響應面分析法優化牛肉糜保水工藝中無磷保水劑配比

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(廊坊師范學院生命科學學院,河北廊坊 065000)

牛肉糜制品在熱加工過程中會有一定程度的蒸煮損失,如何減少蒸煮損失,是牛肉糜制品加工過程中首要解決的問題。目前最常用的方法是加入磷酸鹽,王麗芳[1]等發現添加0.2%的復合磷酸可提高豬肉丸的保水性,且當三聚磷酸鈉∶焦磷酸鈉∶六偏磷酸鈉=0.75∶1∶1時,豬肉丸的含水量可達63.6%。但當磷酸鹽添加量在較高范圍內時(0.4%～0.5%),會產生金屬澀味、皂味或苦味,使肉制品風味出現惡化,組織結構變得粗糙。另外,攝入過多的磷酸鹽還會對人體健康產生不利影響,短期內可能會出現腹痛與腹瀉,長期內可能會使機體的鈣磷比出現紊亂或失衡[2-3]。因此,越來越多的人開始使用無磷保水劑代替磷酸鹽。張晨芳等[4]發現采用0.4%谷氨酰胺轉氨酶(TG酶)、0.6%乳酸鈉、2.0%檸檬酸鈉和0.20%碳酸氫鈉組成的復合無磷保水劑浸泡過的羅非魚片的保水性能要優于磷酸鹽,和未經過處理的羅非魚片(蒸煮損失為18.89%)相比,蒸煮損失僅為7.26%。柳艷霞等[5]利用質量濃度為0.43 g/100 mL的玉米變性淀粉和質量濃度為0.80 g/100 mL的蔗糖脂肪酸酯浸泡冷卻豬肉270 s時,豬肉的貯存損失由5.62%減小為2.29%。

組氨酸是一種堿性氨基酸,等電點為7.59[6],和精氨酸以及賴氨酸類似,它也能提高肉制品的pH,使肉制品的pH遠離其等電點。碳酸鈉和檸檬酸鈉是一類強堿弱酸鹽[7],添加至牛肉糜中可提高其pH,同時,其高價陰離子可增加牛肉糜體系的離子強度,有利于肌球蛋白變為溶膠狀態,提高保水性[8]。關于L-組氨酸、碳酸鈉、檸檬酸鈉復配應用于牛肉糜保水工藝中,尚未見相關文獻報道。本文以L-組氨酸、碳酸鈉、檸檬酸鈉三種食品添加劑配比,利用響應面法優化牛肉糜保水工藝,為無磷保水劑的開發提供了可靠的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

牛肉 后腿肉,宰后9 h,pH=5.77,購于廊坊元辰超市;L-組氨酸、碳酸鈉、檸檬酸鈉 鄭州升達食品添加劑有限公司;戊二醛、乙醇、醋酸異戊酯等 均為國產分析純。

ZB-40型斬拌機 沈陽吉祥食品機械有限公司;JMS-6380LV掃描電子顯微鏡 日本電子公司;PH-3CW微機型酸度計 上海理達儀器廠;高速均質機 上海世赫機電設備有限公司;J-HH-6A精密數顯恒溫水浴鍋 上海皓莊儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 牛肉糜的制備 牛肉→斬拌(使用斬拌機于4 ℃,3500 r/min斬拌3 min)→牛肉糜

1.2.2 單因素實驗 以L-組氨酸含量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)、碳酸鈉含量(0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)檸檬酸鈉含量(0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)進行單因素實驗,測蒸煮損失。在進行單因素實驗時,選取一個因素為變量時其余兩個因素需固定在特定水平,固定L-組氨酸含量為0.2%;碳酸鈉含量0.4%;檸檬酸鈉含量0.2%。

1.2.3 響應面法優化無磷保水劑工藝 在單因素基礎上,進行三因素三水平響應面分析實驗,具體因素及水平見表1,實驗結果采用Design-Expert 8.0軟件進行分析。

表1 實驗因素水平Table 1 Factors and levels for design

1.2.4 蒸煮損失(Cooking Loss,CL)的測定 牛肉糜分別加入不同組成及含量的食品添加劑,放入蒸煮袋后于80 ℃恒溫水浴中加熱10 min,取出后室溫下冷卻,剪開蒸煮袋,用濾紙拭干樣品表面的水分,稱重,計算蒸煮損失[9]。

式中:m1為蒸煮前的質量,m2為蒸煮后的質量。

1.2.5 牛肉糜微觀結構 將添加無磷保水劑的牛肉糜灌腸,80 ℃下煮制30 min,切取小塊(3 mm×3 mm×1 mm),以3%戊二醛固定過夜,然后用生理鹽水漂洗和25%～100%乙醇梯度脫水,再使用50%～100%醋酸異戊酯梯度置換出乙醇后,真空干燥,噴金,掃描電子顯微鏡觀察[10]。

1.2.6 牛肉糜pH的測定 10.0 g牛肉糜加入90 mL蒸餾水,在12000 r/min下均質20 s,于室溫放置20 min。過濾取上清液,用pH計測定酸度[11]。

1.3 數據處理

采用SPSS 16.0、Design-Expert 8.0和Excel 2016軟件對數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 L-組氨酸添加量對牛肉糜蒸煮損失的影響

不同L-組氨酸添加量對蒸煮損失的影響結果見圖1。與未添加L-組氨酸的牛肉糜相比,添加0.1%～0.4% L-組氨酸處理的牛肉糜的蒸煮損失極顯著降低(p<0.01);添加0.5% L-組氨酸處理的牛肉糜蒸煮損失顯著降低(p<0.05)。Guo等[12]研究發現,添加L-組氨酸可以提高豬肉肌球蛋白的表面疏水性,從而提高豬肉的保水性。Zhang等[6]研究發現,添加L-組氨酸可以降低豬肉的蒸煮損失,提高保水性,并使肌球蛋白形成良好狀態的凝膠。隨著L-組氨酸添加量的增大,牛肉糜的蒸煮損失先降低后升高,當L-組氨酸添加量為0.2%時,蒸煮損失最小,和未添加L-組氨酸的牛肉糜相比,蒸煮損失降低了46.8%。當L-組氨酸添加量超過0.2%,蒸煮損失又開始升高,原因有待進一步研究。

圖1 添加不同濃度L-組氨酸對牛肉糜的蒸煮損失影響Fig.1 Effect of different L-histidine additions on cooking loss of beef batters 注:不同大寫字母表示組間差異極顯著(p<0.01);不同小寫字母表示組間差異顯著(p<0.05);圖2、圖3、圖8同。

2.2 碳酸鈉添加量對牛肉糜蒸煮損失的影響

結果見圖2,隨著碳酸鈉添加量的升高,牛肉糜的蒸煮損失逐漸降低,當碳酸鈉添加量為0.8%時,蒸煮損失降低了42.8%;和未添加碳酸鈉的牛肉糜相比,經過0.1%碳酸鈉處理的牛肉糜蒸煮損失顯著降低(p<0.05),其它添加量組均表現為極顯著降低(p<0.01)。且添加量達到0.4%以后,蒸煮損失變化不顯著。這可能是因為經過弱堿處理,蛋白質變性,加熱后聚集,蛋白分子間交聯增多,形成高強度凝膠,才能把水分鎖在凝膠網格結構中,從而降低牛肉糜的蒸煮損失[13-14]。而Rigdon[15]使用強堿性電解質溶液代替磷酸鹽加入豬肉中,發現強堿性電解質溶液并不能提高豬肉的保水性,這可能是因為高pH(11.5)會破壞豬肉的蛋白質結構,從而使水分流出。因此,選擇碳酸鈉添加量為0.4%。

圖2 碳酸鈉添加量對牛肉糜蒸煮損失的影響Fig.2 Effect of different sodium carbonate additions on cooking loss of beef batters

2.3 檸檬酸鈉添加量對牛肉糜蒸煮損失的影響

李莎莎[16]研究認為,添加檸檬酸鈉可提高冷凍魚糜的保水性能,顯著提高魚糜凝膠強度。由圖3結果可知,和未經過檸檬酸鈉處理的相比,經過檸檬酸鈉處理的牛肉糜蒸煮損失均表現為顯著降低(p<0.05),當檸檬酸添加量為0.4%時,蒸煮損失降低13.1%,降低程度不如經過L-組氨酸和碳酸鈉處理的樣品明顯。

圖3 檸檬酸鈉添加量對牛肉糜蒸煮損失的影響Fig.3 Effect of different sodium citrate additions on cooking loss of beef batters

2.4 響應面優化牛肉糜保水工藝

利用Design-Expert 8.0,對表2中的數據進行二次回歸擬合,得到編碼回歸方程為:Y=13.79-1.68A-6.82B-0.22C+0.43AB-0.11AC+0.053BC-0.32A2+3.99B2+0.22C2。

表2 響應面實驗設計及結果Table 2 Design and results of RSA

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression models

注：p<0.05,差異顯著;p<0.01,差異極顯著。

圖4 L-組氨酸添加量和碳酸鈉添加量的交互作用對牛肉糜蒸煮損失的影響Fig.4 Cross interaction between L-histidine amount and sodium carbonate amount on cooking loss of beef batter

圖5 碳酸鈉添加量和檸檬酸鈉添加量的交互作用對牛肉糜蒸煮損失的影響Fig.5 Cross interaction between sodium carbonate amount and sodium citrate amount on cooking loss of beef batter

圖6 L-組氨酸添加量和檸檬酸鈉添加量的交互作用對牛肉糜蒸煮損失的影響Fig.6 Cross interaction between L-histidine amount and sodium citrate amount on cooking loss of beef batter

對回歸方程進一步求導,得到無磷保水劑的最優復配工藝為:L-組氨酸0.30%,碳酸鈉0.56%,檸檬酸鈉0.27%,此時蒸煮損失具有最小值為9.14%。

為了證實預測值的準確性,在最優條件下進行驗證實驗,得到牛肉蒸煮損失實測值為9.16%±0.02%(n=3),與預測值9.14%非常接近,說明該模型良好,且用Box-Behnken響應面法分析無磷保水劑對牛肉糜蒸煮損失的影響是可行的。

2.5 掃描電鏡(SEM)下牛肉糜結構

圖7為牛肉糜的SEM(Scanning electron microscopy)圖。新鮮牛肉組織為有規則的纖維狀結構,本實驗牛肉經過了斬拌、加熱處理,蛋白質變性、展開,疏水基團暴露出來,蛋白分子間相互作用增加,蛋白發生交聯,形成集聚體,能夠保持大量的水分[17-18]。由圖7可知:未添加無磷保水劑的牛肉糜組織呈現凝膠狀三維網格結構[19],而經過無磷保水劑處理的牛肉糜呈現為更加致密的凝膠網格結構,能鎖住更多的水分。

圖7 掃描電鏡觀察無磷保水劑處理的牛肉糜超微結構(5000×)Fig.7 Microstructure of beef batter by SEM with water retention agent of non-phosphate additive(5000×)注:A：未經處理;B：無磷保水劑處理。

2.6 牛肉糜pH變化

牛肉宰后1 h內pH為6.2,隨著時間的延長,乳酸積累,pH下降[20]。添加無磷保水劑后牛肉糜的pH為7.65,和未添加無磷保水劑的牛肉糜(pH為5.77)相比,pH極顯著升高(p<0.01)。Puolarme[21]認為高pH(遠離等電點)能夠增強蛋白分子間的靜電斥力,促進蛋白分子與水分子之間的結合[22],從而提高肉制品的保水性;另外,Yongsawatdigul[23]發現低pH(4.5)不利于凝膠網絡結構的形成,而近中性環境(pH6.5及pH7.5)有利于形成高彈性的凝膠,從而使水分鎖在凝膠網格結構中。

圖8 無磷保水劑處理后牛肉糜pH的變化Fig.8 Changes in pH of beef batter with water retention agent of non-phosphate additive

3 結論

優化得到復配無磷保水劑:L-組氨酸添加量為0.30%,碳酸鈉添加量為0.56%,檸檬酸鈉添加量為0.27%,此時牛肉糜具有最小的蒸煮損失9.14%。同時,無磷保水劑能顯著提高牛肉糜的pH,使肌原纖維蛋白偏離等電點,有利于牛肉糜組織形成良好狀態的三維網狀凝膠,從而提高牛肉糜保水性。

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