響應面法優化高膳食纖維魚丸加工的制作工藝

林倩，泮麗冰，劉學，劉建朝，董婧琪，邵娟娟*

（1.河北農業大學理工學院，河北 滄州 061100；2.唐山市水產技術推廣站，河北 唐山 063000）

圓苞車前子殼屬于車前科車前屬圓苞車前種子的外殼，經碾磨后制得。2014年5月，國家衛計委批準圓苞車前子殼可以作為新食品原料添加到食品中[1]。圓苞車前子殼富含的膳食纖維高達80%以上，富含膠質，其它營養成分主要包括葡萄糖甙、蛋白質、多糖、維生素B1和膽堿。其中圓苞車前子殼含有水溶性膳食纖維高達56%，強吸水性和膨脹性，遇水會膨脹形成數十倍的凝膠團，可增加消費者的飽腹感，從而達到降低熱量攝取、控制體重的目的。藥理研究表明圓苞車前子殼具有潤腸通便、預防腸胃疾病、降低血脂、增加腸道蠕動、促進腸道益生菌生長的保健功效。圓苞車前子的高膳食纖維性，使它可以用于便秘、腸胃不適、腹瀉、高膽固醇、肥胖等特殊人群食用。

羅非魚味道鮮美，含有豐富蛋白質、氨基酸[2]以及鈣、磷、鐵、鋅等多種礦物元素，是高蛋白質、低脂肪的優質蛋白源[3]，符合現代消費者的消費觀[4]。并且羅非魚對環境的適應能力強，生長速度快，飼養成本低，是魚糜制品的良好原料。豐富羅非魚制品是當今研究熱點。魚丸制品是具有發展前途的水產制品，魚丸制品攜帶運輸方便，貯藏時間長，因而受廣大消費者的喜愛，消費量大。將圓苞車前子殼加入到羅非魚肉糜中，不僅可以增加圓苞車前子殼的利用方式，而且可以進一步豐富羅非魚肉糜魚丸的營養成分、增加羅非魚肉糜制品魚膳食纖維的的營養保健功能。

該試驗以羅非魚、圓苞車前子殼為原料，添加魔芋膠、淀粉、添加劑等輔料，采用響應面法優化制作工藝，制得風味好、口感佳的高膳食纖維含量的羅非魚魚丸產品，為高膳食纖維魚丸新產品的開發提供理論研究和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

羅非魚：河北省滄州市黃驊市信譽樓超市；圓苞車前子殼：陜西點開生物科技有限公司，無需進行預處理；食鹽、料酒、白砂糖、姜粉、雞精、五香粉：黃驊市信譽樓超市；魔芋粉（食品級）：河南萬邦實業有限公司。

S2-A818型絞肉機：九陽股份有限公司；DH-600AB型電熱恒溫水浴鍋：北京中興偉業儀器有限公司；FA2004型電子分析天平：上海衡平儀器儀表廠；TMSPRO型質構分析儀：美國FTC公司；WSC-2B型精密色差儀：上海儀電物理光學儀器有限公司；SC-04型低速離心機：安徽中科中佳科學儀器有限公司；DH50型擂潰機：肇慶市鼎湖雙輝機械有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 圓苞車前子殼羅非魚丸的工藝流程

參考冷凍魚糜國家標準[5]和沈秋霞等[6]的試驗研究確定魚丸的工藝流程：漂洗→預處理→攪碎→精濾→擂潰→混料→成型→冷卻、冷凍→成品。

1.2.2 操作要點

1）預處理：將洗凈的羅非魚去鱗去皮，清除內臟、腮、腥線、魚骨，再將魚清洗干凈，避免有內臟、血液、黑膜殘余。

2）攪碎：將洗凈的羅非魚用絞肉機攪碎成魚糜狀。

3）精濾：去除魚肉中細小骨刺、反結締組織、黏膜等物質。

4）擂潰：將魚糜用擂潰機進行擂潰，通過攪拌和研磨作用破壞魚肉的肌原纖維蛋白，鎖住水分，使魚糜具有一定黏性，提高凝膠特性[7]。

5）混料：將食鹽、料酒、白砂糖、姜粉、雞精、五香粉，加適量水調制均勻得調制液，稱取定量的擂潰好的魚糜，然后將調制液、圓苞車前子殼、魔芋粉膠狀水溶液（以下簡稱“魔芋膠”）加入到魚糜中，充分攪拌均勻。

6）成型：對混料均勻的魚糜進行適量揉搓，排除內部空氣，然后制成魚丸形狀，過程中應注意不讓空氣進入魚糜中。

1.2.3 單因素試驗設計

按照1.2.1中的工藝流程進行魚丸制作，魚丸的基本配方為：淀粉6.250%、食鹽3.000%、蛋清2.000%、圓苞車前子殼1.250%、料酒0.200%、白砂糖2.500%、姜粉0.200%、五香粉0.200%、魔芋膠0.100%。在基本配方的基礎上，以感官評分為指標，以圓苞車前子殼、淀粉和魔芋膠添加量為考察因素進行單因素試驗，優化3個因素的添加量，判定其對魚丸品質的影響。

1.2.3.1 圓苞車前子殼的添加量對魚丸品質的影響

在基本配方不變的條件下，分別添加1.500%、2.000%、2.500%、3.000%、3.500%的圓苞車前子殼，考察其對魚丸品質的影響。

1.2.3.2 淀粉的添加量對魚丸品質的影響

在基本配方不變的條件下，分別添加5.000%、6.250%、7.500%、8.250%、10.000%的淀粉，考察其對魚丸品質的影響。

1.2.3.3 魔芋膠的添加量對魚丸品質的影響

在基本配方不變的條件下，分別添加0.025%、0.050%、0.075%、0.100%、0.125%的魔芋膠，考察其對魚丸品質的影響。

1.2.4 魚丸制作工藝響應面優化試驗設計

根據Box-Behnken試驗設計原理，在單因素試驗的基礎上，選取淀粉添加量、圓苞車前子殼添加量、魔芋膠添加量的3個較佳因素水平，以感官評分為響應值，進行三因素三水平的響應面分析，響應面試驗因素與水平設計見表1。

表1 響應面試驗因素水平表Table 1 Response surface test factor level table

1.2.5 凝膠強度測定

參考冷凍魚糜的食品安全國家標準和王艷霞等[8]的研究，將魚丸切成25 mm×25 mm，用TMS-PRO型質構儀測定其凝膠強度，球形探頭（Ф5 mm）的測試速度為30 mm/min，穿刺距離為20 mm，穿刺曲線上的最高峰值為破斷力，其位移值為破斷距離，連續檢測5個平行樣，去掉最高值和最低值，計算其余數據的平均值。魚丸的凝膠強度的計算公式為式（1）。

式中：Q為破斷力，g；L為破斷距離，cm。

1.2.6 白度測定

借鑒付強[9]的方法，稍加變動，測定白度。按配方制作5 cm×5 cm×2 cm大小的魚丸，在室溫（25℃）下用WSC-2B型色差儀測定魚丸色度，用標準白板對儀器進行校對，每組取4個平行樣，每樣做6個平行，測量并記錄L*、a*、b*值。魚丸白度的計算公式為式（2）。

式中：L*為魚丸亮度；a*為紅值；b*為黃值。

1.2.7 持水率測定

參照崔旭海等[10]方法，測定魚丸的失水率，以此表明魚丸持水率的大小。將魚丸切成5 mm薄片并稱重（W1），放置于3張濾紙上，上面放2張濾紙，用5 kg重的鐵塊進行壓制，維持15 min，取出壓制后的魚丸進行稱重（W2），做3組平行試驗，取平均值。魚丸持水率的計算公式為式（3）。

式中：W1為5 mm魚丸薄片質量，g；W2為壓制后的5 mm魚丸薄片質量，g。

1.2.8 感官評分的測定

隨機選取10人組成的感官評定小組，采用百分制評分標準，參考冷凍魚糜的食品安全國家標準，依照表2的感官評價標準從色澤、氣味、滋味、組織狀態、口感、雜質五方面進行感官評定，取平均值為最終的感官評分值。感官評分標準見表2。

表2 感官評價標準Table 2 Sensory evaluation criteria

1.3 數據分析

數據分析過程中采用Origin8軟件和Excel 2010對試驗數據進行整理與繪圖，采用Design－Expert 8.0.6統計軟件進行響應面優化分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 圓苞車前子殼添加量對高膳食纖維魚丸的影響魚糜制品的凝膠強度是評價魚糜制品質量的重要指標[11]。圓苞車前子殼添加量對高膳食纖維魚丸感官評分及凝膠強度的影響見圖1。

圖1 圓苞車前子殼添加量對高膳食纖維魚丸感官評價及凝膠強度的影響Fig.1 Effect of the addition of bract plantain seed shell on sensory evaluation and gelation of high dietary fiber tilapia balls

由圖1可以看出，圓苞車前子殼的添加量對感官評分影響在1.000%～3.000%時呈上升趨勢，在3.000%～5.000%時呈下降趨勢，是因為圓苞車前子殼添加量過多時，分布不均勻，魚丸品嘗時有顆粒感。圓苞車前子殼的添加量對凝膠強度影響在1.000%～3.000%時呈上升趨勢，曲楠等[12]的研究表明，在魚糜加工時，加入膳食纖維，能增強魚糜制品的凝膠強度。在其添加量范圍在3.000%～5.000%時呈下降趨勢，可能是因為圓苞車前子殼纖維貫穿并破壞魚糜凝膠的網絡結構[13]。

白度是魚糜制品的一個重要感官指標。圓苞車前子殼添加量對高膳食纖維魚丸白度及持水率的影響見圖2。

圖2 圓苞車前子殼添加量對高膳食纖維魚丸白度及持水率的影響Fig.2 Effect of the addition of bract plantain seed shell on the whiteness and water holding rate of tilapia balls with high dietary fiber fiber

由圖2可以看出，隨著圓苞車前子殼添加量的增加，高膳食纖維魚丸的持水率呈上升趨勢，而其白度幾乎沒有變化。楊玲芝等[14]的研究表明，膳食纖維添加量對白度沒有太大影響。魚丸持水率過高不利于其儲藏期穩定性。

2.1.2 淀粉添加量對高膳食纖維魚丸的影響

淀粉是魚糜制品中常用的增稠劑和賦形劑[11]，可以作為輔料填充到魚糜制品[15]。淀粉添加量對高膳食纖維魚丸感官評分及凝膠強度的影響見圖3。

由圖3所示，感官評分隨著淀粉添加量的增加呈下降趨勢，淀粉添加量過多，影響高膳食纖維魚丸口感。淀粉的添加量在5.000%～6.250%時對凝膠強度影響處于上升趨勢，在6.250%～10.000%處于下降趨勢。淀粉添加量少時，淀粉顆粒填充在魚糜肌原纖維蛋白交聯形成的三維網狀結構空隙中，使凝膠網狀結構致密，并且淀粉可以結合魚糜網狀結構中的自由水，提高魚糜的持水能力[16-17]。然而淀粉添加量過多時，可能是由于在凝膠升溫的過程中，淀粉交聯程度過于劇烈，淀粉吸水溶脹，空間占據率大，影響了魚糜肌原纖維蛋白分子間的相互作用，使肌原纖維蛋白變性不完全，導致高膳食纖維魚丸的凝膠強度下降[18]。Zhang等[19]的研究也表明，淀粉添加量過多時，會降低魚丸的凝膠強度。淀粉添加量對高膳食纖維魚丸白度及持水率的影響見圖4。

圖4 淀粉添加量對高膳食纖維魚丸白度及持水率的影響Fig.4 Effect of starch content on whiteness and water holding rate of high dietary fiber tilapia balls

由圖4所示，隨著淀粉添加量的增加高膳食纖維魚丸的白度呈上升趨勢。淀粉添加量在5.000%～7.500%范圍內持水率呈上升趨勢，在7.500%～10.000%呈下降趨勢。這與周陽等的結論相同[18]。初步選定淀粉的添加量為5.000%、6.250%、7.500%。

2.1.3 魔芋膠添加量對高膳食纖維魚丸的影響

魔芋膠添加量對高膳食纖維魚丸感官評分及凝膠強度的影響見圖5。

圖5 魔芋膠添加量對高膳食纖維魚丸感官評價及凝膠強度的影響Fig.5 Effect of konjac gum addition on sensory evaluation and gelation of high dietary fiber tilapia balls

由圖5可以看出，隨著魔芋膠添加量的增加高膳食纖維魚丸的凝膠強度呈上升趨勢。魔芋膠能使魚糜制品肌原纖維蛋白凝膠強度形成均勻、致密的三維凝膠網絡結構[17]，從而提高高膳食纖維魚丸的凝膠強度[20]。魔芋膠的添加量對感官評價的影響在0.025%～0.100%時處于上升趨勢，0.100%～0.125%處于下降趨勢。在添加量0.100%以后，隨著魔芋膠添加量的添加，高膳食纖維魚丸的白度下降，顏色變暗黃，感官評價呈下降趨勢。初步選定魔芋膠的添加量為0.075%、0.100%、0.125%。

魔芋膠具有良好的吸水性[21]。魔芋膠添加量對高膳食纖維魚丸白度及持水率的影響見圖6。

圖6 魔芋膠添加量對高膳食纖維魚丸白度及持水率的影響Fig.6 Effect of konjac gum addition on whiteness and water holding rate of tilapia balls with high dietary fiber fiber

由圖6可以看出，隨著魔芋膠添加量的增加，持水率呈上升趨勢。魔芋膠添加量在0.025%～0.100%范圍內，高膳食纖維魚丸的白度呈上升趨勢，添加量在0.1000%～0.125%范圍內，高膳食纖維魚丸的白度略有下降。這與Xiong等的研究結果相同[22]。初步選定魔芋膠的添加量為0.075%、0.100%、0.125%。

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 響應面結果分析

利用Design Expert 8.0.6軟件對選取的3個因素進行響應面分析，響應面試驗結果如表3所示。

表3 響應面試驗設計與結果Table 3 Response surface experiment design and results

試驗數據進行二次多項式回歸擬合，得到感官評分（Y）與凝膠強度（Y′）對淀粉添加量（A）、圓苞車前子殼添加量（B）、魔芋膠添加量（C）的回歸模型方程：Y=+93+0.12A+0.05B-0.63C-1.00AB-1.25AC-0.05BC-2.62A2-3.87B2-3.63C2；Y′=+492.61+0.55A+0.55B-7.80C-1.02AB-126.25AC-26.03BC-83.24A2-49.34B2-82.46C2。

回歸模型方差分析（感官評分）見表4。

表4 回歸模型方差分析（感官評分）Table 4 Regression model variance analysis

根據表4模型分析可知，二次回歸模型的F=62.50，p＜0.000 1，表明該模型達到極顯著水平；失擬項是模型中數據的變異，失擬項p=0.091 36，p＞0.05，說明失擬項差異不顯著，能充分反映實際情況，回歸模型是適合的；試驗模型的決定系數R2=0.961 1，說明高膳食纖維魚丸的加工工藝與模型預測結果有著良好的一致性，試驗誤差較小，試驗模型的校正系數R2Adj=0.971 9，這也驗證了該模型的可靠。通過回歸方程與方差分析可以了解到模型一次項中魔芋膠添加量與圓苞車前子殼添加量對感官評分影響較顯著，淀粉添加量對感官評分的影響不顯著，交互項中AB、AC對結果的影響極顯著，BC對試驗結果的影響不顯著，二次項中A2、B2與C2對試驗結果影響極顯著，由此可知試驗中設計的各因素對感官評分影響的順序為：魔芋膠添加量（C）＞圓苞車前子殼添加量（B）＞淀粉添加量（A）。

回歸模型方差分析表（凝膠強度）見表5。

表5 回歸模型方差分析（凝膠強度）Table 5 Regression model variance analysis

根據表5模型分析可知，二次回歸模型的F=2 049.68，p＜0.000 1，表明該模型達到極顯著水平；失擬項是模型中數據的變異，失擬項p=0.813，p＞0.05，說明失擬項差異不顯著，能充分反映實際情況，回歸模型是適合的；試驗模型的決定系數R2=0.998 4，說明高膳食纖維魚丸的加工工藝與模型預測結果有著良好的一致性，試驗誤差較小，試驗模型的校正系數R2Adj=0.999 1，這也驗證了該模型的可靠。通過對回歸方程與方差分析可以了解到模型一次項中魔芋膠添加量與圓苞車前子殼添加量對魚丸凝膠強度的測定結果影響極顯著，淀粉添加量的影響不顯著，交互項中AB、BC對結果的影響極顯著，AC對試驗結果的影響不顯著，二次項中A2、B2與C2對試驗結果影響極顯著。由此可知該試驗中設計的各因素對凝膠強度影響的主次順序為魔芋膠添加量（C）＞圓苞車前子殼添加量（B）＞淀粉添加量（A）。

2.2.2 響應面中交互作用及優化

多元二次回歸模型所作的響應面圖是通過Box-Behnken原理設計試驗得到的，響應面圖形反映的是各個因素之間的相互關系以及相互作用程度。固定其他因素，考察交互項對高膳食魚丸感官評分與凝膠強度的影響，響應面分析圖可用于評價該試驗中設計的試驗因素對魚丸感官評分與凝膠強度影響的兩兩交互作用。由于在交互項中淀粉的添加量（A）和圓苞車前子殼（B）的交互作用對高膳食纖維魚丸感官評分與凝膠強度的影響均顯著，用Design-Expert 8.0.6軟件繪出了相應的響應面圖。淀粉的添加量（A）和圓苞車前子殼（B）的交互作用對響應值的影響如圖7、圖8所示。

圖7 淀粉添加量與圓苞車前子殼交互作用對魚丸感官評分的影響Fig.7 Effect of the interaction of starch addition and bract plantain seed shell on sensory score of fish balls

圖8 淀粉添加量與圓苞車前子殼交互作用對魚丸凝膠強度的影響Fig.8 Effect of the interaction between the amount of starch added and bract plantain seed shell on the gel strength of fish balls

響應面坡度越陡峭，說明改變試驗條件對響應值的影響越顯著，該因素對魚丸的影響越大；反之則表明該因素對魚丸的影響越不顯著。

2.2.3 驗證試驗

以感官評分為指標得到的最優工藝參數1為：淀粉添加量6.290%、圓苞車前子殼添加量3.030%、魔芋膠添加量0.090%。以凝膠強度為指標得到的最優工藝參數2為：淀粉添加量7.500%、圓苞車前子殼添加量3.020%、魔芋膠添加量0.100%。對工藝參數1和工藝參數2進行3次平行驗證試驗，結果如表6所示。

表6 驗證試驗結果Table 6 Verification test results

由表6可看出，工藝參數1的感官評分比工藝參數2高，凝膠強度比工藝參數2低，與軟件給出預測值較吻合。由于感官評分更加綜合體現魚丸的品質，確定工藝參數1作為最優工藝參數。

3 結論

通過單因素試驗，確定圓苞車前子殼添加量、淀粉添加量、魔芋膠添加量在單一因素變化的情況下的最優值。以單因素試驗的結果為基礎，用響應面法對高膳食纖維魚丸制作工藝進行優化，建立圓苞車前子殼添加量、淀粉添加量、魔芋膠添加量對感官評分及凝膠強度的二次回歸方程模型，經驗證，該數學模型可靠，可用于高膳食纖維魚丸最優工藝參數的預測。參照響應面分析得到的結果，獲得的最佳配方參數為：淀粉添加量6.290%、圓苞車前子殼添加量3.030%、魔芋膠添加量0.090%。在此條件下制作的魚丸感官評分為93，凝膠強度為 439.609 g·cm。

4 結論與展望

此研究結果表明添加圓苞車前子殼，可提高魚丸中膳食纖維含量，并且魚丸使用品質良好。該研究對魚丸新產品的開發具有指導意義。高膳食纖維魚丸的評估建立在試驗層次上，有關高膳食纖維魚丸產品投放市場，有待于工業化生產線產品品質的進一步檢驗，從而優化新產品開發。