响应面试验优化肉冻粉配方及其成糊和流变学性质

王小燕，黄 艳，钟 耕,2,3,*

（1.西南大学食品科学学院，重庆 400716；2.西南大学 食品科学与工程国家级实验示范教学中心，重庆 400715；3.西南大学 重庆市高校魔芋资源利用研究工程中心，重庆 400716）

响应面试验优化肉冻粉配方及其成糊和流变学性质

王小燕1，黄 艳1，钟 耕1,2,3,*

（1.西南大学食品科学学院，重庆 400716；2.西南大学 食品科学与工程国家级实验示范教学中心，重庆 400715；3.西南大学 重庆市高校魔芋资源利用研究工程中心，重庆 400716）

采用四因素三水平Box-Behnken试验设计，研究用魔芋胶、k-卡拉胶、糯米粉和羧甲基纤维素钠复 配成的肉冻 粉及其对保水性、硬度、糊化和流变性质的影响。结果表明，魔芋胶、k-卡 拉胶和羧甲基纤维素钠添加量对肉冻粉的保水性有极显著影响，魔芋胶、k-卡拉胶、糯米粉和羧甲基纤维素钠添加量对肉冻粉的硬度有极显著影响。糯米粉和羧甲基纤维素钠添加量的增加会使肉冻粉的峰值黏度增大，羧甲基纤维素钠添加量增加使肉冻粉体系的崩解值和回升值均增大，而起始成糊温度降低。保水性和硬度最佳的肉冻粉样品在45～85 ℃均为假塑性流体，并随着温度升高假塑性增强，其动态流 变学实验表明，随着温度的降低G’、G”呈增大趋势。

肉冻粉；响应面；魔芋胶；糊化特性；流变学性质

肉冻粉在我国有着悠久的食用历史，它是制作汤包馅心的重要原料，也是良好的凉拌佐餐和菜肴，深受广大群众喜爱。在传统工艺中，肉冻以肉皮为原料生产，工艺繁琐且不经济。近年来，人们常以琼脂和明胶作凝胶剂生产肉皮冻，但产品脆软、易析水、熔点低，难以成形，生产成本也高。为解决实际应用中存在的问题，本研究中的肉冻粉主要由k-卡拉胶（后文中简称卡拉胶）、魔芋胶等植物凝胶和淀粉复合而成，含有丰富的膳食纤维，加热可熔成汁，冷却可成凝胶冻状，韧性强，有类似肉皮冻的口感和外观，在制作火腿肠、午餐肉、汤包馅心及肉冻骨头汤时可作为重要原料，能与肉、骨头黏为一体、不易分开[1-2]。本研究采用魔芋胶、卡拉胶和淀粉复配制备的肉冻粉有着析水少，弹性好等优点。卡拉胶易形成热可逆性半固体状透明凝胶，能够减少肉制品的蒸煮损失，改善肉品的出品率和弹性，降低肉品水分活度，和魔芋胶复配能显著改善肉制品的口感[3]，并延长其贮藏期。魔芋是一种高纤维低热量的天然保健食品，食用魔芋食品可以促进消化，对人体健康十分有益。魔芋的主要成分为魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）。KGM溶于水后会形成一种十分黏稠的溶胶，并且，KGM在提高机体免疫机能、抗癌、降血脂、降血糖、预防动脉粥样硬化等方面均显示出较好的效果[4]，KGM有较高的相对分子质量，主要分布在20～200万之间，可吸水膨胀80～100 倍，具有良好的增稠性、胶黏性和乳化性等功能特性，与卡拉胶复配能提高凝胶强度及增加弹性[5]，为模拟明胶肉冻提供了可能。由于魔芋胶吸水性较好，可以和卡拉胶复配时吸收体系的水分，使肉冻粉体系保水性变好[6]。糯米粉中支链淀粉含量达95%以上，有着易糊化、冻融稳定性好的特点，可以作为脂肪代替物使用[7-8]。羧甲基纤维素钠（sodium carboxymethyl cellulose-Na，CMC-Na）因为具有持水性好、冻融稳定性佳等优点，可替代明胶、琼脂、海藻酸钠和果胶的作用，常被用在冷冻食品中[9]。

由魔芋胶、卡拉胶、糯米粉、CMC-Na复合配方而成的肉冻粉鲜见报道，魔芋胶和卡拉胶复配能显著减少凝胶体系的析水率，卡拉胶具有强大而优异的凝胶和乳化能力。能给肉制品，如包子肉馅、饺子馅等带来良好的组织结构及口感，提高出品率，降低生产成本。也就是在后续的肉冻粉和肉馅的配合使用于速冻包子，速冻饺子时能有效地减少析水，为速冻包子、速冻饺子有良好的口感和外观提供可能。最终目的是将“肉冻粉”在日常食品如包子、饺子中应用起来，让速冻饺子、速冻包子等半成食品在家蒸制也拥有和专业包子铺一样好的品质和口感。因此，本实验采用四因素三水平的响应面设计研究4 种配料对肉冻粉的保水性和硬度的影响，优化肉冻粉的配方技术，初步探索其糊化特性和流变学特性，以期对实际生产有更好的指导作用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

特级魔芋胶（质量满足NY 494—2010《魔芋粉》要求） 四川魔力科技有限公司；卡拉胶（食品级）福建省绿麒食品胶体有限公司；CMC-Na（食品级）上海甘源实业有限公司；糯米粉（食品级） 泰州市今世味食品有限公司。

1.2 仪器与设备

HH-2恒温数显水浴锅 国华电器有限公司；CT3质构仪 美国Brookfi eld公司；DHR-1TA流变仪 美国TA仪器公司；TechMaster RVA快速黏度仪 波通瑞华科学仪器（北京）有限公司；电子分析天平 上海天平仪器厂；Avanti J-301高速冷冻离心机 美国贝克曼库尔特公司。

1.3 方法

1.3.1 肉冻粉的制备

常温条件下按前期试验结果最优设计，称取一定量的卡拉胶、魔芋胶、糯米粉和CMC-Na，室温条件下用蒸馏水配制成质量浓度为1.0 g/100 mL左右的复配胶，于70 ℃恒温水浴锅中搅拌加热30 min。待其充分溶胀后，静置冷却。要求形成的凝胶状物质5～6 h无析水，切开后切口基本不出水，爽滑，有类似肉皮冻的口感，室温静置12 h后测定。

1.3.2 单因素试验

考察魔芋胶、卡拉胶、糯米粉、CMC-Na添加量对肉冻粉品质的影响。采用1.3.1节方法制备肉冻粉。以保水性和质构参数综合评价肉冻粉。每组试验3 个平行，结果以“±s”表示。

1.3.2.1 魔芋胶添加量对肉冻粉品质的影响

考察0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 g的魔芋胶对肉冻粉保水性及质构的影响。其他反应条件添加量为：卡拉胶0.15 g、糯米粉0.2 g、CMC-Na 0.3 g（于100 mL水中，下同）。

1.3.2.2 卡拉胶添加量对肉冻粉品质的影响

考察0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 g的卡拉胶对肉冻粉保水性及质构的影响。其他反应条件添加量为：魔芋胶0.2 g、糯米粉0.2 g、CMC-Na 0.3 g。

1.3.2.3 糯米粉添加量对肉冻粉品质的影响

考察0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g的糯米粉对肉冻粉保水性及质构的影响。其他反应条件添加量为：魔芋胶0.2 g、卡拉胶0.15 g、CMC-Na 0.3 g。

1.3.2.4 CMC-Na添加量对肉冻粉品质的影响

考察0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g的CMC-Na对肉冻粉保水性及质构的影响。其他反应条件添加量为：魔芋胶0.2 g、卡拉胶0.15 g、糯米粉0.2 g。

1.3.3 响应面试验

选用四因素三水平的Box-Behnken试验设计，共29 组试验，每组试验3 个平行。试验设计因素与水平见表1。

表1 响应面试验因素水平表Table1 Factors and levels used in response surface design

1.3.4 肉冻粉保水性的测定

将制备好的肉冻粉捣碎置于离心机中以4 540×g的转速离心10 min后除水称质量。保水性计算如下式所示：

式中：M1为离心管和肉冻粉初质量/g；M2为离心管和离心除水后的肉冻粉质量/g；M为离心管质量/g。

1.3.5 肉冻粉质构测定

用质构仪测定凝胶硬度，单位为g。质构仪参数：测前探头下降速率1.0 mm/s，测试速率0.5 mm/s，测试后探头上升速率10 mm/s[10]，穿刺测试距离10 mm，感应力为20 g，用质构仪自带的软件进行分析。

1.3.6 样品糊化特性（rapid visco analyser，RVA）

准确称取肉冻粉组成所需的魔芋胶、卡拉胶、糯米粉和CMC-Na，分别与蒸馏水混合于RVA专用铝盒内，调成淀粉与胶体复配的悬浮液。

RVA测定程序：10 s内转速由960 r/min降到160 r/min并保持稳定[11]，从50 ℃开始升温，经过4.5 min升温到95 ℃。并保温2.5 min，经过3 min降温至50 ℃，保持50 ℃到第13分钟，由快速黏度仪自动绘出糊化曲线。

1.3.7 样品流变学性质测定

流变学性质是研究物体受外力作用而变形或者流动的性质，是力学性质的一部分，包括静态流变学性质和动态流变学性质[12]。

1.3.7.1 静态流变学实验

将样品放入DHR-1TA流变仪测定平台，采用平板-平板测量系统，平板直径为40 mm[13]，平板间距750 μm，刮去平板外多余样品，加上盖板，并加入硅油防止水分蒸发。分别于45、55、65、75、85 ℃测定样品随着剪切速率从0～300 s-1递增过程中黏度的变化。

1.3.7.2 动态流变学实验

样品测试条件如1.3.7.1节所示，温度以3 ℃/min从 85 ℃降到45 ℃，应变1%（线性黏弹区内）的条件做动态降温扫描，在恒定的振动频率1 Hz条件下测定肉冻粉凝胶形成过程中的动态储能模量G′、损耗模量G″随温度的变化情况。

1.4 数据处理

采用Excel和SPSS 17.0软件进行数据处理和统计分析，用Design-Expert 8.0.5软件进行响应面设计和分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

由图1可知，随着魔芋胶的添加量增加，肉冻粉的保水性呈上升趋势，介于肉冻粉冷却可成凝胶冻状，加热又可成汤汁的特殊要求，魔芋胶的适宜添加量为0.2 g/100 mL，卡拉胶添加量增大，保水性先增大后减小，卡拉胶的适宜量为0.15～0.2 g/100 mL之间，糯米粉和CMC-Na添加量对肉冻粉保水性的影响不大。

图1 魔芋胶（A）、卡拉胶（B）、糯米粉（C）、CMC-Na（DD）添加量对肉冻粉保水性的影响Fig.1 Effects of KGM, kCG, GRF and CMC-Na on WHC of aspic powder

图2 魔芋胶（A）、卡拉胶（B）、糯米粉（C）、CMC-Na（D）添加量对肉冻粉硬度的影响Fig.2 Effects of KGM, kCG, GRF and CMC-Na on hardness of aspic powder

由图2可知，随着魔芋胶添加量的增大，肉冻粉的硬度变化起伏不定，但整体有向下的趋势，而卡拉胶的添加量越大，硬度越大，由于肉冻粉应用的要求，选择卡拉胶添加量范围为0.1～0.2 g/100 mL做进一步的筛选。糯米粉添加量的增加使肉冻粉硬度呈减小趋势，但幅度较小，CMC-Na添加量增大，肉冻粉的硬度先增大后减小，整体变化程度较缓和。

2.2 响应面试验设计与结果

在单因素试验结果的基础上，以魔芋胶添加量（A）、卡拉胶添加量（B）、糯米粉添加量（C）和CMC-Na添加量（D）为自变量，以保水性（R1）和硬度（R2）为响应值，对肉冻粉制备的工艺条件进行优化，试验设计与结果见表2。

由表3可知，模型的F=642.77，P＜0.000 1，表明试验所用的二次模型是极显著的，在统计学上也是有意义的。失拟项P=0.068 9，在P＜0.05水平上不显著，对模型是有利的。校正决定系数R2Adj=0.996 9，变异系数CV=0.093%，说明该模型只有0.31%的变异不能由该模型解释，因此，该模型拟合性较好。

因素A、B、D 对肉冻粉的保水性影响极显著，交互项AB、AD的P值也都小于0.000 1，对肉冻粉的保水性也有极显著的影响。二项式A2、B2、D2的P值都达到了极显著水平。魔芋胶添加量对肉冻粉保水性影响最大；其次是卡拉胶添加量、CMC-Na添加量和糯米粉添加量。采用Design-Expert对表2数据进行回归分析与拟合，肉冻粉保水性与各因素变量的二次方程模型为：

R1=98.57＋1.80A-1.36B-0.069C-0.15D＋1.14AB-0.035AC＋0.36AD＋0.10BC-0.045BD＋0.16CD-1.00A2-0.36B2-0.021C2-0.38D2

表2 肉冻粉保水性和硬度的响应面试验设计与结果Table2 Experimental design and results for WHC and hardness of aspic powder

表3 保水性回归模型方差分析Table3 Analysis of variance for the fi tted quadratic model of WHC

表4 硬度回归模型方差分析Table4 Analysis of variance for the fi tted quadratic model of hardness

由表4可知，模型的F=313.78，P＜0.000 1，表明该模型高度显著，失拟项P=0.056 2，在P＜0.05水平上不显著，表明该模型具有较好的拟合度。=0.993 6，变异系数CV=2.02%，说明该模型只有0.64%的变异不能由该模型解释，模型具有实际应用意义。

因素A、B、C、D对肉冻粉的硬度影响极显著，交互项AC、BC、BD的P值也都小于0.000 1，对肉冻粉的硬度也有极显著的影响。二项式B2、D2的P值达到极显著水平。卡拉胶含量是对肉冻粉保水性影响最大的因素。肉冻粉硬度与各因素变量的二次方程模型为：

R2=238.80-16.50A＋86.17B-9.33C-5.00D-2.50AB＋15.00AC＋6.00AD＋11.50BC-11.50BD＋5.50CD＋0.52A2-6.48B2＋4.77C2-11.73D2

图3 魔芋胶添加量和其他各因素交互作用对肉冻粉保水性影响的响应面 图Fig.3 Response surface plots showing the interactive effects of KGM with kCG, GRF, and CMC-Na on WHC of aspic powder

图4 卡拉胶添加量和其他各因素交互作用对肉冻粉硬度影响的响应面图Fig.4 Response surface plots showing the interactive effects of kCG with KGM, GRF, CMC-Na on hardness of aspic powder

由图3可知，随魔芋胶添加量的增加肉冻粉的保水性整体呈上升趋势，但上升的趋势比较平稳，糯米粉的添加量对肉冻粉的保水性几乎没有影响。由图4可以看出，卡拉胶添加量对肉冻粉的硬度影响最大，随着卡拉胶添加量的增加，肉冻粉的硬度急剧增大。通过Design-Expert 8.0.5软件分析，魔芋胶、卡拉胶、糯米粉、CMC-N a添加量分别为0.22、0.10、0.20、0.18 g/100 mL时肉冻粉的保水性最大；添加量分别为0.15、0.20、0.20、0.18 g/100 mL时肉冻粉的硬度最大。

2.3 样品的糊化特性

图5 不同质量浓度的糯米粉和CMC-Na的保水性最佳样品糊化曲线Fig.5 Pasting curves of samples containing different concentrations of GRF and CMC-Na and showing the best WHC

由图5可以看出，随着糯米粉、CMC-Na添加量的递增，响应面试验最优工艺条件保水性最佳的肉冻粉样品体系峰值黏度增大，说明糊的性质与糯米粉和CMC-Na的糊化性质有关。由图5b可知，CMC-Na添加量增加使体系的崩解值[14]（峰值黏度和谷值黏度的差值）也呈上升趋势，尤其是CMC-Na含量为0.2～0.3 g/100 mL之间上升幅度巨大，说明CMC-Na添加量增加会降低糊的热稳定性。回升值[15]（最终黏度与谷值黏度的差值）逐渐增大，而起始成糊温度却逐渐降低。

图6 不同质量浓度的糯米粉和CMC-Na的硬度最佳样品糊化曲线Fig.6 Pasting curves of samples containing different concentrations of GRF and CMC-Na and showing the bes hardness

利用响应面分析法对肉冻粉品质的两个因素硬度和保水性进行有效分析，并优化肉冻粉的工艺制备条件，对硬度最大的复配凝胶体系不同的糯米粉、CMC-Na含量的样品进行快速黏度测定，如图6所示，糯米粉和CMC-Na添加量增加，体系的峰值黏度和保水性最佳样品呈现相似的变化趋势，但硬度最佳样品不同质量浓度糯米粉和CMC-Na峰值时间更加趋于一致，硬度最佳样品不同质量浓度糯米粉样品的峰值时间在3.27～3.53 min间，CMC-Na添加量在0.1、0.2 g/100 mL时峰值时间为3.40 min，添加量在0.3～0.5 g/100 mL之间时峰值时间均为3.47 min。此外，样品的峰值黏度、谷值黏度和最终黏度均随着样品质量浓度的增大而增加，但糯米粉的增加使样品的崩解值逐渐减小，而CMC-Na的增加使体系的崩解值逐渐增大，进一步说明糯米粉可以提高热糊的稳定性，而CMC-Na降低体系的热糊稳定性。由于肉冻粉是模拟明胶肉冻的形态，有着不析水、原料易得等优点，应用于灌汤类食品的馅料中，温度变化是对其形态影响的主要因素，而加热是食品加工及熟化的主要途径之一，由肉冻粉随温度变化趋势图可以模拟在温度变化作用下汤汁馅料的形态转变过程。

2.4 样品的静态流变学性质

由响应面试验可以得出保水性和硬度分别最高的肉冻粉组，用保水性和硬度最佳的肉冻粉分别做不同温度的静态频率扫描，由DHR-1TA流变仪自带软件分析可知肉冻粉符合幂率方程。

幂率方程：τ= Kγn

式中：τ为剪切应力/Pa；γ为剪切速率/s-1；K为稠度系数/（Pa·sn）；n为流体指数[16]。

采用幂率方程对肉冻粉保水性和硬度最佳的样品体系进行拟合，流动曲线的各参数如表5所示。

肉冻粉保水性和硬度最佳的样品体系静态流变特性如图7所示，在所扫描的剪切速率0～300 s-1范围中，流体指数n均小于1，样品的黏度随剪切速率的增大而减小，表现为剪切时间依赖现象，为假塑性流体[17-18]。由表5可以看出，复相关系数R2在0.967 6～0.993 9之间，幂率方程适用于该样品体系流变曲线的拟合[19]。流体指数n值随温度的升高而降低，说明肉冻粉样品随着温度的升高假塑性增强。

表5 肉冻粉保水性和硬度最佳的样品体系静态流变的幂率方程拟合参数Table5 Power law parameters of samples with the best WHC and hardness

图7 保水性（a）和硬度（b）最佳样品不同温度条件下静态流变曲线Fig.7 Static isothermal rheological curves of samples with the best WHC (a) and hardness (b)

2.5 样品的动态流变学性质

动态流变学是用来测定样品的黏弹性响应，可以判断该流体是黏性为主还是弹性为主，适用于何处加工或如何加工，对质量控制及应用具有很大价值。弹性模量G’（储能模量）表示应力能量在实验中暂时储存，以后可以恢复；黏性模量G”（损耗模量）表示初始流动所需能量是不可逆损耗；而tanδ是G”和G’的比值[20]。

由图8可以看出，肉冻粉样品保水性最佳样品和硬度最佳样品的储能模量（弹性模量）和损耗模量（黏性模量）随温度的升高逐渐减小。且储能模量大于损耗模量，表明弹性占主导地位。所以肉冻粉凝胶的可恢复性较好。

图8 保水性（a）和硬度（b）最佳样品随温度变化关系曲线Fig.8 Temperature variation curves of sample with the best hardness

图9 样品动态流变曲线Fig.9 Dynamic rheology curves of samples with the best WHC and hardness

由图9可见，在60 ℃之前，损耗角正切值tanδ较平稳，并小于1，说明这个阶段样品显黏性流体性质；而后，随着温度的升高tanδ增大，硬度最佳样品和保水最佳样品先后达到1，并且保持大于1，说明流体此阶段略显弹性流体性质。

3 讨 论

保水性最佳样品在温度为71 ℃时出现交叉，此后，损耗模量大于储能模量，黏性占主导[21-23]，表明此温度条件下，肉冻粉凝胶状态逐渐变为溶胶状态。硬度最佳样品在温度为67 ℃时出现交叉，在67～85 ℃，损耗模量较储能模量大，黏性主导[24-25]，说明肉冻粉样品逐渐由凝胶变为溶胶。

魔芋胶添加量0.22 g/100 mL、卡拉胶添加量0.10 g/100 mL、糯米粉添加量0.20 g/100 mL、CMC-Na添加量0.18 g/100 mL时，肉冻粉的保水性最大，对肉冻粉保水性影响最大的因素为魔芋胶添加量；魔芋胶添加量0.15 g/100 mL、卡拉胶添加量0.20 g/100 mL、糯米粉添加量0.20 g/100 mL、CMC-Na添加量0.18 g/100 mL时，肉冻粉的硬度最大，对肉冻粉硬度影响最大的为卡拉胶添加量。随着糯米粉添加量在0.1～0.5 g/100 mL，样品糊化曲线中峰值黏度逐渐升高；随着CMC-Na添加量在0.1～0.5 g/100 mL，糊化曲线的峰值黏度、崩解值和回升值都成上升趋势，而起始糊化温度呈下降趋势。保水性最佳和硬度最佳的肉冻粉样品在45～85 ℃均为假塑性流体，样品的G’和G”均随温度的降低而增大。保水性最佳样品在45～71 ℃之间G’＞G”，71～85℃范围内G’＜G”；硬度最佳样品在45～67 ℃之间G’＞G”，67～85 ℃范围内G’＜G”。

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Formulation Optimization of Aspic Powder by Response Surface Methodology and Its Pasting and Rheological Properties

WANG Xiaoyan1, HUANG Yan1, ZHONG Geng1,2,3,*
(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400716, China; 2. National Undergraduate Experimental Teaching Center, Southwest University, Chongqing 400715, China; 3. Konjac Resources Utilization Engineering Center of Chongqing Universities, Southwest University, Chongqing 400716, China)

Ιn this study, a Box-Behnken design with four factors at three levels was used to analyze the effects of konjac gum (KGM), k-carrageenan (kCG), glutinous rice fl our (GRF) and sodium carboxymethyl cellulose (CMC-Na) on the water holding capacity (WHC), hardness, pasting, and rheological properties of aspic powder. The results showed that KGM, kCG, and CMC-Na had extremely signifi cant effects on the WHC of aspic powder, while KGM, kCG, GRF and CMC-Na had extremely signifi cant effects on its hardness. The peak viscosity of aspic powder increased with an increase in GRF and CMC-Na. With increasing CMC-Na concentration, the breakdown and setback values increased, and pasting temperature decreased. Aspic powder samples with the best WHC and hardness were pseudo-plastic fluids at 45-85 ℃, and as the temperature rose, pseudo-plasticity was enhanced. Dynamic rheological tests showed that as the temperature decreased, G’and G’’ tended to increase.

aspic powder; response surface methodology; konjac gum; pasting properties; rheological properties

TS219

A

1002-6630（2015）22-0025-08

10.7506/spkx1002-6630-201522005

2015-02-10

重庆市“121”科技示范工程创新项目（cstc2014zktjccxyyB0022）

作者介绍：王小燕（1990—），女，硕士研究生，研究方向为农产品加工及贮藏工程。E-mail：1028636720@qq.com

*通信作者：钟耕（1964—），男，教授，博士，研究方向为粮食、油脂与植物蛋白。E-mail：zhonggdg@126.com