氨基酸，進而參與美拉德反應，生成揮發性物質，最終以氣體形式揮發出去[18-19，21]，導致魚頭湯中總固形物含量減少。綜上所述，熬煮時間選擇3.5 h為宜，此時魚頭湯中總固形物含量最高，且蛋白質含量趨于平衡。

2.1.2 ? 熬煮溫度對魚頭湯中蛋白質和總固形物含量的影響

由圖2可知，熬煮溫度為80～95 ℃時，魚頭湯中的蛋白質和總固形物含量持續上升，溫度升高至100 ℃時，蛋白質含量不再升高且有所下降，總固形物含量趨于平衡。隨著熬煮溫度的升高，分子運動活躍，運動速度加快，促進魚頭中蛋白質的滲出[20]，但熬煮溫度達到95 ℃以上時，魚頭湯中蛋白質含量有所下降，這可能是由于溫度過高，魚頭中部分蛋白質凝固變性不再析出，且魚頭湯中部分蛋白質被破壞，導致蛋白質含量降低;而總固形物含量增長緩慢可能是由于在95 ℃熬煮時魚湯中水溶性物質已累積到一定水平，無明顯變化。綜上所述，熬煮溫度選擇95 ℃為宜，此時魚頭湯中蛋白質含量最高，且固形物含量趨于平衡。

2.1.3 ? 料液比對魚頭湯中蛋白質和總固形物含量的影響

由圖3可知，當料液比為1：3～1：6時，隨著加水量的增加，魚頭湯中蛋白質和總固形物含量顯著增多（P<0.05），當料液比在1：6～1：7之間時，蛋白質和總固形物含量均有所減少。魚頭湯的熬煮過程實質上是原料通過加熱使可溶性物質和呈味物質逐漸溶解到水中的過程，水是主要媒介[21-22];隨著加水量的增加，單位魚頭表面被更多水分包圍，有利于蛋白質和固形物的溶解，水含量越多蛋白質和固形物的析出量就越多，但當加水量繼續增加，料液比達到1：7時，由于水分過多稀釋魚湯，導致魚頭湯中蛋白質和總固形物含量降低，因此需要根據實際情況來調整料液比。料液比為1：6時，魚頭湯中蛋白質和總固形物含量均達到最大值。因此，料液比選擇1：6為宜。

2.2 ? 響應面試驗結果

2.2.1 ? 響應面設計模型建立及回歸分析

為確定熬煮魚頭湯的最佳工藝參數，根據單因素試驗結果，選取熬煮時間（A）、溫度（B）、料液比（C）作為自變量，以蛋白質含量（Y1）、總固形物含量（Y2）為響應值，采用Box-Behnken設計3因素3水平試驗[23]，。利用Design-Expert 8.06軟件對表2中實驗結果進行多元回歸擬合[24]，建立多元二次響應面回歸模型，所得方程為

由表3可知，蛋白質和總固形物含量的模型P值均小于0.01，失擬項均大于0.05，通過查閱文獻可知，當模型P<0.01，失擬項大于0.05同時存在時則表明模型適應性良好[25-26]，回歸模型的擬合項可以通過R2值更接近1進行驗證，蛋白質含量R2=0.978 9，固形物含量R2=0.992 3，變異系數分別為5.10%、3.69%均小于10%，因此兩個模型可以較好地用來預測指標的實際值[27-28]。

由表3可知，以蛋白質含量（Y1）為響應值時，模型F值為36.04，R2=0.978 9，說明該預測模型極顯著（P<0.01），失擬項不顯著（P=0.7190）。一次項中B（熬煮溫度）、C（料液比）、交互項中AC及二次項中A2、B2、C2對模型影響極顯著（P<0.01），其余各項均對模型影響不顯著（P>0.05）。由F值可判斷，各因素影響大小順序為C（料液比）>B（熬煮溫度）>A（熬煮時間）;交互項影響大小順序為AC>BC>AB;二次項影響大小順序為B2>A2>C2。

由表4可知，以總固形物含量（Y2）為響應值時，模型F值為100.45，R2=0.992 3，說明該預測模型極顯著（P<0.01），失擬項不顯著（P=0.505 9）。一次項中B（熬煮溫度）、交互項中BC、及二次項中A2、B2、C2對模型影響極顯著（P<0.01），一次項中C（料液比）、及交互項中AC對模型影響顯著（P<0.05）其余各項均對模型影響不顯著（P>0.05）。由F值可判斷，各因素影響大小順序為B（熬煮溫度）>C（料液比）>A（熬煮時間）;交互項影響大小順序為BC>AC>AB;二次項影響大小順序為B2>A2>C2。

2.3 ? 交互作用分析及驗證實驗

響應面坡度可反映自變量發生變化時響應值的靈敏程度[29-30]，曲面的陡峭程度與單因素影響效果相關，曲面越陡峭表明單因素影響越顯著[31];等高線可以直觀反映2 個變量交互作用的顯著程度，當等高線呈橢圓形、密集時表示兩因素交互作用顯著，等高線呈圓形、稀疏時表示兩因素交互作用不顯著[26，32]。

2.3.1 ? 交互作用對魚頭湯蛋白質含量的影響

由圖4可知，當熬煮時間處在同一水平時，隨著熬煮溫度的增加，蛋白質含量先增加后減少;當熬煮溫度處在同一水平時，隨著熬煮時間的增加，蛋白質含量先增加后減少結，熬煮溫度和熬煮時間之間有交互作用較弱。

由圖5可知，熬煮時間和料液比的變化均可引起魚頭湯中蛋白質含量的顯著變化，且等高線呈橢圓形比較緊密，說明熬煮時間和料液比對蛋白質含量的交互影響顯著。?

由圖6可知，當熬煮溫度處在同一水平時，隨著料液比的增加，魚頭湯中蛋白質含量先增加后減少：當料液比處在同一水平時，隨著熬煮溫度的增加，蛋白質含量先增加后有所減少。說明熬煮溫度和料液比的交互作用對蛋白質含量有影響，但是其等高線圖趨于圓形，二者結合說明了熬煮溫度和料液比的交互作用可以引起響應值的變化，但變化不顯著。2.3.2 ? 交互作用對魚頭湯中總固形物含量的影響。

由圖7可知，當熬煮時間處在同一水平時，隨著熬煮溫度的增加，魚頭湯中總固形物含量先增加后減少;當熬煮溫度處在同一水平時，隨著熬煮時間的增加，總固形物含量先增加后減少，說明熬煮溫度和熬煮時間之間有交互作用，但對總固形物含量影響不顯著。

由圖8可知，熬煮時間和料液比對魚頭湯中總固形物含量影響顯著。其響應面坡度陡峭，說明熬煮時間和料液比的變化可以引起固形物含量的顯著變化，等高線呈橢圓形且較為緊密，說明熬煮時間和料液比的交互作用較強。

由圖9可知，熬煮溫度和料液比的交互作用對固形物含量有顯著影響，與方差分析結果一致。

2.3.4 ? 響應面法優化魚頭湯熬煮工藝參數結果

采用Design Expert 8.0.6 軟件對試驗結果進行分析，得到優化后的工藝參數為：熬煮時間3.51 h，熬煮溫度95.54 ℃，料液比為1：5.85，此條件下魚頭湯中蛋白質含量為1.539 g/100 g、總固形物含量為29.97 g/L。考慮到實際應用的可行性，將工藝參數調整為熬煮時間3.5 h、熬煮溫度96 ℃、料液比1：5.85。

對工藝參數進行優化并進行重復試驗后，得到的試驗結果見表5。試驗各項結果平均值為：蛋白質含量為1.569 g/100 g、固形物含量為30.56 g/L，較優化前蛋白質含量1.447 g/100 g、固形物含量27.98 g/L均有顯著提升，且試驗數據接近模型預測的蛋白質含量1.539 g/100 g、固形物含量29.97 g/L，表明該模型優化有效能較好地預測實驗結果。

3 ? 結 ?論

在單因素試驗基礎上，通過響應面法對熬煮時間、熬煮溫度、料液比進行魚頭湯熬煮工藝優化，最終確定優化后參數為熬煮時間3.51 h，熬煮溫度95.54℃，料液比1：5.85。考慮到實際應用，工藝參數修改為熬煮時間3.5 h、熬煮溫度96 ℃、料液比為1：5.85。在此工藝條件下熬制的魚頭湯營養價值較高，其蛋白質含量為（1.569±0.036） g/100 g、固形物含量為（30.56±0.66） g/L（對比優化前蛋白質含量1.447 g/100 g、固形物含量27.98 g/L均有顯著提升），其結果誤差較小，與預測值相近，說明該模型可以較好地預測實驗結果，并可應用于實際生產當中。

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