響應面優化高密度CO2誘導金鯧魚魚糜凝膠化的工藝

李茹,劉陽,朱永康,趙星辰,王娜,杜梓星,劉書成,孫欽秀,魏帥,夏秋瑜

1(廣東海洋大學 食品科技學院,廣東省水產品加工與安全重點實驗室,廣東省海洋生物制品工程實驗室,廣東省海洋食品工程技術研究中心,水產品深加工廣東普通高等學校重點實驗室,廣東 湛江,524088) 2(南方海洋科學與工程廣東省實驗室(湛江),廣東 湛江,524025)

金鯧魚(Trachinotusovatus)是我國南方沿海名貴海產經濟魚類之一,具有肉白細嫩、鮮美可口、營養價值高、性價比高等優點,深受消費者的喜愛[1]。中國是全球最大的金鯧魚生產國之一,2019年我國金鯧魚養殖產量達16.8萬t[2]。目前,金鯧魚主要以鮮魚、冷鮮魚、冷凍魚等產品為主。隨著金鯧魚養殖產量的增加,其深加工產品亟待開發。魚糜制品作為魚類精深加工產品之一,近年來在市場上廣受歡迎。金鯧魚肉是生產魚糜制品的良好原料,但有研究發現,采用傳統加工工藝生產的金鯧魚魚糜制品,其凝膠強度較低[3]。因此,如何提高金鯧魚魚糜的凝膠強度成為開發魚糜制品的關鍵。

高密度CO2(dense phase carbon dioxide,DPCD)是一種非熱加工技術。研究表明,DPCD能誘導肉糜蛋白質形成凝膠,而且凝膠特性(持水性、凝膠強度、微觀結構等)顯著優于傳統熱誘導的凝膠[4-14]。本研究以金鯧魚魚糜為對象,以凝膠強度為指標,用響應面法優化DPCD誘導金鯧魚魚糜形成凝膠的工藝條件,分析DPCD處理過程中對魚糜凝膠強度的變化規律,為金鯧魚魚糜制品的開發提供理論指導和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

金鯧魚,平均個體質量(500±25)g,購于廣東省湛江市麻章區湖光市場,保活運送至實驗室。CO2(純度99.99%),湛江氧氣廠；NaCl,廣東光華科技股份有限公司。

1.2 試驗儀器

SZC-180采肉機,濟南旭眾機械設備有限公司；TMS-Pro物性分析質構儀,美國FTC公司；HH-8數顯恒溫水浴鍋,常州奧華儀器有限公司；Braun MQ785手持式攪拌機,德國博朗公司；Sigma 3-30KS高速離心機,德國Sigma公司；HA221-50-10-C超臨界裝置,南通市華安超臨界萃取有限公司；CR-10色差計,柯尼卡美能達(中國)投資有限公司；DZ500/2D真空包裝機,溫州瑞利包裝機械有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 金鯧魚魚糜的制備

參考黃和等[15]的方法。新鮮金鯧魚經去頭、去內臟后放入采肉機采肉。采肉后的肉泥放入3倍體積的冰水中進行3次漂洗(每次漂洗10 min),3層紗布包裹肉泥擠壓脫水。脫水后的碎肉放入斬拌機斬拌5 min,再加入質量分數2% NaCl后繼續斬拌15 min,即制成魚糜樣品(水分質量分數約為78%)。將鹽擂后的魚糜放入真空包裝袋中,用真空包裝機抽真空,將其灌腸到直徑2 cm的腸衣中,用刀片切成高為2 cm的圓柱體待用。

1.3.2 熱誘導處理

利用兩段式加熱誘導形成凝膠制備魚糜制品。首先在40 ℃水浴中加熱30 min,然后在90 ℃水浴中加熱30 min。加熱結束后取出魚糜制品冷卻,在4 ℃放置24 h后測試凝膠強度和持水性。

1.3.3 高密度CO2處理

參考屈小娟等[5]的方法。將DPCD處理釜預熱至設定溫度后,將圓柱狀魚糜放置于處理釜中并密封,打開CO2進氣閥和排氣閥約30 s,將處理釜中的空氣排出,關閉排氣閥。用加壓泵對處理釜升壓至壓力設定值,并保持恒定壓力一定時間后,處理結束。將處理釜緩慢卸壓,取出魚糜制品冷卻,在4 ℃放置24 h后測試凝膠強度和持水性。

1.3.4 響應面試驗設計

以魚糜凝膠強度(Y)為響應變量,以DPCD處理溫度(z1)、壓強(z2)和時間(z3)為自變量,采用Box-Behnken響應面試驗設計,分析DPCD處理過程中金鯧魚魚糜凝膠強度的變化規律,優化DPCD誘導金鯧魚魚糜凝膠化的工藝。根據前期結果[5,13],設置DPCD處理的因素水平和編碼值(表1)。對表1中因素的水平進行編碼后可消除單位的影響，且各變量的變化范圍均為[-1,1],在回歸分析中可以直接根據變量的系數判斷其影響重要程度。

表1 因素水平編碼值

1.3.5 凝膠強度的測定

參考董安迪等[13]的方法。將魚糜樣品放在質構儀測試平臺上,采用P/0.5圓柱形探頭測試,測試參數如下：觸發力0.5 N,測試速度60 mm/min,穿刺深度10 mm。凝膠強度測定連續檢測10個平行樣品,按公式(1)計算:

凝膠強度/(N·mm)=破裂強度(N)×破裂距離(mm)

(1)

1.3.6 持水性的測定

參考NY/T 2793—2015標準。取樣品5.00 g,雙層濾紙包裹,放入50 mL離心管中離心(8 592×g,10 min,4 ℃),離心后再次稱重樣品。持水性用離心后樣品質量占樣品初始質量的百分比表示。

1.3.7 水分含量的測定

水分含量的測定參考GB 5009.3—2016中的烘干法。

1.3.8 白度的測定

參考鮑佳彤等[16]的方法。采用色差計室溫下測定魚糜的L*(明度)、a*(紅色度)、b*(黃色度),并根據公式(2)計算白度：

(2)

1.3.9 數據處理

本試驗共生產了3批魚糜。每批樣本均進行重復測定,其中凝膠強度試驗連續重復10次,其他試驗重復3次。試驗數據用平均數±標準差表示,JMP10.0軟件進行回歸分析和t檢驗。

2 結果與分析

2.1 DPCD誘導魚糜凝膠化的回歸模型建立

根據表1中的因素和水平確定試驗方案,并進行試驗,結果見表2。運用JMP10.0軟件對表2中的數據進行2次多元回歸擬合,得到凝膠強度(Y)與3個因素x1、x2、x3的回歸模型,如式(3)所示：

(3)

表2 Box-Behnken試驗設計方案與結果

表3 回歸模型1的系數及其顯著性檢驗

Y=99.20+15.34x1+14.88x2+6.52x3+3.72x1x2+3.31x1x3-4.50x2x3-6.76x12-4.14x23

(4)

對公式(4)所示(模型2)的系數進行顯著性檢驗,結果見表4。各變量系數對魚糜凝膠強度的影響均顯著(P<0.05),應該全部保留在模型2中。

表4 回歸模型2的系數及其顯著性檢驗

表5 回歸模型的方差分析與失擬性檢驗

2.2 DPCD處理過程中魚糜凝膠強度的變化規律

利用 JMP10.0 軟件對 DPCD 處理溫度、壓強和時間進行交互作用分析,結果見圖1。交互作用圖可以直觀地反映任意2個因素之間是否存在交互作用,任意2個因素垂直與水平交叉位置的2條曲線平行,表明這2個因素之間無交互作用;反之則表明這2個因素之間有交互作用[13]。

從圖1可知,任意2個因素之間的兩條曲線都不是完全平行,是有交叉可能的,說明 DPCD 處理壓強與溫度、壓強與時間、溫度與時間之間的交互作用對魚糜凝膠強度的影響是顯著的(P<0.05)。因此,DPCD處理對凝膠強度的影響不是單一因素誘導的,是溫度、壓強和時間共同誘導的。

圖1 溫度、壓強與時間之間對凝膠強度的交互作用

為了研究DPCD處理溫度、壓強和時間對魚糜凝膠強度的影響規律,先固定其中的1個因素為中間水平(即編碼值的0水平),利用JMP10.0軟件做三維曲面圖,然后對其進行正投影,結果見圖2。三維曲面圖和正投影圖可以直觀地反應DPCD處理溫度、壓強和時間對魚糜凝膠強度的影響規律[13]。

從圖2-b,2-e可知,無論處理壓強是高壓(圖2-b的上邊界)還是低壓(圖2-b的下邊界),無論處理時間長(圖2-e的上邊界)還是短(圖2-e的下邊界),隨著處理溫度的升高,魚糜的凝膠強度都快速增加(P<0.05)。這說明處理溫度在DPCD誘導魚糜凝膠化過程中具有重要作用。DPCD誘導蛋白質形成凝膠的過程是2種效應共同作用的結果[9-12,17-24]。(1)熱效應,溫度升高在熱的誘導下肌球蛋白會逐漸變性伸展再聚集形成凝膠[25]；(2)CO2分子效應,高壓狀態下,CO2溶于水形成碳酸,碳酸解離出H+,降低體系pH值,H+還使肌球蛋白分子帶上正電荷,同時CO2屬于非極性分子,又能與蛋白質的疏水基團發生相互作用,通過靜電作用、氫鍵、疏水相互作用等CO2誘導肌球蛋白發生變性,使肌球蛋白的α-螺旋下降和β-折疊含量增加,肌球蛋白分子間又通過疏水相互作用、二硫鍵、非二硫共價鍵等相互交聯而形成三維網狀結構凝膠[9,11,17]。溫度對CO2的分子效應又具有兩面性[12-13]。一方面溫度升高會加劇CO2分子熱運動(簡稱熱運動效應),有利于其向魚糜中滲透和擴散,與肌球蛋白發生充分的相互作用；另一方面溫度升高使CO2密度下降(簡稱密度下降效應),不利于CO2在魚糜中的溶解。從圖2-b,2-e來看,隨著溫度升高魚糜凝膠強度不斷增加,說明溫度升高引起的分子熱運動效應大于密度下降效應。

從圖2-c,2-h可以看出,無論是低溫處理(圖2-c的下邊界)還是高溫處理(圖2-c的上邊界),無論處理時間長(圖2-h的上邊界)還是短(圖2-h的下邊界),隨著處理壓強的升高,魚糜的凝膠強度都快速增加(P<0.05)。這說明處理壓強在DPCD誘導魚糜凝膠化過程中也具有重要作用。因為壓強增加,CO2在魚糜中的溶解度增加,即與魚糜發生相互作用的CO2分子數量增加,同時壓強增加也會使CO2更容易向魚糜中滲透和擴散,CO2分子效應增強,從而使凝膠強度快速增加[13,18]。

從圖2-f可知,在較低溫度(圖2-f下邊界)下處理,魚糜凝膠強度較小,隨著處理時間延長,魚糜凝膠強度增加緩慢；在較高溫度(圖2-f上邊界)下,隨著處理時間延長,魚糜凝膠強度逐漸增加。這說明低溫不利于凝膠的形成,高溫有利于凝膠的形成,且溫度與時間之間存在一定交互作用[12]。這是因為低溫條件下CO2分子熱運動能力弱,即使增加處理時間,CO2向魚糜中滲透和擴散速度也比較慢,與魚糜相互作用的CO2分子較少,導致凝膠強度增加緩慢；當溫度升高CO2分子熱運動能力加強,CO2向魚糜中滲透和擴散速度也加快,同時增加處理時間,與魚糜相互作用的CO2分子增多,導致凝膠強度增加[9-12]。

從圖2-i可知,在較低壓強(圖2-i下邊界)下處理,隨著處理時間的延長,魚糜凝膠強度逐漸增加；在較高壓強(圖2-i上邊界)下處理,隨著處理時間延長,魚糜凝膠強度僅有微小增加。這說明低壓處理下,時間對凝膠的形成具有重要影響,而在高壓處理下,時間對凝膠的形成影響較小,因此壓強和時間之間也存在一定的交互作用[12]。從圖2-c,圖2-h的分析可知,壓強對DPCD誘導魚糜形成凝膠具有重要作用。在低壓條件下CO2密度較小,增加處理時間可以強化CO2與肌球蛋白分子的相互作用,從而增強凝膠強度；在高壓條件下CO2密度比較大,與肌球蛋白發生相互作用的CO2分子增多,在較短時間內魚糜的凝膠網絡結構即可形成,再增加處理時間,凝膠強度也不會有太大的變化[9-12]。一般情況下,隨著處理時間延長,魚糜凝膠強度是呈增加趨勢的,這是因為處理時間延長,CO2與肌球蛋白分子相互作用的比較充分,從而增強凝膠強度。這與課題組前期利用DPCD制備蝦肉糜凝膠[5,12-13]的結論一致。

a-溫度和壓強;b-溫度;c--壓強;d-溫度和時間;e-溫度;f-時間;g-壓強和時間;h-壓強;i-時間

2.3 DPCD誘導魚糜凝膠化工藝參數優化與驗證

利用JMP10.0軟件的預測刻畫器功能對DPCD誘導金鯧魚魚糜形成凝膠的工藝參數進行優化,結果見圖3。當x1=1、x2=1、x3=0.5時,即溫度60 ℃、壓強30 MPa、處理時間50 min時,金鯧魚魚糜的凝膠強度為128 N·mm。將試驗值與模型預測值進行單樣本t檢驗,結果表明,金鯧魚魚糜凝膠強度的試驗值為(128.15±0.08)N·mm,與預測值之間無顯著差異(P>0.05)。因此,回歸模型2可以用于預測DPCD誘導金鯧魚魚糜的凝膠強度。由于回歸模型2是編碼值模型,將表1中變量的編碼值公式帶入到回歸模型2中獲得實際變量的回歸模型,即金鯧魚魚糜凝膠強度(Y)與實際變量溫度(z1),壓力(z2)和時間(z3)之間的數學表達式。

圖3 凝膠強度的預測優化

2.4 DPCD與熱誘導魚糜形成凝膠的品質比較

比較DPCD與熱誘導魚糜形成凝膠的品質特性,結果見表6。DPCD誘導魚糜凝膠的持水性和凝膠強度顯著優于熱誘導魚糜(P<0.05),在水分含量和白度方面，2種方法無顯著差異(P>0.05)。黃和等[15]采用熱誘導方法制備金鯧魚魚糜凝膠,其凝膠強度為109.47 N·mm,也顯著低于本研究中DPCD誘導魚糜凝膠強度。因此,與熱誘導相比,DCPD處理可以提高金鯧魚魚糜凝膠的凝膠強度和持水性。

表6 DPCD與熱誘導魚糜形成凝膠的品質比較

3 結論

采用響應面試驗設計和回歸分析法建立了金鯧魚魚糜凝膠強度與DPCD處理溫度、壓強和時間之間的數學模型。DPCD處理溫度、壓強和時間對魚糜凝膠強度均有顯著影響,在溫度60 ℃、壓力30 MPa和處理時間50 min的條件下,DPCD誘導魚糜凝膠的凝膠強度達到最大值(128.15±0.08)N·mm。與熱誘導相比,DPCD處理能顯著提高魚糜凝膠的凝膠強度和持水性。