張 杰,潘風(fēng)光,劉 婧,李洪山,安曉寧,劉靜波,*
(1.吉林大學(xué)營(yíng)養(yǎng)與功能食品實(shí)驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春130062;2.吉林省白城水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,吉林白城137000)
響應(yīng)面分析法優(yōu)化豬骨素提取工藝條件的研究
張 杰1,2,潘風(fēng)光1,劉 婧1,李洪山1,安曉寧1,劉靜波1,*
(1.吉林大學(xué)營(yíng)養(yǎng)與功能食品實(shí)驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春130062;2.吉林省白城水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,吉林白城137000)
利用響應(yīng)面法對(duì)豬骨素的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上選取主要的實(shí)驗(yàn)因素與水平,根據(jù)中心組合(Box-Benhnken)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,采用三因素三水平的響應(yīng)面分析法,依據(jù)回歸分析確定各工藝條件的影響因素,以提取液中的膠原蛋白含量和游離氨基酸含量的綜合指標(biāo)為響應(yīng)值作響應(yīng)面回歸。在分析各個(gè)因素的顯著性和交互作用后,得出豬骨素提取的最佳工藝條件:提取壓力為0.11MPa,時(shí)間為226min,液料比為3∶1。在此條件下,實(shí)際測(cè)得綜合指標(biāo)含量為0.5339%。
響應(yīng)面分析,豬骨素,提取工藝條件
我國(guó)是畜禽養(yǎng)殖大國(guó),骨資源極為豐富,每年產(chǎn)生的骨頭有近200萬t,且鮮骨中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),被食品和營(yíng)養(yǎng)學(xué)家們譽(yù)為“21世紀(jì)新型食品”[1],其蛋白質(zhì)和脂肪含量與肉類相似,此外,還含有大量的礦物質(zhì)、維生素等[2]。骨素浸提了鮮骨中的可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),蛋白質(zhì)(主要是膠原蛋白)含量能達(dá)到30%以上[3],是對(duì)骨蛋白的充分利用,體系中還富含游離氨基酸、多肽、核酸等風(fēng)味物質(zhì)和鈣、磷、磷脂、雜蛋白、粘多糖等營(yíng)養(yǎng)成分,易于人體吸收,長(zhǎng)期食用安全無毒性,是理想的味精替代品。在豬骨的綜合利用過程中,骨素僅僅是一種中間體,是其它產(chǎn)品的原料。如可以對(duì)骨素進(jìn)行酶解,生產(chǎn)動(dòng)物水解蛋白(HAP),也可以利用美拉德反應(yīng),生產(chǎn)具有特殊香氣的肉類香精或者加入糖類、醬油、油脂等其它天然的原料,通過加熱調(diào)理而制成具有肉香味、燒肉香味等風(fēng)味的調(diào)味料[4]。長(zhǎng)期以來,我國(guó)大多數(shù)的畜禽骨被廢棄或用于加工附加值較低的工業(yè)原料和動(dòng)物飼料(如骨粉)等,造成了極大的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。因此,加大對(duì)畜禽骨深加工的開發(fā)力度,具有十分重要的意義。在發(fā)達(dá)國(guó)家,從20世紀(jì)70年代,日本開始采用現(xiàn)代提取技術(shù)加工骨湯,經(jīng)低溫真空濃縮得到鮮骨抽提物,實(shí)現(xiàn)了骨素的工業(yè)化生產(chǎn)。因?yàn)槠鋪碓刺烊?,并且保持了鮮骨中天然的美味和香氣,富有醇厚柔和的口感,很快成為日本人現(xiàn)代調(diào)味品的主流,并風(fēng)靡日本、韓國(guó)等亞洲市場(chǎng)[5]。目前國(guó)內(nèi)有多家企業(yè)生產(chǎn)骨素,規(guī)模較大的有漯河雙匯集團(tuán)、獨(dú)鳳軒等。提高骨素中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(膠原蛋白)和風(fēng)味物質(zhì)(呈味游離氨基酸)的含量,優(yōu)化提取工藝條件,是目前國(guó)內(nèi)的骨素生產(chǎn)企業(yè)亟待解決的問題。
豬骨 吉林華正農(nóng)牧業(yè)開發(fā)股份有限公司,破碎成2cm左右小塊,蛋白質(zhì)含量18.96%、脂肪含量10.60%、灰分含量54.09%、水分15.95%;硫酸銅、硫酸鉀、氯化鈉、濃硫酸、甲基紅、溴甲酚綠、甲醛、鹽酸、氫氧化鈉、硼酸、考馬斯亮藍(lán)G250 均為國(guó)產(chǎn)分析純。
ZD-2型自動(dòng)電位滴定儀 上海雷磁公司;ZDX-35BI座式自動(dòng)電熱壓力蒸汽滅菌器 上海申安醫(yī)療器械廠;AG204電子分析天平(0.1mg~210g) 瑞士METTLER TOLEDO;QSY-16凱氏定氮儀 北京強(qiáng)盛分析儀器設(shè)備中心;CXC-06粗纖維測(cè)定儀、ZF-06B脂肪測(cè)定儀 上海瑞正儀器設(shè)備有限公司。
1.2.1 檢測(cè)方法 脂肪的測(cè)定:索氏抽提法,GB/T 5009.6-1985;灰分(固形物)含量的測(cè)定:550℃灼燒法,GB/T5505-1985;蛋白質(zhì)含量的測(cè)定:凱氏定氮法,GB/T5009.5-2003;膠原蛋白含量的測(cè)定:考馬斯亮藍(lán)G250法(Coomassive brilliant blue,G-250);游離氨基酸含量的測(cè)定:甲醛滴定法[6]。
1.2.2 豬骨素的提取 將鮮骨洗凈,沸水中熱燙2min,以去血去腥,按比例加入蒸餾水,入高壓鍋按不同的壓力和時(shí)間提取。
1.2.3 綜合指標(biāo)的計(jì)算 采用將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為單一指標(biāo)的方法對(duì)浸提效果進(jìn)行優(yōu)化預(yù)實(shí)驗(yàn)的研究表明,膠原蛋白和游離氨基酸含量的重要性呈一致性相關(guān),并可用下式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[7]:
綜合指標(biāo)=X1+X2
式中:X1為膠原蛋白含量(g/100g);X2為游離氨基酸含量(g/100g)。
1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn)
1.2.4.1 提取壓力的影響 分別選擇為0.06、0.08、0.10、0.12、0.14MPa來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),考察壓力對(duì)膠原蛋白含量和游離氨基酸含量的影響,實(shí)驗(yàn)條件:時(shí)間3h、液料比3∶1。
1.2.4.2 提取時(shí)間的影響 分別選擇為1、2、3、4、5h來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),考察時(shí)間對(duì)膠原蛋白含量和游離氨基酸含量的影響,實(shí)驗(yàn)條件:壓力0.12MPa、液料比3∶1。1.2.4.3 液料比的影響 分別選取液料比為2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1進(jìn)行浸提,考察液料比對(duì)膠原蛋白含量和游離氨基酸含量的影響,實(shí)驗(yàn)條件:壓力0.12MPa,時(shí)間4h。
1.2.5 響應(yīng)面分析 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),選取骨湯中的膠原蛋白含量(%)和游離氨基酸含量(%)的綜合指標(biāo)為所考察的響應(yīng)值。進(jìn)行壓力(X1,MPa)、時(shí)間(X2,h)和液料比(X3)3因素3水平的Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。對(duì)壓力、時(shí)間和液料比作如下變換:X1=(P-0.12)/0.02,X2=(t-240)/30,X3=(z-3)/0.5,以三次實(shí)驗(yàn)所得綜合指標(biāo)的平均值為響應(yīng)值(Y),采用design expert軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析,建立數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行方差分析,并優(yōu)化工藝參數(shù)。
表1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平
2.1.1 壓力對(duì)膠原蛋白含量和游離氨基酸含量的影響 由圖1可知,隨著壓力的增加,骨湯中的膠原蛋白含量不斷提高,這主要是由于增大浸提壓力能有效軟化骨質(zhì),促進(jìn)骨中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的溶出,但0.12MPa之后,蛋白質(zhì)含量變化趨于平緩。而游離氨基酸含量呈先升后微降的趨勢(shì),0.12MPa時(shí)達(dá)到最大,可見壓力過高,氨基酸的溶出量達(dá)到最大值后,繼續(xù)增大壓力不僅浪費(fèi)能源還可能會(huì)在一定程度上破壞骨湯中的呈味氨基酸,導(dǎo)致氨基酸含量不升反降。綜合以上分析,在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中選取0.10、0.12、0.14MPa作為浸提壓力的實(shí)驗(yàn)水平。
圖1 浸提壓力對(duì)膠原蛋白和游離氨基酸含量的影響
2.1.2 時(shí)間對(duì)膠原蛋白含量和游離氨基酸含量的影響 由圖2可知,隨著提取時(shí)間的增加,骨湯中膠原蛋白含量和游離氨基酸含量不斷升高,但4h之后,隨著時(shí)間的增加,膠原蛋白和游離氨基酸含量趨于平緩,這主要是由于隨著浸提時(shí)間的增加,骨中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的溶出量也在增加,當(dāng)浸提時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí),營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)已基本溶出。因此在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中選取210、240、270min作為浸提時(shí)間的實(shí)驗(yàn)水平。
圖2 浸提時(shí)間對(duì)膠原蛋白和游離氨基酸含量的影響
2.1.3 液料比對(duì)膠原蛋白含量和游離氨基酸含量的影響 由圖3可知,隨著液料比的增加,骨湯中膠原蛋白含量和游離氨基酸含量呈逐漸下降的趨勢(shì),加水量過多,骨湯中膠原蛋白和游離氨基酸含量降低,絕對(duì)量升高,但液料比過大會(huì)給濃縮過程帶來負(fù)擔(dān);加水量過少則不利于原料中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和風(fēng)味成分浸出,絕對(duì)浸出少。因此在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中選取2∶1、3∶1、4∶1作為液料比的實(shí)驗(yàn)水平。
圖3 液料比對(duì)膠原蛋白和游離氨基酸含量的影響
2.2.1 骨素提取工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果 以膠原蛋白含量和游離氨基酸含量指標(biāo)作為響應(yīng)值,采用響應(yīng)面回歸(RSREG)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[8]。骨素提取優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2,分析結(jié)果見表3。
表3 綜合指標(biāo)回歸方程的方差分析
表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.2.2 數(shù)學(xué)模型的建立及方差分析 以膠原蛋白和游離氨基酸含量的綜合指標(biāo)為響應(yīng)值,經(jīng)過回歸擬合后的二次多項(xiàng)回歸方程為:Y=0.53+0.026X1+7.250E -0.03X2-3.450E -0.03X3+1.825E -并對(duì)該模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表3。
由表3可知,回歸方程的失擬檢驗(yàn)p=0.2335>0.1,差異不顯著,總回歸方程 F檢驗(yàn)p<0.0001,差異極顯著,說明該模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)擬合較好,可以用于豬骨素生產(chǎn)中提取工藝蛋白質(zhì)和游離氨基酸含量綜合指標(biāo)的理論預(yù)測(cè),方程一次項(xiàng)的影響中X1、X2和X3的p<0.01(差異極顯著);二次項(xiàng)的影響中的p值<0.01,差異極顯著的p=0.0539,差異較顯著,X1X2的交互作用p=0.2840>0.1,差異不顯著,X1X3、X2X3的交互作用p<0.01,差異極顯著。由于模型的p<0.01,因此該方程的回歸模型差異極顯著。從回歸系數(shù)的大小可以看出,壓力對(duì)骨湯中蛋白質(zhì)和氨基酸含量的綜合指標(biāo)影響最大,其次是時(shí)間,液料比的影響最小。相關(guān)系數(shù)R2=0.9381,說明響應(yīng)值的變化有93.81%來源于所選變量。因此,回歸方程可以較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系,可以利用該回歸方程確定最佳提取工藝條件。
2.2.3 響應(yīng)面直觀分析 響應(yīng)曲面分析(RSM)的圖形是特定的響應(yīng)值Y對(duì)應(yīng)自變量構(gòu)成的一個(gè)三維空間圖,可以直觀地反映出各自變量對(duì)響應(yīng)變量的影響[9-10]。
以綜合指標(biāo)為響應(yīng)指標(biāo)值,對(duì)壓力、時(shí)間和液料比3個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面分析,其響應(yīng)面圖結(jié)果見圖4~圖6。
圖4 Z=f(X1,X2)的響應(yīng)面圖
圖5 Z=f(X1,X3)的響應(yīng)面圖
由圖4~圖6可以看出,壓力、時(shí)間和液料比3個(gè)因素對(duì)綜合指標(biāo)的影響程度在切面上都呈拋物線趨勢(shì),二者之間有明顯的交互作用,由響應(yīng)面圖以及相應(yīng)圖譜分析可知,壓力對(duì)骨湯中蛋白質(zhì)和游離氨基酸含量綜合指標(biāo)的影響最大,其次是時(shí)間,液料比的影響最小。
2.2.4 最佳條件的優(yōu)化與驗(yàn)證 對(duì)回歸方程取一階偏導(dǎo)數(shù)等于零,整理可得如下三式:
圖6 Z=f(X2,X3)的響應(yīng)面圖
式(1)~式(3)聯(lián)立方程組,解得X1=-0.4226,X2=-0.4617,X3=0,代入前述的變換公式得到提取壓力為0.11MPa,時(shí)間為226min,液料比為3∶1,在此條件下,實(shí)際測(cè)得綜合指標(biāo)含量為0.5339%,回歸模型預(yù)測(cè)含量理論值可達(dá)0.5346%,實(shí)際測(cè)定值與理論預(yù)測(cè)值無顯著差異。
通過單因素實(shí)驗(yàn),以及在此基礎(chǔ)上采用三因素三水平響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn),建立了響應(yīng)值與各因素之間的數(shù)學(xué)模型,依此模型可以預(yù)測(cè)理論提取率。根據(jù)此二次回歸模型,確定豬骨素提取工藝的最佳參數(shù):提取壓力為0.11MPa,時(shí)間為226min,液料比為3∶1,實(shí)際測(cè)得綜合指標(biāo)含量為0.5339%,在此條件得到高蛋白質(zhì)和游離氨基酸含量的骨素,可用于水解動(dòng)物蛋白的生產(chǎn)及進(jìn)一步加工成調(diào)味料和肉味香精,回歸模型預(yù)測(cè)含量理論值可達(dá)0.5346%,與實(shí)際測(cè)定值無顯著差異,建立的數(shù)學(xué)模型能很好地預(yù)測(cè)各因素同綜合指標(biāo)含量之間的關(guān)系,對(duì)優(yōu)化豬骨素提取工藝、提高企業(yè)生產(chǎn)效率有一定的指導(dǎo)意義。
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Optimization of extraction technology conditions of swine bone extract using response surface methodology(RSM)
ZHANG Jie1,2,PAN Feng-guang1,LIU Jing1,LI Hong-shan1,AN Xiao-ning1,LIU Jing-Bo1,*
(1.Laboratory of Nutrition and Functional Food,Jilin University,Changchun 130062,China;2.China Water Environmental Monitoring Center of Baicheng City,Baicheng 137000,China)
Based on single factor tests,the optimum extraction conditions of swine bone extraction were obtained through Box-Benhnken central combination design and RSM.The results showed that the optimum extraction conditions of comprehensive index on contents of collagen protein and ammonia nitrogen in bone soup were as follows:extraction pressure 0.11MPa,extraction time 226min,ratio of water to bone 3∶1.Under this condition,the comprehensive index on contents of collagen protein and ammonia nitrogen was 0.5339%.
response surface methodology;pig swine bone;extraction technology conditions
TS201.1
B
1002-0306(2011)06-0286-04
2010-05-04 *通訊聯(lián)系人
張杰(1982-),女,碩士生,助理工程師,研究方向:營(yíng)養(yǎng)與功能食品。
長(zhǎng)春市科技支撐計(jì)劃畜禽產(chǎn)品專項(xiàng)(08KZ26)。