響應(yīng)面優(yōu)化革胡子鯰魚魚頭湯熬煮工藝

李璐，孫慧娟，李剛，吳迪，馬儷珍，李玲

（天津農(nóng)學(xué)院 食品科學(xué)與生物工程學(xué)院國家大宗淡水魚加工技術(shù)研發(fā)分中心天津市水產(chǎn)品加工及質(zhì)量安全校企協(xié)同創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

淡水魚在我國漁業(yè)中的地位舉足輕重。革胡子鯰魚（Clarias gariepinus，CG）無刺，且為我國優(yōu)質(zhì)淡水魚之一，其蛋白含量高、養(yǎng)殖成本低、存活率高、生長周期短[1-2]，但其頭部為黑色，外觀可接受度低。革胡子鯰魚的魚頭和骨刺占其質(zhì)量的40%左右，營養(yǎng)價(jià)值較高。魚類加工產(chǎn)業(yè)多將魚頭和骨刺直接丟棄，造成資源利用不合理，甚至環(huán)境污染，增加加工成本，極大地影響企業(yè)利潤[3]。所以對魚頭、魚骨等副產(chǎn)物進(jìn)一步利用、增加其附加值具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

湯是生活中不可或缺的一道菜肴。在熬煮過程中，湯中肉質(zhì)變軟、結(jié)構(gòu)疏松，溶出的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等物質(zhì)與原料中呈味物質(zhì)達(dá)到相對平衡[4]，從而賦予湯豐富的滋味[5-6]，被逐漸廣泛應(yīng)用到其他菜品中。一方面，湯可以刺激唾液腺分泌更多的唾液，使人們的食欲增加；另一方面，湯進(jìn)入胃時(shí)可以促進(jìn)腸胃的蠕動(dòng)和食物的消化及吸收[7]。在一定程度上，湯具有食療的作用，有提高機(jī)體免疫力等功效[8]。近年來，湯由高溫高壓的烹煮方式轉(zhuǎn)為低溫慢燉[9]。趙勇等[10]以雞湯為研究對象，研究烹制對其滅菌效果及營養(yǎng)物質(zhì)浸出的影響，得出在100℃左右烹制時(shí)蛋白質(zhì)溶出較多。劉達(dá)玉等[11]以豬腿骨為原料，發(fā)現(xiàn)常壓熬制湯整體香氣較好，口味更受人喜歡。步營等[12]以魚骨為研究對象，對高壓熬制鱈魚骨湯的工藝參數(shù)進(jìn)行研究且分析熬制過程中魚骨湯風(fēng)味變化，研究結(jié)果表明，高壓熬制最佳條件為料水比 1∶2（g/mL）、溫度 110 ℃、時(shí)間 2 h，蛋白質(zhì)溶出率為（7.49±0.26）g/100 g魚骨。馮雨等[13]研究發(fā)現(xiàn)，草魚魚頭湯在熬煮溫度95.54℃、熬煮時(shí)間3.51 h、魚水比1∶5.85（g/mL）的條件下，魚頭湯中蛋白質(zhì)含量和總固形物含量最大，湯質(zhì)最好。朱琳等[14]研究不同的加工方式對烏魚湯營養(yǎng)成分的影響，建議熬制時(shí)間控制在1.5 h～3 h。在湯的熬煮過程中，隨著魚頭中營養(yǎng)物質(zhì)的溶出，湯中會(huì)形成具有生理效應(yīng)的膠體，這些膠體粒子由脂肪、蛋白質(zhì)、糖類等組成。王一錚等[15]研究發(fā)現(xiàn)，河蜆湯在熬煮過程中形成的顆粒聚集體可以有效促進(jìn)肝細(xì)胞的增殖，其聚集體的粒徑分布在納米范圍。祿彥科[16]研究發(fā)現(xiàn)骨湯熬煮過程中有微納米顆粒的生成，營養(yǎng)成分主要以脂肪為主，白湯比清湯的粒徑普遍更大，顆粒尺寸的分布范圍更廣。

雖然人們對畜禽肉湯的研究較多，但是對淡水魚魚頭湯的研究很少，市場上相關(guān)產(chǎn)品也不多，所以，本研究通過對鯰魚魚頭湯的熬煮工藝進(jìn)行單因素試驗(yàn)，然后進(jìn)行響應(yīng)面分析，以湯中的蛋白質(zhì)含量為響應(yīng)值，優(yōu)選出魚頭湯最佳熬煮工藝，旨在為企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)提供參考依據(jù)，增加魚頭的附加值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮革胡子鯰魚：市售，共15尾，同一批次，尾質(zhì)量（1.69±0.13）kg，魚頭質(zhì)量（0.34±0.04）kg，魚頭長（14.78±1.16）cm，魚頭寬（9.69±0.53）cm；食鹽、大豆油：市售。

硫酸銅、硼酸、甲基紅指示劑：天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠；硫酸鉀、濃硫酸、濃鹽酸：天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；溴甲酚綠指示劑：北京索萊寶科技有限公司；氫氧化鈉：天津市光復(fù)發(fā)展有限公司；95%乙醇：天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠。以上化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 設(shè)備與儀器

XH-B WL定氮蒸餾裝置：上海昕滬實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；AS220.R2萬分之一電子天平：波蘭瑞德威科技（深圳）有限公司；BJRJ-82絞肉機(jī)：浙江嘉興艾博實(shí)業(yè)有限公司；CM-5色差儀：日本Konica minoilta公司；C21-WK2102美的電磁爐：廣東美的生活電器制造有限公司；SDX-1全自動(dòng)風(fēng)冷速凍箱：天津市特斯達(dá)食品機(jī)械科技有限公司；nano zs90納米粒度及Zeta電位分析儀：英國馬爾文儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 魚頭湯熬煮工藝

魚頭前處理：新鮮魚→敲擊致暈→宰殺→放入冰水→剁下魚頭（冰浴）→新鮮魚頭→去鰓（冰浴）→洗凈（冰水）→瀝干（速凍）→剁成小塊→攪碎→混勻→裝袋備用。

魚頭湯熬煮工藝：魚頭（200g）→油煎20s（1200W）→加水[料液比 1∶6（g/mL）），加熱功率 1200 W]→加鹽0.5%[17]（開始計(jì)時(shí)）→保沸（按試驗(yàn)設(shè)計(jì)調(diào)整加熱功率）→過濾→取樣（無明顯固形物）。

1.3.1.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

革胡子鯰魚魚頭湯熬煮工藝的單因素試驗(yàn)各取魚頭 200 g，各因素的固定條件：魚水料液比 1∶6（g/mL）、熬煮時(shí)間150 min、大豆油油量15 g、加熱功率400 W。各因素梯度分別設(shè)置如下，熬煮時(shí)間：30、60、90、120、150、180 min；大豆油油量：5、10、15、20、25 g；加熱功率：120、300、400、500、600、800 W。每次改變一個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)，以蛋白質(zhì)含量為參考指標(biāo)，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

1.3.1.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素的試驗(yàn)結(jié)果，篩選合適條件進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)，以大豆油油量（A）、熬煮時(shí)間（B）、加熱功率（C）為自變量，考察這3個(gè)因素對魚頭湯蛋白質(zhì)含量的影響，依據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑑?yōu)化魚頭湯熬煮工藝，試驗(yàn)水平及因素見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素及水平Table 1 Factors and levels of response surface test

1.3.2 成分測定

蛋白質(zhì)含量：采用凱氏定氮法，依照GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測定》進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS19.0軟件進(jìn)行方差分析，且利用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P<0.05），運(yùn)用Office Excel2019作圖，利用Design-Expert 11軟件對響應(yīng)面進(jìn)行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 魚頭湯熬制煮工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

熬煮時(shí)間對魚頭湯蛋白質(zhì)含量的影響見圖1。

圖1 熬煮時(shí)間對魚頭湯蛋白質(zhì)含量的影響Fig.1 The effect of cooking time on the protein content of fish head soup

由圖1可知，魚頭湯蛋白質(zhì)含量隨著熬煮時(shí)間的延長呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在熬煮60 min時(shí)蛋白質(zhì)含量達(dá)到最大值0.87 g/100 g；在60 min以后，隨著熬煮時(shí)間的繼續(xù)延長，蛋白質(zhì)含量不斷下降，這可能是由于糖類物質(zhì)逐漸溶出與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成聚合物；另有一部分蛋白質(zhì)隨著熱作用的持續(xù)進(jìn)行，開始分解。因此選取熬煮時(shí)間30、60、90 min進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

大豆油油量對魚頭湯蛋白質(zhì)含量的影響見圖2。

魚頭經(jīng)過油煎，湯形成乳白色，油脂將蛋白質(zhì)乳化，更有利于蛋白質(zhì)的溶出，由圖2可知，不同大豆油油量會(huì)對湯中的蛋白質(zhì)含量產(chǎn)生較大影響。當(dāng)200 g魚頭中添加大豆油5 g～20 g時(shí)，湯中蛋白質(zhì)含量逐漸增加，大豆油油量為20 g時(shí)蛋白質(zhì)含量達(dá)到最大值。大豆油油量為20 g～25 g時(shí)，蛋白含量逐漸下降，這可能是由于油脂與湯中溶出的物質(zhì)相互作用，形成大分子聚合物，隨著油脂含量的增加，促進(jìn)了物質(zhì)間的相互作用和大分子物質(zhì)的形成[18]。因此選取大豆油油量15、20、25 g 進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

圖2 大豆油油量對魚頭湯蛋白含量的影響Fig.2 The effect of soybean oil content on protein content of fish head soup

加熱功率對魚頭湯蛋白質(zhì)含量的影響見圖3。

圖3 加熱功率對魚頭湯蛋白含量的影響Fig.3 The influence of heating power on the protein content of fish head soup

由圖3可知，隨著加熱功率的增加，蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)整體上先增加后降低的趨勢，加熱功率為500 W時(shí)蛋白質(zhì)含量達(dá)到最大。當(dāng)加熱功率大于500 W時(shí)，湯中蛋白質(zhì)含量顯著下降，這可能因?yàn)榈鞍踪|(zhì)和脂肪不斷熱分解成小分子物質(zhì)[19-20]。這與瞿明勇等[21]研究豬排骨湯的制作工藝時(shí)，發(fā)現(xiàn)加熱功率對豬排骨湯的營養(yǎng)有顯著影響的結(jié)果一致。所以選擇加熱功率400、500、600 W繼續(xù)后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface test

通過Design-Expert 11軟件對大豆油油量、熬煮時(shí)間、加熱功率及響應(yīng)值（蛋白質(zhì)含量）建立三因素三水平的二次回歸模型，得到回歸方程：Y=0.94-0.036A+0.027B-5.493E-003C-7.444E-003AB+0.022AC-0.018BC-0.053A2-0.12B2-0.074C2。

2.1.3 回歸方程顯著性分析

方差分析結(jié)果見表3。

由表3可知，模型P<0.000 3，F(xiàn)值為21.612，R2=0.965 3，表明此二項(xiàng)回歸方程擬合的模型極顯著，失擬項(xiàng)不顯著（P>0.05）。一次項(xiàng) A、二次項(xiàng)（A2、B2、C2）的 P<0.01，影響極顯著；一次項(xiàng)B的P<0.05，表示熬煮時(shí)間是此模型的顯著影響因素。交互項(xiàng)AB、BC、AC影響不顯著。從F值可以看出A、B、C 3個(gè)因素對蛋白質(zhì)含量影響大小順序?yàn)锳>B>C。

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

2.2 響應(yīng)曲面分析及驗(yàn)證試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)曲面分析

圖4～圖6為各因素交互作用的響應(yīng)面和等高線圖。

圖4 大豆油油量與熬煮時(shí)間交互作用對湯中蛋白質(zhì)含量的影響Fig.4 The effect of the interaction between soybean oil content and boiling time on the protein content in the soup

圖5 大豆油油量與加熱功率交互作用對湯中蛋白質(zhì)含量的影響Fig.5 The effect of the interaction between oil content and heating power on the protein content in the soup

圖6 熬煮時(shí)間與加熱功率交互作用對湯中蛋白質(zhì)含量的影響Fig.6 The effect of the interaction between boiling time and power on protein content in soup

由圖4可知，大豆油油量和熬煮時(shí)間交互作用產(chǎn)生的3D圖像呈一個(gè)弧面，蛋白質(zhì)含量隨著兩個(gè)因素的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。同理，固定大豆油油量，蛋白質(zhì)含量變化趨勢也如此。由圖4～6可知，大豆油油量與加熱功率交互作用等高線圖趨向橢圓，交互作用好于其他兩組但影響仍不顯著。

2.2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過Design-Expert 11分析得出最佳工藝參數(shù)：大豆油油量18.1 g、熬煮時(shí)間64.1 min、加熱功率489.2 W。通過預(yù)測的模型，結(jié)合試驗(yàn)中實(shí)際條件的方便及可操作性，調(diào)整參數(shù)為大豆油油量18 g、熬煮時(shí)間64 min、加熱功率500 W，此時(shí)湯中蛋白質(zhì)含量預(yù)測值為0.948 g/100 g。在上述條件下重復(fù)3次驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)際得到的魚頭湯中的蛋白質(zhì)含量平均值為（0.943±0.005）g/100 g。試驗(yàn)值與模型預(yù)測值之間的相對誤差較小，結(jié)果可行。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)，對大豆油油量、熬煮時(shí)間、加熱功率進(jìn)行優(yōu)化，得到革胡子鯰魚魚頭湯最佳工藝參數(shù)為200 g魚頭中添加大豆油油量18 g、熬煮時(shí)間64 min、加熱功率500 W，此時(shí)湯中蛋白質(zhì)含量為0.943 g/100 g，與預(yù)測值相近。該模型可用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。