基于响应面和模糊数学法优化人造肉肠工艺
时间：2023-02-26 08:40:07 来源：千叶帆 本文已影响人
吴国滟, 谢 雯, 欧雨嘉, 曾绍校,3, 郑宝东,3
(1.闽台特色海洋食品加工及营养健康教育部工程研究中心，福建 福州 350002; 2.福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002；
3.福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室，福建 福州 350002)
人造肉肠以高蛋白、低脂肪深受人们喜爱[1].人造肉肠的开发利用解决了肉类产品造成的动物疫病、环境恶化和资源浪费等问题，并且创造了巨大的经济价值和社会效益[2].目前人造肉主要分为植物基人造肉和细胞培养肉，其中细胞培养肉这种体外培养技术仍不够成熟，存在成本高昂、生产困难等问题[3].然而，传统素食的研究主要集中于豆制品的加工生产，存在豆腥味重、咀嚼性差以及口感与真肉差距较大等问题[4].为了解决这一问题，亟需开发高品质植物基人造肉食品，对推动我国素食产业的发展具有重要意义.
植物基人造肉肠是以植物组织蛋白为原料，经挤压、膨化、复水、拆丝、斩拌、成型等工艺制成具有肉类纤维结构和口感的肉类替代品.高雪琴[5]对大豆分离蛋白和卡拉胶复配对猪肉品质的影响进行了研究，得到的产品微观结构完整、紧凑.谷氨酰胺转氨酶(glutamine transaminase，TG酶)能够催化蛋白质分子中的酰基转移反应，改变蛋白质的结构，促使蛋白形成凝胶，成为人造肉中不可缺少的添加剂[6-7].刘香海等[8]研究表明，TG酶在0～60 ℃均可发生反应，但在30～50 ℃具有较高的酶活性.此外，研究[9-10]表明，大豆分离蛋白、卡拉胶、食盐以及TG酶添加量是影响肉制品品质的4个主要因素.不同用量的大豆分离蛋白、卡拉胶、食盐以及TG酶可使植物基人造肉肠发生不同程度的凝胶转化、蛋白质变性和降解等，从而有效改善植物基人造肉肠的质地、咀嚼度以及口感[11].
本研究以大豆组织蛋白为主要原料，以大豆分离蛋白、食盐、卡拉胶以及TG酶为辅料，将原辅料进行混合搅拌、挤压、灌肠、蒸煮等，制备出具有类似肉类纤维结构和口感的人造肉肠；
采用响应面法以及模糊数学法优化植物基人造肉肠工艺配方，以期为植物基人造肉肠的工业化生产提供依据.
1.1 供试材料
大豆拉丝蛋白由河南维润生物科技有限公司提供；
大豆分离蛋白由临邑禹王植物蛋白有限公司提供；
食品级卡拉胶由福建绿新食品有限公司提供；
TG酶由福州康味来进出口贸易有限公司提供；
食盐、白砂糖、食用油、马铃薯淀粉等均购于福州市永辉超市；
猪肉香精由福建正味生物科技有限公司提供.
1.2 仪器设备
BSM-120.4型电子天平为上海友缜电子科技有限公司产品；
FP3010斩拌机为上海邑隆贸易有限公司产品；
HH-6型数显恒温水浴锅为常州丹瑞实验仪器设备有限公司产品；
TA-XT2i质构仪为英国Stable Micro Systems(SMS)公司产品.
1.3 方法
基础配方参考文献[1，12]并做了改进，由大豆组织蛋白(40%)、水(25%)、食用油(5%)、白砂糖(4%)、马铃薯淀粉(5%)、黑胡椒(0.8%)、猪肉香精(0.1%)、大豆分离蛋白(1%～9%)、食盐(0.5%～2.5%)、卡拉胶(0.4%～1.2%)、TG酶(0.1%～0.5%)、磷酸盐0.1%组成.
干燥的大豆组织蛋白需复水除去豆腥味，将原料放入温水中，复水20～30 min，至内部无硬心后取出，脱水后拆丝备用.
将大豆分离蛋白混合后放入斩拌机中速搅拌2 min，随后加入盐等调味料搅拌2 min，加入卡拉胶、马铃薯淀粉等搅拌5 min，最后加入组织蛋白和TG酶搅拌1 min.
将混合后的人造肉糜通过灌肠机灌入肠衣内定型，50 ℃水浴凝胶反应20 min.将凝胶定型后的人造肉肠在100 ℃下加热蒸煮20 min成型.
1.3.2 咀嚼度的测定 咀嚼度用胶黏性和弹性的乘积表示[13]，通过质构仪测定.将人造肉成品剪切成直径2 cm、高20 mm的圆柱体，采用TPA模式，选用P/36R探头，测试前、中、后速率分别为2.0、1.0、2.0 mm·s-1，形变为75%[14]，每个样品重复3～5次，取平均值.
1.3.3 单因素试验 选取的大豆分离蛋白添加量分别为1.0%、3.0%、5.0%、7.0%、9.0%，食盐添加量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，卡拉胶添加量分别为0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%，TG酶添加量分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，以人造肉肠感官评分和咀嚼度为指标，确定4个因素的最佳水平.
1.3.4 响应面优化试验 选取对人造肉肠感官评分和咀嚼度影响较大的大豆分离蛋白(A)、卡拉胶(B)、TG酶(C)作为因素进行3因素3水平的响应面试验，其因素水平见表1.
表1 响应面因素水平设计
1.3.5 人造肉肠的模糊数学感官评定 利用模糊数学评价法进行感官评分[15].参考徐进等[16]的感官评价标准，由10位食品相关从业人员分别对人造肉肠从色泽、口感、风味和组织状态4个方面进行评价，按优、良、中、差4个等级评分，评价标准见表2.
表2 人造肉肠感官评价等级表
建立模糊评价集合：参考文献[17]，以人造肉肠的色泽、口感、风味、组织状态作为因素，X表示评价对象集，X=(X1,X2,X3……Xi)，Xi表示各组待测样品；
U表示因素集，U=(U1(色泽),U2(口感),U3(风味),U4(组织状态))；
用V表示评语集，V=(V1(优),V2(良),V3(中),V4(差))；
用S表示权重集，S=(0.2(色泽),0.3(口感),0.2(风味),0.3(组织状态))，S1+S2+S3+S4=1；
用Rj表示第j号样品感官评价为好、良、中、差的赞成比率.赞成比率=赞成票数/总人数.
通过模糊矩阵乘法运算得到综合感官评价结果(Yj)，Yj的计算公式表示如下：
(1)
式中，Rj为第j号样品感官评价为好、良、中、差的赞成比率；
S为权重.
将评价等级优、良、中、差分别赋值90、80、70、60，将评价结果Zj={y1,y2,y3,y4}分别与赋值的分数相乘，并对上述结果进行加权求和后得到Zj，表示如下：
(2)
式中，Yj为综合感官评价结果；
Zj为第j号样品加权的感官综合总分数.
1.3.6 人造肉肠基本成分的测定 根据文献[18-21]分别测定人造肉肠的蛋白质含量、粗脂肪含量、水分含量和灰分含量.
1.4 数据处理
对以上试验质构特性平均测定5次，数据用平均值±标准差表示.采用IBM SPSS 26.0进行统计分析和方差分析，用Excel 2016作图，采用Design Expert 8.0.6软件绘制Box-behnken响应试验数据.
2.1 单因素试验结果
2.1.1 大豆分离蛋白添加量对人造肉肠感官评分和咀嚼度的影响 10名食品感官评定人员的投票情况如表3所示.以评价对象X1为例，根据感官评价结果建立评价对象的模糊数学矩阵，得到R1：
表3 不同大豆分离蛋白添加量感官评价结果
(3)
Yj的计算为矩阵乘法运算，即S中每一行数字对应乘以Rj中每一列数字，并把结果相加.以Y1为例可得到如下感官质量评价结果：
(4)
式中，y1=0.2×0.5+0.3×0.4+0.2×0.0+0.3×0.0=0.22；
y2=0.2×0.0+0.3×0.3+0.2×0.5+0.3×0.6=0.37；
y3=0.2×0.3+0.3×0.0+0.2×0.2+0.3×0.4=0.22；
y4=0.2×0.2+0.3×0.3+0.2×0.3+0.3×0.0=0.19；
Y1={0.22,0.37,0.22,0.19}.
由式(2)得到样品X1的综合感官评分Z1:
Z1=90×0.22+80×0.37+70×0.22+60×0.19=76.2
(5)
同理可得其余样品感官评分：Z2=80.4，Z3=86.5，Z4=85.6，Z5=80.5.
因此，不同大豆分离蛋白感官评分分别为76.2、80.4、86.5、85.6、80.5分.
由图1可知，随着大豆分离蛋白添加量的增大，人造肉肠感官评分呈先升高后降低的趋势，而咀嚼度一直增大，但增大速率先缓慢后加快.在大豆分离蛋白添加量为5.0%时，感官评分达到最大值；
而在添加量为9.0%时，咀嚼度达到最大，但感官评分却降低.这是因为过量的大豆分离蛋白会造成产品硬度增大，咀嚼度增强，导致口感降低.因此选择大豆分离蛋白添加量为5.0%进行后续试验.
图1 大豆分离蛋白添加量对人造肉肠感官及咀嚼度的影响
2.1.2 食盐添加量对人造肉肠感官评分和咀嚼度的影响 由图2可知，随着食盐添加量的增大，人造肉肠感官评分呈先升高后降低的趋势，而咀嚼度也同步呈现先增大后缓慢降低的趋势.在食盐添加量为2.0%时，感官评分和咀嚼度都达到最大.可能是因为加入适量的食盐可以提高蛋白质水合的能力，增强凝胶强度[22]，使得咀嚼度增大；
但食盐添加量过大会使蛋白质分子内部疏水基团暴露出来，也使产品变咸，消费者难以接受.在不影响人造肉肠风味口感的前提下，选择食盐添加量为2%进行后续试验.
2.1.3 卡拉胶添加量对人造肉肠感官评分和咀嚼度的影响 由图3可得，随着卡拉胶添加量的增大，人造肉肠感官评分呈先升高后降低的趋势，而咀嚼度则一直增大，尤其是上升速率在0.8%～1.0%时达到最大；
在卡拉胶添加量为0.8%时，感官评分达到最大值；
而添加量为1.2%时，咀嚼度达到最大.卡拉胶是一种热可逆的多糖，可以与蛋白质结合，使产品具有良好的弹性[23].加入适量的卡拉胶可使植物蛋白肉的剪切力和弹性显著提高，组织更紧密；
卡拉胶添加量过大，会使肉质变硬，失去弹性，影响人造肉肠的组织状态和口感，感官评分降低.故选择卡拉胶添加量为0.8%进行后续试验.
图3 卡拉胶添加量对人造肉肠感官及咀嚼度的影响
2.1.4 TG酶添加量对人造肉肠感官评分和咀嚼度的影响 由图4可知，随着TG酶添加量的增大，人造肉肠感官评分呈先升高后降低的趋势，而咀嚼度也一直增大，但上升速率逐渐降低.在TG酶添加量为0.3%时，感官评分达到最大值；
而在TG酶添加量为0.5%时，咀嚼度达到最大，但是感官评分却降低.咀嚼度增大主要是由于蛋白质在TG酶作用下由原来的无序、松散状态转变为规则、排列紧密的状态[24-25]，蛋白质间相互交联[26].上升速率缓慢是由于TG酶催化酰基化转移已达到饱和状态，因此，适当添加TG酶可以改善其组织结构，但过量添加TG酶，会影响其质构和感官评分[27].故选择TG酶添加量为0.3%进行后续试验.
2.2 人造肉肠的模糊数学法评判结果
根据单因素试验结果，选取大豆分离蛋白、卡拉胶、TG酶3个因素进行响应面试验，对响应面试验17组不同样品的评价结果见表4.
表4 响应面试验感官评价结果
响应面试验中各评价对象的综合评判集见表5.
表5 响应面试验感官综合评价集及感官综合评分
2.3 响应面试验的优化
2.3.1 模型显著性检验 为了得到人造肉肠的最佳工艺条件，根据Box-behnken设计原理，以大豆分离蛋白添加量(A)、卡拉胶添加量(B)、TG酶添加量(C)3个因素为自变量，以感官评分作为响应值进行回归分析.试验设计及感官结果如表6所示.
表6 响应面优化试验及其结果
对表7中的数据进行二次多元回归拟合，得到人造肉肠感官评分对A、B、C的回归模拟方程：
表7 回归方程方差分析结果1)
Y=86.58A+0.80B+0.10C-4.30AB-1.40AC-2.00BC-4.94A2-2.79B2-3.49C2
(6)
方差分析结果表明,3个因素对人造肉肠感官品质影响的大小表现为:大豆分离蛋白添加量(A)>卡拉胶添加量(B)>TG酶添加量(C)，其中，大豆分离蛋白添加量对感官结果影响极显著(P<0.01)，卡拉胶添加量对感官结果影响显著(P<0.05)，TG酶添加量对感官结果影响不显著.
2.3.2 各因素之间的交互作用 从响应面图中可直观看出各因素对响应值的影响及各因素之间的交互作用，响应面越陡峭，等高线越密集，表明该因素对试验结果的影响越显著[28].由图5可以看出，响应值呈先上升后下降的趋势，等高线为椭圆且最密集，表明大豆分离蛋白添加量与卡拉胶添加量之间的交互作用极显著.由图6可以看出，等高线接近圆形且较密集，响应值呈先上升后下降的抛物线，表明大豆分离蛋白添加量与TG酶添加量之间的交互作用显著.由图7可以看出，响应面整体曲面较平缓，等高线为椭圆且密集，表明卡拉胶添加量与TG酶之间的交互作用极显著.三者均与方差分析的结果保持一致.
图5 大豆分离蛋白添加量与卡拉胶添加量对人造肉肠感官评分的响应面(a)和等高线(b)
图6 大豆分离蛋白添加量与TG酶添加量对人造肉肠感官评分的响应面(a)和等高线(b)
图7 卡拉胶添加量与TG酶添加量对人造肉肠感官评分的响应面(a)和等高线(b)
2.3.3 最佳工艺条件的确定 利用模糊数学法确定响应面中各评价对象的感官评分，通过Design Expert 8.0.6分析得到人造肉肠最佳的工艺条件为：大豆分离蛋白添加量5.42%，卡拉胶添加量0.78%，TG酶添加量0.27%.通过模拟得到的感官评分为86.8分.为了检验响应面分析结果的准确性，将工艺参数修正为：大豆分离蛋白添加量为5.4%，卡拉胶添加量为0.8%，TG酶添加量为0.3%.在此条件下进行3次平行试验验证，得到感官评分的平均值为86.7分，与理论预测值相比，误差<0.1%，差异不显著.
2.4 人造肉肠的基本成分
人造肉肠的粗蛋白、粗脂肪、灰分、水分含量的测定结果分别为36.47%、1.04%、2.42%、59.48%，咀嚼度为1 862.45 g，表明其属于高蛋白、低脂肪的肉类代替品.
本研究以植物组织蛋白为主要原料，以大豆分离蛋白、卡拉胶、食盐以及TG酶为辅料制备人造肉肠，在单因素试验设计的基础上设计3因素3水平的响应面试验，并结合模糊数学法对人造肉肠进行感官评价，得到的最佳工艺条件为：大豆分离蛋白添加量为5.4%，卡拉胶添加量为0.8%，TG酶添加量为0.3%.在此条件下进行3次平行试验验证，感官评分的平均值为86.7分，得到咀嚼度高达1 862.45 g的高蛋白、低脂肪植物基人造肉肠.验证试验结果与实际感官评分值相近.
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