响应面优化超声波辅助革胡子鲶鱼鱼头汤熬煮工艺

李 璐，李 鹏，孙慧娟，马凯华，马俪珍，李 玲

（天津农学院食品科学与生物工程学院，国家大宗淡水鱼加工技术研发分中心，天津市水产品加工及质量安全校企协同创新重点实验室，天津 300384）

革胡子鲶鱼鱼头质量占鲶鱼鱼体质量的（20.0±2.6）%，鱼头中粗蛋白含量达到13%左右，蛋白含量较高，脂肪含量（14.40±1.73）%、水分含量（61.70±1.57）%、总糖含量（4.79±0.83）%。鱼头中营养物质丰富，近年来对鱼头的研究更加深入。杨彩莉等研究发现，3 种金枪鱼鱼头中蛋白、脂肪含量较高，且含有丰富的有益矿物质和多不饱和脂肪酸。王振强等通过对鲫鱼鱼头中活性成分的提取，发现活性成分提取物中磷脂和脂肪酸含量较高，其中脂肪酸种类较多，以多不饱和脂肪酸为主且含有二十碳五烯酸。林婉茹等对马鲛鱼鱼头酶解工艺进行优化，发现风味蛋白酶酶解效果最佳，在最佳工艺条件下，鱼头的酶解度为（16.20±0.42）%。

超声波设备具有易操作、效果好、范围广、方向性好等特点，其作为一种绿色的物理技术被应用。在食品加工中低频率、高强度超声波应用更为广泛，可促进食品冷冻、干燥、乳化，还可用于食品理化性质（如溶解性、起泡性、凝胶性）的测定。而超声波应用于鱼类加工过程中，能更好保持鱼类品质。倪泽平等研究微酸性电解水联合超声波处理对中华马鲛品质的影响，研究发现，在超声波辅助处理后，有更好的杀菌保鲜效果。王正云等通过超声辅助酶法提取青鱼鱼皮胶原蛋白，在最佳超声条件下，胶原蛋白的提取率可达45.3%。李秀霞等通过超声辅助冷冻和低温速冻2 种冻结方式对冻藏鱼肉肌原纤维蛋白的理化性质及结构进行研究，发现在超声波辅助冷冻后，能够有效提高鱼肉热稳定性及更好维持海鲈鱼结构。胡代花超声辅助提取大鲵肝脏油脂，得出在最佳条件下，大鲵肝脏油脂的提取率为90.86%。李根等采用超声辅助技术处理鲵皮，在超声辅助提取最佳工艺条件下，鲵皮胶原蛋白的提取率为（37.36±2.61）%（=3），接近模型的预测值（37.76%），明显高于未用超声处理鲵皮胶原蛋白的提取率（17.56±1.77）%。孔金花等用响应面法对超声波辅助腌制小龙虾工艺进行优化，在最优条件下感官评分达91.2 分，钠含量为0.82%。王逸鑫等对青鱼超声波辅助腌制品品质进行研究，结果表明，在超声波辅助下，鲜甜味氨基酸含量增加，对腌制品的风味起积极作用。曹璇等对超声波辅助提取金鲳鱼骨油的工艺进行优化，在最优条件下，金鲳鱼骨油的提取率为80.51%。

多数研究证明超声辅助处理对动植物活性物质及营养成分的提取有一定促进作用，故本研究以革胡子鲶鱼为原料，通过单因素及响应面的方法，考察超声温度、超声时间及超声功率对革胡子鲶鱼鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响，旨在为促进汤中营养物质的溶出提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜八须革胡子鲶鱼购于天津红旗农贸市场。

食盐 中盐上海市有限公司；大豆油 益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司；硫酸铜 天津北方天医化学试剂厂；氢氧化钠 天津光复发展有限公司；碳酸钠天津江天化工技术有限公司；酒石酸 天津大茂化学试剂厂；福林-酚 北京索莱宝科技有限公司。

1.2 仪器与设备

304不锈钢汤锅 上海双立人有限公司；BJRJ-82绞肉机 浙江嘉兴艾博实业有限公司；C21-WK2102电磁炉 广东美的生活电器制造有限公司；移液枪德国Eppendorf公司；SDX-1全自动风冷速冻箱 天津特斯达食品机械科技有限公司；T6新世纪紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司；KQ-700DE数控超声波清洗机 昆山市超声仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 鱼头汤制作工艺流程

新鲜鱼头骨肉泥（200 g）→油煎20 s（加热功率1 200 W）→加水（料液比1∶6（/））→超声波处理（按实验设计调整超声波条件）→加热（加热功率1 200 W）→煮沸并加盐0.5%（盐的质量为鱼头和水质量的0.5%，开始计时）→保沸（加热功率500 W）→过滤→取样（无明显固形物）。

1.3.1.1 鱼头前处理

新鲜革胡子鲶鱼（鱼体质量（1.69±0.13） kg、鱼头质量（0.35±0.04） kg、鱼头长（14.78±1.16） cm、鱼头宽（9.69±0.53） cm），在20～40 min内送到实验室，敲击致晕，宰杀放入冰水中，剁下鱼头，去除鱼鳃，用冰水洗净鱼头，然后沥干速冻，剁成小块，粉碎、搅拌，混匀为鱼头碎泥装入袋中，冷藏备用。

1.3.1.2 鱼头汤制作工艺

锅烧热加入20 g大豆油，然后放入鱼头碎泥200 g，煎20 s，加入1 200 g水后，将锅中所有鱼肉和水倒入2 000 mL食品用烧杯中，用保鲜膜封口，放凉后进行超声波处理（各因素的基本条件为：超声时间20 min、超声温度25 ℃、超声功率490 W，单因素试验中每次只改变一个因素条件，其他条件不变）。结束后全部倒入锅中（烧杯中不留残余）。将加热功率调为1 200 W，待鱼汤煮沸后加盐0.5%，将加热功率调为500 W保沸并开始计时64 min，计时结束后，过滤（无明显固体物）即为鱼汤。

1.3.2 鱼头汤超声波辅助熬煮单因素试验设计

1.3.2.1 超声温度对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响

将18 个装有鱼汤的烧杯（每组3 个平行）分别在超声温度20、25、30、35、40、45 ℃条件下超声。结束后全部倒入锅中（烧杯中不留残余）。加热功率保持在1 200 W，待水煮沸，加入7.5 g盐，立即将加热功率调为500 W，保沸并计时64 min，每32 min称质量1 次，补充足够的水，使熬煮前后总质量（水＋锅）保持一致。过滤后测定鱼头汤中水溶性蛋白含量。

1.3.2.2 超声时间对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响

将18 个装有鱼汤的烧杯（每组3 个平行）分别在超声时间15、20、25、30、35、40 min条件下超声。其他操作同1.3.2.1节，测定鱼头汤中水溶性蛋白含量。

1.3.2.3 超声功率对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响

将18 个装有鱼汤的烧杯（每组3 个平行）分别在超声功率280、350、420、490、560、630 W条件下超声。其他操作同1.3.2.1节，测定鱼头汤中水溶性蛋白含量。

1.3.3 鱼头汤超声波辅助熬煮响应面试验设计

根据1.3.1节单因素试验结果，筛选合适条件进行响应面设计，以超声温度（）、超声时间（）、超声功率（）为自变量，考察此3因素及其交互作用对蛋白质溶出的影响，设计3因素3水平响应面试验模型，以优化超声辅助鱼头汤熬煮工艺，试验水平及因素设计见表1。

表1 响应面试验设计因素及水平Table 1 Factors and levels used for response surface design

1.3.4 水溶性蛋白含量测定

参考翟争妍、钱雪丽等的方法，略有改进。取5 mL鱼头汤定容至100 mL，取1 mL于试管中，加入5 mL福林-酚甲液振荡摇匀，室温下静置10 min后立即加入0.5 mL福林-酚乙液，振荡混匀，30 ℃水浴预热30 min，取出摇匀后测定750 nm波长处的吸光度。以牛血清蛋白标准溶液质量浓度（25、50、100、150、200、250 μg/mL）为横坐标，以吸光度为纵坐标，制作标准曲线，计算水溶性蛋白含量。

1.4 数据处理

运用SPSS 19.0软件对数据进行单因素方差分析，且利用Duncan’s新复极差法进行显著性分析（＜0.05），运用Office Excel 2019软件作图，利用Design-Expert 11软件对响应面优化试验结果进行回归及分析。

2 结果与分析

2.1 鱼头汤超声条件优化单因素试验结果与分析

2.1.1 超声温度对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响

超声温度的升高有助于提高溶出的蛋白质等物质与水的相容性。由图1可知，随着超声温度升高，汤中水溶性蛋白的含量呈先增加后降低的趋势。在35 ℃时，汤中水溶性蛋白含量达到最大值。当超声温度大于35 ℃时，汤中水溶性蛋白含量显著下降，超声温度升高到40～45 ℃时，汤中水溶性蛋白含量无显著变化。所以超声温度35 ℃为最佳条件。

图1 超声温度对革胡子鲶鱼鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响Fig. 1 Effect of ultrasonic temperature on the content of water-soluble protein in Clarias gariepinus head broth

2.1.2 超声时间对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响

超声波处理是通过振荡产生的破碎等多重效应，增加溶剂的穿透力，加速鱼头中的蛋白、脂肪等物质进入到汤中。由图2可知，在整个超声处理过程中，随着超声时间的延长，鱼头汤中水溶性蛋白含量呈现先增加后降低的趋势。超声时间继续延长，蛋白质等物质在溶剂中的扩散达到动态平衡，汤中蛋白含量趋于饱和，30 min时汤中水溶性蛋白含量达到最大值。当超声时间继续延长，大于30 min时，汤中水溶性蛋白含量降低，由于汤中产生空化效应，导致液体温度升高，蛋白质遇高温易变性。所以超声时间30 min为最佳条件。

图2 超声时间对革胡子鲶鱼鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响Fig. 2 Effect of ultrasonic time on the content of water-soluble protein in Clarias gariepinus head broth

2.1.3 超声功率对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响

超声功率的增加会加速体系内空化作用，细胞不再继续破碎，鱼头中物质的溶出率降低。由图3可知，随着超声功率的增加，汤中水溶性蛋白含量呈现先增加后降低的趋势。超声功率为490 W时汤中水溶性蛋白含量最高，超声波的破碎作用发挥到最大，细胞破碎效果较好。当超声强度继续增加，会达到饱和，进而形成音障，超声作用开始减小。超声功率超过490 W时，水溶性蛋白含量显著下降，所以超声功率490 W为最佳条件。

图3 超声功率对革胡子鲶鱼鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响Fig. 3 Effect of ultrasonic power on the content of water-soluble protein in Clarias gariepinus head broth

2.2 鱼头汤超声条件优化响应面试验结果与分析

2.2.1 响应面试验结果

鱼头汤超声条件优化响应面试验设计及结果如表2所示，通过Design-Expert 11软件对超声温度（）、超声时间（）、超声功率（）及响应值水溶性蛋白含量（）建立3因素3水平的二次回归模型，方程为：=0.939 5－0.033 9＋0.027 1－0.003 0－0.007 4＋0.046 9－0.017 6－0.040 7－0.131 5－0.061 8。

表2 革胡子鲶鱼鱼头汤超声条件响应面试验结果Table 2 Experimental results for response surface analysis of ultrasonic-assisted cooking conditions of Clarias gariepinus head broth

由表3可知，关于超声温度（）、超声时间（）、超声功率（）与水溶性蛋白含量（）建立的模型，值为0.023 4（显著），值为4.948 2，此二项回归方程拟合的模型显著，失拟项不显著，表明在回归区域内拟合较好。一次项（超声温度）、（超声功率）、二次项（、）影响显著。、、3 个因素对此模型均有一定的影响，顺序为＞＞，同时得出交互项、、影响均不显著。

表3 革胡子鲶鱼鱼头汤超声条件响应面试验结果方差分析表Table 3 Analysis of variance of quadratic polynomial model of ultrasonic-assisted cooking conditions of Clarias gariepinus head broth

2.2.2 响应曲面分析

当回归方程的自变量发生改变，响应值灵敏度随之改变，形成响应坡面。响应面曲线的陡峭程度、等高线图的密集程度，都将对响应值的大小产生影响。根据拟合的模型及各个因素对汤中水溶性蛋白含量的影响，绘制两因素交互作用响应面图和等高线图。

由图4～6可知，图5的等高线图更紧密、响应面曲线更陡峭，表明超声温度与超声功率的交互影响对汤中水溶性蛋白含量的影响较大；超声时间与超声功率交互作用对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响次之；超声时间与超声温度交互作用的等高线图接近圆形，对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响较小。

图4 超声温度与超声时间交互作用对革胡子鲶鱼鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响Fig. 4 Individual and interactive effects of ultrasonic temperature and ultrasonic time on the content of water-soluble protein in Clarias gariepinus head broth

图5 超声温度与超声功率交互作用对革胡子鲶鱼鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响Fig. 5 Individual and interactive effects of ultrasonic temperature and ultrasonic power on the content of water-soluble protein in Clarias gariepinus head broth

图6 超声时间与超声功率交互作用对革胡子鲶鱼鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响Fig. 6 Individual and interactive effects of time and ultrasonic power on the content of water-soluble protein in Clarias gariepinus head broth

2.2.3 验证实验

由于不能直接从图上找到最佳工艺参数，通过Design-Expert 11软件进行分析并对回归方程进行计算，预测超声辅助的最佳工艺。由表4可知，模型预测值为超声温度34.13 ℃、超声时间30.61 min、超声功率536.60 W，为验证响应面所得结果的可靠性，考虑到实际操作的便利、成本等因素，将工艺修正为超声温度35 ℃、超声时间31 min、超声功率490 W。验证值与预测值的相对误差较小，表明验证值与预测值基本接近。

表4 模型预测与验证实验结果Table 4 Results of model prediction and experimental validation

3 结 论

通过单因素及响应面试验，对超声温度、超声时间、超声功率进行优化，得到在超声温度35 ℃、超声时间31 min、超声功率490 W时，革胡子鲶鱼鱼头汤中水溶性蛋白含量为（0.78±0.01） g/100 mL，与模型预测值相比，相对误差为1.9%，误差较小，表明真实值与模型预测值接近，优化结果在此模型下有较高的可靠性。