响应面法优化双蛋白鱼丝的加工工艺

任洋莹，安玥琦，杨 眉，徐国栋，熊善柏

（华中农业大学食品科学技术学院，国家大宗淡水鱼加工技术研发分中心（武汉），湖北 武汉 430070）

我国是淡水产品生产大国，但是淡水产品加工量却远低于世界平均水平。2020年我国淡水产品产量达3 234.64 万t，占全国水产品的49.39%，但用于加工的淡水产品总量为524.18 万t，仅占全国淡水产品总产量的16.21%[1]。鱼糜制品是一种重要的淡水产加工品，具有高蛋白、低脂肪的特点，契合人们营养、健康的消费需求[2]。但目前鱼糜制品市场定位较狭窄，多以鱼丸、仿蟹棒、鱼豆腐等形式作为火锅食材，限制了鱼糜制品产业的发展[3-5]。因此，开发新型鱼糜制品势在必行。

鱼丝是湖北省云梦县、黄梅县和武汉市黄陂区等地的传统鱼糜制品，十分受消费者欢迎。传统鱼丝以鲜活或冷冻鱼肉和淀粉为原料，以水和食用盐为辅料，经制糜、配料、擀皮、蒸皮、冷却、返生、切片或切丝、干燥等工艺加工而成，具有味美可口、食用方便等优点[6-7]。但是，传统鱼丝存在肌肉蛋白含量少、脂肪氧化腥味重、多为小作坊手工生产、难以实现工业化推广等问题。以鱼肉和鸡肉为主要原料制作双蛋白鱼丝可以有效提高鱼丝的蛋白含量，且符合《国民营养计划（2017—2030年）》中开发双蛋白食品的要求，有助于解决居民营养需求不均衡的问题[8-10]。但提高肌肉蛋白含量后，混合均匀的物料呈浆状，不适用于擀制成型。基于此，亟需优化双蛋白鱼丝的制作工艺。本研究用挤压成型、煮制定型的方法来制作双蛋白鱼丝，通过研究不同加工参数对双蛋白鱼丝拉伸特性的影响，确定最适的物料温度、挤丝高度和煮丝时间，以期为高品质传统鱼丝制品的市场化推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

冷冻鱼糜（AAA级） 湖北省荆州市洪湖井力水产食品有限公司；冷冻鸡胸肉 华中农业大学步行街中百超市；食盐 湖北省武汉市盐业集团有限公司；马铃薯淀粉 黑龙江省齐齐哈尔市如意淀粉食品有限公司。

1.2 仪器与设备

CombiMax 600型食品料理机 德国博朗公司；WP700J17型微波炉 格兰仕微波炉电器有限公司；YMJ-01型压面机 中山市彗心智能科技有限公司；TA-XT2i/25型质构分析仪 英国Stable Micro System公司。

1.3 方法

1.3.1 双蛋白鱼丝的制备

参考高洁[11]、孙宇[12]等的方法，双蛋白鱼丝的制作工艺如下：1）冷冻鱼糜用流水解冻30 min；2）鸡胸肉用流水解冻30 min，去除表面的筋膜，切块，斩拌成糜；3）将解冻后的冷冻鱼糜和鸡胸肉糜以质量比8∶2混合，调节水分含量至78%；4）以鱼糜和鸡胸肉糜的总质量为基准，加入20%水，斩拌2 min，加入30%淀粉，斩拌3 min，加入3.5%盐，斩拌3 min；5）将斩拌后的混合物于15～35 ℃静置30 min；6）将混合鱼浆挤入压面机中，使用孔径为3 mm的模具，将其置于距离水面2～18 cm的高度挤压入热水中；6）煮丝：鱼丝挤入95 ℃的水中，加热2～6 min，然后将鱼丝捞出，于冰水中冷却1 min后捞出、沥干。

1.3.2 鱼丝拉伸特性的测定

参考颜丹[13]的方法。取无裂纹、无弯曲、粗细均匀的鱼丝，每根长20 cm。使用质构仪，A/SPR探头测定。测试条件为：感应力为5 g，拉伸距离120 mm，测前速率1 mm/s，测中速率1 mm/s，测后速率10 mm/s。每次1 根，重复10 次。拉伸特性由拉伸强度和拉伸形变表示，拉伸强度和拉伸形变的计算方法见式（1）～（2）。

1.3.3 理化特性的测定

水分含量测定：参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》中的直接干燥法；蛋白质含量测定：参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》中的凯氏定氮法；钠含量测定：参照GB 5009.91—2017《食品安全国家标准 食品中钾、钠的测定》中的火焰原子发射光谱法；灰分含量测定：参照GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》。

1.3.4 单因素试验

根据双蛋白鱼丝的制作工艺：固定物料温度20 ℃、挤丝高度10 cm，研究煮丝时间（2、3、4、5、6 min）对鱼丝拉伸特性的影响；固定物料温度20 ℃、煮丝时间4 min，研究挤丝高度（2、6、10、14、18 cm）对鱼丝拉伸特性的影响；固定挤丝高度10 cm、煮丝时间4 min，研究物料温度（15、20、25、30、35 ℃）对鱼丝拉伸特性的影响。

1.3.5 响应面优化试验

以双蛋白鱼丝的拉伸特性为核心指标，采用Box-Behnken中心组合试验设计和响应面分析法优化工艺参数。设计3因素3水平的响应面试验，优化双蛋白鱼丝的制作工艺。响应面分析因素及水平如表1所示。

表1 Box-Behnken试验因素与水平Table 1 Levels of three independent variables used in Box-Behnken design

1.4 数据处理

所有数据均表示为平均值±标准差，采用SPSS Statistics 26.0软件进行数据间单因素显著性差异分析，显著水平为P＜0.05。采用Origin 2021软件作图。利用Design Expert 11软件统计分析响应面优化试验结果。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 物料温度对双蛋白鱼丝拉伸特性的影响

物料温度是鱼糜低温凝胶化阶段的温度，对双蛋白鱼丝凝胶特性有关键性影响[14-15]。由图1可知，随着物料温度的升高，双蛋白鱼丝的拉伸强度和拉伸形变均呈现出先升高后下降的趋势，在20 ℃时达到最大值，分别为4.45 g/mm2和3.56。在物料温度小于20 ℃时，淀粉颗粒吸水膨胀，填充在蛋白凝胶网络结构中，增强凝胶的强度[16-17]，从而使双蛋白鱼丝的拉伸强度和拉伸形变增强。拉伸强度还与凝胶网络结构密切相关，由此推测物料温度在20 ℃时形成的鱼丝网络结构更好[18-20]。随着物料温度的继续升高，拉伸强度和拉伸形变均变差，可能是因为在温度低于35 ℃时，鲢鱼肌肉中的组织蛋白酶也有活性，引起肌原纤维的降解，从而使形成的凝胶品质变差[21-22]。焦道龙等[23]也发现，斩拌温度超过20 ℃时，白鲢鱼糜的凝胶强度显著下降。

图1 物料温度对双蛋白鱼丝拉伸强度和拉伸形变的影响Fig. 1 Effect of raw material temperature on tensile strength and deformation of fish noodles

2.1.2 挤丝高度对双蛋白鱼丝拉伸特性的影响

挤丝高度是指鱼丝挤出时距沸水表面的高度。由图2可知，随着挤丝高度的增加，双蛋白鱼丝的直径显著下降。高洁[11]、田胜[24]等认为，随着挤丝高度的增加，鱼丝的直径在重力的作用下会越来越小。所以改变挤丝高度主要改变了双蛋白鱼丝的直径，进而影响其拉伸特性。挤丝高度小于10 cm时，双蛋白鱼丝的拉伸强度随着挤丝高度的升高而增加，挤丝高度10～18 cm时，双蛋白鱼丝的拉伸强度没有显著性变化；而随着挤丝高度的增加，拉伸形变呈现出先增加后下降的趋势，这与鱼丝变得过细有关。在挤丝高度为10 cm时，鱼丝的拉伸形变达到最大值，为4.07。

图2 挤丝高度对双蛋白鱼丝直径（A）和拉伸特性（B）的影响Fig. 2 Effects of extrusion height on the diameter (A) and tensile properties (B) of fish noodles

2.1.3 煮丝时间对双蛋白鱼丝拉伸特性的影响

由图3可知，随着煮丝时间的延长，鱼丝的拉伸强度和拉伸形变都呈现出先增加后下降的趋势。煮丝时间为4 min时，鱼丝的拉伸强度和拉伸距离均达到最大值，分别为4.31 g/mm2和4.18。这可能是因为在开始0～4 min的加热时间内，鱼蛋白凝胶逐渐形成，从而使双蛋白鱼丝的拉伸特性呈逐渐增大的趋势；而随着煮丝时间继续延长，肌纤维束受到严重破坏，肌纤维断裂，变得松散，从而鱼丝的拉伸特性下降。在其他类型的鱼糜制品中，李维等[25]的研究也发现，随着加热时间的延长，鲢鱼鱼糜的凝胶强度呈现先上升后下降的趋势。

图3 煮丝时间对双蛋白鱼丝拉伸强度和拉伸形变的影响Fig. 3 Effect of cooking time on tensile strength and tensile deformation of fish noodles

2.2 响应面分析法优化双蛋白鱼丝制作工艺

根据单因素试验结果，最适物料温度为20 ℃，但目前在工业生产中斩拌温度一般控制在10 ℃左右，一方面是减少肌动球蛋白变性，另一方面是防止斩拌过程中鱼糜凝胶化、失去可塑性[26-31]，所以选择10、20、30 ℃进行响应面优化试验。最适挤丝高度为10 cm，选择6、10、14 cm进行响应面优化试验。最适煮丝时间为4 min，选择3、4、5 min进行响应面优化试验。以物料温度、挤丝高度和煮丝时间为自变量，以拉伸强度和拉伸形变为响应值。响应面设计方案及试验结果见表2。

表2 双蛋白鱼丝制作工艺中心组合试验设计方案及结果Table 2 Box-Behnken design matrix along with experimental responses

2.2.1 工艺参数对双蛋白鱼丝拉伸强度影响的分析

以拉伸强度为响应值，对表2数据进行多元回归拟合，可以得到拉伸强度（Y1）与物料温度（X1）、挤丝高度（X2）和煮丝时间（X3）的回归方程：Y1=0.58+0.57X1+0.21X2+0.18X3-0.01X1X2+0.02X1X3+0.11X2X3-

由表3的方差分析结果可知，模型P值小于0.01，表明该模型达到极显著水平，而失拟项的P值为0.080，说明未知因素对试验结果干扰较小，拟合方程可信，且此模型的R2=0.905，表明试验数据与回归数学模型拟合性良好，能够用上述模型较好地预测各指标的实际值。F（X2）＞F（X1）＞F（X3），即对鱼丝拉伸强度影响程度的顺序为挤丝高度＞物料温度＞煮丝时间。

表3 拉伸强度回归模型的方差分析结果Table 3 Analysis of variance (ANOVA) of regression model for tensile strength

为找出各因素的最佳响应面交互作用参数，根据回归模型分析结果，对上述回归方程绘制各因素响应曲面三维图，进一步分析与评价自变量对响应值的影响。在响应面分析中，响应曲面倾斜度越陡，响应值对于处理条件改变的敏感程度越大，颜色越深，表明因素间的交互作用显著，反之则交互作用不显著[32]。

由图4A可知，等高线的形状呈椭圆形，表明物料温度和挤丝高度交互作用对拉伸强度的影响较强。由图4B可知，等高线的形状呈椭圆形，表明物料温度和煮丝时间交互作用对拉伸强度的影响较强。由图4C可知，等高线的形状呈椭圆形，且响应面的颜色较深，表明挤丝高度和煮丝时间对拉伸强度的影响较强，且挤丝高度和煮丝时间交互作用显著。响应值Y1存在极大值，即在所设计参数中存在达到最大拉伸强度的最优条件，改变加工工艺能提高拉伸强度。将方程导数化后求极值（最大值），得到挤丝高度7 cm、物料温度20 ℃、煮丝时间3 min时加工制得的鱼丝拉伸强度最高（7.41 g/mm2）。

图4 3因素交互影响双蛋白鱼丝拉伸强度的响应面图Fig. 4 Response surface plots showing individual and interactive effects of three factors on tensile strength of fish noodles

2.2.2 工艺参数对双蛋白鱼丝拉伸形变影响的分析

以拉伸距离为响应值，对表2数据进行多元回归拟合，得到拉伸距离（Y2）与物料温度（X1）、挤丝高度（X2）和煮丝时间（X3）的回归方程：Y2=4.13+0.18X1-

由表4的方差分析结果可知，模型P值小于0.01，表明该模型达到极显著水平，而失拟项的P值为0.112，说明未知因素对试验结果干扰较小，拟合方程可信，且此模型的R2=0.926，表明试验数据与回归数学模型拟合性良好，能够用上述模型较好地预测各指标的实际值。F（X2）＞F（X1）＞F（X3），即对鱼丝拉伸形变影响程度的顺序为挤丝高度＞物料温度＞煮丝时间。上述数据表明，该模型可以较好反映双蛋白鱼丝挤丝高度、物料温度、煮丝时间之间的关系，因此该二次模型成立，可以用于预测双蛋白鱼丝的制备工艺。

表4 拉伸形变回归模型的方差分析结果Table 4 ANOVA of regression model for tensile deformation

由图5A可知，等高线的形状呈圆形，表明物料温度和挤丝高度交互作用对拉伸形变的影响较小。由图5B可知，等高线的形状呈椭圆形，表明物料温度和煮丝时间交互作用对拉伸形变的影响较大。由图5C可知，等高线的形状呈圆形，表明挤丝高度和煮丝时间交互作用对拉伸强度的影响较小。响应值Y2存在极大值，即在所设计参数中存在达到最大拉伸形变的最优条件。将方程导数化后求极值（最大值），得到挤丝高度9 cm、物料温度21 ℃、煮丝时间4 min时加工制得的鱼丝拉伸形变最高（4.18）。

图5 3因素交互影响双蛋白鱼丝拉伸形变的响应面图Fig. 5 Response surface plots showing individual and interactive effects of three factors on tensile strength of fish noodles

2.3 双蛋白鱼丝最佳制作工艺的验证结果

利用Design-Expert 11.0软件中Box-Behnken中心组合试验进行参数最优化分析，以拉伸强度和拉伸形变最大为目标，共同优化得到最优加工工艺参数为物料温度21 ℃、挤丝高度8 cm、煮丝时间4 min。该条件下理论预测拉伸强度7.30 g/mm2、拉伸形变4.16。

对最优条件进行3 次验证实验，由表5可知，实验得到拉伸强度为（7.27±0.10） g/mm2、拉伸形变为4.18±0.29，最优条件下的实际值和理论值相对误差较小，说明该模型可较好地反映各因素与响应值之间的关系。

表5 最优条件下实际值和理论值的误差Table 5 Error between actual and theoretical values of tensile strength and deformation under optimal conditions

2.4 双蛋白鱼丝的品质测定

最优工艺下制作的双蛋白鱼丝的感官描述如下：为直条形状，粗细均匀，表面光滑水润，呈淡黄色；闻起来具有特有的香气和鲜味，无异味；肉眼看无外来杂质；复热后，自然散开成条状，不黏、不糊。理化指标：水分含量81.03%、灰分含量0.62%、蛋白质含量5.7%，高于DB 36/T 457—2018《兴国鱼丝》[33]中对鱼丝湿制品蛋白质含量3%的要求；NaCl含量0.99%，低于DB 36/T 457—2018[33]中对鱼丝湿制品NaCl含量4%的要求。可见，在最优工艺下制作的双蛋白鱼丝优于相关标准要求。

3 结 论

改变挤丝高度、物料温度和煮丝时间等工艺参数可以改善鱼肉-鸡肉双蛋白鱼丝的拉伸特性。单因素试验结果表明：物料温度20 ℃时，双蛋白鱼丝拉伸强度和拉伸形变均达到最大值，分别为4.45 g/mm2和3.56；挤丝高度10 cm时，双蛋白鱼丝的拉伸形变达到最大值，为4.07；煮丝时间4 min时，双蛋白鱼丝的拉伸强度和拉伸距离均达到最大值，分别为4.31 g/mm2和4.18。通过响应面法优化后可知，3因素交互作用对双蛋白鱼丝的拉伸强度均有较强影响，其中挤丝高度和煮丝时间交互作用对拉伸强度的影响最显著，物料温度和煮丝时间交互作用对拉伸形变的影响较强，物料温度和挤丝高度、挤丝高度和煮丝时间的交互作用对拉伸形变的影响较小。物料温度为21 ℃、挤丝高度为8 cm、煮丝时间为4 min时，双蛋白鱼丝有较好的拉伸特性，经验证可得，在该工艺参数下，拉伸强度达到7.27 g/mm2、拉伸形变达到4.18。在最优工艺下制作的双蛋白鱼丝蛋白质含量为5.7%，NaCl含量为0.99%，均优于相关标准的要求。