响应面优化高密度CO2诱导金鲳鱼鱼糜凝胶化的工艺

李茹,刘阳*,朱永康,赵星辰,王娜,杜梓星,刘书成*,孙钦秀,魏帅,夏秋瑜

1(广东海洋大学 食品科技学院,广东省水产品加工与安全重点实验室,广东省海洋生物制品工程实验室,广东省海洋食品工程技术研究中心,水产品深加工广东普通高等学校重点实验室,广东 湛江,524088) 2(南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江),广东 湛江,524025)

摘 要 为了探讨高密度CO2(dense phase carbon dioxide,DPCD)诱导金鲳鱼鱼糜形成凝胶的条件,采用Box-Behnken响应面试验设计与回归分析方法,建立了凝胶强度与DPCD温度、压强和处理时间之间的数学模型,结果表明,DPCD处理温度、压强和时间对鱼糜凝胶强度均有显著影响,在温度60 ℃、压强30 MPa和处理时间50 min的条件下,DPCD诱导鱼糜凝胶的凝胶强度达到最大值128 N·mm。与热诱导相比,DPCD处理能显著提高鱼糜的凝胶强度和持水性。

关键词 高密度CO2;鱼糜;凝胶强度;优化;金鲳鱼

金鲳鱼(Trachinotus ovatus)是我国南方沿海名贵海产经济鱼类之一,具有肉白细嫩、鲜美可口、营养价值高、性价比高等优点,深受消费者的喜爱[1]。中国是全球最大的金鲳鱼生产国之一,2019年我国金鲳鱼养殖产量达16.8万t[2]。目前,金鲳鱼主要以鲜鱼、冷鲜鱼、冷冻鱼等产品为主。随着金鲳鱼养殖产量的增加,其深加工产品亟待开发。鱼糜制品作为鱼类精深加工产品之一,近年来在市场上广受欢迎。金鲳鱼肉是生产鱼糜制品的良好原料,但有研究发现,采用传统加工工艺生产的金鲳鱼鱼糜制品,其凝胶强度较低[3]。因此,如何提高金鲳鱼鱼糜的凝胶强度成为开发鱼糜制品的关键。

高密度CO2(dense phase carbon dioxide,DPCD)是一种非热加工技术。研究表明,DPCD能诱导肉糜蛋白质形成凝胶,而且凝胶特性(持水性、凝胶强度、微观结构等)显著优于传统热诱导的凝胶[4-14]。本研究以金鲳鱼鱼糜为对象,以凝胶强度为指标,用响应面法优化DPCD诱导金鲳鱼鱼糜形成凝胶的工艺条件,分析DPCD处理过程中对鱼糜凝胶强度的变化规律,为金鲳鱼鱼糜制品的开发提供理论指导和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

金鲳鱼,平均个体质量(500±25)g,购于广东省湛江市麻章区湖光市场,保活运送至实验室。CO2(纯度99.99%),湛江氧气厂;NaCl,广东光华科技股份有限公司。

1.2 试验仪器

SZC-180采肉机,济南旭众机械设备有限公司;TMS-Pro物性分析质构仪,美国FTC公司;HH-8数显恒温水浴锅,常州奥华仪器有限公司;Braun MQ785手持式搅拌机,德国博朗公司;Sigma 3-30KS高速离心机,德国Sigma公司;HA221-50-10-C超临界装置,南通市华安超临界萃取有限公司;CR-10色差计,柯尼卡美能达(中国)投资有限公司;DZ500/2D真空包装机,温州瑞利包装机械有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 金鲳鱼鱼糜的制备

参考黄和等[15]的方法。新鲜金鲳鱼经去头、去内脏后放入采肉机采肉。采肉后的肉泥放入3倍体积的冰水中进行3次漂洗(每次漂洗10 min),3层纱布包裹肉泥挤压脱水。脱水后的碎肉放入斩拌机斩拌5 min,再加入质量分数2% NaCl后继续斩拌15 min,即制成鱼糜样品(水分质量分数约为78%)。将盐擂后的鱼糜放入真空包装袋中,用真空包装机抽真空,将其灌肠到直径2 cm的肠衣中,用刀片切成高为2 cm的圆柱体待用。

1.3.2 热诱导处理

利用两段式加热诱导形成凝胶制备鱼糜制品。首先在40 ℃水浴中加热30 min,然后在90 ℃水浴中加热30 min。加热结束后取出鱼糜制品冷却,在4 ℃放置24 h后测试凝胶强度和持水性。

1.3.3 高密度CO2处理

参考屈小娟等[5]的方法。将DPCD处理釜预热至设定温度后,将圆柱状鱼糜放置于处理釜中并密封,打开CO2进气阀和排气阀约30 s,将处理釜中的空气排出,关闭排气阀。用加压泵对处理釜升压至压力设定值,并保持恒定压力一定时间后,处理结束。将处理釜缓慢卸压,取出鱼糜制品冷却,在4 ℃放置24 h后测试凝胶强度和持水性。

1.3.4 响应面试验设计

以鱼糜凝胶强度(Y)为响应变量,以DPCD处理温度(z1)、压强(z2)和时间(z3)为自变量,采用Box-Behnken响应面试验设计,分析DPCD处理过程中金鲳鱼鱼糜凝胶强度的变化规律,优化DPCD诱导金鲳鱼鱼糜凝胶化的工艺。根据前期结果[5,13],设置DPCD处理的因素水平和编码值(表1)。对表1中因素的水平进行编码后可消除单位的影响,且各变量的变化范围均为[-1,1],在回归分析中可以直接根据变量的系数判断其影响重要程度。

表1 因素水平编码值

Table 1 Coded values of factors and levels

因素与水平温度(z1)/℃压强(z2)/MPa时间(z3)/min16030600502040-1401020j101020编码值公式x1=(z1-50)/10x2=(z2-20)/10x3=(z3-40)/20

1.3.5 凝胶强度的测定

参考董安迪等[13]的方法。将鱼糜样品放在质构仪测试平台上,采用P/0.5圆柱形探头测试,测试参数如下:触发力0.5 N,测试速度60 mm/min,穿刺深度10 mm。凝胶强度测定连续检测10个平行样品,按公式(1)计算:

凝胶强度/(N·mm)=破裂强度(N)×破裂距离(mm)

(1)

1.3.6 持水性的测定

参考NY/T 2793—2015标准。取样品5.00 g,双层滤纸包裹,放入50 mL离心管中离心(8 592×g,10 min,4 ℃),离心后再次称重样品。持水性用离心后样品质量占样品初始质量的百分比表示。

1.3.7 水分含量的测定

水分含量的测定参考GB 5009.3—2016中的烘干法。

1.3.8 白度的测定

参考鲍佳彤等[16]的方法。采用色差计室温下测定鱼糜的L*(明度)、a*(红色度)、b*(黄色度),并根据公式(2)计算白度:

白度

(2)

1.3.9 数据处理

本试验共生产了3批鱼糜。每批样本均进行重复测定,其中凝胶强度试验连续重复10次,其他试验重复3次。试验数据用平均数±标准差表示,JMP10.0软件进行回归分析和t检验。

2 结果与分析

2.1 DPCD诱导鱼糜凝胶化的回归模型建立

根据表1中的因素和水平确定试验方案,并进行试验,结果见表2。运用JMP10.0软件对表2中的数据进行2次多元回归拟合,得到凝胶强度(Y)与3个因素x1x2x3的回归模型,如式(3)所示:

(3)

对公式(3)所示(模型1)的系数进行显著性检验,结果见表3。处理压力的2次项对凝胶强度的影响不显著(P>0.05)。因此,需要将项从模型1中剔除,再对表2中的数据进行2次多元回归拟合,得到凝胶强度(Y)与3个因素x1x2x3的回归模型,如公式(4)所示

表2 Box-Behnken试验设计方案与结果

Table 2 Scheme and results of Box-Behnken experiment design

序号温度(x1)压强(x2)时间(x3)凝胶强度Y/(N·mm)1-1-1065.10±1.442-11090.24±0.8831-1088.64±1.894110128.64±1.8950-1-172.30±1.1260-1192.30±1.12701-1108.24±0.888011110.25±0.909-10-168.16±0.651010-191.95±1.5011-10176.62±1.1212101113.64±1.891300096.86±1.561400097.97±1.341500099.92±1.40

表3 回归模型1的系数及其显著性检验

Table 3 Coefficients of regression model 1 and their significant test

项模型系数估计值标准误差t值P值截距98.251.3970.59<0.0001*x115.340.8518.00<0.0001*x214.880.8517.46<0.0001*x36.520.857.650.0006*x1x23.721.213.080.0274*x1x33.311.212.740.0406*x2x3-4.501.21-3.730.0136*x12-6.641.25-5.290.0032*x221.541.251.230.2736x32-4.021.25-3.200.0239*

注:*P<0.05,表示影响显著(下同)

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

(4)

对公式(4)所示(模型2)的系数进行显著性检验,结果见表4。各变量系数对鱼糜凝胶强度的影响均显著(P<0.05),应该全部保留在模型2中。

表4 回归模型2的系数及其显著性检验

Table 4 Coefficients of regression model 2 and their significant test

项模型系数估计值标准误差t值P值截距99.201.2182.22<0.0001*x115.340.8917.28<0.0001*x214.880.8916.76<0.0001*x36.520.897.340.0003*x1x23.721.262.960.0253*x1x33.311.262.630.0389*x2x3-4.501.26-3.580.0116*x12-6.761.30-5.180.0020*x32-4.141.30-3.180.0192*

对回归模型2进行方差分析和失拟性检验,结果见表5。回归模型显著(P<0.05)且失拟项不显著(P>0.05),同时回归模型2的调整决定系数为0.98,这表明在试验范围内回归模型2能很好地拟合金鲳鱼鱼糜凝胶强度与DPCD处理温度、压力和时间的关系,该模型可以98%的解释DPCD处理温度、压强和时间对凝胶强度的影响规律,并利用该模型预测和优化DPCD处理工艺参数。

表5 回归模型的方差分析与失拟性检验

Table 5 Variance and lack of fit analysis of regression models

误差来源自由度平方和均方F值P值模型84393.86549.2387.07<0.0001*误差637.856.31校正总和144431.71失拟项433.058.263.440.2375纯误差24.802.40总误差637.85

2.2 DPCD处理过程中鱼糜凝胶强度的变化规律

利用回归模型2分析DPCD处理过程中金鲳鱼鱼糜凝胶强度的变化规律,由于回归模型2采用的是变量编码值,因此可以根据回归模型系数的绝对值大小评估各因素对凝胶强度的影响主次顺序。从表4可知,影响鱼糜凝胶强度的主次顺序为与凝胶强度呈正相关,而与凝胶强度呈负相关。

利用 JMP10.0 软件对 DPCD 处理温度、压强和时间进行交互作用分析,结果见图1。交互作用图可以直观地反映任意2个因素之间是否存在交互作用,任意2个因素垂直与水平交叉位置的2条曲线平行,表明这2个因素之间无交互作用;反之则表明这2个因素之间有交互作用[13]

从图1可知,任意2个因素之间的两条曲线都不是完全平行,是有交叉可能的,说明 DPCD 处理压强与温度、压强与时间、温度与时间之间的交互作用对鱼糜凝胶强度的影响是显著的(P<0.05)。因此,DPCD处理对凝胶强度的影响不是单一因素诱导的,是温度、压强和时间共同诱导的。

图1 温度、压强与时间之间对凝胶强度的交互作用

Fig.1 The interaction between temperature,pressure and time on the gel strength

为了研究DPCD处理温度、压强和时间对鱼糜凝胶强度的影响规律,先固定其中的1个因素为中间水平(即编码值的0水平),利用JMP10.0软件做三维曲面图,然后对其进行正投影,结果见图2。三维曲面图和正投影图可以直观地反应DPCD处理温度、压强和时间对鱼糜凝胶强度的影响规律[13]

从图2-b,2-e可知,无论处理压强是高压(图2-b的上边界)还是低压(图2-b的下边界),无论处理时间长(图2-e的上边界)还是短(图2-e的下边界),随着处理温度的升高,鱼糜的凝胶强度都快速增加(P<0.05)。这说明处理温度在DPCD诱导鱼糜凝胶化过程中具有重要作用。DPCD诱导蛋白质形成凝胶的过程是2种效应共同作用的结果[9-12,17-24]。(1)热效应,温度升高在热的诱导下肌球蛋白会逐渐变性伸展再聚集形成凝胶[25];(2)CO2分子效应,高压状态下,CO2溶于水形成碳酸,碳酸解离出H+,降低体系pH值,H+还使肌球蛋白分子带上正电荷,同时CO2属于非极性分子,又能与蛋白质的疏水基团发生相互作用,通过静电作用、氢键、疏水相互作用等CO2诱导肌球蛋白发生变性,使肌球蛋白的α-螺旋下降和β-折叠含量增加,肌球蛋白分子间又通过疏水相互作用、二硫键、非二硫共价键等相互交联而形成三维网状结构凝胶[9,11,17]。温度对CO2的分子效应又具有两面性[12-13]。一方面温度升高会加剧CO2分子热运动(简称热运动效应),有利于其向鱼糜中渗透和扩散,与肌球蛋白发生充分的相互作用;另一方面温度升高使CO2密度下降(简称密度下降效应),不利于CO2在鱼糜中的溶解。从图2-b,2-e来看,随着温度升高鱼糜凝胶强度不断增加,说明温度升高引起的分子热运动效应大于密度下降效应。

从图2-c,2-h可以看出,无论是低温处理(图2-c的下边界)还是高温处理(图2-c的上边界),无论处理时间长(图2-h的上边界)还是短(图2-h的下边界),随着处理压强的升高,鱼糜的凝胶强度都快速增加(P<0.05)。这说明处理压强在DPCD诱导鱼糜凝胶化过程中也具有重要作用。因为压强增加,CO2在鱼糜中的溶解度增加,即与鱼糜发生相互作用的CO2分子数量增加,同时压强增加也会使CO2更容易向鱼糜中渗透和扩散,CO2分子效应增强,从而使凝胶强度快速增加[13,18]

从图2-f可知,在较低温度(图2-f下边界)下处理,鱼糜凝胶强度较小,随着处理时间延长,鱼糜凝胶强度增加缓慢;在较高温度(图2-f上边界)下,随着处理时间延长,鱼糜凝胶强度逐渐增加。这说明低温不利于凝胶的形成,高温有利于凝胶的形成,且温度与时间之间存在一定交互作用[12]。这是因为低温条件下CO2分子热运动能力弱,即使增加处理时间,CO2向鱼糜中渗透和扩散速度也比较慢,与鱼糜相互作用的CO2分子较少,导致凝胶强度增加缓慢;当温度升高CO2分子热运动能力加强,CO2向鱼糜中渗透和扩散速度也加快,同时增加处理时间,与鱼糜相互作用的CO2分子增多,导致凝胶强度增加[9-12]

从图2-i可知,在较低压强(图2-i下边界)下处理,随着处理时间的延长,鱼糜凝胶强度逐渐增加;在较高压强(图2-i上边界)下处理,随着处理时间延长,鱼糜凝胶强度仅有微小增加。这说明低压处理下,时间对凝胶的形成具有重要影响,而在高压处理下,时间对凝胶的形成影响较小,因此压强和时间之间也存在一定的交互作用[12]。从图2-c,图2-h的分析可知,压强对DPCD诱导鱼糜形成凝胶具有重要作用。在低压条件下CO2密度较小,增加处理时间可以强化CO2与肌球蛋白分子的相互作用,从而增强凝胶强度;在高压条件下CO2密度比较大,与肌球蛋白发生相互作用的CO2分子增多,在较短时间内鱼糜的凝胶网络结构即可形成,再增加处理时间,凝胶强度也不会有太大的变化[9-12]。一般情况下,随着处理时间延长,鱼糜凝胶强度是呈增加趋势的,这是因为处理时间延长,CO2与肌球蛋白分子相互作用的比较充分,从而增强凝胶强度。这与课题组前期利用DPCD制备虾肉糜凝胶[5,12-13]的结论一致。

a-温度和压强;b-温度;c--压强;d-温度和时间;e-温度;f-时间;g-压强和时间;h-压强;i-时间

图2 DPCD处理温度、压强和时间对凝胶强度的影响

Fig.2 Effect of DPCD treatment temperature,pressure and time on the gel strength

2.3 DPCD诱导鱼糜凝胶化工艺参数优化与验证

利用JMP10.0软件的预测刻画器功能对DPCD诱导金鲳鱼鱼糜形成凝胶的工艺参数进行优化,结果见图3。当x1=1、x2=1、x3=0.5时,即温度60 ℃、压强30 MPa、处理时间50 min时,金鲳鱼鱼糜的凝胶强度为128 N·mm。将试验值与模型预测值进行单样本t检验,结果表明,金鲳鱼鱼糜凝胶强度的试验值为(128.15±0.08)N·mm,与预测值之间无显著差异(P>0.05)。因此,回归模型2可以用于预测DPCD诱导金鲳鱼鱼糜的凝胶强度。由于回归模型2是编码值模型,将表1中变量的编码值公式带入到回归模型2中获得实际变量的回归模型,即金鲳鱼鱼糜凝胶强度(Y)与实际变量温度(z1),压力(z2)和时间(z3)之间的数学表达式。

图3 凝胶强度的预测优化

Fig.3 Optimization and prediction of the gel strength

2.4 DPCD与热诱导鱼糜形成凝胶的品质比较

比较DPCD与热诱导鱼糜形成凝胶的品质特性,结果见表6。DPCD诱导鱼糜凝胶的持水性和凝胶强度显著优于热诱导鱼糜(P<0.05),在水分含量和白度方面,2种方法无显著差异(P>0.05)。黄和等[15]采用热诱导方法制备金鲳鱼鱼糜凝胶,其凝胶强度为109.47 N·mm,也显著低于本研究中DPCD诱导鱼糜凝胶强度。因此,与热诱导相比,DCPD处理可以提高金鲳鱼鱼糜凝胶的凝胶强度和持水性。

表6 DPCD与热诱导鱼糜形成凝胶的品质比较

Table 6 Comparison in the qualities of gel induced by DPCD and heat

方法水分含量/%持水性/%凝胶强度/(N·mm)白度DPCD78.24±0.7184.48±0.77*128.15±0.08*72..47±1.13热处理78.52±0.0581.72±0.92108.82±2.5171.45±1.84

注:*表示同一指标差异显著(P<0.05)

3 结论

采用响应面试验设计和回归分析法建立了金鲳鱼鱼糜凝胶强度与DPCD处理温度、压强和时间之间的数学模型。DPCD处理温度、压强和时间对鱼糜凝胶强度均有显著影响,在温度60 ℃、压力30 MPa和处理时间50 min的条件下,DPCD诱导鱼糜凝胶的凝胶强度达到最大值(128.15±0.08)N·mm。与热诱导相比,DPCD处理能显著提高鱼糜凝胶的凝胶强度和持水性。

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Optimization of gelation process of surimi from Trachinotus ovatus induced by dense phase carbon dioxide using response surface methodology

LI Ru,LIU Yang*,ZHU Yongkang,ZHAO Xingchen,WANG Na,DU Zixin,LIU Shucheng*,SUN Qinxiu,WEI Shuai,XIA Qiuyu

1(College of Food Science and Technology,Guangdong Ocean University,Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Safety,Guangdong Province Engineering Laboratory for Marine Biological Products,Guangdong Provincial Engineering Technology Research Center of Seafood,Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Product of Guangdong Higher Education Institution,Zhanjiang 524088,China) 2(Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhanjiang),Zhanjiang 524025,China)

ABSTRACT Dense phase carbon dioxide(DPCD)is a non-thermal food processing technology.DPCD can induce surimi to form a gel, and the gel properties(water holding capacity, gel strength, microstructure, etc.)were significantly better than those of gel induced by heat.To explore the process parameters of surimi gelation induced by DPCD, Box-Behnken response surface methodology and regression analysis were used to establish a mathematical model between the gel strength with pressure, temperature and time of DPCD.The results showed that the pressure, temperature, time and their interactions had a significant influence on the gel strength of surimi.When samples were treated at 60 ℃ for 60 min under 30 MPa, the gel strength of surimi was 128 N·mm.Compared with heat induction, DPCD treatment could significantly improve gel strength and water holding capacity of surimi from Trachinotus ovatus.

Key words dense phase carbon dioxide;surimi;gel strength;optimization;Trachinotus ovatus

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.027096

引用格式:李茹,刘阳,朱永康,等.响应面优化高密度CO2诱导金鲳鱼鱼糜凝胶化的工艺[J].食品与发酵工业,2021,47(13):198-204.LI Ru,LIU Yang,ZHU Yongkang,et al.Optimization of gelation process of surimi from Trachinotus ovatus induced by dense phase carbon dioxide using response surface methodology[J].Food and Fermentation Industries,2021,47(13):198-204.

第一作者:本科生(刘阳博士研究生和刘书成教授为共同通讯作者,E-mail:254315054@qq.com;Lsc771017@163.com)

基金项目:国家级大学生创新创业训练项目(CXXL2019005);国家自然科学基金面上项目(31771997);南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)资助项目(ZJW-2019-06);广东海洋大学创新强校重大培育项目(GDOU2017052603);广东普通高等学校海洋食品绿色加工技术研究团队(2019KCXTD011)

收稿日期:2021-02-23,改回日期:2021-03-18