響應(yīng)面法優(yōu)化魚頭湯熬煮工藝

馮雨 鄧夢琦 陳志奇 瑪合巴勒·庫望努西 巴吐爾·阿不力克木

摘 ?要：采用響應(yīng)面法對魚頭湯熬煮工藝進行優(yōu)化。以新鮮草魚頭為原料，以熬煮時間、熬煮溫度、料液比為變量因素，蛋白質(zhì)和總固形物含量為評價指標，采用響應(yīng)面試驗對魚頭湯熬煮工藝參數(shù)進行優(yōu)化。結(jié)果表明：熬煮時間為3.51 h、熬煮溫度95.54 ℃、料液比為1：5.85時，魚頭湯中蛋白質(zhì)含量為1.539 g/100 g、總固形物含量為29.97 g/L;通過驗證實驗證明最終熬制魚頭湯中的蛋白質(zhì)含量為（1.569±0.04） g/100 g、總固形物含量（30.56±0.66） g/L，試驗結(jié)果與軟件分析相符合，可運用于實際生產(chǎn)中。

關(guān)鍵詞：魚頭湯;熬煮工藝;響應(yīng)面法;蛋白質(zhì);總固形物

Abstract： The response surface methodology was used to optimize the cooking of fish head broth. Fresh grass carp heads were used as a starting material to prepare fish head broth. Cooking time， temperature and material-to-water ratio were considered as independent variables. Protein and total solid contents were used as dependent variables. The results showed that the optimum conditions obtained were as follows： cooking time 3.51 h， temperature 95.54 ℃， and material-to-water ratio 1：5.85. Under the optimized conditions， the predicted protein and total solid contents of fish head broth were 1.539 g/100 g and 29.97 g/L compared to （1.569 ± 0.04） g/100 g and （30.56 ± 0.66） g/L in the validation experiments， respectively. The good agreement confirmed the practical applicability of the optimized cooking process.

Keywords： fish head broth; cooking process; response surface methodology; protein; total solids

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20190911-215

中圖分類號：TS254.4 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：

草魚（Ctenopharyngodon idellus）屬鯉形目、鯉科、雅羅魚亞科、草魚屬，俗稱鯇、草根（東北）、混子等。草魚、青魚、鰱魚、鳙魚“四大家魚”是中國重要的淡水魚類[1-3]。草魚產(chǎn)量高、肉質(zhì)鮮美為大多數(shù)人們所喜愛[4]，但受消費習(xí)慣的影響，草魚多以鮮銷為主，深加工、工業(yè)化生產(chǎn)比例較少，所以當草魚集中上市時，易發(fā)生價格下滑現(xiàn)象。因此，發(fā)展淡水魚類養(yǎng)殖的同時，實現(xiàn)工業(yè)化加工至關(guān)重要[5-7]。目前，大多數(shù)水產(chǎn)加工企業(yè)在加工時只利用了魚肉的可食用部分，忽略了營養(yǎng)價值較高的魚頭和骨刺[8]，而魚頭和骨刺占魚體質(zhì)量的40%，大量丟棄不僅造成食物資源浪費和環(huán)境污染，而且導(dǎo)致加工成本增加和企業(yè)利潤降低。因此，應(yīng)對魚肉加工副產(chǎn)物充分利用，運用科學(xué)的加工方法開發(fā)消費者接受的高附加值產(chǎn)品[9-11]。

黃春紅等[12]對青魚、草魚、鰱魚和鳙魚4 種魚頭營養(yǎng)成分進行比較發(fā)現(xiàn)，草魚頭粗脂肪含量分別是青魚頭和鳙魚頭中粗脂肪含量的5 倍和6 倍?？偘被岷捅匦璋被岷恳郧圄~頭和鳙魚頭中較高，但必需氨基酸在總氨基酸中的占比則以草魚頭和鰱魚頭較高，鮮味氨基酸含量也以草魚頭中最高，表明魚頭營養(yǎng)成分較多且味道鮮美，具有較高的食用價值。王正云等[13]利用草魚下腳料制備魚醬油，結(jié)果表明所制魚醬油香味濃郁、無異味和臭味，口感咸鮮，入口滑爽，符合二級醬油國家標準。胡愛軍等[14]以真鯛魚魚頭為原料，通過酶解技術(shù)對其綜合利用并開發(fā)蛋白肽和魚油2 種產(chǎn)品，結(jié)果表明蛋白質(zhì)水解度達到61.15%，提油率為82.09%，且水解液色澤較淺，具有濃郁的魚香味。劉鐵玲等[15]以鰱魚頭為主要原料，加以黃豆醬、香菇、辣椒等輔料，經(jīng)科學(xué)加工制成含鈣豐富的鮮辣醬。目前針對魚頭深加工、新產(chǎn)品研發(fā)等方面的研究仍缺乏理論參數(shù)支撐。本實驗以草魚頭為材料，設(shè)計單因素試驗，結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化魚頭湯生產(chǎn)工藝參數(shù)，為制作即食魚頭湯等相關(guān)產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 ? 材料與方法

1.1 ? 材料與試劑

新鮮草魚頭（平均質(zhì)量為300 g）、植物油、食鹽、大蔥、生姜、桂皮、八角、小茴香，購于新疆烏魯木齊市友好超市。

硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、亞甲基藍指示劑、氫氧化鈉、乙醇（體積分數(shù)95%） ? 天津市致遠化學(xué)試劑有限公司;硫酸、鹽酸 ? 成都市科隆化學(xué)品有限公司;甲基紅指示劑（C15H15N3O2） ? 南京化學(xué)試劑有限公司。

1.2 ? 儀器與設(shè)備

XH-BWL定氮蒸餾裝置 ? 上海昕滬實驗設(shè)備有限公司;DHG-9123A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 ? 上海一恒科技有限公司;fk2101可控溫式電磁爐 ? 廣東美的生活電器制造有限公司;GY-TS型商用電磁爐 ? 佛山市國盈環(huán)保設(shè)備有限公司;FL-1可調(diào)式封閉電爐 ? 北京永光明醫(yī)療儀器有限公司;HH-S4數(shù)顯恒溫水浴鍋 ? 金壇市醫(yī)療儀器廠;JA2003電子天平 ? 上海蒲春計量儀器有限公司;LE204E/02電子天平 ? 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.3 ? 方法

1.3.1 ? 魚頭湯熬煮工藝流程

魚頭湯制作工藝流程如下：新鮮草魚頭→清洗→去腥→油炸→熬煮→過濾→魚頭湯

操作要點：1）預(yù)處理：將新鮮草魚頭去腮，剖開，洗凈表面黏液、血漬，清洗水溫控制在10 ?℃以下。2）去腥：將洗凈的魚頭放入0.5 g/100 mL食鹽水中，加入0.5%八角、0.5%小茴香和1%桂皮浸泡1 h后取出晾干。3）油炸：采用朱琳芳等[16]的方法并稍作修改。油炸溫度為180 ℃，油炸時間為30 s。4）熬煮：根據(jù)實驗設(shè)計的料液比加入魚頭和水，待魚湯溫度升高時，撇去浮沫，每隔15 min補加凈水1 次，使保持魚湯體積不變。5）過濾：將熬煮后的魚頭湯使用100 目不銹鋼過濾器過濾，去除魚肉、魚骨渣，濾液中不得出現(xiàn)可見雜質(zhì)。

1.3.2 ? 蛋白質(zhì)含量和總固形物含量的測定

蛋白質(zhì)含量：參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質(zhì)的測定》中的凱氏定氮法。

總固形物含量：參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》，準確量取50 mL湯汁于瓷蒸發(fā)皿中，于103 ℃常壓下烘干至恒質(zhì)量，結(jié)果以g/L表示。

1.3.3 ? 單因素試驗設(shè)計

根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果，分別固定熬煮時間為3 h、熬煮溫度100 ℃、料液比1：4（m/V，下同），考察熬煮時間（2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 h）、熬煮溫度（80、85、90、95、100 ℃）、料液比（1：3、1：4、1：5、1：6、1：7）對魚頭湯中蛋白質(zhì)和總固形物含量的影響。每組試驗重復(fù)3 次。

1.3.4 ? 響應(yīng)面試驗設(shè)計

綜合單因素試驗結(jié)果，以熬煮時間（A）、熬煮溫度（B）、料液比（C）為自變量，蛋白質(zhì)含量（Y1）、總固形物含量（Y2）為響應(yīng)值，使用Box-Behnken 設(shè)計3因素3水平響應(yīng)面試驗?zāi)Ｐ停_定魚頭湯的最佳熬煮工藝參數(shù)，試驗因素水平見表1。

1.4 ? 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19軟件進行單因素方差分析，利用Origin pro 8.5軟件進行繪圖，采用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應(yīng)面分析。

2 ? 結(jié)果與分析

2.1 ? 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 ? 熬煮時間對魚頭湯中蛋白質(zhì)和總固形物含量的影響

由圖1可知，當熬煮2.0～3.5 h時，魚頭湯中的蛋白質(zhì)和總固形物含量持續(xù)上升，熬煮3.5～4.0 h，隨著熬煮時間的延長，蛋白質(zhì)含量呈平穩(wěn)趨勢，總固形物含量略微下降。熬煮初始階段，魚頭結(jié)構(gòu)較緊致，隨著熬煮時間的延長，魚頭結(jié)構(gòu)變得松散，促進了含氮物質(zhì)和可溶性物質(zhì)溶出[17]，使魚頭湯中蛋白質(zhì)含量和總固形物顯著增加（P<0.05），當熬煮時間達到3.5 h后，蛋白質(zhì)析出達到平衡不再增加;而在3.5～4.0 h之間，總固形物含量略微減少，這可能是因為熬煮時間過長，魚頭湯中一部分碳水化合物發(fā)生水解，生成中間產(chǎn)物肽，這些物質(zhì)進一步水解生成各種氨基酸，進而參與美拉德反應(yīng)，生成揮發(fā)性物質(zhì)，最終以氣體形式揮發(fā)出去[18-19，21]，導(dǎo)致魚頭湯中總固形物含量減少。綜上所述，熬煮時間選擇3.5 h為宜，此時魚頭湯中總固形物含量最高，且蛋白質(zhì)含量趨于平衡。

2.1.2 ? 熬煮溫度對魚頭湯中蛋白質(zhì)和總固形物含量的影響

由圖2可知，熬煮溫度為80～95 ℃時，魚頭湯中的蛋白質(zhì)和總固形物含量持續(xù)上升，溫度升高至100 ℃時，蛋白質(zhì)含量不再升高且有所下降，總固形物含量趨于平衡。隨著熬煮溫度的升高，分子運動活躍，運動速度加快，促進魚頭中蛋白質(zhì)的滲出[20]，但熬煮溫度達到95 ℃以上時，魚頭湯中蛋白質(zhì)含量有所下降，這可能是由于溫度過高，魚頭中部分蛋白質(zhì)凝固變性不再析出，且魚頭湯中部分蛋白質(zhì)被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量降低;而總固形物含量增長緩慢可能是由于在95 ℃熬煮時魚湯中水溶性物質(zhì)已累積到一定水平，無明顯變化。綜上所述，熬煮溫度選擇95 ℃為宜，此時魚頭湯中蛋白質(zhì)含量最高，且固形物含量趨于平衡。

2.1.3 ? 料液比對魚頭湯中蛋白質(zhì)和總固形物含量的影響

由圖3可知，當料液比為1：3～1：6時，隨著加水量的增加，魚頭湯中蛋白質(zhì)和總固形物含量顯著增多（P<0.05），當料液比在1：6～1：7之間時，蛋白質(zhì)和總固形物含量均有所減少。魚頭湯的熬煮過程實質(zhì)上是原料通過加熱使可溶性物質(zhì)和呈味物質(zhì)逐漸溶解到水中的過程，水是主要媒介[21-22];隨著加水量的增加，單位魚頭表面被更多水分包圍，有利于蛋白質(zhì)和固形物的溶解，水含量越多蛋白質(zhì)和固形物的析出量就越多，但當加水量繼續(xù)增加，料液比達到1：7時，由于水分過多稀釋魚湯，導(dǎo)致魚頭湯中蛋白質(zhì)和總固形物含量降低，因此需要根據(jù)實際情況來調(diào)整料液比。料液比為1：6時，魚頭湯中蛋白質(zhì)和總固形物含量均達到最大值。因此，料液比選擇1：6為宜。

2.2 ? 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.2.1 ? 響應(yīng)面設(shè)計模型建立及回歸分析

為確定熬煮魚頭湯的最佳工藝參數(shù)，根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取熬煮時間（A）、溫度（B）、料液比（C）作為自變量，以蛋白質(zhì)含量（Y1）、總固形物含量（Y2）為響應(yīng)值，采用Box-Behnken設(shè)計3因素3水平試驗[23]，。利用Design-Expert 8.06軟件對表2中實驗結(jié)果進行多元回歸擬合[24]，建立多元二次響應(yīng)面回歸模型，所得方程為

由表3可知，蛋白質(zhì)和總固形物含量的模型P值均小于0.01，失擬項均大于0.05，通過查閱文獻可知，當模型P<0.01，失擬項大于0.05同時存在時則表明模型適應(yīng)性良好[25-26]，回歸模型的擬合項可以通過R2值更接近1進行驗證，蛋白質(zhì)含量R2=0.978 9，固形物含量R2=0.992 3，變異系數(shù)分別為5.10%、3.69%均小于10%，因此兩個模型可以較好地用來預(yù)測指標的實際值[27-28]。

由表3可知，以蛋白質(zhì)含量（Y1）為響應(yīng)值時，模型F值為36.04，R2=0.978 9，說明該預(yù)測模型極顯著（P<0.01），失擬項不顯著（P=0.7190）。一次項中B（熬煮溫度）、C（料液比）、交互項中AC及二次項中A2、B2、C2對模型影響極顯著（P<0.01），其余各項均對模型影響不顯著（P>0.05）。由F值可判斷，各因素影響大小順序為C（料液比）>B（熬煮溫度）>A（熬煮時間）;交互項影響大小順序為AC>BC>AB;二次項影響大小順序為B2>A2>C2。

由表4可知，以總固形物含量（Y2）為響應(yīng)值時，模型F值為100.45，R2=0.992 3，說明該預(yù)測模型極顯著（P<0.01），失擬項不顯著（P=0.505 9）。一次項中B（熬煮溫度）、交互項中BC、及二次項中A2、B2、C2對模型影響極顯著（P<0.01），一次項中C（料液比）、及交互項中AC對模型影響顯著（P<0.05）其余各項均對模型影響不顯著（P>0.05）。由F值可判斷，各因素影響大小順序為B（熬煮溫度）>C（料液比）>A（熬煮時間）;交互項影響大小順序為BC>AC>AB;二次項影響大小順序為B2>A2>C2。

2.3 ? 交互作用分析及驗證實驗

響應(yīng)面坡度可反映自變量發(fā)生變化時響應(yīng)值的靈敏程度[29-30]，曲面的陡峭程度與單因素影響效果相關(guān)，曲面越陡峭表明單因素影響越顯著[31];等高線可以直觀反映2 個變量交互作用的顯著程度，當?shù)雀呔€呈橢圓形、密集時表示兩因素交互作用顯著，等高線呈圓形、稀疏時表示兩因素交互作用不顯著[26，32]。

2.3.1 ? 交互作用對魚頭湯蛋白質(zhì)含量的影響

由圖4可知，當熬煮時間處在同一水平時，隨著熬煮溫度的增加，蛋白質(zhì)含量先增加后減少;當熬煮溫度處在同一水平時，隨著熬煮時間的增加，蛋白質(zhì)含量先增加后減少結(jié)，熬煮溫度和熬煮時間之間有交互作用較弱。

由圖5可知，熬煮時間和料液比的變化均可引起魚頭湯中蛋白質(zhì)含量的顯著變化，且等高線呈橢圓形比較緊密，說明熬煮時間和料液比對蛋白質(zhì)含量的交互影響顯著。?

由圖6可知，當熬煮溫度處在同一水平時，隨著料液比的增加，魚頭湯中蛋白質(zhì)含量先增加后減少：當料液比處在同一水平時，隨著熬煮溫度的增加，蛋白質(zhì)含量先增加后有所減少。說明熬煮溫度和料液比的交互作用對蛋白質(zhì)含量有影響，但是其等高線圖趨于圓形，二者結(jié)合說明了熬煮溫度和料液比的交互作用可以引起響應(yīng)值的變化，但變化不顯著。2.3.2 ? 交互作用對魚頭湯中總固形物含量的影響。

由圖7可知，當熬煮時間處在同一水平時，隨著熬煮溫度的增加，魚頭湯中總固形物含量先增加后減少;當熬煮溫度處在同一水平時，隨著熬煮時間的增加，總固形物含量先增加后減少，說明熬煮溫度和熬煮時間之間有交互作用，但對總固形物含量影響不顯著。

由圖8可知，熬煮時間和料液比對魚頭湯中總固形物含量影響顯著。其響應(yīng)面坡度陡峭，說明熬煮時間和料液比的變化可以引起固形物含量的顯著變化，等高線呈橢圓形且較為緊密，說明熬煮時間和料液比的交互作用較強。

由圖9可知，熬煮溫度和料液比的交互作用對固形物含量有顯著影響，與方差分析結(jié)果一致。

2.3.4 ? 響應(yīng)面法優(yōu)化魚頭湯熬煮工藝參數(shù)結(jié)果

采用Design Expert 8.0.6 軟件對試驗結(jié)果進行分析，得到優(yōu)化后的工藝參數(shù)為：熬煮時間3.51 h，熬煮溫度95.54 ℃，料液比為1：5.85，此條件下魚頭湯中蛋白質(zhì)含量為1.539 g/100 g、總固形物含量為29.97 g/L?？紤]到實際應(yīng)用的可行性，將工藝參數(shù)調(diào)整為熬煮時間3.5 h、熬煮溫度96 ℃、料液比1：5.85。

對工藝參數(shù)進行優(yōu)化并進行重復(fù)試驗后，得到的試驗結(jié)果見表5。試驗各項結(jié)果平均值為：蛋白質(zhì)含量為1.569 g/100 g、固形物含量為30.56 g/L，較優(yōu)化前蛋白質(zhì)含量1.447 g/100 g、固形物含量27.98 g/L均有顯著提升，且試驗數(shù)據(jù)接近模型預(yù)測的蛋白質(zhì)含量1.539 g/100 g、固形物含量29.97 g/L，表明該模型優(yōu)化有效能較好地預(yù)測實驗結(jié)果。

3 ? 結(jié) ?論

在單因素試驗基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面法對熬煮時間、熬煮溫度、料液比進行魚頭湯熬煮工藝優(yōu)化，最終確定優(yōu)化后參數(shù)為熬煮時間3.51 h，熬煮溫度95.54℃，料液比1：5.85?？紤]到實際應(yīng)用，工藝參數(shù)修改為熬煮時間3.5 h、熬煮溫度96 ℃、料液比為1：5.85。在此工藝條件下熬制的魚頭湯營養(yǎng)價值較高，其蛋白質(zhì)含量為（1.569±0.036） g/100 g、固形物含量為（30.56±0.66） g/L（對比優(yōu)化前蛋白質(zhì)含量1.447 g/100 g、固形物含量27.98 g/L均有顯著提升），其結(jié)果誤差較小，與預(yù)測值相近，說明該模型可以較好地預(yù)測實驗結(jié)果，并可應(yīng)用于實際生產(chǎn)當中。

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