響應(yīng)面法優(yōu)化乳化型熱不可逆復(fù)合凝膠配方

,3,*

(1.上海大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,上海 200436; 2.江蘇雨潤肉食品有限公司,肉品加工與質(zhì)量控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 211806; 3.合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,安徽合肥 230000)

食用膠體是食品工業(yè)中十分廣泛的一種食品添加劑。膠體本身的乳化性、彈性、脆性、保水性等膠體特性以及各膠體間的協(xié)同作用,可以在一定程度上模擬肉制品的質(zhì)構(gòu)特性以及口感,進(jìn)一步改善肉制品品質(zhì),因此,食用膠體是肉類工業(yè)中不可缺少的原料。復(fù)合食用膠是將兩種或兩種以上單體食用膠按照一定比例復(fù)合而成的食用膠。在肉制品中使用單一食品膠體存在功能特性以及經(jīng)濟(jì)的局限性,通過膠體復(fù)配可以發(fā)揮各膠體間膠體特性的互補(bǔ)作用以及協(xié)同作用,從而使得食品膠在肉類工業(yè)中的應(yīng)用更為廣泛[1]。例如,海藻酸鈉與Ca2+形成的凝膠常用作肉制品的粘結(jié)劑,提高肉制品的質(zhì)構(gòu)性質(zhì),增強(qiáng)肉塊之間的粘結(jié)。海藻酸鈉、鈣離子和其他膠體、磷酸鹽等復(fù)配可做為肉制品的保水劑使用[2];張慧旻等通過研究發(fā)現(xiàn)結(jié)冷膠在低濃度時可協(xié)同海藻酸鈉顯著降低凝膠蒸煮損失,同時有效調(diào)控凝膠硬度[3]。此外,由于肉制品的制作涉及到熱加工工藝,因此所使用的食用膠體不僅需要具備目標(biāo)產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特性[4-7],還需在較高溫度(60～90 ℃)下仍能夠提供一定的彈性、硬度,并且不能再恢復(fù)到流體狀態(tài),即熱不可逆性[8-9]。熱凝膠獨(dú)特的高溫不化性在肉制品加工中具有十分重要的價值。

因此,本研究選取了鈣化海藻酸鈉提供硬度,亞麻籽膠提供彈性,低酰基結(jié)冷膠提供脆性,酪蛋白酸鈉以及大豆油提供乳化性,通過它們相互的協(xié)同作用形成致密、滑膩的固態(tài)凝膠體,并且在經(jīng)過復(fù)煮后仍能保持良好質(zhì)構(gòu)特性。旨在優(yōu)化出一種利用食用膠體、乳化劑、植物油等原料制備的熱不可逆復(fù)合凝膠,并通過響應(yīng)面法探索各基料添加量對復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)的影響,優(yōu)化出最優(yōu)的凝膠配方,使其呈現(xiàn)適中硬度、彈性以及較好的固型性,使得復(fù)合凝膠更能全面的應(yīng)用到食品工業(yè)中。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

海藻酸鈉 青島明月生物科技;硫酸鈣 廣東玉蘭集團(tuán)股份有限公司、六偏磷酸鈉 湖北興發(fā)集團(tuán)股份有限公司;亞麻籽膠 新疆利世得生物科技有限公司;結(jié)冷膠 河北百味生物科技有限公司;酪蛋白酸鈉 河南萬邦實(shí)業(yè)有限公司;大豆油 天津市聚龍糧油有限公司;以上原料均為食品級。

L204型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;HHS型數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;WBL2531H型美的攪拌機(jī) 美的股份有限公司;TA.XT Plus Texture Analyser型食品質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鈣化海藻酸鈉的制備 根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定鈣化海藻酸鈉各原料比例,進(jìn)而將海藻酸鈉、硫酸鈣、六偏磷酸鈉以56.67∶49.86∶1的比例混合在一起。并將混合后的粉末倒入攪拌機(jī)中攪拌均勻備用。

1.2.2 凝膠制備 按照一定的比例,充分混合鈣化海藻酸鈉、亞麻籽膠、結(jié)冷膠、酪蛋白酸鈉、大豆油,進(jìn)而將混合均勻的體系加入100 mL水中,用攪拌機(jī)以12000 r/s的轉(zhuǎn)速快速攪打10 s生成均勻的溶膠體,將溶膠體快速倒入200 mL容量的模具，并放入65 ℃水浴鍋中水浴40 min,然后放置于4 ℃冰箱24 h成型,最后出模即成。

1.2.3 凝膠質(zhì)構(gòu)的測定 將成型的復(fù)合凝膠體放入90 ℃水浴鍋中進(jìn)行復(fù)煮30 min取出,進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測定。采用質(zhì)構(gòu)儀對凝膠體進(jìn)行TPA(彈性、硬度)測定。測定前,將樣品切割為2×1×1 cm3的長方體。質(zhì)構(gòu)特性的測定條件為:探頭:P/0.5R;測試前速度:2.0 mm/s;測試速度:1.0 mm/s;測試后速度:1.0 mm/s;測試距離:6.0 mm;壓力:10.0 g。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計 以凝膠的質(zhì)構(gòu)參數(shù)(硬度、彈性)為指標(biāo),分別選取鈣化海藻酸鈉添加量(3%、3.5%、4%、4.5%、5%)、亞麻籽膠添加量(1%、1.5%、2%、2.5%、3%)、結(jié)冷膠添加量(0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%)、酪蛋白酸鈉添加量(0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%)、大豆油添加量(15%、20%、25%、30%、35%)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),考察各因素對凝膠質(zhì)構(gòu)的影響(每組因素添加量的中間值為固定添加量)。

1.2.5 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計 在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,采用中心組合試驗(yàn)Box-Behnken設(shè)計方案(表1)。分析各因素對凝膠質(zhì)構(gòu)特性硬度、彈性的顯著性,得出數(shù)學(xué)模型,考量其可信程度,確定該熱不可逆復(fù)合凝膠形成的基本配方,設(shè)計方案參考自文獻(xiàn)[10-14]。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計因素水平表Table 1 Box-Behnken test design factor level table

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)3次取平均值,用Oringin 8.0作圖,采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析,采用最小顯著差異法(least significant difference,LSD)和Duncan’s法進(jìn)行顯著性分析,以P<0.05為顯著性差異判斷標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 海藻酸鈉對不可逆凝膠特性的影響 海藻酸鈉可與鈣離子發(fā)生交聯(lián)作用形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),因此增加海藻酸鈉和鈣離子濃度得到的凝膠,凝膠強(qiáng)度增大[15]。由圖1可知,隨著鈣化海藻酸鈉含量的增加,凝膠體的硬度上升趨勢明顯,彈性波動幅度不大,說明鈣化海藻酸鈉含量對凝膠體硬度貢獻(xiàn)較大,對彈性影響較小。當(dāng)鈣化海藻酸鈉含量上升到5%時,凝膠體形成固體速度過快,以致于后期制作困難。最終選定鈣化海藻酸鈉添加量4.5%為響應(yīng)面設(shè)計中心點(diǎn)。

圖1 鈣化海藻酸鈉含量對凝膠體硬度與彈性的影響Fig.1 Effect of sodium alginate contents on hardness and springiness of gel

2.1.2 亞麻籽膠對不可逆凝膠特性的影響 徐謂等通過研究發(fā)現(xiàn)添加0.2%的亞麻籽膠可顯著提高凝膠的白度,增加持水能力,改善凝膠的質(zhì)構(gòu)特性,但并不能提升凝膠強(qiáng)度[16]。此外,李小鳳等發(fā)現(xiàn)在一定的濃度條件下,亞麻籽膠可以形成彈性很好的軟質(zhì)凝膠[17]。由圖2可知,在亞麻籽膠含量范圍為1.0%～3.0%時,隨著亞麻籽膠含量的增加,凝膠體的硬度呈逐漸下降趨勢,彈性波動較大,說明亞麻籽膠對于整個凝膠體系的固型性貢獻(xiàn)較大,這也與李小鳳等的研究結(jié)果相一致。亞麻籽膠含量在2.0%時呈現(xiàn)最大彈性,但此時凝膠體硬度較小。當(dāng)亞麻籽膠含量為1%時,硬度呈現(xiàn)最大,彈性適中,1%含量為亞麻籽組含量的最低水平,硬度呈現(xiàn)最大,因此補(bǔ)做了0.4%、0.6%、0.8%三個水平的試驗(yàn),結(jié)果顯示補(bǔ)做的三個水平在硬度以及彈性均遜色于1%含量,因此最終選定亞麻籽膠添加量為1%為響應(yīng)面設(shè)計中心點(diǎn)。

圖2 亞麻籽膠含量對凝膠體硬度與彈性的影響Fig.2 Effect of linseed gum contents on hardness and springiness of gel

2.1.3 結(jié)冷膠對不可逆凝膠特性的影響 由圖3可知,低酰基結(jié)冷膠作為脆性較好的膠體,彈性極小,低酰基結(jié)冷膠形成的凝膠具有強(qiáng)度大,脆性好的特性[18],并且張慧旻通過研究發(fā)現(xiàn)低酰基結(jié)冷膠在低濃度時與海藻酸鈉會產(chǎn)生協(xié)同作用,可以對凝膠強(qiáng)度有調(diào)控作用[3]。因此隨著低酰基結(jié)冷膠含量的增加,凝膠體系彈性波動較小,但其對體系的硬度影響較大,呈先上升后下降趨勢,說明結(jié)冷膠在含量達(dá)到1%時與其他膠體協(xié)同作用最強(qiáng),固型性最好。最終選定結(jié)冷膠添加量為1.0%為響應(yīng)面設(shè)計中心點(diǎn)。

圖3 結(jié)冷膠含量對凝膠體硬度與彈性的影響Fig.3 Effect of gellan gum content on hardness and springiness of gel

2.1.4 酪蛋白酸鈉對不可逆凝膠特性的影響 酪蛋白酸鈉是一種良好的表面活性劑,具有很強(qiáng)的乳化性能,在水油乳化界面充分乳化油脂,且較大豆分離蛋白等蛋白質(zhì)的乳化熱穩(wěn)定性高,加熱溫度達(dá)到30 ℃以上時,酪蛋白酸鈉形成的乳化體系才會被破壞[19],能夠形成均勻細(xì)膩穩(wěn)定的乳化體系[20]。

由圖4可知,隨著酪蛋白酸鈉含量的增加,凝膠體的硬度波動較大,并在含量1.0%時呈現(xiàn)最大硬度,這是由于酪蛋白酸鈉不僅在體系中起乳化作用,還會呈球形鑲嵌在低酰基結(jié)冷膠形成的海綿狀三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中[11],對凝膠體系的質(zhì)構(gòu)會產(chǎn)生一定的影響。彈性波動幅度不大,固型性好。最終選定酪蛋白酸鈉添加量為1.0%為響應(yīng)面設(shè)計中心點(diǎn)。

圖4 酪蛋白酸鈉含量對凝膠體硬度與彈性的影響Fig.4 Effect of sodium caseinate on the hardness and springiness of gel

2.1.5 大豆油對不可逆凝膠特性的影響 大豆油是當(dāng)前食品工業(yè)加工中常用的植物油,大豆油的加入使整個凝膠體系潤滑度上升,較純凝膠體質(zhì)地優(yōu)良,形成的乳化型膠體應(yīng)用面更廣[19]。由圖5可知,隨著大豆油含量的增加,凝膠體的硬度有一定的波動,并在含量20%時呈現(xiàn)最大硬度,彈性波動幅度不大。最終選定大豆油添加量為20%為響應(yīng)面設(shè)計中心點(diǎn)。

圖5 大豆油含量對凝膠體硬度與彈性的影響Fig.5 Effect of soybean oil content on hardness and springiness of gel

表2 Box-Behnken設(shè)計方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Box-Behnken design and test results

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以鈣化海藻酸鈉、亞麻籽膠、結(jié)冷膠、酪蛋白酸鈉及大豆油5種成分的含量為自變量,以凝膠體的硬度R1和彈性R2為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。Box-Behnken設(shè)計方案及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2.2.1 凝膠體硬度響應(yīng)面分析 采用Design Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到回歸方程方差分析表,進(jìn)行非線性回歸二次多項(xiàng)式擬合,得到如下回歸方程預(yù)測模型:

R1=1080.04+134.27A+41.61B+12.69C+10.95D-12.54E-16.92AB+6.71AC+85.11AD-136.72AE-3.46BC+5.55BD-28.93BE+31.31CD-20.97CE+0.089DE-6.68A2-70.72B2-61.14C2-33.14D2-61.48E2

表3 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 3 Significance test of coefficient of regression equation

注:*代表差異顯著(P<0.05),**代表差異極顯著(P<0.01)。

圖6 交互項(xiàng)對于凝膠體硬度顯著的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface of the interaction term for the gel hardness

根據(jù)回歸方差分析顯著性檢驗(yàn),該模型回歸極顯著(P<0.0001),失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05),說明模型在回歸區(qū)域內(nèi)擬合較好,與實(shí)際擬合中非正常誤差所占比例較小,多元相關(guān)系數(shù)R2=0.9278,相關(guān)性較好,說明該模型可用于預(yù)測最優(yōu)配方的實(shí)際情況。

由表3可知,回歸方程中的一次項(xiàng)海藻酸鈉含量(A)、亞麻籽膠(B)、海藻酸鈉與酪蛋白酸鈉(AD)、海藻酸鈉與大豆油交互項(xiàng)(AE)以及二次項(xiàng)B2、C2、D2、E2、均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),表明各因素對響應(yīng)值1的影響不是簡單的線性關(guān)系。方差分析中FA=179.42,FB=17.23,FC=1.60,FD=1.19,FE=1.57。即各因素對凝膠體硬度的影響程度大小順序?yàn)?鈣化海藻酸鈉(A)>亞麻籽膠(B)>結(jié)冷膠(C)>大豆油(E)>酪蛋白酸鈉(D)。

據(jù)回歸方程繪制響應(yīng)面圖,圖形形狀與3D圖傾斜度都能反映出各因素之間的相互關(guān)系。等高線為圓形表示兩因素交互作用不顯著,橢圓形則表示兩因素交互作用顯著;3D 圖傾斜度越高,坡度越陡,說明兩因素交互作用越顯著。從圖6可以直觀地看出,海藻酸鈉與大豆油的交互作用對復(fù)合凝膠硬度影響極顯著,海藻酸鈉與大豆油是對復(fù)合凝膠硬度有顯著影響。

2.2.2 凝膠體彈性響應(yīng)面分析 采用Design Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到回歸方程方差分析表,進(jìn)行非線性回歸二次多項(xiàng)式擬合,得到如下回歸方程預(yù)測模型:

R2=0.99-9.344E-0.03A+0.018B+0.021C-9.156E-0.03D-2.344E-0.03E-0.034AB-0.028AC-0.035AD-0.020AE-0.037BC-5.500E-0.03BD+9.500E-0.03BE-5.875E-0.03CD+0.013CE+8.500E-0.03DE-0.037A2-0.030B2-0.027C2-0.014D2-0.026E2

根據(jù)回歸方差分析顯著性檢驗(yàn),該模型回歸極顯著(P<0.0001),失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05),說明模型在回歸區(qū)域內(nèi)擬合較好,與實(shí)際擬合中非正常誤差所占比例較小,多元相關(guān)系數(shù)R2=0.9644,相關(guān)性較好,說明該模型可用于預(yù)測最優(yōu)配方的實(shí)際情況。

由表4可知,回歸方程中的一次項(xiàng)海藻酸鈉含量(A)、亞麻籽膠(B)、結(jié)冷膠(C)酪蛋白酸鈉極顯著(P<0.01);交互項(xiàng)中海藻酸鈉與亞麻籽膠(AB)、海藻酸鈉與結(jié)冷膠(AC)、海藻酸鈉與酪蛋白酸鈉(AD)、亞麻籽膠與結(jié)冷膠(BC)、海藻酸鈉與大豆油(AE)呈極顯著(P<0.01),結(jié)冷膠與大豆油(CE)顯著(P<0.05)。二次項(xiàng)A2、B2、C2、E2、均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),表明各因素對響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系。方差分析中FA=14.20,FB=54.53,FC=72.35,FD=13.63,FE=1.57。即各因素對凝膠體彈性的影響程度大小順序?yàn)?結(jié)冷膠>亞麻籽膠>海藻酸鈉>酪蛋白酸鈉>大豆油。

據(jù)回歸方程繪制響應(yīng)面圖,圖形形狀與3D圖傾斜度都能反映出各因素之間的相互關(guān)系。等高線為圓形表示兩因素交互作用不顯著,橢圓形則表示兩因素交互作用顯著;3D圖傾斜度越高,坡度越陡,說明兩因素交互作用越顯著。從圖7可以直觀地看出,海藻酸鈉與亞麻籽膠的交互作用、海藻酸鈉與亞麻籽膠的交互作用均對復(fù)合凝膠彈性有顯著影響。

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 4 Significance test of coefficient of regression equation

圖7 交互項(xiàng)對于凝膠體彈性顯著的響應(yīng)面圖Fig.7 Interaction term for the elastic surface of the gel elasticity

2.3 響應(yīng)面最終優(yōu)化配方及驗(yàn)證試驗(yàn)

由于硬度對凝膠體質(zhì)構(gòu)貢獻(xiàn)較大，因此以凝膠體的硬度最大為基準(zhǔn)，得出最終的優(yōu)化組合,選取海藻酸鈉濃度為4.99%,亞麻籽膠濃度為1.11%,結(jié)冷膠濃度為1.12%,酪蛋白酸鈉濃度為1.32%,大豆油濃度為15.02%為復(fù)合凝膠配方的最優(yōu)組合。在此條件下預(yù)測硬度值為1368.16 g,彈性值為0.843 g。考慮到凝膠實(shí)際操作的方便性,故將復(fù)合凝膠的配方組合修正為:鈣化海藻酸鈉濃度為5%,亞麻籽膠濃度為1.11%,結(jié)冷膠濃度為1.12%,酪蛋白酸鈉濃度為1.32%。大豆油濃度為15%。并在此條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn),凝膠體硬度值為(1323.25±40.098) g,彈性值為(0.856±0.019) g,與預(yù)測值相比,相對誤差分別為3.28%、1.28%,2個指標(biāo)的驗(yàn)證值與預(yù)測值的誤差均在允許誤差5%內(nèi),說明該模型合理可靠。

3 結(jié)論

依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,采用響應(yīng)面分析法建立了鈣化海藻酸鈉、亞麻籽膠、結(jié)冷膠、酪蛋白酸鈉、大豆油五個因素對于熱不可逆凝膠體的質(zhì)構(gòu)參數(shù)硬度、彈性的二次回歸方程模型,并優(yōu)化出改凝膠的最優(yōu)配方。根據(jù)響應(yīng)面方法優(yōu)化的結(jié)果以及考慮到實(shí)際操作的方便性,最終確定該熱不可逆凝膠體制備的最優(yōu)配方為:鈣化海藻酸鈉濃度為5%,亞麻籽膠濃度為1.11%,結(jié)冷膠濃度為1.12%,酪蛋白酸鈉濃度為1.32%。大豆油濃度為15%。將凝膠體的硬度與彈性作為響應(yīng)值,所得驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果為:凝膠體硬度值為(1323.25±40.098) g,彈性值為(0.856±0.019) g,所產(chǎn)生的誤差分別為3.28%和1.28%,說明該回歸方程具有較高的可信度,可作為同類別的凝膠體產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)與利用提供理論依據(jù)。