响应面法优化低钠盐水火腿加工工艺

刘彤彤,张雅玮,郭秀云,鲍英杰,卫璐琦,彭增起

(南京农业大学食品科技学院,江苏南京 210095)

随着健康意识的提高,越来越多的人认识到盐的过量摄入对血压和心血管疾病等的潜在危害,因此人们对低钠食品的需求与日俱增[1-2]。研究发现,人们日常摄入的盐分大约有20%来自于肉制品。食盐在肉制品中起着非常重要的作用,可提高产品的保水性、质构和风味等,食盐添加量的降低会直接影响到产品品质[3-5]。因此,目前对低钠肉制品的研究集中在使用食盐替代物,如KCl、MgCl2和CaCl2等,来部分替代氯化钠,以降低肉制品中的钠含量[6-8]。

盐水火腿作为广受国内外消费者喜欢的高档肉制品之一,具有广阔的市场前景,但目前对低钠盐水火腿的研究还十分有限。Tamm[9]等发现,在超高压作用下,降低30%的盐含量并用15.4%的KCl替代NaCl,可以得到在保水性、均一性和外观方面与普通盐水火腿无显著差异的低钠盐水火腿,但在咸度方面略有降低。徐雯雅等[10]等发现,用乳酸钙部分替代NaCl可以显著提高盐水火腿的色泽和硬度,但替代比过大会对产品的感官品质和质构带来一定的负面影响。

本实验旨在保证盐水火腿得率、保水性和质构良好且无异味的前提下,以含有氨基酸的低钠盐(ZL 201110341045.1)为替代物,选取复合磷酸盐添加量、盐水注射量、滚揉时间和低钠盐替代比这四个重要工艺参数,经优化确定低钠盐水火腿的加工工艺,并对此工艺下的盐水火腿钠含量进行测定,从而为生产低钠盐水火腿提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冷鲜猪里脊肉(宰后成熟24 h,冷链运送) 江苏苏食公司;食盐、低钠盐(专利号ZL 201110341045.1)、亚硝酸钠、复合磷酸盐(三聚磷酸钠、焦磷酸钠、六偏磷酸钠) 南京杰汶达生物科技有限公司。

BZSQ-Ⅱ型盐水注射机 江苏嘉兴艾博机械有限公司;真空滚揉机 德国VAKONA股份有限公司;BYXX-50型热风干燥箱 江苏嘉兴艾博机械有限公司;Allegra 64R型离心机 美国Beckman Coulter有限公司;TMS-PRO型质构仪 北京ENSOUL技术有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 低钠盐水火腿的生产工艺 原料(猪里脊)→修整→注射→滚揉→加热→冷却包装

注射液配比:以肉重100%计,冰水添加量为28%,食盐和低钠盐总添加量为2.3%,亚硝酸钠添加量为0.0125%,一定量的复合磷酸盐(三聚磷酸钠∶焦磷酸钠∶六偏磷酸钠=3∶3∶4)。

里脊去掉可见结缔组织和脂肪,修整成长40 cm、直径70 mm左右的圆柱状,注射一定量注射液之后将样品放入真空滚揉机,在转速15 r/min,真空度85%,4 ℃和间歇滚揉(滚揉20 min,休息5 min)条件下滚揉一段时间,取出样品,在中心温度达到70 ℃下加热70 min,随后冷却至中心温度0～4 ℃,真空包装后放入0～4 ℃冷库冷藏备用。

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 复合磷酸盐添加量单因素实验 复合磷酸盐添加量分别设置为0.16%、0.24%、0.32%、0.40%和0.48%,滚揉时间、注射量和低钠盐替代比分别为15 h、20%和50%，以得率、保水性和质构(硬度、弹性和咀嚼性)为指标，以下单因素实验指标测定与此相同。

1.2.2.2 盐水注射量单因素实验 盐水注射量分别设置为10%、15%、20%、25%和30%,滚揉时间、复合磷酸盐添加量和低钠盐替代比分别为15 h、0.32%和50%。

1.2.2.3 滚揉时间单因素实验 滚揉时间分别设置为10、15、20、25和30 h,复合磷酸盐添加量、注射量和低钠盐替代比分别为0.32%、20%和50%。

1.2.2.4 低钠盐替代比单因素实验 低钠盐替代比分别设置为0%、25%、50%、75%、100%,复合磷酸盐添加量、注射量和滚揉时间分别设置为0.32%、20%和15 h，以得率、保水性、质构(硬度、弹性和咀嚼性)和异味(本实验中其他三个因素对异味无明显影响,但低钠盐替代比对异味影响显著,因此仅此因素测定异味指标)为指标。

1.2.3 响应面实验 根据单因素实验结果,采用Box-Behnken Design设计实验方案,以复合磷酸盐添加量、盐水注射量、滚揉时间和低钠盐替代比为考察因素,以低钠盐水火腿得率Y1和保水性Y2为考察指标,设计四因素三水平响应面实验,优化低钠盐水火腿的加工工艺,实验因素水平如表1所示。

表1 响应面实验的因素水平及编码Table 1 Factors and levels of response surface experiments

1.2.4 评价指标的测定

1.2.4.1 得率的测定 测定原料修整后和得到成品后质量的变化率。得率计算公式如下:

得率(%)=B/A×100

式中:A修整后样品质量(g),B成品质量(g)。

1.2.4.2 保水性的测定 参考Trout[11]的离心法并做适当修改,将样品沿着肌纤维方向切成30 mm×10 mm×10 mm块状,置于离心管中在7400 r/min、4 ℃条件下离心20 min。离心结束取出样品用滤纸吸干表面水分。保水性计算公式如下:

WHC(%)=B/A×100

式中:A离心前样品质量(g),B离心后样品质量(g)。

1.2.4.3 质构的测定 采用TMS-PRO型质构仪对低钠盐水火腿进行质构分析,取硬度、弹性和咀嚼性。取中心部位样品,沿着肌纤维方向切成1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm的正方体,室温下用质构仪进行测定。测定速度为60.00 mm/min,起始力0.6 N,压缩比为50%,探头型号为P/50,测定间隔时间为30 s,上升高度为20 mm。

1.2.4.4 异味的测定 由10位有经验的评定人员对低钠盐水火腿的异味采用10分制进行喜好程度感官评定,评定时成员之间单独进行且互不交流,样品评定之间用清水漱口,1分表示不可接受,10分表示非常喜爱。

1.2.4.5 钠含量的测定 钠含量的测定采用何桂华等的方法[12]。得到的最优工艺条件下的低钠盐水火腿,精确称取0.2 g干燥样品,用HNO3微波消化,用去离子水定容,电感耦合等离子体原子发射光谱法(Inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry,ICP-AES)测定样品中的钠含量。以干重含量计算。

1.3 数据处理

实验数据通过SAS 8.01进行分析,对均值进行Duncan’s多重比较(p<0.05);Design Expert V8.0.6进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 复合磷酸盐添加量对低钠盐水火腿得率、保水性和质构的影响

复合磷酸盐添加量对低钠盐水火腿得率、保水性和质构的影响如表2所示。由表可知,随着复合磷酸盐添加量的增加,低钠盐水火腿的得率随之增加,复合磷酸盐添加量0.32%、0.40%与0.48%组显著高于添加量为0.16%和0.24%组(p<0.05),但0.32%组、0.40%组与0.48%组之间无显著差异(p>0.05);保水性呈现上升趋势,在复合磷酸盐添加量为0.32%时达到最大值,显著高于0.16%组和0.24%组(p<0.05),但与0.40%组、0.48%组差异不显著(p>0.05);硬度随着复合磷酸盐添加量的增加而逐渐降低,0.40%组和0.48%组显著低于0.16%组(p<0.05),但与0.24%组、0.32%组无显著差异(p>0.05);弹性和咀嚼性则呈上升趋势,在复合磷酸盐添加量为0.32%时达到最大值,但各添加量之间差异不明显(p>0.05)。

表2 复合磷酸盐添加量对低钠盐水火腿得率、保水性和质构的影响Table 2 Effect of compound phosphate additive on yield,WHC and TPA

考虑到磷酸盐添加量过高会降低肉制品的风味品质并综合上述结果,选取复合磷酸盐添加量为0.32%是比较合适的[13]。

2.2 盐水注射量对低钠盐水火腿得率、保水性和质构的影响

盐水注射量对低钠盐水火腿得率、保水性和质构的影响如表3所示。由表可知,随着注射量的增加,得率呈现上升趋势,但注射量15%、20%、25%和30%组之间差异不显著(p>0.05);注射量对保水性无显著影响(p>0.05),注射量的增加并没有使得低钠盐水火腿的得率增加,这可能是因为注射量超过了其保水能力,单纯增加注射量不能使得率增加。随着注射量的增加,硬度随之降低但差异不显著(p>0.05);弹性呈上升趋势,在注射量为20%时达到最大值,显著高于10%组(p<0.05),但与其他组差异不显著(p>0.05);注射量对咀嚼性无显著影响(p>0.05)。综上所述,15%和20%是比较合适的盐水注射量。后述单因素试验暂选20%为盐水注射量固定值。

表3 盐水注射量对低钠盐水火腿得率、保水性和质构的影响Table 3 Effect of brine injection on yield,WHC and TPA on low-sodium cooked ham

2.3 滚揉时间对低钠盐水火腿得率、保水性和质构的影响

滚揉时间对低钠盐水火腿得率、保水性和质构的影响如表4所示。由表可知,随着滚揉时间的增加,得率先上升后下降,在15 h时达到最大值,显著高于10、25和30 h组(p<0.05),与20 h组之间无显著差异(p>0.05)。同样,保水性也呈先上升后下降趋势,在15 h时达到最大值,显著高于其他组(p<0.05)。低钠盐水火腿的硬度在30 h组显著低于10、15和20 h组(p<0.05),与25 h组之间差异不显著(p>0.05);弹性呈先上升后下降趋势,在滚揉时间为15 h时达到最大值,显著高于10、20和30 h组(p<0.05),但和25 h组之间无显著差异(p>0.05);咀嚼性随滚揉时间增加逐渐降低,30 h组显著低于10 h组(p<0.05),但与其他组差异不显著(p>0.05)。

表4 滚揉时间对低钠盐水火腿得率、保水性和质构的影响Table 4 Effect of tumbling time on yield,WHC and TPA on low-sodium cooked ham

适当的滚揉可以破坏肌肉的组织结构,便于肌肉中蛋白质提取出来,并在此后的加热中形成稳定的三维网络结构,使得产品具有良好的得率、保水性与质构,在本实验中滚揉时间为20、25和30 h组得率和保水性降低,这可能是因为滚揉时间过长会导致肌纤维结构的过度破坏,反而不利于稳定结构的形成,从而使得盐水火腿的得率和保水性下降[14-15]。综上,选取滚揉时间为15 h是比较合适的。

2.4 低钠盐替代比对低钠盐水火腿得率、保水性、质构和异味的影响

低钠盐替代比对低钠盐水火腿得率、保水性、质构和异味的影响如表5所示。随着低钠盐替代比的增加,低钠盐水火腿的得率和保水性均呈现先上升后下降的趋势,在替代比为50%时达到最大值,显著高于对照组和100%组(p<0.05),与25%和50%组差异不明显(p>0.05)。与对照组相比,低钠盐替代比对实验组的硬度、弹性和咀嚼性均无显著影响(p>0.05)。在异味方面,对照组、替代比25%和50%组之间无显著差异(p>0.05),而75%和100%组的异味接受程度显著低于其他三组(p<0.05),也就是说这两组的异味明显。

表5 低钠盐替代比对低钠盐水火腿得率、保水性和质构的影响Table 5 Effect of substitution ratio of low-sodium salt on yield,WHC and TPA on low-sodium cooked ham

研究表明,低钠盐中含有的氨基酸成分可以一定程度上促进蛋白质的溶出[16-17]。因而提高了替代比25%、50%和75%组的得率和保水性,然而替代比100%组的得率和保水性降低,这可能是因为,钾离子本身的蛋白溶出能力弱于钠离子[18],而钾离子的占比过高,抵消了氨基酸促进蛋白溶出的效果。另一方面,钾离子占比过高会给产品带来不愉快的金属味和苦味,这也是替代比75%和100%组异味接受度显著低的原因[19]。综上,50%替代比是比较合适的。

2.5 响应面法优化低钠盐水火腿制作工艺

2.5.1 Box-Behnken实验设计及结果 根据单因素实验结果,本研究通过响应面法中的 Box-Behnken实验设计对低钠盐水火腿的加工工艺优化。以低钠盐水火腿的得率Y1和保水性Y2为响应值,进行四因素三水平Box-Behnken响应面优化实验。在27个实验组合条件下,实验设计方案及数据处理结果如表6所示。

表6 Box-Behnken 实验设计及其响应值Table 6 Box-Behnken design matrix and the response values

基于参数评估,运用Design-Expert V 8.0.6软件可得出响应值与被检变量之间的逻辑关系。对这些实验数据进行二次多元回归拟合,获得响应值与被检变量之间的关系为:

Y1=88.76+3.92A-0.47B-0.068C-0.97D+0.055AB-0.57AC-0.017AD+0.28BC-0.050BD-0.025CD-2.31A2+2.56B2-1.57C2-1.11D2

Y2=83.79-2.04A-0.30B+3.16C-0.78D+1.00AB+0.42AC-1.7AD+0.45BC-1.23BD+0.47CD-0.041A2-0.036B2-0.22C2-2.05D2

表7 回归模型的方差分析及回归系数的显著性检验Table 7 Analysis of variance(ANOVA)and significance test for response surface quadratic model

利用软件分析得到三维响应面如图所示。图1为各因素对低钠盐水火腿得率的影响。如图1(a)所示,得率随注射量、复合磷酸盐添加量的增大呈先增大后趋于平缓的趋势;同样在图1(b)和图1(c)中,得率随复合磷酸盐添加量、滚揉时间及复合磷酸盐添加量、低钠盐替代比的增加均呈先增大后趋于平缓的趋势;如图1(d)、图1(e)和图1(f),得率与各因素之间不存在显著的交互作用,因此表现为曲面较为平缓。

图1 各因素对低钠盐水火腿得率的影响Fig.1 Effects of different factors on yield of low-sodium cooked ham

图2为各因素对低钠盐水火腿保水性的影响。如图2(a)和图2(b)所示,随着复合磷酸盐、注射量和复合磷酸盐、滚揉时间的增加,保水性呈上升趋势;如图2(c)所示,随着复合磷酸盐、低钠盐替代比的增加,保水性先上升后趋于平缓;在图2(d)中,保水性随着注射量和滚揉时间的增加略有降低;图2(e)和图2(f)分别显示了注射量、低钠盐替代比和滚揉时间、低钠盐替代比对保水性的交互作用,当低钠盐替代比为25%时,随着注射量和滚揉时间的增加,保水性呈上升趋势,当低钠盐替代比为75%时,随着注射量和滚揉时间的增加,保水性呈下降趋势。

图2 各因素对低钠盐水火腿保水性的影响Fig.2 Effects of different factors on WHC of low-sodium cooked ham

2.5.2 优化工艺的确定和验证实验 运用软件对数据进行分析优化,得出低钠盐水火腿最优工艺条件:滚揉时间15.03 h,盐水注射量15.26%,复合磷酸盐添加量0.39%,低钠盐替代比52.88%,在该条件下低钠盐水火腿的得率为94.75%,保水性为88.68%。根据实际可操作性,将其修正为滚揉时间15 h,盐水注射量15%,复合磷酸盐添加量0.39%,低钠盐替代比53%。

在修正条件下进行验证实验,三次平行实验得到低钠盐水火腿的得率93.88%,保水性为87.37%,与预测值比较接近,表明该多元二次回归方程能够准确且稳定可行的预测低钠盐水火腿的得率。此外,在最优条件下得到的低钠盐水火腿的钠含量为2.69%,而普通盐水火腿(对照)的钠含量为3.69%,钠含量降低27%。

3 结论

在单因素实验的基础上,通过Box-Behnken响应面实验设计,优化并根据实际可操作性,得到了低钠盐水火腿最优工艺条件:滚揉时间15 h,注射量15%,复合磷酸盐添加量0.39%,低钠盐替代比53%。在此条件下,低钠盐水火腿的得率93.88%±2.05%,保水性为87.37%±1.82%,证明响应面法优化低钠盐水火腿加工工艺是准确可行的。另外,在此最优条件下得到的低钠盐水火腿钠含量比普通盐水火腿降低27%，为低钠盐水火腿的工业化生产提供技术支持,具有良好的应用前景。

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