D-最优混料设计优化水晶皮冻配方

李俊宏，李洪军，2，胡欣颖，李雪，曾令英，贺稚非,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

胶冻类产品作为一种传统保健美容休闲食品，具有低脂肪、低热量和高蛋白等特点。其中用猪皮制成的水晶皮冻产品，富含胶原蛋白且脂肪含量极低，不仅可以除皱美容、抗衰老，更有促进造血功能、抗癌等特殊功效[1-2]。由于猪皮胶原蛋白含量丰富，其水解之后的多种活性肽具有良好抗氧化活性[3-5]，食用价值较高且具有广阔开发前景。

单纯以猪皮为原料加工制成的水晶皮冻，凝胶黏性小，且凝胶熔点过低，影响其风味口感，且对杀菌工艺运输条件等有一定限制[6]，为解决实际应用中存在的问题，选用添加食品胶如卡拉胶等的方式，一方面对皮冻的凝胶强度，熔点等特性进行优化，另一方面相较改变生产工艺或使用添加剂，最终产品的安全性更高且成本较低[7]。

近年来，具有安全、独特理化性质的食品胶体的应用越来越广泛，其中又以卡拉胶、魔芋胶、黄原胶等应用最广[8]，皮冻的感官及质构特性主要取决于其凝胶特性，而如果将某一种食品胶添加到皮冻中，可能很难同时满足各种指标要求，而采用复配胶的方式，其凝胶强度、持水力、熔点和感官评分可能都会达到期望水平[9]。因此，选择常应用于肉制品中，且单一添加对皮冻无不良影响的3种凝胶：魔芋胶、卡拉胶和结冷胶对水晶皮冻进行复配[10-11]，以期通过凝胶间的协同作用使水晶皮冻有更好的凝胶效果。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜猪皮，盐，料酒，十三香，均购自重庆北碚永辉超市；食品级魔芋胶，食品级κ-卡拉胶，食品级结冷胶(高酰基)，购自山东省青岛市明月海藻集团有限公司。

1.2 仪器与设备

HH-6富华数显恒温水浴锅，金坛市富华仪器有限公司；CT-3型质构仪，美国Brookfield公司；MR-09H插入式温度计，广州铭睿电子科技有限公司；L16M 冷冻离心机，长沙湘智离心机仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备

水晶皮冻的制备：新鲜猪皮购自当地市场，于-4℃下保存。使用时切块(2 cm×1 cm×0.3 cm)，清洗后于沸水中预煮2 min，称量分装，加入调味剂(盐、料酒、十三香)和水，熬煮2 h，加入复配胶并搅拌10 min，放置冷却，进行指标测定。

1.3.2 单因素试验

通过查阅相关文献[12-14]，选择产品的凝胶强度、持水力和熔点作为评价指标，进行单因素试验，以确定3种胶的最优添加范围，试验分组如下：(1)固定魔芋胶质量分数比70%，结冷胶15%，卡拉胶为15%、20%、25%、30%、35%。(2)固定卡拉胶质量分数25%，结冷胶占比15%，魔芋胶为50%、60%、70%、80%、90%。(3)固定魔芋胶质量分数70%，卡拉胶20%，结冷胶为5%、10%、15%、20%、25%。

1.3.3 混料实验设计

依据单因素试验结果，得出3种胶的最优添加范围，见表1。然后采用辅助软件Design Expert中的D-最优混料试验(D-optimal)设计。以魔芋胶、κ-卡拉胶(后文简称卡拉胶)和结冷胶的添加比例为变量，以产品的凝胶强度、持水力、熔点和感官评分作为响应值，设定复合胶总量为1，三者的组合配方见表2。

表1 混料实验因素和水平Table 1 Mixing experimental factors and levels

表2 水晶皮冻配方的混料设计表Table 2 Crystal jelly formula mixing design table

1.3.4 凝胶强度的测定

采用质构仪，测定凝胶破裂时所施加于凝胶的作用力，将这一作用力定义为凝胶强度。测定方法参照王晓婧[15]的方法并稍作修改，将大小均一，平均厚度50 mm的样品放置于250 mL烧杯中，室温放置5 min后测定，每组样品平行测定3次。参数设置如下：下压距离10 mm，触发压力5 g，测前速度5.00 mm/s,测试速度1.00 mm/s，测后速度5.00 mm/s。探头P/0.5。

1.3.5 持水力测定

参照王雅菲[16]的方法并稍作修改，称取样品5 g，用3层滤纸包裹，放于离心机中，5 000 r/min，离心15 min，分别测定离心前、后重量，按公式(1)计算持水力(water holding capcity,WHC)：

(1)

式中：X1，离心前质量，g；X2，离心后质量，g。

1.3.6 熔点测定

皮冻熔点的测定参考PRANOTO等[17]的方法并稍作修改，取样品20 g分别放入50 mL烧杯中，于室温下平衡15 min，设定水浴锅起始温度为25 ℃，目标温度80 ℃，记录烧杯中皮冻达到固液混合，且能平衡1 min时的温度，即为熔点。

1.3.7 感官评价

为明确影响晶皮冻口感的关键因素，以及尽可能减少人为主观因素造成的误差，需确定各级指标权重，首先采用层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)[18]，请10名食品专业学生，根据个人经验分别给予各指标权重，构造判断矩阵，采用特征向量法计算权重，最终确定综合评分X=口感× 0.44 +色泽× 0.8 +风味× 0.48。然后选择10名(5男5女)经过专业培训的食品专业硕士研究生，具体评价标准见表3，每个样品每人评价1次，最终分数取平均值。

表3 感官评定标准Table 3 Sensory evaluation standard

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 卡拉胶质量分数对凝胶效果的影响

由图1可知，随着卡拉胶质量分数的不断增大，皮冻凝胶强度不断增大，在30% 时趋于平稳；持水力先增大后减小，在卡拉胶浓度为20%～30%，皮冻凝胶强度和持水力均有显著增大(P< 0.05),因此选择20%～30% 作为卡拉胶最优浓度范围。

图1 卡拉胶质量分数对皮冻凝胶强度和持水力的影响Fig.1 Effect of carrageenan mass fraction on thestrength and water holding capacity of dermal jelly gel注：大写字母表示差异极显著(P < 0.01)；小写字母表示差异显著(P < 0.05)。下同。

2.1.2 魔芋胶质量分数对凝胶效果的影响

由图2可知，随着魔芋胶质量分数的不断增大，皮冻凝胶强度不断增大，在70%时趋于平稳；持水力先增大后减小，在魔芋胶质量分数为60%～80%，皮冻凝胶强度和持水力均有显著增大(P< 0.05),之后变化不显著(P> 0.05)，因此选择60%～80% 作为魔芋胶最优质量分数范围。

图2 魔芋胶质量分数对皮冻凝胶强度和持水力的影响Fig.2 Effect of konjac gum mass fraction on thestrength and water holding capacity of dermal gel

2.1.3 结冷胶质量分数对凝胶效果的影响

由图3可知，随着结冷胶质量分数的不断增大，皮冻凝胶强度不断增大，持水力先增大后减小，在结冷胶质量分数为10%～20%，皮冻凝胶强度和持水力均有显著增大(P< 0.05),因此选择10%～20% 作为魔芋胶最优质量分数范围。

图3 结冷胶质量分数对皮冻凝胶强度和持水力的影响Fig.3 Effect of gellan gum mass fraction on thestrength and water holding capacity of gelatin gel

2.2 模型及回归方程的建立

选用分析模型quadratic和special quartic回归方程分析法分析，可得预测方程，如表4所示。根据Design Expert建议，凝胶强度和持水力选用特殊四次方分析模型，熔点和感官综合评分选用二次分析模型。

P值的大小代表模型或各指标的显著水平。P<0.05 时，说明模型或者各指标影响显著。P<0.01时，说明模型或者各指标影响极显著。

由表5可知,以凝胶强度为响应值，模型P=0.00 1<0.050 0,说明该特殊四次方模型显著，失拟项P=0.606 4>0.100 0,表明实验结果与数学模型拟合良好，可以采用该数学模型推测试验结果。方程相关系数R2= 0.975 8，说明变量Y1的变异种有97.58%是由变量(A、B、C)引起，即97.58% 的数据可以运用此方程解释，本试验变异系数为2.29%，表明该模型方程可以较好反映真实试验值，可以运用此模型分析凝胶强度的变化。由表6也可得知AB影响差异极显著，BC影响差异显著，而其他组合差异不显著。

表4 水晶皮冻的混料设计及实验结果Table 4 Crystal jelly design and experimental results

续表4

序号配方比例/%卡拉胶(A)魔芋胶(B)结冷胶(C)凝胶强度/g持水力/%熔点/℃感官评分/分821.7066.7011.70507.240.893852.74.08930.0060.0010.00407.630.838649.84.081020.0065.0015.00482.170.885354.14.041125.0060.0015.00431.280.831753.94.161220.0070.0010.00487.20.891551.94.021325.0065.0010.00500.120.879650.84.181421.7064.2014.20499.720.8625534.211520.0070.0010.00481.320.889451.83.961620.0060.0020.00372.520.811253.14

表5 各指标的预测模型Table 5 Predictive model for each indicator

表6 凝胶强度方差分析Table 6 Analysis of variance of gel strength

注: *表示差异显著，P< 0. 05; **表示差异极显著，P< 0. 01。

由表7可知，以持水力为响应值，模型P<0.000 1<0.010 0，说明该特殊四次方模型极显著，而失拟项P=0.116 6>0.100 0，说明该试验结果与数学模型拟合良好，可以采用该数学模型来推测试验结果。方程相关系数R2=0.983 6，变异系数为0.62%，表明该模型方程可以很好地反映真实试验值，可以采用此模型来分析持水力的变化。由表7还可以知道，AB、BC的影响差异极显著，A2BC的影响差异显著，而AC、AB2C、ABC2的影响差异不显著。

由表8可知，以熔点为响应值，模型P= 0. 001< 0.010 0，说明该二次方程模型极显著，失拟项P= 0.117 6 > 0.100 0，表明该试验结果与数学模型拟合良好，可以采用该数学模型来推测试验结果。方程相关系数R2= 0.971 8，变异系数为0.56%，表明该模型方程可以较好反映真实试验值，可采用此模型分析持水力的变化。由表8还可以知道AC、BC的影响差异极显著，而AB的影响差异不显著。

表7 持水力方差分析Table 7 Hydraulic analysis of variance

表8 熔点方差分析Table 8 Analysis of variance of melting point

注: **:差异极显著，P< 0. 01。

由表9可知，以感官评分为响应值，模型P=0.000 8<0.050 0，说明该二次方程模型显著，失拟项P= 0.194 6 > 0. 100 0，说明该试验结果与数学模型拟合良好，可采用该数学模型来推测试验结果。方程相关系数R2=0.847 5，变异系数为0.93%，表明该模型方程可以较好反映真实试验值，可采用此模型分析感官评分的变化。由表9还可以知道AB、AC的影响差异极显著，BC的影响差异显著。

表9 感官评分方差分析Table 9 Analysis of variance of sensory score

2.3 复配胶不同比例组合对凝胶强度、持水力、熔点和感官评分的影响

在最优混料设计中，各因素对指标的影响可以用等高线图及3D效应面图谱表示，在试验中，魔芋胶、卡拉胶和结冷胶三者的交互作用下，对凝胶强度、持水力、熔点和感官评分的作用如图4、图5所示。

图4描述了3种胶复配比例变化对皮冻凝胶强度的影响，响应面为曲面，说明三者之间存在交互作用。由图5可以看出，随着魔芋胶添加比例的逐渐增大，整体凝胶强度有较大提升，这可能与魔芋胶本身的强亲水性有关，在较低质量分数时就具有不同于其他水溶性高分子溶液的高黏度[19]，同时等高线图中魔芋胶与卡拉胶的交互作用曲线趋向于椭圆形，也证实二者之间存在较强的交互作用，这在一些研究中也早已证实[20-22]。结果也表明结冷胶与另外两者之间存在交互作用，但在10%～20%，结冷胶对整体凝胶强度变化的影响并不显著。

a-3D效应面图；b-等高线图图4 复配胶比例对凝胶强度影响的3D 效应面图谱及等高线图Fig.4 3D effect surface map and contour map of theeffect of compounding ratio on gel strength

图5描述了3种胶复配比例变化对皮冻持水力的影响，响应面为曲面证明三者之间存在交互作用，同时由等高线图可得，魔芋胶与卡拉胶之间交互作用显著，随着魔芋胶添加量的增大，持水力显著增大，而结冷胶的作用并不明显，推测可能是因为结冷胶的使用条件限制，其凝胶性质受到阳离子的影响[23]，以及其添加量最低，从而对持水力变化的影响并不显著。

a-3D效应面图；b-等高线图图5 复配胶比例对持水力影响的3D 效应面图谱及等高线图Fig.5 3D effect surface map and contour map of the effect of compounding rubber ratio on water holding capacity

图6描述了3种胶复配比例变化对皮冻熔点的影响，响应面为曲面证明三者之间存在交互作用，同时由等高线图可以看出，结冷胶和卡拉胶的作用显著，这可能与结冷胶自身性质有关，结冷胶在较低质量分数时，加热后水化，冷凝之后就可以形成热不可逆凝胶[24]，结冷胶的加入显著改善了皮冻熔点。虽然魔芋胶与卡拉胶之间存在较强的相互作用，对熔点的变化也有影响，但作用并不显著。

a-3D效应面图；b-等高线图图6 复配胶比例对熔点影响的3D效应面图谱及等高线图Fig.6 3D effect surface map and contour mapof the effect of compounding ratio on melting point

图7描述了3种胶复配比例变化对皮冻综合感官评分的影响，响应面呈坡度较大曲面，证明三者之间存在较强相互作用，观察等高线图可以得出三者最优配比范围，魔芋胶在浓度低于66.7% 时口感较好，根据前文中各感官指标所占权重，口感对水晶皮冻产品质量影响较大，而魔芋胶本身具有较高粘度，因此魔芋胶的添加对产品口感有较大影响[25]。卡拉胶和结冷胶的添加可以改善皮冻的稳定性和脆度，使产品获得更好的口感，同时卡拉胶与结冷胶的添加对产品的风味没有不良影响，这与ZHOU等[26]的研究相符。

2.4 配方优化及验证试验

凝胶强度对皮冻整体的口感影响较大，过低或过高都会对结果产生不良影响，综合感官评价结果，选择凝胶强度350～450 g进行优化；持水力高说明凝胶具有良好稳定性；在保证皮冻口感风味的同时，尽可能提高其熔点，以便进行后续的杀菌工艺优化以及适应更多的包装运输条件，也是本研究的目的之一。综上期望持水力、熔点和感官评分同时达到最大值，凝胶强度在设定范围内，运用软件进行优化，可得3个组合配方：配方1：卡拉胶22.6%，魔芋胶60%，结冷胶17.4%；配方2：卡拉胶20%，魔芋胶60%，结冷胶20%；配方3：卡拉胶22.8%,魔芋胶67.2%，结冷胶10%。如表10所示。分析优化结果可知，期望值越接近1综合评价越好，故选择优化配方1。

a-3D效应面图；b-等高线图图7 复配胶比例对感官评分影响的3D效应面图谱及等高线图Fig.7 3D effect surface map and contour map of theeffect of compounding ratio on sensory score

表10 水晶皮冻响应值最优点参数、预测值和期望值Table 10 The most advantageous parameters, predicted values and expected values of the skin freeze response value

根据得到的3组优化配方进行验证试验，结果见表11。配方1和配方2中凝胶强度与预测值差异显著(P< 0.05)，而其他指标结果与预测值差异与预测值不显著(P>0.05)。配方3中凝胶强度和熔点与预测值差异显著，其他指标不显著。说明得到的目标配方与预测值可信度高，且与实验值一致。

表11 优化配方验证试验结果Table 11 Optimized formula verification test results

3 结论

通过混料优化设计实验，证实卡拉胶、魔芋胶和结冷胶对水晶皮冻的凝胶强度、持水力具有一定交互作用，且魔芋胶所占比例较大时，凝胶强度和持水力较高；三者不同比例对皮冻熔点和感官评分也存在一定交互作用，总体来说，结冷胶和卡拉胶的添加比例越大，熔点和感官评分的期望值越高。通过回归方程和多目标优化分析，得到组合配方为22.6% 卡拉胶、60% 魔芋胶和17.4% 结冷胶，经验证，优化后的配方凝胶强度、持水力、熔点和感官评分分别为435.27 g、87.12%、54.2℃、4.21，与预测值相符，可达到预期目标。优化配方后的水晶皮冻成冻完整，质地适口，色泽均一且具有较高透明度，风味协调，无腥味及其他异味。