响应面法优化草鱼鱼糜制品加工工艺

丁 利，杨贤庆，马海霞，李来好，陈胜军，郝淑贤，戚 勃

（1.中国水产科学研究院南海水产研究所，农业部水产品加工重点实验室，

国家水产品加工技术研发中心，广东广州 510300；

2.上海海洋大学食品学院，上海 201306）

响应面法优化草鱼鱼糜制品加工工艺

丁 利1，2，杨贤庆1，*，马海霞1，2，李来好1，陈胜军1，郝淑贤1，戚 勃1

（1.中国水产科学研究院南海水产研究所，农业部水产品加工重点实验室，

国家水产品加工技术研发中心，广东广州 510300；

2.上海海洋大学食品学院，上海 201306）

利用响应面分析法对草鱼鱼糜制品加工工艺的条件进行优化。首先采用Plackett-Burman设计对影响鱼糜制品凝胶强度的7个因素进行评价，筛选出具有显著影响的3个因素：漂洗时间、超声波时间和斩拌时间，再用最陡爬坡路径逼近3个因素的最大响应区域，最后采用Box-Behnken实验设计对显著因素进行优化，得出最佳漂洗时间、超声波时间和斩拌时间分别为：15、43、15min。优化工艺条件后，草鱼鱼糜制品凝胶强度提高至1308.67g·cm-1，是未优化前的1.46倍。

草鱼鱼糜制品，凝胶强度，Plackett-Burman试验设计，响应面法

鱼糜制品具有营养价值高，脂肪含量低等特点[1-3]。目前鱼糜的生产原料多为海水鱼，淡水鱼在鱼糜方面的应用较少，而且多数淡水鱼肉的凝胶性能比海水鱼差，因此有必要优化鱼糜制品加工工艺以提高其凝胶性能。凝胶特性作为鱼糜制品最重要的功能特性[4]，凝胶强度的大小是衡量鱼糜制品质量好坏的重要指标。在鱼糜制品加工工艺中，漂洗和斩拌是影响鱼糜制品凝胶强度的极其重要的环节[5-6]。漂洗时间、漂洗次数和漂洗温度的选择均影响鱼糜制品的凝胶强度[7-11]，通过漂洗可以除去鱼糜中部分水溶性蛋白质，从而提高鱼糜中盐溶性蛋白的相对含量，进而提高鱼肉蛋白质的凝胶形成能力[12]。合适的斩拌时间可提高鱼糜制品的凝胶强度[13]，斩拌温度要保持在合适的范围内，因为温度过高不利于鱼糜凝胶化的形成[14]。鱼肉细胞破碎的程度可影响鱼糜中盐溶性蛋白的溶出速率，进而影响鱼糜制品的凝胶强度。有研究发现超声波对一些动植物细胞的微观结构都有破碎作用[15-17]，也有研究表明超声波处理可提高大豆分离蛋白的凝胶强度[18]，但将超声波处理用于鱼糜制品加工过程中的报道较少。草鱼作为淡水养殖鱼类在我国产量很大[19]，但关于草鱼鱼糜制品的相关加工工艺的研究还较少见诸报道[20-21]。草鱼具有含脂少、生长快、肉质好的特点，为了充分利用我国的草鱼资源，提高草鱼的附加值，将其精深加工成鱼糜制品是一种很好的途径。本实验以草鱼为鱼糜制品加工原料，目标在于优化草鱼鱼糜制品所采用的加工条件，为生产出优质的草鱼鱼糜制品提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鲜活草鱼（重量＞1000g/条） 购于广州市水产市场；食盐 市购；特级魔芋精粉（食品级） 湖北强森魔芋科技有限公司；蛋清蛋白粉（食品级） 浙江省长兴艾格生物制品有限公司。

QTS-25型质构仪 美国Brookfield公司；SZ-5型斩拌机 广州旭众食品机械有限公司；FW 100型高速匀浆组织捣碎机 天津市泰斯特仪器有限公司；HR2006型飞利浦搅拌机 飞利浦有限公司；HH-2型孔数显恒温水浴锅 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；FA1104N型电子分析天平 上海民桥精密科学仪器有限公司；FMP400AS型制冰机 美国格兰特有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 草鱼鱼糜制品凝胶制备 鲜活草鱼→预处理→冰水洗净→去皮切块→采肉→漂洗去腥→脱水→斩拌（加入辅料）→灌肠→加热凝胶化→冰水中冷却→4℃保存24h。

1.2.2 工艺操作要点

1.2.2.1 预处理 除去鱼鳞、鱼头、鱼尾、内脏和内膜等，冰水清洗干净后使鱼肉温度迅速降到10℃以下。1.2.2.2 漂洗去腥 鱼肉用冷水漂洗，鱼肉和冷水的体积比为1∶（5～10），盐水质量浓度为2.5g/L，进行缓慢匀速的搅拌，静置3min，倾去表面漂洗液，重复3次。

1.2.2.3 斩拌 先空擂3m in，再加盐斩拌10m in，然后加入辅料（魔芋精粉0.6%，蛋清蛋白粉4%），按实验设计进行斩拌，斩拌过程中，加冰使温度控制在0～ 10℃。

1.2.2.4 加热凝胶化（二段法） 先放入40℃水浴锅中加热30m in，再放入90℃水浴锅加热20m in，取出后立即将其放入冰水中冷却10min，再将其置于4℃冰箱中，放置24h备用。

1.2.3 鱼糜凝胶强度的测定 将制备好的鱼糜从冰箱中取出，室温放置，使鱼糜温度平衡至室温，将样品切成2cm×2cm×3cm的长方块，将横断面的中心位于质构仪探头的正下方。用质构仪测定草鱼鱼糜凝胶的破断强度（g）和凹陷深度（mm），其中破断强度反映了鱼糜凝胶的硬度，凹陷度反映了鱼糜凝胶的弹性。鱼糜凝胶的凝胶强度（g·cm）为两者的乘积[22]。测试条件：选用压力模式，测定选用直径为11mm的球形探头，测试速度60mm/min，下压距离为15mm，测试力4.5g。所有测量均重复5次。

1.3 实验设计

1.3.1 Plackett-Burman实验设计 Plackett-Burman实验方法主要针对因子数较多，通过比较各个因子两水平的差异与整体的差异来确定因子的显著性。可以确定具有显著影响的因子，从而达到筛选的目的。影响鱼糜制品凝胶强度的可能因素有漂洗时间（X1）、漂洗温度（X2）、漂洗次数（X4）、超声波时间（X5）、斩拌加盐量（X7）、斩拌时间（X9）、斩拌温度（X10）。对这7个因素，选用N=12的Plackett-Burman实验设计筛选出显著影响因素，另外选择3个虚拟变量用来估计实验误差。实验选取的各因素水平取值见表1。

1.3.2 最陡爬坡实验 由Plackett-Burman实验结果得到各显著因素的效应值，根据各效应值的大小确定最陡爬坡实验的步长和爬坡方向，以经济、快速地逼近最佳值区域。鱼糜制品凝胶强度最大的实验点，即为下一步响应面分析法的中心点。

表1 Plackett-Burman试验设计及编码水平Table 1 Factors and levels of Plackett-Burman design

1.3.3 响应面分析实验方法 逼近最大响应区域后，采用Box-Behnken实验设计法对影响凝胶强度的显著因素进行优化。通过3因素3水平的17次实验，其中析因点12个，零点为5个，零点实验进行5次用来估计误差。由实验结果拟合回归多项式方程，以得到使鱼糜制品凝胶强度最大的加工工艺条件。Box-Behnken实验编码水平见表2。

表2 Box-Behnken实验因素与水平Table 2 Factors and levels of Box-Behnken design

1.4 数据处理

采用Minitab 15.0软件和Design-Expert 8.05软件对数据进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 Plackett-Burman实验设计结果及分析

以鱼糜制品的凝胶强度作为响应值，进行Plackett-Burman实验设计，表3为实验设计结果。对表3的各个实验结果进行回归分析，结果见表4。

从表4可以看出，漂洗时间对凝胶强度的影响最为显著（p=0.012），超声波时间（p=0.021）和斩拌时间（p=0.027）对凝胶强度影响显著，其他因素对凝胶强度影响的显著性依次为：漂洗温度＞斩拌温度＞斩拌加盐量＞漂洗次数。其中，7个因素中，除了漂洗次数和斩拌加盐量表现为负效应外，其余因素表现为正效应。模型的复相关系数为R2=0.9998，说明有很好的模拟相关性。

2.2 最陡爬坡实验结果

由表4可知，漂洗时间、超声波时间和斩拌时间均有显著正效应，所以3个因素的爬坡方向均为递增方向。漂洗时间、超声波时间和斩拌时间的步长依次取2、3、3。最陡爬坡试验设计及结果见表5。由表5可知，最大凝胶强度区在第3次实验附近，因此确定第3次实验的条件为响应面实验水平的中心点。

表3 Plackett-Burman实验设计结果Table 3 Plackett-Burman design and the strength of surimi product

表4 Plackett-Burman实验设计结果显著性分析Table4 Resultsof regression analysisofPlackett-Burman design

表5 最陡爬坡实验设计及结果Table 5 Steepestascent design and experimental results

2.3 Box-Behnken响应面分析实验结果

2.3.1 Box-Behnken实验设计及结果分析 Box-Behnken实验结果见表6。依据Design-Expert 8.05软件，采用Box-Behnken实验建立数学模型，以漂洗时间（X1）、超声波时间（X5）和斩拌时间（X9）为自变量，以+1、0、-1分别代表自变量的高、中、低水平。

以草鱼鱼糜制品凝胶强度为响应值，用Design-Expert 8.05软件对实验结果进行多元回归分析，所得的主要分析结果见表7。由方差分析可知，模型回归的显著性和可靠性极高（p＝0.0002＜0.01）；失拟项不显著（p＝0.1894＞0.1），失拟项反映的是实验数据与回归模型不相符的情况，因此选择此模型是合适的。同时，X5和X9的平方项以及X1X5、X5X9项均对响应值有极显著性影响，X1的平方项具有显著性影响，X1X9交互项作用影响不显著。由此可见，各影响因子对响应值的影响不是简单的线性关系。模型的复相关系数R2为0.9663，说明模型拟合程度较好，校正后的R2Adj为0.9229，即表明模型可以解释92.29%的草鱼鱼糜制品凝胶强度的变化，进一步说明了此回归模型的可信度较高。因此，可用该模型方程对鱼糜制品的凝胶强度进行分析和预测。

表6 Box-Benhnken实验设计与试验结果Table 6 Box-Benhnken design and experimental results

表7 试验模型的ANOVA分析结果Table 7 Variance analysis（ANOVA）for the fitted quadratic regressionmodel

2.3.2 响应面分析直观图 结合回归模型方程利用Design-Expert软件绘出响应面立体分析图，如图1～图3所示。先将第3个变量保持在编码的0水平，每个响应面分别代表2个独立变量之间的相互作用。由响应面图可以看出：漂洗时间、超声波时间和斩拌时间两两因素之间的相互作用都比较明显。随着超声波时间的增加凝胶强度逐渐增加，当漂洗时间超过16m in后，凝胶强度开始降低（见图1、图2）；图3表明随着漂洗时间和斩拌时间的增加，凝胶强度先增加后降低，两者相互作用显著。

图1 漂洗时间和超声波时间对凝胶强度影响的响应面图Fig.1 Response surface graph ofwashing time and the times of ultrasonic treatmenton the gel strength of surimi

图2 漂洗时间和斩拌时间对凝胶强度影响的响应面图Fig.2 Response surface graph ofwashing time and chopping time on the gel strength of surimi

图3 超声波时间和斩拌时间对凝胶强度影响的响应面图Fig.3 Response surface graph of the timesofultrasonic treatment and chopping time on the gel strength of surimi

2.3.3 最佳添加量的确定及验证试验 借助Design-Expert 8.05软件中的回归拟合，各试验因子对响应值Y的影响可用回归方程表示为：Y＝1304.12＋5.93X1-7.66X5＋7.58X9-84.88X12-186.70X52-230.66X92-191.72X1X5＋6.40X1X9-215.04X5X9。

此方程X12、X52、X92的系数均为负值，则方程的抛物线开口向下，因而有极大值点。在获得二次回归模型方程之后，利用Design-Expert 8.05软件对回归模型进行典型性分析，根据软件中的Optim ization分析得出优化结果。经优化后，为使鱼糜制品凝胶强度达到最大，最佳工艺条件X1＝1，X5＝-0.035，X9＝-1，经过换算得到各因素对应的实际水平分别为：漂洗时间X1＝16min、超声波时间X5＝42.89min、斩拌时间X9＝15m in。考虑到实际情况的可操作性，将条件修正为漂洗时间15min、超声波时间43min、斩拌时间15min，此时鱼糜凝胶强度的理论最大值为1318.14g·cm。

根据优化后的添加量，分别进行5组验证性试验，取其平均值。在此条件下，测得鱼糜制品凝胶强度为1308.67g·cm，与理论值相比误差小于1%。该结果表明，响应面法优化草鱼鱼糜制品加工工艺是可行且有效的。

3 结论

由Plackett-Burman实验筛选出3个显著因素为漂洗时间、超声波时间和斩拌时间，然后通过最陡爬坡实验确定响应面设计的中心点。最后，采用Box-Behnken实验进行响应面设计并对实验结果的二次回归模型进行了预测，确定了草鱼鱼糜制品加工工艺的最佳条件：漂洗时间15m in、漂洗温度15℃、漂洗次数2次、超声波时间43m in、斩拌加盐量2.4%、斩拌时间15m in、斩拌温度11℃，此时草鱼鱼糜制品的凝胶强度理论值为1318.14g·cm。在此条件下对预测结果进行验证实验，测得鱼糜制品凝胶强度为1308.67g·cm，与优化前896.35g·cm相比，草鱼鱼糜制品的凝胶强度提高了1.46倍。验证结果与理论预测值相近，说明该回归模型可用于优化草鱼鱼糜制品加工工艺。

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Optim ization of grass carp surim i-based products processing by response surface method

DING Li1，2，YANG Xian-qing1，*，MA Hai-xia1，2，LILai-hao1，CHEN Sheng-jun1，HAO Shu-xian1，QIBo1
（1.South China Sea FisheriesResearch Institute，Chinese AcademyofFishery Sciences，Key Lab ofAquatic ProductProcessing，Ministry of Agriculture，National R＆D Center for Aquatic Product Processing，Guangzhou 510300，China；
2.College of Food Science and Technology，ShanghaiOcean University，Shanghai201306，China）

Response surface analysis was used to op tim ize the conditions in g rass carp surim i-based p roducts p rocessing.First，Plackett-Burman design was adop ted to screen out three important factors affecting the gel strengh of grass carp surim i-based p roducts：washing time，the time of ultrasonic treatmen and chopping time. Then steepestascent path was adop ted to app roach the op timal region，and last the Box-Behnken design and response surface analysis were used to determ ine the op timal levels of the main factors.As a result，the op timal cond itions were analyzed as：washing time of 15m in，the time of ultrasonic treatmen of 43m in，chopping time 15m in.Under op timal cond itions，the gel strengh of g rass carp surim i-based p roduc ts was 1308.67g·cm-1，which was as 1.46 times as that under the originalp rocessing.

g rass carp surim i-based p roducts﹔gelstreng th﹔Plackett-Burman design﹔response surface analysis

TS254.4

B

1002-0306（2012）22-0260-05

2012－08－31 *通讯联系人

丁利（1986－），男，硕士，研究方向：水产品加工与贮藏。

国家十二五科技支撑计划项目（2012BAD28B06）；广东省科技计划重点项目（2011A020102005）；广东省教育部产学研结合项目（2009B090300157）。