基于响应面优化铜盘鱼鱼糜凝胶强度的研究

邓立青 郑秀丽 陈寿鑫

1.福建坤兴海洋股份有限公司 福建福州 353000 2.福州大世界橄榄有限公司 福建福州 353000 3.福州市正源南海食品有限公司 福建福州 353000

铜盘鱼又称鲷鱼，俗名真鲷、加吉鱼、铜盆鱼，是辐鳍鱼纲鲈形目鲷科的一种。目前，铜盘鱼有被加工成冷冻鱼糜，它是加工制作鱼糜制品较为优良的鱼类。

鱼糜制品具有营养、方便、味美等特点而深受消费者青睐。鱼糜肌肉组织蛋白在冷冻条件下容易发生冷冻变性，凝胶形成能力变弱。适量的品质改良剂一方面可以降低产品加工成本，另一方面也可以提高鱼糜制品的凝胶性能[1]。品质改良剂按其作用机制可以分为钙盐类、亲水性胶体类、淀粉类、非肌肉蛋白类和微生物谷氨酰胺转氨酶等[2]。

磷酸盐是目前国内外应用最为广泛的食品水分保持剂之一，磷酸盐及其复配产品常应用于水产品加工及贮藏过程中，以提高水产品的保水性能，最大限度地减少水分、风味物质和营养成分的流失。磷酸盐的种类繁多，结构复杂，在冷冻水产制品及鱼糜制品中磷酸盐的添加量不得超过5g/kg(以磷酸根计)。磷酸盐可以通过提高鱼肉肌肉中pH值、螯合金属离子、增大蛋白质的离子强度、促进肌动球蛋白的解离对水产品产生保水作用[3]。

在加热处理时，鱼溶胶会转变成半固体的凝胶；而淀粉则因吸水的关系发生糊化作用，以至于发生阿尔法化。另外，在鱼糜加盐擂溃形成溶胶后，它会逐渐凝固，其形成凝胶的速度会随温度的升高而加快，这种现象称为促胶作用(Gel Setting)，日本人称为坐り(Suwari)，但是在凝胶过程中50～60℃范围时，其凝胶则转向软化现象，此种现象称为解胶作用(Softening)，日本人称为戾り(Modori)。此外，未经漂洗的鱼糜在60℃左右时，其解胶速度最快，这种解胶现象跟鱼种也有很大的关系，像大西洋鳕则无解胶的情形发生，至于其它的鱼种大多会发生解胶现象，不过当加热温度达到70℃以上时，其解胶作用便停止不再发生。

据研究，解胶现象可能是由鱼肉中碱性蛋白质分解酵素的分解作用导致而成的，因为此酵素在50～65℃时，具有最大的活性；另外，也有可能是鱼肉中的蛋白酶在50℃以上时，对鱼肉蛋白质，尤其是肌动球蛋白的分解最快，对鱼糜弹性的形成具有很大的伤害。因鱼种的不同，反应模式各有不同。

目前，各种品质改良剂对铜盘鱼鱼糜凝胶性能的影响未见报道，凝胶化温度对铜盘鱼鱼糜凝胶性能的影响也未见报道。为此，本试验研究了磷酸盐、氯化钙、卡拉胶、淀粉及凝胶化温度对铜盘鱼鱼糜凝胶强度的影响，以便为生产出优质的铜盘鱼鱼糜及鱼糜制品提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 材料

铜盘鱼为冻鱼，购于福州马尾名城冷冻水产品批发市场，体质量500g左右；

磷酸盐，湖北兴发化工集团股份有限公司；

氯化钙、卡拉胶，福州正味食品配料有限公司；

淀粉，购于福州永辉超市(东方名城店)。

1.2 主要仪器与设备

斩拌机ZBJ-20型，诸城市三禾机械厂；

打浆机DJ-5型，诸城市三禾机械厂；

绞肉机JR-80型，诸城市三禾机械厂；

电子天平YP601N，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；

电子计价秤ACS-30，浙江君凯顺工贸有限公司；

质构仪EX-TEST型，日本岛津有限公司；

真空灌肠机Handtmann VF616，德国汉特曼集团；

蒸煮干燥箱RZG，嘉兴市瑞邦机械工程有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程及操作要点

样品制作流程如下。

原料验收→原料入库→原料解冻→剖杀(去头、去内脏、去鱼鳞等)→清洗→取鱼肉→漂洗→鱼肉脱水→擂溃(添加品质改良剂斩拌)→灌肠→二段式蒸煮→冷却→产品(检测样品)。

工艺操作要点如下。

(1)擂溃。

此过程共分为三个阶段。第一阶段是空擂，即不添加任何辅料及调料，将绞好的鱼糜放入打桶机中，低速搅拌擂溃；第二阶段是盐擂，经过空擂后，鱼糜较为细腻，无细小颗粒存在，且开始粘连打桶机桶壁时往鱼糜中添加一定比例的食用盐、磷酸盐、氯化钙继续擂溃；最后调味擂，即加入淀粉、卡拉胶和其他调味料等继续擂溃，也叫混合擂。整个擂溃过程在20min以内。擂溃过程中通过在打桶机外围添加碎冰和配料中添加冰水来控制铜盘鱼鱼糜温度。

(2)灌肠、二段式蒸煮、冷却。

将擂溃好的铜盘鱼鱼糜采用真空灌肠机灌入肠衣口径为45mm的塑料肠衣中，放入蒸箱中，设定蒸箱的蒸煮模式。采用二段式蒸煮方式：第一阶段为低温凝胶化蒸煮，设定蒸煮温度为45℃，蒸煮时间为30min；第二阶段蒸煮温度设定为95℃，蒸煮时间为25min。蒸煮熟化后快速冷却，取用冷却后的产品作为检测样品，测定样品的凝胶强度[4]。

1.3.2 凝胶强度的测定[5]

将冷却后的鱼糜制品去除外部塑料肠衣，切成厚度规格为25mm的样品，将样品置于质构仪测试台上，让样品截面的中心位于质构仪探头的正下方，探头直径为3mm，探头下降速度为6cm/min，测定样品的破断强度和凹陷深度，两者的乘积即为测试样品的凝胶强度。

题目：图书馆门前建了两个同样大小的圆柱形花坛。花坛的底面直径为6米，高为0.9米，往里装泥土的高是0.7米，两个花坛中共需要填土多少方？

鱼糜凝胶强度(g·cm)=破断强度(g)×凹陷深度(cm)

1.3.3 铜盘鱼鱼糜加工工艺条件的优化

将铜盘鱼鱼肉添加不同比例的磷酸盐、氯化钙、卡拉胶、淀粉，并设定不同的凝胶化温度，测定获得铜盘鱼鱼糜的凝胶强度；通过单因素确定较优的磷酸盐、氯化钙、卡拉胶、淀粉用量以及凝胶化温度。在单因素试验的基础上，选定复合磷酸钠、氯化钙和凝胶化温度为关键影响因素，凝胶强度为考察指标，采用响应面分析试验方法对铜盘鱼鱼糜的加工关键条件进行优化。

2 结果与讨论

2.1 磷酸盐用量对铜盘鱼鱼糜凝胶强度的影响

探讨了三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠及三者的配比(三聚磷酸∶六偏磷酸钠∶焦磷酸钠=55∶30∶15，用“复配A”表示)对鱼糜凝胶强度的影响，结果见图1。

图1 磷酸盐对鱼糜凝胶强度的影响

由图1结果可知，三聚磷酸钠不同的添加量都降低了鱼糜的凝胶强度，而焦磷酸钠、六偏磷酸钠和三者的复配随着各自用量的增加，鱼糜的凝胶强度呈现先增大而后减小的趋势。复配A对铜盘鱼鱼糜凝胶强度的提升效果皆优于它们单独使用，复配A添加量在0.25%时，凝胶强度达到最大值为655.2g·cm，与空白对照组相比，铜盘鱼鱼糜凝胶强度提高了5.4%。由此表明，适量且合适的三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和焦磷酸钠复配对铜盘鱼鱼糜的凝胶强度有较为显著的改良作用。

2.2 氯化钙用量对铜盘鱼鱼糜凝胶强度的影响

破断强度和凹陷深度的乘积表示鱼糜的凝胶强度[6]，由图2结果可知，鱼糜的凝胶强度随着氯化钙用量的增加呈现出先增大而后减小的趋势，添加量在0.25%的条件下，铜盘鱼鱼糜凝胶强度最大，为658.7g·cm，而其他各组添加量对铜盘鱼鱼糜凝胶强度改变不明显。

图2 氯化钙对鱼糜凝胶强度的影响

有研究表明，钙离子能通过激活鱼肉中钙离子依赖性谷氨酰胺转移酶而起到改善鱼糜制品热凝胶特性的作用[7，8]。谷氨酰胺转氨酶是一种催化酰基转移反应的转移酶，其可催化肌球蛋白重链中赖氨酸残基ε-氨基和谷氨酸残基γ-羟基酰胺基之间发生结合反应，促进肌球蛋白的交联，改变了蛋白质的结构和功能性质[9]。本试验选用的主要原料为铜盘鱼肉，可能由于鱼肉自身的谷氨酰转移酶含量有限，随着钙离子的持续增加，后阶段起不到增加铜盘鱼鱼糜凝胶强度的作用。

2.3 卡拉胶用量对铜盘鱼鱼糜凝胶强度的影响

卡拉胶用量对鱼糜凝胶强度的影响如下图3所示。

图3 卡拉胶对铜盘鱼鱼糜凝胶强度的影响

与空白组(添加量为0)样品对比，卡拉胶能在一定程度上提高铜盘鱼鱼糜的凝胶强度。随着卡拉胶用量的增大，鱼糜的凝胶强度呈平缓上升的趋势，但是当添加量超过0.6%时，铜盘鱼鱼糜凝胶强度增量不显著；从样品感官上看，随着卡拉胶用量的增大，铜盘鱼鱼糜白度降低。综合铜盘鱼鱼糜凝胶强度、感官品质和成本因素考虑，卡拉胶的用量在0.4%左右较为适宜。

2.4 淀粉种类和用量对铜盘鱼鱼糜凝胶强度的影响

凝胶强度越大的鱼糜受到外界压力作用后其恢复为原来的形状能力越强，弹性也越好，所以，提高鱼糜的凝胶强度能较好地改善鱼糜的口感。鱼肉中蛋白质的凝胶类似海绵的网状结构，通过淀粉的填充能够提高网状结构的紧密度，从而增强了鱼糜的弹性和持水性等。多糖彼此之间、蛋白质与多糖之间也可发生相互作用，蛋白质同多糖的结合能够有效地改善蛋白质的物理性质与化学性质，比如热凝胶性、乳化性、抗氧化性和稳定性等，通过鱼肉蛋白特性的改善，提高了鱼肉蛋白的韧性和强度，从而提高了鱼糜的凝胶强度[10]。

从图4中可知，添加马铃薯淀粉、玉米淀粉、木薯淀粉和小麦淀粉对铜盘鱼鱼糜凝胶强度的影响较为显著。与空白组相比，随着淀粉用量的增加，铜盘鱼鱼糜凝胶强度均得到提高。各种淀粉添加量为9%时，铜盘鱼鱼糜凝胶强度达到最大值，分别为675.4、712.1、679.4g·cm和674.0g·cm。继续提高各种淀粉的添加量，鱼糜的凝胶强度反而开始降低，原因可能是鱼糜在凝胶升温的过程中，淀粉的支链和直链的交联作用过于剧烈，让淀粉吸水溶胀后占据较大的空间，阻碍了鱼肉蛋白分子间的伸展，致使鱼肉蛋白变性不完全，进而导致鱼糜凝胶强度下降。综上所述，较优的淀粉添加量为9%，且在4种淀粉中，马铃薯淀粉为最优选择。

图4 淀粉对铜盘鱼鱼糜凝胶强度的影响

2.5 凝胶化温度对铜盘鱼鱼糜凝胶强度的影响

擂溃好的铜盘鱼鱼糜在不同的温度(35、40、45、50℃)下蒸煮凝胶30min后，再于95℃下继续蒸煮25min，然后使用冰水让其快速冷却，测定铜盘鱼鱼糜的凝胶强度。凝胶强度是评价鱼糜凝胶性能好坏的一个重要指标。根据图5的结果可以看出，当蒸煮凝胶温度为35℃时，鱼糜的凝胶强度达到717.3g·cm。但是随着凝胶化温度上升，鱼糜凝胶强度出现减小的趋势，当蒸煮凝胶温度在55℃时，鱼糜的凝胶强度为512.4g·cm。出现上述变化可能的原因是在蒸煮受热过程中鱼肉糜从溶胶变为凝胶，肌动蛋白和肌球蛋白分子内的疏水基团暴露，分子之间发生相互作用形成了网状结构，但是随着蒸煮受热温度的升高，鱼肉糜内源性蛋白质水解酶会变得活跃，破坏了鱼肉糜的凝胶网络结构，导致鱼糜凝胶强度下降[11～14]。

图5 凝胶化温度对鱼糜凝胶强度的影响

2.6 响应面分析优化铜盘鱼鱼糜凝胶品质

响应面法是用较少的试验次数和较短的时间对所选的试验参数进行全面研究的试验方法。根据单因素试验的结果，选取对铜盘鱼鱼糜凝胶强度具有显著性影响的3个因素，即复合磷酸钠、氯化钙和凝胶化温度作为响应变量，以铜盘鱼鱼糜凝胶强度作为响应值，进行三因素三水平组合试验设计。

2.6.1 回归模型的建立

根据Box-Benhnken中心组合试验设计，进行三因素三水平的响应面分析试验，试验因素水平设计如表1所示，响应面分析结果如表2所示。

表1 鱼糜凝胶强度响应面分析因素与水平表

表2 鱼糜凝胶强度响应面分析结果

根据表2数据，进行回归拟合分析，得到鱼糜凝胶强度R1与复合磷酸钠添加量A、氯化钙添加量B和凝胶化温度C变量的二次多元回归模型：

R=796.9-23.25A+3.29B-23.76C-1.65AB+4.1AC+18.57BC-93.06A2-62.34B2-82.59C2

2.6.2 铜盘鱼鱼糜凝胶强度回归模型的显著性和方差分析

铜盘鱼鱼糜凝胶强度回归模型显著性和方差分析结果如表3。

表3 凝胶强度的显著性检验和方差分析

从表3中可以看出，该回归模型极显著(p<0.0001)，模型失拟不显著(p=0.2123>0.05)，说明方程对试验的拟合度较好。回归方程的显著性分析结果表明，A、B和C的一次项回归系数皆达到极显著水平，即复合磷酸钠添加量、氯化钙添加量和凝胶化温度对铜盘鱼鱼糜凝胶强度有极显著影响；A、B和C的二次项回归系数也达到极显著水平；A和C、B和C交互作用极为显著。

2.6.3 响应面法作图分析结果

图6～图8为复合磷酸钠添加量、氯化钙添加量、凝胶化温度及相互作用对铜盘鱼鱼糜凝胶强度影响的响应面和等高线图。

从图6中可以看出，随着复合磷酸钠和氯化钙添加量的增加，铜盘鱼鱼糜凝胶强度逐渐增大，主要是由于复合磷酸钠添加量的增加提高了鱼糜的保水性能，增加了盐溶性蛋白的溶出，形成微观致密的网状结构，从而提升了凝胶强度。当复合磷酸钠、氯化钙添加量质量分数为0.25%左右时，铜盘鱼鱼糜凝胶强度最大。

图6 复合磷酸钠和氯化钙添加量对铜盘鱼鱼糜凝胶强度的影响

根据图7可知，随着氯化钙添加量的增加，铜盘鱼鱼糜凝胶强度呈现先增大后减小的趋势，这可能是钙离子对鱼糜两种作用机制的转换所引起的。当氯化钙添加量为0.25%左右时，铜盘鱼鱼糜凝胶强度较高。

图7 复合磷酸钠添加量和凝胶化温度对铜盘鱼鱼糜凝胶强度的影响

由图8可知，随着凝胶化温度的增大，铜盘鱼鱼糜凝胶强度呈现下降的趋势，这可能是温度的升高，鱼糜内源性蛋白水解酶逐渐活跃，破坏了鱼糜的凝胶网状结构，从而降低了鱼糜凝胶强度。通过各因素的等高线图可以看出复合磷酸钠和凝胶化温度的交互作用最大。

图8 氯化钙添加量和凝胶化温度对铜盘鱼鱼糜凝胶强度的影响

通过模型优化得到铜盘鱼鱼糜凝胶强度最佳的工艺条件组合为：复合磷酸钠添加量为0.24%、氯化钙添加量为0.25%、蒸煮凝胶化温度为39.27℃，在此条件下铜盘鱼鱼糜凝胶强度为800.139g·cm。

2.6.4 验证试验

为了验证该模型预测值的可靠性，根据Box-Benhnken试验设计和响应面分析法得出的结论，按最佳工艺条件组合(复合磷酸钠0.24%、氯化钙0.25%、凝胶化温度39.3℃)，进行了3次重复试验，得到铜盘鱼鱼糜凝胶强度真实平均值为805.7g·cm。该平均值与预测值接近，优于试验组合，证明模型得到的优化工艺条件组合是可靠的，具有一定的实用价值。

3 结论

在单因素的基础上，本试验通过Box-Benhnken的中心组合设计响应面法建立了3个影响因素(复合磷酸钠添加量、氯化钙添加量、凝胶化温度)与一个响应值(凝胶强度)相互作用的数学模型，得出铜盘鱼鱼糜凝胶强度较高的最佳工艺条件组合参数为：复合磷酸钠添加量0.24%、氯化钙添加量0.25%、凝胶化温度39.3℃。另外，卡拉胶添加量在0.4%左右，淀粉选用马铃薯淀粉，且添加量为9%。在此条件下，铜盘鱼鱼糜凝胶强度模拟预测值为800.139g·cm，实际试验验证检测平均值为805.7g·cm。