Plackett-Burman 設(shè)計(jì)及響應(yīng)面法優(yōu)化扇貝邊醬制作工藝

盧蕓，周瑩，董雪萌，楊天賜，戴陽(yáng)軍*

(1.揚(yáng)州大學(xué) 旅游烹飪學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.常熟理工學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

扇貝(Placopectamagellanicus)是一種雙殼類軟體動(dòng)物，在世界海域分布廣泛，以熱帶海域的種類最為豐富[1]。扇貝富含蛋白質(zhì)、脂肪、微量元素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和多糖、?；撬岷湍憠A等活性物質(zhì)[2,3]，具有抗病毒、抗腫瘤、抗氧化、提高記憶力、防止肝硬化和預(yù)防心血管疾病等功效。扇貝肉中鈣、鎂含量相對(duì)其他貝類高，對(duì)維持人體酸堿平衡和神經(jīng)肌肉的興奮性等起到了重要的作用[4-6]。扇貝邊是干貝加工過(guò)程中的下腳料，包括外套膜、內(nèi)臟團(tuán)、腮等部分，大多被用作動(dòng)物飼料或被廢棄，造成資源的浪費(fèi)。有研究發(fā)現(xiàn)，扇貝邊的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相比扇貝柱毫不遜色，其中含有的人體必需氨基酸高達(dá)45.74%[7-9]。因此，以扇貝下腳料制作扇貝邊醬，對(duì)扇貝的深加工利用有重要意義。由于扇貝肉質(zhì)鮮嫩，在加熱處理過(guò)程中易造成產(chǎn)品失水縮小、口感粗硬的現(xiàn)象，出品率降低，因此需在前期進(jìn)行保水處理，盡可能保持扇貝肉的水分。本試驗(yàn)結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)，探尋扇貝邊醬的最佳制作工藝，旨在為扇貝邊醬的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

干凍扇貝邊(山東蓬萊欒家口水產(chǎn)食品公司)、紫蘇提取液、食用鹽、白砂糖、味特鮮、雞精、干辣椒、花椒、檸檬酸(食品級(jí))、脫氫乙酸鈉(食品級(jí))、山梨酸鉀(食品級(jí))、保水劑(復(fù)合磷酸鹽)、營(yíng)養(yǎng)瓊脂、胰蛋白胨、氯化鈉(分析純)、硫酸鉀(分析純)、硫酸銅(分析純)、氫氧化鈉(分析純)、鹽酸(分析純)、無(wú)水乙醚(分析純)、磷酸氫二鉀(分析純)、磷酸二氫鉀(分析純)：市售。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

JP-010S型超聲波清洗機(jī) 深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司；ZB-125型變頻斬拌機(jī) 山東創(chuàng)盛機(jī)械科技有限公司；LM-Z500型真空滾揉機(jī) 廣州尚德機(jī)械科技有限公司；JJ-2型高速組織搗碎機(jī) 上海精密儀器儀表有限公司；C21-ST2106型電磁爐 廣東美的生活電器制造有限公司；Anke LXJ-Ⅱ B型離心沉淀機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國(guó)華電器有限公司；FA2004型電子精密天平 上海儀器天平廠；LP502B型電子天平 上海越平科學(xué)儀器有限公司；BD/C-230型白雪冷柜 常熟白雪電器股份有限公司；303A-00(S)型電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海索譜儀器有限公司；LDZH-100KBS型立式壓力蒸汽滅菌器 上海申安醫(yī)療器械廠。

試管、錐形瓶、培養(yǎng)皿等：市售。

1.2 制作工藝

1.2.1 工藝流程

原料解凍→超聲清洗→保水處理→熱燙→斬拌→裝罐→加紅油→真空封蓋→高溫滅菌。

1.2.2 操作要點(diǎn)

超聲清洗：使用超聲波清洗機(jī)對(duì)原料清洗30 min至水透明，去除貝殼、小石塊等雜質(zhì)。

保水處理：料液比1∶1，加入3%保水劑、3%紫蘇提取液，調(diào)節(jié)pH至4，真空滾揉3 h。

熱燙：原料放入90 ℃熱水中熱燙40 s制熟。

斬拌：精確稱取1%雞精、0.5%白砂糖、2%鹽、0.5%味特鮮、0.1%脫氫乙酸鈉、0.1%山梨酸鉀同扇貝邊料放入斬拌機(jī)中，以1500 r/min的速度斬拌5 min。

裝罐：醬添加量應(yīng)不大于65%，將加熱后的紅油加入罐中。

真空封蓋：抽真空后封蓋。

高溫滅菌：滅菌鍋高溫121 ℃滅菌15 min。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 單因素試驗(yàn)

以水分含量為指標(biāo)，分別考察料液比(2∶1、1∶1、2∶3、1∶2、2∶5)、保水劑添加量(1%、2%、3%、4%、5%)、滾揉時(shí)間(1，2，3，4，5 h)、pH值(3，4，5，6，7)、紫蘇提取物添加量(1%、2%、3%、4%、5%)、熱燙溫度(60，70，80，90，100 ℃)、熱燙時(shí)間(20，30，40，50，60 s)對(duì)扇貝邊醬的影響，所有試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

1.3.2 Plackett-Burman試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的前提下對(duì)因素進(jìn)行篩選，篩選出對(duì)結(jié)果影響顯著性較強(qiáng)的因素[10]。本試驗(yàn)采用Minitab 16.0軟件進(jìn)行Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1.3.3 Box-Behnken試驗(yàn)

篩選試驗(yàn)可以篩選出對(duì)結(jié)果影響顯著的因素，篩選試驗(yàn)后繼續(xù)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 水分測(cè)定

按照GB 5009.3-2011《食品中水分的測(cè)定》規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定。

1.4.2 微生物檢測(cè)

菌落總數(shù)的測(cè)定：采用GB 4789.2-2010《食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測(cè)定》規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定。

大腸菌群的測(cè)定：采用GB 4789.38-2012《食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 大腸埃希氏菌計(jì)數(shù)》規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定。

1.4.3 感官評(píng)價(jià)

成品最終定型后，按照優(yōu)化條件進(jìn)行試驗(yàn)，制作出最終的產(chǎn)品。根據(jù)食品感官評(píng)價(jià)方法，邀請(qǐng)10名食品專業(yè)人員組成綜合評(píng)定小組，從色、香、味、形4個(gè)方面進(jìn)行最終產(chǎn)品感官評(píng)價(jià)，具體的感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standards of sensory scoring

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用軟件Origin 7.5及Design-Expert 8.0進(jìn)行制圖和方差分析。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 料液比對(duì)扇貝邊水分含量的影響

圖1 料液比對(duì)扇貝邊水分含量的影響Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on water content of scallop skirt

由圖1可知，隨著料液比的增加，扇貝邊水分含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。經(jīng)綜合分析，過(guò)少的水量使扇貝邊無(wú)法充分吸收水分，故選擇料液比為1∶1～1∶2這一區(qū)間進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

2.1.2 保水劑添加量對(duì)扇貝邊水分含量的影響

圖2 保水劑對(duì)扇貝邊水分含量的影響Fig.2 Effect of water retaining agent on water content of scallop skirt

由圖2可知，隨著保水劑添加量的不斷增加，水分含量明顯增加后趨于平緩。經(jīng)綜合分析，保水劑的主要成分為磷酸鹽，能提高肉類的pH值，螯合金屬離子和解離肌動(dòng)球蛋白，同時(shí)與蛋白質(zhì)相互作用，提高水產(chǎn)品的持水能力，在加工過(guò)程中保持產(chǎn)品的嫩度和水分，提升產(chǎn)品的得率，而過(guò)多的磷酸鹽則會(huì)產(chǎn)生不愉快的金屬味，使口感下降[11]。當(dāng)添加量在3%時(shí)，水分含量達(dá)到最大值，故選擇2%～4%這一區(qū)間進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

2.1.3 滾揉時(shí)間對(duì)扇貝邊水分含量的影響

圖3 滾揉時(shí)間對(duì)扇貝邊水分含量的影響Fig.3 Effect of rolling time on water content of scallop skirt

由圖3可知，當(dāng)滾揉時(shí)間從1 h增加到3 h這一過(guò)程中，扇貝邊水分含量持續(xù)上升，隨著時(shí)間的增加，水分含量基本無(wú)變化。經(jīng)綜合分析，滾揉時(shí)間的增加使扇貝內(nèi)部溶質(zhì)含量增加，增加了扇貝的持水性[12]。故選擇3～5 h這一區(qū)間進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

2.1.4 pH值對(duì)扇貝邊水分含量的影響

圖4 pH值對(duì)扇貝邊水分含量的影響Fig.4 Effect of pH on water content of scallop skirt

由圖4可知，隨著pH值的升高，水分含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。說(shuō)明此保水條件應(yīng)該為一個(gè)弱酸性環(huán)境。比較分析后選擇pH值為3～5這一區(qū)間進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

2.1.5 紫蘇提取物添加量對(duì)扇貝邊水分含量的影響

圖5 紫蘇提取物對(duì)扇貝邊水分含量的影響Fig.5 Effect of Perilla frutescens extract on water content of scallop skirt

由圖5可知，隨著紫蘇提取物添加量的增加，水分含量有較小的增長(zhǎng)，當(dāng)紫蘇提取物達(dá)到3%時(shí)，水分含量最高。經(jīng)綜合分析，紫蘇提取物能降低海產(chǎn)品腥味，提高肉質(zhì)的嫩度，考慮到過(guò)多的紫蘇提取物對(duì)產(chǎn)品風(fēng)味會(huì)有所影響，選擇紫蘇添加量為3%～5%這一區(qū)間進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

2.1.6 熱燙溫度對(duì)扇貝邊水分含量的影響

圖6 熱燙溫度對(duì)扇貝邊水分含量的影響Fig.6 Effect of blanching temperature on water content of scallop skirt

由圖6可知，隨著熱燙溫度的不斷增高，扇貝邊水分含量也在慢慢增長(zhǎng)。當(dāng)溫度達(dá)到90 ℃時(shí)，水分含量最高。綜合比較分析，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致扇貝邊蛋白質(zhì)的過(guò)度變性，持水性下降，因此最終選取熱燙溫度為80～100 ℃這一區(qū)間進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

2.1.7 熱燙時(shí)間對(duì)扇貝邊水分含量的影響

圖7 熱燙時(shí)間對(duì)扇貝邊水分含量的影響Fig.7 Effect of blanching time on water content of scallop skirt

由圖7可知，隨著熱燙時(shí)間的不斷變長(zhǎng)，水分含量先慢慢增長(zhǎng)后迅速下降。當(dāng)熱燙時(shí)間達(dá)到40 s時(shí)，水分含量最高。綜合比較分析，熱燙時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致扇貝邊蛋白質(zhì)變性過(guò)度，從而降低扇貝邊的水分，導(dǎo)致口感變硬，因此最終選取熱燙時(shí)間為20～40 s這一區(qū)間進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

2.2 Plackett-Burman試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出因素水平表：料液比(A)、保水劑添加量(B)、滾揉時(shí)間(C)、pH值(D)、紫蘇提取物添加量(E)、熱燙溫度(F)、熱燙時(shí)間(G)，見(jiàn)表2。

表2 Plackett-Burman試驗(yàn)因素水平Table 2 Factors and levels of Plackett-Burman experiment

根據(jù)Minitab 16.0導(dǎo)出的試驗(yàn)序號(hào)表(見(jiàn)表3)，按照試驗(yàn)序號(hào)及相關(guān)條件進(jìn)行試驗(yàn)，最終得到的結(jié)果填入表內(nèi)。

表3 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Design and results of Plackett-Burman experiment

對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，得到因素顯著性圖(見(jiàn)圖8)、帕累托圖(見(jiàn)圖9)、殘差圖(見(jiàn)圖10)。

圖8 因素顯著性圖Fig.8 The chart of significant factors

圖9 帕累托圖Fig.9 Pareto diagram

圖10 殘差圖Fig.10 Residual plot

由圖8可知，方形點(diǎn)表示顯著性因素，圓形點(diǎn)表示非顯著性因素。所有的9個(gè)因素中有4個(gè)對(duì)結(jié)果的影響是顯著的，這4個(gè)顯著性因素分別為：保水劑添加量、pH值、熱燙溫度、熱燙時(shí)間。由圖9可知，初步試驗(yàn)表明，對(duì)于結(jié)果影響的強(qiáng)弱性為：保水劑添加量>pH值>熱燙時(shí)間>熱燙溫度。由圖10可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)規(guī)律地分布于各線的兩邊，說(shuō)明試驗(yàn)數(shù)據(jù)較好。由此篩選出4個(gè)對(duì)結(jié)果影響較大的因素繼續(xù)試驗(yàn)，這4個(gè)因素為：保水劑添加量、pH值、熱燙溫度、熱燙時(shí)間。

2.3 Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果分析

在篩選試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇保水劑添加量(A)、pH值(B)、熱燙時(shí)間(C)、熱燙溫度(D)進(jìn)行試驗(yàn)。使用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平表見(jiàn)表4，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表6。

經(jīng)軟件分析，得到多元二次回歸方程：

Y=35.58+0.66A+1.61B+1.56C-0.48D+0.40AB-0.38AC+0.40AD-0.58BC-0.16BD+0.14CD-5.84A2-0.78B2-0.93C2-3.39D2。

表4 Box-Behnken設(shè)計(jì)因素水平表Table 4 Factors and levels of Box-Behnken design

表5 Box-Behnken設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Table 5 Scheme and results of Box-Behnken design

表6 回歸方程顯著性檢驗(yàn)與方差分析Table 6 Significance test and variance analysis of regression equation

續(xù) 表

注：“*”表示差異顯著(P<0.05)；“**”表示差異極顯著(P<0.01)。

由表6可知，該模型的P<0.0001(P<0.01)極顯著，失擬項(xiàng)P=0.1194(P>0.05)不顯著，表示該回歸模型效應(yīng)極顯著且失擬度好，設(shè)計(jì)合理。未調(diào)整前的相關(guān)系數(shù)R2=0.9636，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化，調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)RAdj2=0.9273，說(shuō)明該回歸模型可解釋92.73%的可變性，預(yù)測(cè)值與真實(shí)值相關(guān)性好，試驗(yàn)誤差小。該試驗(yàn)的變異系數(shù)(離散系數(shù))C.V.(%)為3.05，遠(yuǎn)小于5。這些數(shù)值都能較好地說(shuō)明試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑤^為合理，試驗(yàn)進(jìn)展較為順利，試驗(yàn)準(zhǔn)確性較高，本試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地揭露各因素對(duì)結(jié)果的影響程度，能夠建立較好的多元二次回歸方程，揭露各因素與結(jié)果之間較為復(fù)雜的關(guān)系。由F值大小可知，影響扇貝邊保水效果因素主次順序?yàn)閜H值(B)>熱燙時(shí)間(C)>保水劑添加量(A)>熱燙溫度(D)。

通過(guò)Box-Behnken試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行響應(yīng)面圖分析，以觀察A，B，C，D 4個(gè)因素之間的交互作用對(duì)扇貝邊保水效果的影響。由圖11可知，響應(yīng)曲面陡峭，等高線呈密集橢圓形，說(shuō)明pH值和熱燙溫度的交互作用對(duì)扇貝邊保水效果影響最為顯著。

圖11 各因素交互作用對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的等高線和響應(yīng)面圖Fig.11 The contour diagram and response surface figure of interaction of various factors on product quality

2.4 最佳工藝與驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)所建立模型進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)分析處理，最終得到如下結(jié)果：當(dāng)保水劑添加量為3.07%，pH值為4.85，熱燙時(shí)間為35.51 s，熱燙溫度為89.24 ℃時(shí)，水分含量最高，達(dá)到36.73%。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況將工藝修正為保水劑添加量為3%，pH值為5，熱燙時(shí)間為36 s，熱燙溫度為90 ℃。按照此條件進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，最終得到水分含量為35.82%±0.34%，與預(yù)測(cè)值36.73接近，相對(duì)誤差為2.48%，說(shuō)明優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確，符合統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，優(yōu)化試驗(yàn)成功。

2.5 產(chǎn)品感官評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表1)，感官評(píng)分結(jié)果見(jiàn)表7，繼續(xù)對(duì)表7進(jìn)行分析，制作出圖12的感官評(píng)分雷達(dá)圖。

表7 感官評(píng)分結(jié)果Table 7 The results of sensory score

圖12 感官評(píng)分雷達(dá)圖Fig.12 The radar chart of sensory score

由圖12可知，產(chǎn)品的風(fēng)味較好，感官分值最高，其次為組織形態(tài)，香氣的感官評(píng)分偏低，說(shuō)明產(chǎn)品在香氣方面需要進(jìn)一步改善。從雷達(dá)圖整體來(lái)看，線性較為規(guī)則，為近似于圓形的不規(guī)則圖形，進(jìn)一步分析可以看出，評(píng)價(jià)員對(duì)于本產(chǎn)品的各感官指標(biāo)的單一偏向性較小，說(shuō)明產(chǎn)品整體的感官評(píng)價(jià)較好。

2.6 產(chǎn)品微生物檢測(cè)結(jié)果分析

在低溫保藏的情況下，分別在30天和45天對(duì)樣品進(jìn)行微生物檢測(cè)。

細(xì)菌總數(shù)(CFU/g)：在30天時(shí)細(xì)菌總數(shù)≤1×103，在45天時(shí)細(xì)菌總數(shù)≤1×104。

大腸桿菌(MPN/mL)：在30天和45天時(shí)均未檢出。

3 結(jié)論

本研究運(yùn)用Plackett-Burman 試驗(yàn)，結(jié)合Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)對(duì)扇貝邊醬的制作工藝進(jìn)行分析優(yōu)化，確定扇貝邊醬制作最佳配方。所得扇貝邊醬口感濃郁鮮美，可成為人們?nèi)粘Ｗ舨?、調(diào)味的佳品。通過(guò)本試驗(yàn)，旨在為扇貝的深加工與綜合利用提供參考依據(jù)。