響應面法優(yōu)化植物基香腸配方

徐 進，周 輝，周 凱，曾憲明，張萬剛，徐寶才,,*

（1.南京農業(yè)大學食品科技學院，江蘇南京 210095；2.合肥工業(yè)大學食品與生物工程學院，安徽合肥 230601）

香腸具有風味獨特、營養(yǎng)豐富、食用及攜帶方便等特點[1]，是深受人們喜愛的一類熟肉制品。香腸中含有豐富的蛋白質，然而香腸中脂肪含量偏高，含有大量的飽和脂肪酸和膽固醇，容易引起人體疾病的發(fā)生，如肥胖癥、高血壓等[2]。植物蛋白肉是以植物蛋白為主要原料，為替代傳統(tǒng)肉類而出現的一類仿肉產品[3]。植物蛋白肉中蛋白質含量高、膽固醇和脂肪含量低，在為人體補充營養(yǎng)的同時又減少肉制品帶來的各種疾病的風險[4]，滿足了人們追求綠色健康消費觀念的需求。

豌豆分離蛋白是從豌豆中分離出來的一種優(yōu)質植物蛋白資源，氨基酸組成均衡，與其他豆類蛋白相比具有更低的致敏性[5]。因其具有良好的凝膠性[6]和持水性[7]，是制作植物肉的良好原料。豌豆組織蛋白又叫豌豆肉類類似物[8?9]，是以豌豆分離蛋白為主要原料，加入一定的水及添加劑通過擠壓膨化，使蛋白質分子之間整齊排列且具有同方向的組織結構，同時膨化凝固，形成纖維狀蛋白，具有與肉類相似的咀嚼感[10]。谷朊粉中蛋白質含量豐富，氨基酸種類齊全，是常用的食物原料[11]。谷朊粉有良好的吸水性，添加在植物肉中用來改善其保水性和質構特性[12?13]。研究顯示，豆類和谷物共同使用可以使產品蛋白質含量和消化率增加[14?15]。國內外最常用的植物肉制作原料是大豆蛋白,師文添[16]以大豆拉絲蛋白為原料制作出彈性良好、香味濃厚的煙熏素火腿。Akramzadeh 等[17]通過在大豆素腸中添加卡拉膠、改性淀粉和蛋清等改善其質構特性。植物蛋白肉的原料還有蘑菇[18]、花生蛋白[19]等，目前對豌豆蛋白的研究主要集中在肉制品、乳制品、水產品、焙烤制品等領域[20]，而關于豌豆蛋白和谷朊粉的添加比例對植物基香腸質構特點和蒸煮損失的響應面分析還沒有相關研究。

本研究對豌豆分離蛋白、豌豆組織蛋白、谷朊粉3 種蛋白的添加量進行單因素實驗和響應面試驗，通過對香腸進行感官和質構分析等指標的分析進行配方優(yōu)化試驗，研制出新型的植物基香腸配方。探究豌豆分離蛋白、豌豆組織蛋白和谷朊粉3 種蛋白原料的最佳添加量和配方工藝，旨在得到品質好、口感佳的植物基香腸，為相關植物肉產品的開發(fā)及產業(yè)發(fā)展提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

豌豆分離蛋白（蛋白質含量88.2%）、豌豆組織蛋白（蛋白質含量85.1%） 煙臺雙塔公司；谷朊粉（蛋白質含量88.0%） 封丘縣華豐粉業(yè)有限公司；紫蘇籽油 吉林市圣基實業(yè)有限公司；木薯變性淀粉

杭州普羅星淀粉有限公司；谷氨轉氨酰胺酶（酶活107.1 U/g） 河南萬邦實業(yè)有限公司；白砂糖、食鹽、白胡椒粉、五香粉、生姜粉、洋蔥粉 均購買于蘇果超市；不同品牌植物基香腸 均為市售。

PRACTUM224-1CN 電子分析天平（精度 0.0001 g）北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；K15e 斬拌機西班牙TALSA 公司；TW20 通用水浴鍋 德國JULABO 公司；TA-XTplus 質構儀 英國Stab Micro System 公司；MUL-9000XILIE 系列純水機美國Millipore 公司；DC800-FB-E 真空充氣包裝機美國Promarks 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 植物基香腸基本配方 冰水54%、豌豆分離蛋白17%～21%、豌豆組織蛋白5%～25%、谷朊粉1%～13%、木薯變性淀粉3%、紫蘇籽油7.5%、食鹽1.2%、白砂糖1.6%、香辛料2%、味精0.5%。

1.2.2 植物基香腸的制作流程

1.2.3 制作工藝要點

1.2.3.1 組織蛋白復水和拆絲 40 ℃溫水浸泡豌豆組織蛋白30 min，浸泡至內部無硬芯，用紗布裹住組織蛋白擠出水分，復水后重量約是干料的3 倍。將浸泡好的組織蛋白放入斬拌機里進行斬拌拆絲。

1.2.3.2 分離蛋白乳化 豌豆分離蛋白加入大部分冰水，斬拌至無顆粒狀態(tài)，加入紫蘇籽油進行高速斬拌，斬拌至奶油狀。

1.2.3.3 斬拌與攪拌 依次加入谷朊粉、香辛料和淀粉，攪拌均勻。加入TG 酶和拆絲后的豌豆組織蛋白攪拌均勻。

1.2.3.4 灌裝 攪拌完成的漿體倒入灌腸機，用直徑22 mm 的塑料腸衣進行灌裝，每根腸約重50 g，灌裝要求：松緊適中、腸體表面無氣泡[21]。

1.2.3.5 蒸煮 香腸從冷庫中取出放至室溫，先在50 ℃中加熱30 min，隨后在90 ℃中加熱30 min，加熱結束后冷卻。

1.2.4 單因素實驗 選定豌豆分離蛋白添加量19%、豌豆組織蛋白添加量15%、谷朊粉添加量7%為固定工藝參數，以硬度、咀嚼性、感官評價和蒸煮損失為指標，考察豌豆分離蛋白添加量（17%、18%、19%、20%、21%）、豌豆組織蛋白添加量（5%、10%、15%、20%、25%）、谷朊粉添加量（1%、4%、7%、10%、13%）3 個主要影響因素對植物基香腸品質的影響。

1.2.5 響應面優(yōu)化試驗 在單因素實驗的基礎上，以感官評分（Y1）和咀嚼性（Y2）為響應值進行三因素三水平的試驗，以對植物蛋白香腸影響顯著的3 個因素豌豆分離蛋白添加量（A）、豌豆組織蛋白添加量（B）和谷朊粉添加量（C）為考察因素，Box-Behnken試驗因素與水平見表1。

表1 響應面試驗因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiment

1.2.6 質構特性 樣品處理成直徑2 cm，厚度1 cm的圓柱體[22]，在TPA 模式下進行質構測試。物性測試儀探頭型號為P/50，操作參數為測試前速度2 mm/s，測試速度1 mm/s，測試后速度1 mm/s，下壓程度50%，觸發(fā)力5 g，測定指標為硬度、咀嚼性。每組樣品測定5 次，求平均值。

1.2.7 蒸煮損失率 參照張慧霞[23]的方法略有改動。將香腸質量記為m1，置于封閉蒸煮袋中。使TG 酶更好地發(fā)揮作用，采用兩段式加熱法，先在50 ℃中水浴加熱30 min，再在90 ℃中水浴加熱30 min，蒸煮完畢后室溫放置2 h，擦干表面的水分后稱重，質量記為m2，每組樣品進行5 次測定，取平均值，蒸煮損失率的計算公式如下：

1.2.8 感官評價 參照王禹赫等[24]的方法略有改動。感官鑒定邀請了20 位對香腸具有專業(yè)感官鑒定的人士，對植物基香腸從組織結構、硬度、彈性、口感、總體可接受性等方面進行評價打分，最后得分取平均值。采用盲審的方式進行評定，參與評定的人員禁止交流，每組樣品評定前用水漱口，評定標準見表2。

表2 植物基香腸感官評價標準Table 2 The sensory evaluation standards of vegetarian sausage

1.3 數據分析

實驗測定數據采用平均值±標準差的形式表示，采用SPSS 22.0 對數據進行處理；響應面試驗運用Design Expert 8.0.6 軟件進行分析和設計，對實驗數據進行方差分析及二次多項式回歸擬合。每個水平設置3 個平行，重復測定5 次。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 豌豆分離蛋白添加量對植物基香腸品質的影響 豌豆分離蛋白添加量對植物蛋白香腸品質的影響如圖1 所示，由圖1A 可知，隨著豌豆分離蛋白添加量的增加，香腸的硬度逐漸增大。這是由于豌豆分離蛋白具有良好的凝膠性，分散在水中形成凝膠體，隨著豌豆分離蛋白添加量的增加，形成的立體網絡結構更加堅固[25]。香腸的咀嚼性隨著豌豆分離蛋白添加量的增加逐漸增大，豌豆分離蛋白需要與水結合發(fā)揮作用，添加量過多時不能很好地與水結合[14]，添加量在17%～19%時，咀嚼性顯著提高（P<0.05），添加量在19%～20%時硬度和咀嚼性均無顯著變化，從經濟因素考慮，認為豌豆分離蛋白添加量在19%時合適。

蒸煮損失和感官評價的結果如圖1B 所示，由圖1B 可知，當豌豆分離蛋白添加量為17%～19%時，產品的蒸煮損失率顯著下降（P<0.05）添加量為19%～20%時，蒸煮損失無顯著變化。可能是由于加熱的過程誘導的疏水作用導致分離蛋白更好的交聯[26]，形成更致密的凝膠網絡結構，具有一定的改善香腸蒸煮損失的作用。Sun[27]的研究也表明，添加豌豆分離蛋白凝膠可以提高產品的持水性。豌豆分離蛋白添加量在19%～20%時感官評分較高，添加量過少時香腸口感發(fā)軟，咀嚼性差，而添加量高于20%時，香腸口感發(fā)硬，汁水感不足。綜合以上分析認為，豌豆分離蛋白的添加量在19%時可以較好地發(fā)揮凝膠性和保水性的功能。

圖1 豌豆分離蛋白添加量對香腸品質的影響Fig.1 Effects of pea protein isolate on qualities of sausage

2.1.2 豌豆組織蛋白添加量對植物基香腸品質的影響 豌豆組織蛋白添加量對植物基香腸品質的影響如圖2 所示，由圖2A 可知，隨著豌豆組織蛋白添加量的增加，產品的硬度和咀嚼性均呈現先上升后下降的趨勢。豌豆組織蛋白添加量在5%～10%時硬度顯著增大（P<0.05），這可能是因為豌豆組織蛋白具有良好的吸水能力，有利于支撐香腸的組織結構[28]。添加量為10%～15%時，硬度下降顯著（P<0.05），添加量在15%～25%時，硬度下降不顯著。這可能是因為香腸內部結構變得膨脹和松散，凝膠體系遭到破壞[29]。豌豆組織蛋白添加量為5%～10%時咀嚼性增大但是變化不顯著（P<0.05），添加量在10%～15%時咀嚼性顯著下降（P<0.05），15%～25%咀嚼性下降不顯著。結果表明，適當添加豌豆組織蛋白可以提高香腸的咀嚼性，添加量過多會帶來負面效果[30]。

圖2 豌豆組織蛋白添加量對香腸品質的影響Fig.2 Effects of pea tissue protein on qualities of sausage

豌豆組織蛋白添加量對產品蒸煮損失和感官評分的影響如圖2B 所示。豌豆組織蛋白添加量由5%增加到25%時，蒸煮損失率由2.6%增加到4.2%，可能是因為豌豆組織蛋白的添加使豌豆分離蛋白和水不能很好的結合，破壞整個體系的穩(wěn)定性，從而使產品的保水性下降。當豌豆組織蛋白的添加量為10%時，感官評分最高，這是因為豌豆組織蛋白的添加賦予了植物基香腸肉纖維感，使其口感和視覺感受與真肉腸相近。豌豆組織蛋白添加量過多時，切面結構粗糙、松散，口感發(fā)渣，感官評分下降。綜合而言，豌豆組織蛋白的適宜添加量為10%。

2.1.3 谷朊粉添加量對植物基香腸品質的影響 谷朊粉的添加量對香腸品質的影響如圖3 所示，由圖3A 可知，谷朊粉的添加量由1%增加至7%時，硬度呈現上升趨勢，這可能是因為谷朊粉在高溫條件下硬度增大，隨著添加量的增多整個體系的硬度也隨之增大，谷朊粉添加量為10%～13%時，硬度無顯著變化。這與趙知微[13]研究谷朊粉添加到素肉餅中對質構的影響結果一致。添加量在7%～10%之間時，香腸硬度呈下降趨勢，這可能是因為加入了過量的谷朊粉，分子內和分子間通過二硫鍵連接，形成了不均勻的網絡結構，導致部分谷朊粉不能均勻的與水結合而發(fā)揮功能[11]。谷朊粉添加量為4%～7%時咀嚼性顯著提高（P<0.05），當谷朊粉添加量為7%時，咀嚼性最高，谷朊粉添加量繼續(xù)增大，在添加量為7%～13%時咀嚼性無顯著變化。

圖3 谷朊粉添加量對香腸品質的影響Fig.3 Effects of gluten on qualities of sausage

谷朊粉的添加量對香腸蒸煮損失和感官評分的影響如圖3B 所示。王慧潔等[31]指出，只有添加合適量的谷朊粉，才能使產品的感官得分得到提升。由于谷朊粉有很強的吸水性，能提高產品的保水性，谷朊粉的添加量在1%～10%時，蒸煮損失變化顯著（P<0.05），在7%時蒸煮損失率最小，添加量在10%～13%時蒸煮損失變化不顯著。谷朊粉添加量過少時，彈性差，硬度小，感官得分低。谷朊粉添加量過大時，香腸的質地干燥粗糙，切面不均勻。當谷朊粉的添加量為7%時產品的感官評分達到最高值，蒸煮損失率達到最低值，并且與其他添加量有顯著差異（P<0.05）。綜合分析認為谷朊粉添加量在7%時，香腸具有較好的品質。

2.2 Box-Behnken 試驗結果與分析

2.2.1 響應面回歸方程的建立與分析 在單因素實驗基礎之上，以豌豆分離蛋白添加量（A）、豌豆組織蛋白添加量（B）、谷朊粉添加量（C）為試驗因子進行三因素三水平Box-Behnken 試驗設計，以植物基香腸感官評分（Y1）、咀嚼性（Y2）為響應值，得到添加不同植物蛋白后香腸感官評分和咀嚼性的結果，結果如表3 所示。

表3 響應面試驗設計與結果Table 3 Experiment design and results of response surface analysis

將表4 數據用Design Expert 8.0.6 進行回歸分析，得到植物基香腸感官評分和咀嚼性的二次回歸方程，植物基香腸感官評分回歸方程為：Y1=80.02+1.17A+0.28B?2.59C+0.40AB?0.37AC+0.19BC?6.86 A2?2.6B2?4.42C2，植物基香腸咀嚼性回歸方程為：Y2=4758.94+71.12A?20.73B?31.07C?12.86AB+2.55 AC+50.17BC?99.76A2?100.96B2?164.96C2。

F值和P值用于表征試驗因素對響應值影響的程度，F值越大，P值越小，說明該因素在方程中的影響越顯著[32]。由表4 和表5 可知，植物基香腸感官評分建立的回歸方程模型：F值為151.68，P=0.0001<0.01，建立的模型極顯著，失擬項P=0.0616>0.05 不顯著。植物基香腸咀嚼性所建立的回歸方程模型：F值為3.99，P=0.0240<0.05，表明建立的模型顯著，二次模型的失擬項P=0.0622>0.05 不顯著。上述兩個模型的R2均接近1，說明所得模型預測值與實測值之間具有高度的相關性，試驗誤差較小，試驗自變量與響應值之間的關系顯著，可用于植物基香腸制備工藝參數的預測與優(yōu)化。

表5 不同試驗因素回歸模型系數檢驗Table 5 Test of regression coefficients of different test factors

2.2.2 因素間交互作用分析 Box-Benhnken 響應面圖見圖4。響應曲面圖顯示了A、B、C 中任意一個變量取零水平時，其余兩個變量對感官評分的影響。響應面圖曲線越彎曲說明影響越大[33]。

從響應面圖中可直觀地看出各因素對響應值的影響，由圖4 可知，感官評分和咀嚼性均隨著各因素的增加先升高后降低。由響應面圖和表4 的方差分析得到，一次項豌豆分離蛋白添加量（A）、谷朊粉添加量（C）均對感官評分呈極顯著影響（P<0.01），其他項不顯著，3 個因素對香腸感官評分的影響大小依次為：谷朊粉添加量（C）>豌豆分離蛋白添加量（A）>豌豆組織蛋白添加量（B）。植物基香腸咀嚼性回歸模型中，一次項豌豆分離蛋白添加量（A）對咀嚼性呈極顯著影響（P<0.01），其他項不顯著，3 個因素對香腸的咀嚼性影響大小依次為：豌豆分離蛋白添加量（A）>谷朊粉添加量（C）>豌豆組織蛋白添加量（B）。3 個影響因素間的交互作用不顯著。

圖4 各因素交互作用對感官評分影響的響應面圖Fig.4 Response surface diagram of the interaction of factors on sensory score

表4 響應面二次模型的方差分析Table 4 Variance analysis of response surface quadratic model

2.3 三種蛋白原料最佳添加量的預測及驗證

利用Design Expert 8.0.6 對二次多元回歸模型進行最佳工藝條件的預測，得到植物基香腸的蛋白原料最佳添加量：當豌豆分離蛋白添加量為19.19%、豌豆組織蛋白為9.83%、谷朊粉為7.13%時，感官評分預測值為80.11 分，咀嚼性4767.09 g·s。在此工藝下進行3 次平行驗證試驗，得到的植物蛋白香腸有良好的彈性，切面均勻，氣孔小而且分布均勻，硬度適中，有較好的咀嚼感，吃后有回味，和肉香腸的口感相似，感官評分實際值為81.20 分，與預測值80.11分接近，咀嚼性4791.2 g·s，與預測值4767.09 g·s接近。說明響應面優(yōu)化的結果是可靠的，具有實際應用價值。

2.4 與市售產品品質比較

質構特性和保水性是食品的重要特性，也是科學評價食品品質的重要參考指標[34]。本文對優(yōu)化后的香腸樣品與市售的4 種以大豆蛋白為主要原料的香腸進行質構特性和蒸煮損失率的比較。

由表6 可知，市售植物基香腸的硬度范圍在5302.22～7330.51 g，優(yōu)化后香腸樣品1 的硬度為6245.11 g，在市售植物基香腸硬度范圍內。樣品1 的內聚性、回復性均高于（P<0.05）市售香腸，口感更好，說明樣品1 具有良好的質構特性。蒸煮損失率低于（P<0.05）市售香腸，說明樣品1 的保水性較好。

表6 產品的品質特性測定結果Table 6 Quality characteristics results of samples

3 結論

通過優(yōu)化植物基香腸中蛋白原料最佳配比得到植物基香腸原料中豌豆分離蛋白、豌豆組織蛋白和谷朊粉的最佳添加量。通過響應面試驗得出，影響植物基香腸感官評分的三個因素影響程度大小順序為谷朊粉添加量>豌豆分離蛋白添加量>豌豆組織蛋白添加量，影響植物基香腸咀嚼性的三個因素影響程度大小順序為豌豆分離蛋白添加量>谷朊粉添加量>豌豆組織蛋白添加量。最優(yōu)參數為豌豆分離蛋白添加量19.19%、豌豆組織蛋白添加量9.83%、谷朊粉添加量7.13%，在此條件下得到的植物基香腸具有良好的口感，蒸煮損失率低于市售植物基香腸。該實驗符合響應面模型驗證結果，具有一定的實踐指導價值。綜上所述，在此優(yōu)化條件下生產出的植物基香腸硬度適中、咀嚼性以及保水性好，可為新植物蛋白原料的開發(fā)和使用提供思路和理論指導。