響應面法優化乳化型熱不可逆復合凝膠配方

,3,*

(1.上海大學生命科學學院,上海 200436; 2.江蘇雨潤肉食品有限公司,肉品加工與質量控制國家重點實驗室,江蘇南京 211806; 3.合肥工業大學食品與生物工程學院,安徽合肥 230000)

食用膠體是食品工業中十分廣泛的一種食品添加劑。膠體本身的乳化性、彈性、脆性、保水性等膠體特性以及各膠體間的協同作用,可以在一定程度上模擬肉制品的質構特性以及口感,進一步改善肉制品品質,因此,食用膠體是肉類工業中不可缺少的原料。復合食用膠是將兩種或兩種以上單體食用膠按照一定比例復合而成的食用膠。在肉制品中使用單一食品膠體存在功能特性以及經濟的局限性,通過膠體復配可以發揮各膠體間膠體特性的互補作用以及協同作用,從而使得食品膠在肉類工業中的應用更為廣泛[1]。例如,海藻酸鈉與Ca2+形成的凝膠常用作肉制品的粘結劑,提高肉制品的質構性質,增強肉塊之間的粘結。海藻酸鈉、鈣離子和其他膠體、磷酸鹽等復配可做為肉制品的保水劑使用[2];張慧旻等通過研究發現結冷膠在低濃度時可協同海藻酸鈉顯著降低凝膠蒸煮損失,同時有效調控凝膠硬度[3]。此外,由于肉制品的制作涉及到熱加工工藝,因此所使用的食用膠體不僅需要具備目標產品的質構特性[4-7],還需在較高溫度(60～90 ℃)下仍能夠提供一定的彈性、硬度,并且不能再恢復到流體狀態,即熱不可逆性[8-9]。熱凝膠獨特的高溫不化性在肉制品加工中具有十分重要的價值。

因此,本研究選取了鈣化海藻酸鈉提供硬度,亞麻籽膠提供彈性,低酰基結冷膠提供脆性,酪蛋白酸鈉以及大豆油提供乳化性,通過它們相互的協同作用形成致密、滑膩的固態凝膠體,并且在經過復煮后仍能保持良好質構特性。旨在優化出一種利用食用膠體、乳化劑、植物油等原料制備的熱不可逆復合凝膠,并通過響應面法探索各基料添加量對復合凝膠質構的影響,優化出最優的凝膠配方,使其呈現適中硬度、彈性以及較好的固型性,使得復合凝膠更能全面的應用到食品工業中。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

海藻酸鈉 青島明月生物科技;硫酸鈣 廣東玉蘭集團股份有限公司、六偏磷酸鈉 湖北興發集團股份有限公司;亞麻籽膠 新疆利世得生物科技有限公司;結冷膠 河北百味生物科技有限公司;酪蛋白酸鈉 河南萬邦實業有限公司;大豆油 天津市聚龍糧油有限公司;以上原料均為食品級。

L204型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;HHS型數顯式電熱恒溫水浴鍋 上海博迅實業有限公司醫療設備廠;WBL2531H型美的攪拌機 美的股份有限公司;TA.XT Plus Texture Analyser型食品質構儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 鈣化海藻酸鈉的制備 根據前期實驗結果,確定鈣化海藻酸鈉各原料比例,進而將海藻酸鈉、硫酸鈣、六偏磷酸鈉以56.67∶49.86∶1的比例混合在一起。并將混合后的粉末倒入攪拌機中攪拌均勻備用。

1.2.2 凝膠制備 按照一定的比例,充分混合鈣化海藻酸鈉、亞麻籽膠、結冷膠、酪蛋白酸鈉、大豆油,進而將混合均勻的體系加入100 mL水中,用攪拌機以12000 r/s的轉速快速攪打10 s生成均勻的溶膠體,將溶膠體快速倒入200 mL容量的模具，并放入65 ℃水浴鍋中水浴40 min,然后放置于4 ℃冰箱24 h成型,最后出模即成。

1.2.3 凝膠質構的測定 將成型的復合凝膠體放入90 ℃水浴鍋中進行復煮30 min取出,進行質構測定。采用質構儀對凝膠體進行TPA(彈性、硬度)測定。測定前,將樣品切割為2×1×1 cm3的長方體。質構特性的測定條件為:探頭:P/0.5R;測試前速度:2.0 mm/s;測試速度:1.0 mm/s;測試后速度:1.0 mm/s;測試距離:6.0 mm;壓力:10.0 g。

1.2.4 單因素實驗設計 以凝膠的質構參數(硬度、彈性)為指標,分別選取鈣化海藻酸鈉添加量(3%、3.5%、4%、4.5%、5%)、亞麻籽膠添加量(1%、1.5%、2%、2.5%、3%)、結冷膠添加量(0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%)、酪蛋白酸鈉添加量(0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%)、大豆油添加量(15%、20%、25%、30%、35%)進行單因素實驗,考察各因素對凝膠質構的影響(每組因素添加量的中間值為固定添加量)。

1.2.5 響應面試驗設計 在單因素實驗結果基礎上,采用中心組合試驗Box-Behnken設計方案(表1)。分析各因素對凝膠質構特性硬度、彈性的顯著性,得出數學模型,考量其可信程度,確定該熱不可逆復合凝膠形成的基本配方,設計方案參考自文獻[10-14]。

表1 Box-Behnken試驗設計因素水平表Table 1 Box-Behnken test design factor level table

1.3 數據處理

所有試驗數據重復3次取平均值,用Oringin 8.0作圖,采用SPSS 17.0統計軟件進行方差分析,采用最小顯著差異法(least significant difference,LSD)和Duncan’s法進行顯著性分析,以P<0.05為顯著性差異判斷標準,數據以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 海藻酸鈉對不可逆凝膠特性的影響 海藻酸鈉可與鈣離子發生交聯作用形成網狀結構,因此增加海藻酸鈉和鈣離子濃度得到的凝膠,凝膠強度增大[15]。由圖1可知,隨著鈣化海藻酸鈉含量的增加,凝膠體的硬度上升趨勢明顯,彈性波動幅度不大,說明鈣化海藻酸鈉含量對凝膠體硬度貢獻較大,對彈性影響較小。當鈣化海藻酸鈉含量上升到5%時,凝膠體形成固體速度過快,以致于后期制作困難。最終選定鈣化海藻酸鈉添加量4.5%為響應面設計中心點。

圖1 鈣化海藻酸鈉含量對凝膠體硬度與彈性的影響Fig.1 Effect of sodium alginate contents on hardness and springiness of gel

2.1.2 亞麻籽膠對不可逆凝膠特性的影響 徐謂等通過研究發現添加0.2%的亞麻籽膠可顯著提高凝膠的白度,增加持水能力,改善凝膠的質構特性,但并不能提升凝膠強度[16]。此外,李小鳳等發現在一定的濃度條件下,亞麻籽膠可以形成彈性很好的軟質凝膠[17]。由圖2可知,在亞麻籽膠含量范圍為1.0%～3.0%時,隨著亞麻籽膠含量的增加,凝膠體的硬度呈逐漸下降趨勢,彈性波動較大,說明亞麻籽膠對于整個凝膠體系的固型性貢獻較大,這也與李小鳳等的研究結果相一致。亞麻籽膠含量在2.0%時呈現最大彈性,但此時凝膠體硬度較小。當亞麻籽膠含量為1%時,硬度呈現最大,彈性適中,1%含量為亞麻籽組含量的最低水平,硬度呈現最大,因此補做了0.4%、0.6%、0.8%三個水平的試驗,結果顯示補做的三個水平在硬度以及彈性均遜色于1%含量,因此最終選定亞麻籽膠添加量為1%為響應面設計中心點。

圖2 亞麻籽膠含量對凝膠體硬度與彈性的影響Fig.2 Effect of linseed gum contents on hardness and springiness of gel

2.1.3 結冷膠對不可逆凝膠特性的影響 由圖3可知,低酰基結冷膠作為脆性較好的膠體,彈性極小,低酰基結冷膠形成的凝膠具有強度大,脆性好的特性[18],并且張慧旻通過研究發現低酰基結冷膠在低濃度時與海藻酸鈉會產生協同作用,可以對凝膠強度有調控作用[3]。因此隨著低酰基結冷膠含量的增加,凝膠體系彈性波動較小,但其對體系的硬度影響較大,呈先上升后下降趨勢,說明結冷膠在含量達到1%時與其他膠體協同作用最強,固型性最好。最終選定結冷膠添加量為1.0%為響應面設計中心點。

圖3 結冷膠含量對凝膠體硬度與彈性的影響Fig.3 Effect of gellan gum content on hardness and springiness of gel

2.1.4 酪蛋白酸鈉對不可逆凝膠特性的影響 酪蛋白酸鈉是一種良好的表面活性劑,具有很強的乳化性能,在水油乳化界面充分乳化油脂,且較大豆分離蛋白等蛋白質的乳化熱穩定性高,加熱溫度達到30 ℃以上時,酪蛋白酸鈉形成的乳化體系才會被破壞[19],能夠形成均勻細膩穩定的乳化體系[20]。

由圖4可知,隨著酪蛋白酸鈉含量的增加,凝膠體的硬度波動較大,并在含量1.0%時呈現最大硬度,這是由于酪蛋白酸鈉不僅在體系中起乳化作用,還會呈球形鑲嵌在低酰基結冷膠形成的海綿狀三維網絡結構中[11],對凝膠體系的質構會產生一定的影響。彈性波動幅度不大,固型性好。最終選定酪蛋白酸鈉添加量為1.0%為響應面設計中心點。

圖4 酪蛋白酸鈉含量對凝膠體硬度與彈性的影響Fig.4 Effect of sodium caseinate on the hardness and springiness of gel

2.1.5 大豆油對不可逆凝膠特性的影響 大豆油是當前食品工業加工中常用的植物油,大豆油的加入使整個凝膠體系潤滑度上升,較純凝膠體質地優良,形成的乳化型膠體應用面更廣[19]。由圖5可知,隨著大豆油含量的增加,凝膠體的硬度有一定的波動,并在含量20%時呈現最大硬度,彈性波動幅度不大。最終選定大豆油添加量為20%為響應面設計中心點。

圖5 大豆油含量對凝膠體硬度與彈性的影響Fig.5 Effect of soybean oil content on hardness and springiness of gel

表2 Box-Behnken設計方案及試驗結果Table 2 Box-Behnken design and test results

2.2 響應面實驗結果分析

以鈣化海藻酸鈉、亞麻籽膠、結冷膠、酪蛋白酸鈉及大豆油5種成分的含量為自變量,以凝膠體的硬度R1和彈性R2為響應值進行響應面實驗。Box-Behnken設計方案及試驗結果見表2。

2.2.1 凝膠體硬度響應面分析 采用Design Expert 8.0.6軟件對數據進行處理,得到回歸方程方差分析表,進行非線性回歸二次多項式擬合,得到如下回歸方程預測模型:

R1=1080.04+134.27A+41.61B+12.69C+10.95D-12.54E-16.92AB+6.71AC+85.11AD-136.72AE-3.46BC+5.55BD-28.93BE+31.31CD-20.97CE+0.089DE-6.68A2-70.72B2-61.14C2-33.14D2-61.48E2

表3 回歸方程系數顯著性檢驗Table 3 Significance test of coefficient of regression equation

注:*代表差異顯著(P<0.05),**代表差異極顯著(P<0.01)。

圖6 交互項對于凝膠體硬度顯著的響應面圖Fig.6 Response surface of the interaction term for the gel hardness

根據回歸方差分析顯著性檢驗,該模型回歸極顯著(P<0.0001),失擬項不顯著(P>0.05),說明模型在回歸區域內擬合較好,與實際擬合中非正常誤差所占比例較小,多元相關系數R2=0.9278,相關性較好,說明該模型可用于預測最優配方的實際情況。

由表3可知,回歸方程中的一次項海藻酸鈉含量(A)、亞麻籽膠(B)、海藻酸鈉與酪蛋白酸鈉(AD)、海藻酸鈉與大豆油交互項(AE)以及二次項B2、C2、D2、E2、均達到極顯著水平(P<0.01),表明各因素對響應值1的影響不是簡單的線性關系。方差分析中FA=179.42,FB=17.23,FC=1.60,FD=1.19,FE=1.57。即各因素對凝膠體硬度的影響程度大小順序為:鈣化海藻酸鈉(A)>亞麻籽膠(B)>結冷膠(C)>大豆油(E)>酪蛋白酸鈉(D)。

據回歸方程繪制響應面圖,圖形形狀與3D圖傾斜度都能反映出各因素之間的相互關系。等高線為圓形表示兩因素交互作用不顯著,橢圓形則表示兩因素交互作用顯著;3D 圖傾斜度越高,坡度越陡,說明兩因素交互作用越顯著。從圖6可以直觀地看出,海藻酸鈉與大豆油的交互作用對復合凝膠硬度影響極顯著,海藻酸鈉與大豆油是對復合凝膠硬度有顯著影響。

2.2.2 凝膠體彈性響應面分析 采用Design Expert 8.0.6軟件對數據進行處理,得到回歸方程方差分析表,進行非線性回歸二次多項式擬合,得到如下回歸方程預測模型:

R2=0.99-9.344E-0.03A+0.018B+0.021C-9.156E-0.03D-2.344E-0.03E-0.034AB-0.028AC-0.035AD-0.020AE-0.037BC-5.500E-0.03BD+9.500E-0.03BE-5.875E-0.03CD+0.013CE+8.500E-0.03DE-0.037A2-0.030B2-0.027C2-0.014D2-0.026E2

根據回歸方差分析顯著性檢驗,該模型回歸極顯著(P<0.0001),失擬項不顯著(P>0.05),說明模型在回歸區域內擬合較好,與實際擬合中非正常誤差所占比例較小,多元相關系數R2=0.9644,相關性較好,說明該模型可用于預測最優配方的實際情況。

由表4可知,回歸方程中的一次項海藻酸鈉含量(A)、亞麻籽膠(B)、結冷膠(C)酪蛋白酸鈉極顯著(P<0.01);交互項中海藻酸鈉與亞麻籽膠(AB)、海藻酸鈉與結冷膠(AC)、海藻酸鈉與酪蛋白酸鈉(AD)、亞麻籽膠與結冷膠(BC)、海藻酸鈉與大豆油(AE)呈極顯著(P<0.01),結冷膠與大豆油(CE)顯著(P<0.05)。二次項A2、B2、C2、E2、均達到極顯著水平(P<0.01),表明各因素對響應值的影響不是簡單的線性關系。方差分析中FA=14.20,FB=54.53,FC=72.35,FD=13.63,FE=1.57。即各因素對凝膠體彈性的影響程度大小順序為:結冷膠>亞麻籽膠>海藻酸鈉>酪蛋白酸鈉>大豆油。

據回歸方程繪制響應面圖,圖形形狀與3D圖傾斜度都能反映出各因素之間的相互關系。等高線為圓形表示兩因素交互作用不顯著,橢圓形則表示兩因素交互作用顯著;3D圖傾斜度越高,坡度越陡,說明兩因素交互作用越顯著。從圖7可以直觀地看出,海藻酸鈉與亞麻籽膠的交互作用、海藻酸鈉與亞麻籽膠的交互作用均對復合凝膠彈性有顯著影響。

表4 回歸方程系數顯著性檢驗Table 4 Significance test of coefficient of regression equation

圖7 交互項對于凝膠體彈性顯著的響應面圖Fig.7 Interaction term for the elastic surface of the gel elasticity

2.3 響應面最終優化配方及驗證試驗

由于硬度對凝膠體質構貢獻較大，因此以凝膠體的硬度最大為基準，得出最終的優化組合,選取海藻酸鈉濃度為4.99%,亞麻籽膠濃度為1.11%,結冷膠濃度為1.12%,酪蛋白酸鈉濃度為1.32%,大豆油濃度為15.02%為復合凝膠配方的最優組合。在此條件下預測硬度值為1368.16 g,彈性值為0.843 g。考慮到凝膠實際操作的方便性,故將復合凝膠的配方組合修正為:鈣化海藻酸鈉濃度為5%,亞麻籽膠濃度為1.11%,結冷膠濃度為1.12%,酪蛋白酸鈉濃度為1.32%。大豆油濃度為15%。并在此條件下進行3次平行驗證試驗,凝膠體硬度值為(1323.25±40.098) g,彈性值為(0.856±0.019) g,與預測值相比,相對誤差分別為3.28%、1.28%,2個指標的驗證值與預測值的誤差均在允許誤差5%內,說明該模型合理可靠。

3 結論

依據單因素實驗的結果,采用響應面分析法建立了鈣化海藻酸鈉、亞麻籽膠、結冷膠、酪蛋白酸鈉、大豆油五個因素對于熱不可逆凝膠體的質構參數硬度、彈性的二次回歸方程模型,并優化出改凝膠的最優配方。根據響應面方法優化的結果以及考慮到實際操作的方便性,最終確定該熱不可逆凝膠體制備的最優配方為:鈣化海藻酸鈉濃度為5%,亞麻籽膠濃度為1.11%,結冷膠濃度為1.12%,酪蛋白酸鈉濃度為1.32%。大豆油濃度為15%。將凝膠體的硬度與彈性作為響應值,所得驗證試驗結果為:凝膠體硬度值為(1323.25±40.098) g,彈性值為(0.856±0.019) g,所產生的誤差分別為3.28%和1.28%,說明該回歸方程具有較高的可信度,可作為同類別的凝膠體產品的進一步開發與利用提供理論依據。