D-最優混料設計優化油炸牛肉餅中食用膠的添加量

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(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

牛肉營養豐富,具有蛋白含量高、脂肪含量低、肉質鮮嫩等特點,因而受消費者喜睞,市面上的牛肉常以肉餅、肉干等形式售出,這些制品的加工工藝大多要經過油炸、微波、烘干等過程,而在熟制的過程中,會使肉餅的水分含量降低,質地粗糙,口感堅硬,另一方面油炸會破壞食物營養價值,對人體健康不利[1],如果適當的加入一定量的食用膠,不但提高食物營養價值,而且可以得到較好的感官品質[2-3]。Valenzuela等[4]將亞麻籽膠添加到牛肉餡餅配方中,通過測定肉餅的質構、水分含量以及脂肪含量等指標,得出亞麻籽能夠降低肉餅的硬度值,同時減少蒸煮過程中水分和脂肪的損失,使產品具有很好粘結性和咀嚼感。Kao等[5]在法蘭克福香腸中加入魔芋膠,實驗得出魔芋膠能夠降低香腸的脂肪含量。莊沛銳等[6]研究了將卡拉膠與刺槐豆膠復配添加到豬肉糜中,結果表明兩種親水膠體都能有效改善肉糜的質構特性和品質特性,并且對產品的顏色也有一定的影響。

近年來,混料實驗在實際生產中得到非常廣泛的應用而日益受到重視。其中最優化設計(D-Optimal Mixture Design)是根據混合物組成的變化研究一個或多個響應變量,在混合物組分百分比等于100%的前提下,通過比較各實驗因子的不同比率與反應變量的關系,得出最優組合比例,優化產品特性[7-8],具有實驗次數少、信息量充分、參數預測精度高等特點[9-11]。Sarteshnizi等[12]應用D-最優混料設計法優化抗性淀粉(RS),葡聚糖(BG)和淀粉(ST)在香腸中的配比,實驗得出2.216%的RS,1.328%的BG和2.456%的ST,總體可接受性最好,期望值最高。Hoc等人[13]對焙烤、非焙炒,脫脂和非脫脂的堅果,在提取蛋白質的條件上應用了最優化設計。鄒宇等[14]在菊花枸杞飲料的配方上應用混料設計的方法,在最佳配方比下,產品具有濃郁的菊花和枸杞香味,酸甜適中,口感潤滑,是一種綠色、營養、健康的保健飲品。

據此本實驗以牛肉為素材,用最優化(D-Optimal)混料設計為實驗方案,探究魔芋膠、黃原膠、亞麻籽膠在油炸牛肉餅產品指標中的交互作用,優化油炸牛肉餅中三種食用膠(魔芋膠、黃原膠、亞麻籽膠)的最適添加量,使產品更加富有彈性和多汁性,從而為進一步探討原料配方對產品品質特性的影響提供理論依據。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

牛肉、五香粉、食鹽、玉米淀粉 均購于哈爾濱大潤發超市;黃原膠 河南天冠生物工程股份有限公司;魔芋膠 鄭州世紀美添食化貿易有限公司;亞麻籽膠 新疆綠旗企業生物科技有限公司。

JD500-2電子天平 沈陽龍騰電子稱量儀器有限公司;AL-104精密電子天平 上海梅特勒-托利多儀器設備有限公司;P22A自動控溫油炸 ACA北美電器;DH-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏設備有限公司;MJ-BL25B2美的料理機 國美電器;TA-XT Plus質構儀 英國SMS公司;冷凍干燥機 上海田楓實業有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 牛肉餅基礎配方 每組實驗以瘦牛肉500 g為基準量,玉米淀粉50 g,碘鹽7.5 g,五香粉5 g,水量80 g。

1.2.2 牛肉餅制作工藝流程 原料肉的選擇整理→切塊→配料→斬拌→添加基礎配方→繼續斬拌→模具成型→油炸→預冷→包裝→成品→貯藏

牛肉預處理:用清水浸泡沖洗,除去牛肉中的筋腱部位。然后將牛肉用刀切成小塊,切忌塊不要太大。

斬拌:牛肉切塊后與配料混合,在4 ℃條件下冷藏,腌制過夜后進行斬拌,直至物料混勻,顏色均一穩定。

模具定型:將斬拌好的肉糜裝滿于圓形鋁蓋模具中,鋁蓋內徑5.5 cm,深度1 cm。用手輕輕將充滿的肉糜表面撫平,定型10 s。

油炸:采用恒溫油炸鍋,工藝參數:油炸溫度為190 ℃,油炸時間為60 s。

1.3D-最優混料設計優化食用膠添加量

使用Design Expert 8.0.5軟件進行混料回歸實驗設計,優化牛肉餅配方中魔芋膠、黃原膠、亞麻籽膠三種食用膠的最適添加量。三個因子質量百分比之和為肉重的0.6%,通過測定牛肉餅的出品率、保水性、硬度、感官評定四個指標作為實驗響應值,建立數學模型,進一步探討配方系統中各組分因子對牛肉餅的影響。通過前期單因素預實驗,將三種食用膠的百分含量分別限定在魔芋膠0≤X1≤0.60,黃原膠0≤X2≤0.60,亞麻籽膠0≤X3≤0.50范圍內(依據GB 2760-2011《食品添加劑 亞麻籽膠》),X1、X2、X3均為實際值。X1+X2+X3=0.6%。D-最優混料實驗設計方案如表1所示。

1.4產品指標的測定方法

1.4.1 出品率的測定 參考G?k等人[15]的方法并作適當改動。牛肉餅在油炸前精確稱量樣品質量;牛肉餅樣品按照實驗設計的溫度和時間進行油炸,油炸后樣品瀝油30 s,待冷卻至室溫,吸干其表面水分和油脂后,精確稱量樣品質量。出品率公式進行計算:

1.4.2 保水性的測定 水分含量的測定方法參照 GB/T 5009.3-2010[16]。將牛肉餅樣品置于常壓恒溫干燥箱內,于105 ℃條件下干燥至恒重。失去的重量即為樣品中水分含量。

1.4.3 硬度的測定 牛肉餅樣品采用TPA質構分析儀進行硬度指標的測定,參照劉迪迪等[17]的方法。用平行刀將肉餅切成2 cm長的圓柱體,切面要平整垂直。實驗設置測試參數為:選用P/50探頭,測試前速率:2 mm/s,測試速率:1 mm/s,測試后速率:1 mm/s,壓縮比為50%,兩次激活感應力:5 g,TPA結果采用Stable Micro System軟件分析。

1.4.4 感官評定 感官評定參考汪巖等[18]的方法,略作改動。感官評定要在無異味、無噪音、照明充足的房間進行。防止評定前通過身體或視覺的接觸,使評定員得到一些片面的、不正確的信息影響他們感官反應和判斷,要避免評定員看到樣品準備全過程。氣溫應控制在20～22 ℃的范圍內,相對濕度應保持在50%～55%左右,通風情況良好,保持其中無氣味,無噪音。感官評分9分為非常喜歡,5分為一般,1分為不可接受。讓小組成員品嘗,并且品嘗下一個樣品前都用純凈水漱口。在所有的感官評定數值中,分別去掉一個最高分和一個最低分,然后計算其平均值。

表1 D-Optimal 設計實驗方案和結果Table 1 D-Optimal mixture design and experiment results

注:實驗結果中數據表示為平均值±標準差,同一列之間小寫字母代表差異性,字母相同表示差異不顯著,不同則表示差異顯著(p<0.05)。

1.5數據處理

實驗結果為3次平行實驗的平均值,數據采用Design Expert 8.0.5及Statistix 8.1軟件進行處理分析。D-Optimal實驗模型采用Scheffe不完全三次多項式擬合,本文主要依據直線模型與二次項模型:

Y=λ1X1+λ2X2+λ3X3(直線型);

Y=λ1X1+λ2X2+λ3X3+λ1λ2X1X2+λ1λ3X1X3+λ2λ3X2X3(二次型)。

方程中Y值代表不同響應值,即出品率、保水性、硬度值、感官評定。X1、X2、X3分別代表魔芋膠、黃原膠、亞麻籽膠,λ1、λ2、λ3分別對應數學回歸模型系數,回歸系數經過分析后得到等高線圖和回歸方程,每個自變量的顯著性由F值和p值決定。

2 結果與討論

2.1D-Optimal實驗產品指標測定結果

依據20組實驗組設計混合實驗,響應值為牛肉餅的出品率、保水性、硬度值、感官評定四個指標,測定指標實驗結果如表1所示。由表1可知，亞麻籽膠添加量越大，硬度越大，從而會降低感官評分。而魔芋膠和黃原膠的比例增大，亞麻籽膠的比例減小，會獲得較高的感官評分。

2.2復配膠對牛肉餅出品率的影響

根據20組設計實驗,利用Design-Expert 8.0.5軟件,得到擬合出品率交互相因子實驗結果的二次項式回歸模型為Y=84.47X1+84.83X2+86.15X3+5.17X1X2+1.66X2X3。其系數為正值,表明三種膠體均可增加產品的出品率。

利用F檢驗檢測回歸模型的統計學顯著性和方差分析結果見表2,該模型下的p<0.0001,表明模型擬合度很好。同時,失擬項相關的p值0.0947表明失擬項并不顯著(p>0.05),說明實驗組數據誤差較小。決定系數R2為0.8831,這表明模型中88.31%的出品率分數變化歸因于自變量。這些結果說明該二次項模型能夠表現出各因子之間的真實關系,可以用來測評牛肉餅出品率分數。而X1X2的p<0.0001,結合圖1等高線圖,說明魔芋膠與黃原膠在提高牛肉餅出品率的基礎上產生了極其顯著的交互作用(p<0.01)。

圖1 出品率交互因子等高線Fig.1 The contours of the interaction factors in cooking yield

2.3復配膠對牛肉餅保水性的影響

利用Design-Expert 8.0.5 軟件,得到擬合出品率交互因子,實驗結果的二次多項式回歸模型如下Y=76.42X1+77.32X2+80.21X3+3.92X1X2+1.44X1X3+1.38X2X3。各項系數的正值表示三種食用膠在保水性的響應上起到了促進作用,且亞麻籽膠的貢獻值最大,這主要是因為食用膠和肉中蛋白通過分子長鏈相互交聯,在三維空間形成一種堅固而致密的網絡結構,能將水或其他液體固定在其中,以阻止外界壓力,從而提供了水分大量的儲存空間,提高了肉制品的保水性[19]。

利用F檢驗檢測回歸模型的統計學顯著性和方差分析結果見表2,該模型下的p<0.0001,這表明模型極其顯著。同時,失擬項相關的p值為0.1809表明失擬項并不顯著(p>0.05),說明實驗組數據誤差較小,決定系數R2為0.9136,這表明模型擬合程度很好。而X1X2的p值為0.0035,說明魔芋膠與黃原膠在提高牛肉餅出品率的基礎上產生了極其顯著的相互作用(p<0.01)。本研究與賈娜[20]將魔芋膠、黃原膠、亞麻籽膠三種食用膠兩兩復配,證實魔芋膠與黃原膠在提高肌原纖維蛋白保水性方面存在協同作用的結論相一致,也正是食用膠的使用,鎖住了肉餅中的水分,其本身形成的親水膠體由于能增加連續相的黏度,因而具有阻礙或降低分散相中油滴的遷移或聚結的傾向。這與魔芋葡甘聚糖和黃原膠的分子組成和空間結構息息相關,魔芋葡甘聚糖分子的基本結構單元是由D-葡萄糖和D-甘露糖組成,黃原膠除含有上述兩種成分外還含有D-葡糖糖醛酸,最重要的是由于它們在分子結構上相互作用,前者表面平滑,分子中沒有分支鏈的部分與黃原膠分子的雙螺旋結構以次級鍵形式相互結合,形成三維空間網狀結構,從而產生強烈的協同促進作用[21]。

圖2 保水性交互因子等高線Fig.2 The contours of the interaction factors in water-holding capacity

2.4復配膠對牛肉餅硬度值的影響

利用Design-Expert 8.0.5軟件,得到擬合質構硬度值交互因子實驗結果的回歸模型如下Y=76.42X1+77.32X2+80.21X3。利用F檢驗檢測回歸模型的統計學顯著性和方差分析結果見表2,該模型下的p<0.0001,這表明模型極其顯著。同時,失擬項相關的p值0.9164表明失擬項并不顯著(p>0.05),說明實驗組數據誤差較小,決定系數R2為0.8173。食用膠的復配添加提高了肉餅的質構硬度(p<0.01),其數學回歸模型二次項系數為0,且結合圖3等高線圖可知,三種食用膠在提高硬度的貢獻上并未起到協同作用。馮美琴[22]將食用膠應用在雞肉腸的研制中,發現食用膠可降低其硬度值,本篇文章在此并沒有得到相一致的結果。可能與傳統蒸煮方法相比,油炸工藝中溫度過高,在加快水分損失的同時,也在一定程度上增加了產品的硬度[23]。

圖3 硬度交互因子等高線Fig.3 The contours of the interaction factors in hardness

2.5復配膠對產品感官評定的影響

利用Design-Expert 8.0.5軟件,得到擬合感官評價值交互因子實驗結果的回歸模型如下Y=7.99X1+7.91X2+5.56X3。利用F檢驗檢測回歸模型的統計學顯著性和方差分析結果見表2,該模型下的p<0.0001,這表明模型極其顯著。同時,失擬項相關的p值0.3729表明失擬項并不顯著(p>0.05),說明實驗組數據誤差較小,決定系數R2為0.9458。從等高線的圖4可以觀察到,亞麻籽膠過多使得評分較低(p<0.01),主要因為過多的亞麻籽膠導致牛肉餅硬度增大,而當膠體體系中魔芋膠和黃原膠比例較大而亞麻籽膠比例較小時,兩者的協同作用增大了肉餅的保水性,抑制了硬度值的增加,從而獲得相對較高的感官評分,其作用機理與王霞[24]研究相一致。由此得出,各種食用膠對肉餅的硬度和品質特性的影響是不完全同的,為了生產高品質牛肉餅,各種食用膠的復配應給予考慮,不但使肉餅硬度得以保證,而且口感較佳。

圖4 感官評定交互因子等高線Fig.4 The contours of the interaction factors in sensory evaluation

表2 牛肉餅的出品率、保水性、硬度值、感官評定回歸模型的方差分析Table 2 Analysis of variance of beef patties cooking yield,water-holding capacity,hardness,sensory evaluation with regression mode

2.6牛肉餅中最優食用膠添加量及驗證實驗

利用Design-Expert 8.0.5軟件最優化功能設定各因素的變化范圍,設定所期望的響應值如下:最大出品率,最大保水性,硬度值在4300～4700 g的范圍適中值,最高的感官評分。通過數學模型模擬分析,得出三種食用膠的最優配方為:魔芋膠0.227%,黃原膠0.293%,亞麻籽膠0.08%。依據這個添加量結果,在后續驗證實驗結果如表3,與預測值基本一致,因此確定牛肉餅中最優食用膠配方組合為魔芋膠0.227%,黃原膠0.293%,亞麻籽膠0.08%。

表3 產品特性指標的預測值與實際值Table 3 The predicted and measured results of physical properties

3 結論

采用D-最優混料設計對牛肉餅中三種食用膠的添加量進行了優化,通過回歸模型的建立,對原料各組分間交互作用進行分析,同時結合混料設計分析軟件的優選功能,得到牛肉餅中食用膠的最佳配方為:魔芋膠0.227%,黃原膠0.293%,亞麻籽膠0.08%。在此條件下,產品的出品率為83.79%,保水性77.14%,硬度值4463 g,感官評定7.41,與預測值相符。魔芋膠與黃原膠在提高產品的出品率及保水性起到了協同作用(p<0.01);亞麻籽膠的過多使用會增加肉餅的硬度而呈現較低的感官評分(p<0.01)。而當魔芋膠和黃原膠比例增大,亞麻籽膠比例減小時,可以獲得較高的感官評分(p<0.01)。本文應用了D-最優混料設計的方法,深入分析各因素之間的關系,優化產品配方比例,為進一步探討原料配方對產品特性的影響提供一定的理論依據。

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