響應(yīng)面法優(yōu)化金槍魚復(fù)合冰衣液配比

余文暉,王金鋒,謝晶,4*

1(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海，201306) 2(上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海，201306)3(上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海,201306)4(上海海洋大學(xué)，食品科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心，上海,201306)

金槍魚又名鮪魚、吞拿魚，是一種大洋暖水性洄游魚類，廣泛分布于太平洋、印度洋和大西洋低緯度水域[1]。其肉質(zhì)鮮美、口感豐富，富含高蛋白低脂肪，具有極高的營養(yǎng)價值，是一種重要的商品食用魚[2]。金槍魚從捕獲到市場約需要30 d，因此金槍魚捕獲之后的保鮮技術(shù)和手段十分重要[3]。鍍冰衣保鮮是一種用于凍品貯藏的抗氧化、防止干耗的技術(shù)，魚體凍結(jié)后，迅速浸入冰衣液，然后取出，由于魚體表面過冷，在表面會形成晶瑩透亮的冰衣層，以隔絕空氣[4]。

冰衣液種類有多種，張越揚等[5]研究了酸性電解水冰衣對金槍魚的品質(zhì)影響。結(jié)果表明，在-18 ℃的凍藏條件下，酸性電解水冰衣能夠顯著降低金槍魚中的細菌總數(shù)，減緩TVB-N值的上升。雷雨田等[6]將南美白對蝦分別鍍上水冰衣和茶多酚冰衣，在-18 ℃下凍藏24周，測定色差、蒸煮損失率和蛋白質(zhì)的氧化程度，結(jié)果表明，茶多酚冰衣組的南美白對蝦色澤和蛋白質(zhì)等指標都顯著優(yōu)于水冰衣組和對照組，但蒸煮損失率指標稍差于水冰衣組。然而，采用單一冰衣液能夠顯著提升保鮮效果，但效果有限。根據(jù)柵欄技術(shù)原理，復(fù)合冰衣液具有協(xié)同效用，能夠發(fā)揮不同添加劑的保鮮效果，提升保鮮品質(zhì)。

本文選用了迷迭香酸、乳酸鈉和竹葉抗氧化物3種保鮮劑進行復(fù)配，以持水力、色差和蛋白質(zhì)綜合評分作為評價指標。在單一鍍冰衣對金槍魚保鮮影響的研究基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面法，探究迷迭香酸、乳酸鈉和竹葉抗氧化物3種保鮮劑的最佳配比濃度，并測定相關(guān)指標對保鮮效果進行驗證，為金槍魚復(fù)合鍍冰衣保鮮的進一步研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料和儀器

實驗采用捕撈后超低溫速凍后的大目金槍魚魚塊，大連晨洋科技發(fā)展有限公司；迷迭香酸(迷迭香提取物主要成分)，生工生物工程(上海)股份有限公司；乳酸鈉(食品級)，阿拉丁試劑(上海)有限公司；竹葉抗氧化物(食品級)，浙江圣氏生物科技有限公司。

H-2050R 型臺式高速冷凍離心機，湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；Kjeltec 8400 FOSS 全自動凱氏定氮儀，福斯分析儀器(蘇州)有限公司；CR-400型色彩色差計，日本柯尼卡美能達公司；UV-1102型紫外可見分光度計，上海天美儀器有限公司。

1.2 實驗方法

配制相應(yīng)濃度的冰衣液，并加入質(zhì)量分數(shù)為1%的增稠劑(羧甲基纖維素鈉)防止冰衣開裂。將大小均勻、超低溫凍藏的金槍魚魚塊，置于配制好的4 ℃冰衣液中，完全浸泡10～15 s進行鍍冰衣處理。在-18 ℃下凍藏30 d后，采用靜止水解凍，測定持水力、色差和鹽溶性蛋白含量。

1.2.1 單因素實驗

分別配制迷迭香酸冰衣液(質(zhì)量分數(shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)、乳酸鈉溶液(質(zhì)量分數(shù)分別為1%、2%、3%、4%)、竹葉抗氧化物(質(zhì)量分數(shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)進行單一鍍冰衣實驗。

1.2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化復(fù)合冰衣液配比

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，以迷迭香酸冰衣液、乳酸鈉冰衣液、竹葉抗氧化物冰衣液質(zhì)量分數(shù)3個因素為自變量，以持水力、色差值和鹽溶性蛋白含量總評分作為響應(yīng)值，進行3因素3水平響應(yīng)面實驗，并對實驗結(jié)果進行驗證。

1.2.3 保鮮結(jié)果驗證及分析

參照實驗結(jié)果，采用最佳配比復(fù)合冰衣液對金槍魚進行鍍冰衣處理，貯存6個月后測定持水力、蒸煮損失、色差、鹽溶性蛋白含量、TVB-N指標，與對照組進行對比分析，驗證保鮮效果。

1.2.4 指標測定

1.2.4.1 持水力

參照SAITO等[7]的方法并稍作修改，魚肉解凍后，用濾紙擦干表面的水分，稱取2.00 g左右的肉塊記為m1，用2層紙包好置于離心管中，5 000 r/min，4 ℃離心10 min，精確稱量離心后的肉塊質(zhì)量記為m2，按公式(1)計算持水力。

(1)

1.2.4.2 色差

將解凍后的金槍魚魚肉切塊(規(guī)格1 cm×1 cm× 2 cm)，采用色差儀測定正反兩面色差值，每面測定2次，采用紅度值(a*)作為肉色變化的判定依據(jù)。每次實驗進行3次取平均值減小誤差。

1.2.4.3 鹽溶性蛋白質(zhì)溶解度

參考NIU等[8]的方法測定。

1.2.4.4 蒸煮損失率

參照LI等[9]的方法并稍作修改，取1 cm×1 cm×1 cm的魚肉，稱重記為m2，放置于拉鏈袋中，85 ℃下水浴10 min后稱重記為m3，蒸煮損失率按照公式(2)計算：

(2)

1.2.4.5 TVB-N值的測定

參考GB 5009.228—2016《食品中揮發(fā)性鹽基氮的測定》[10]中的分析方法進行測定。

1.2.5 評分

為了綜合評價金槍魚的新鮮程度，本文采用熵權(quán)法對持水力、色差和蛋白質(zhì)計算權(quán)重，計算總評分。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法，利用信息熵計算各指標的權(quán)重，能夠正確反映各指標的相互重要程度。熵值法求指標值包含歸一化處理，因此不需要對數(shù)據(jù)進行歸一化預(yù)處理[11]。信息熵按照公式(3)計算，其中m表示指標數(shù)，n表示數(shù)據(jù)組數(shù)，Y表示指標的值，Ej表示該指標的信息熵。

(3)

式中

(4)

根據(jù)公式(5)計算各指標的權(quán)重Wj。

(5)

熵表示系統(tǒng)的無序程度，信息熵代表了信息的不確定度。指標的信息熵越小，該指標提供的信息量越大，在綜合評價中所起作用越大，計算權(quán)重越高，反之計算權(quán)重就越低。熵權(quán)法計算指標權(quán)重按照公式(3)～(5)依次進行計算。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

通過Design-Expert 10.0.7軟件進行分析，繪制響應(yīng)曲面圖，得到復(fù)合冰衣液最佳濃度配比。其他圖形采用Origin Pro 2016繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

采用單一鍍冰衣的實驗方法，將金槍魚在-18 ℃貯藏30 d后，分別測定其持水力、色差和鹽溶性蛋白含量，并采用熵權(quán)法進行權(quán)重計算。金槍魚魚塊的持水力、色差和鹽溶性蛋白質(zhì)含量的權(quán)重值分別為0.14、0.43和0.43,總評分如圖1所示。

圖1 單一鍍冰衣實驗結(jié)果Fig.1 Experimental results of single ice coat

迷迭香酸是迷迭香的主要提取物之一，通過清除自由基和金屬離子而具有一定的還原能力，具有抗氧化的作用[12]。在迷迭香酸鍍冰衣組別中，采用0.2%迷迭香酸鍍冰衣后的金槍魚鹽溶性蛋白含量最高，色差值和持水力也較好，總評分最高。SHI等[13]采用質(zhì)量分數(shù)0.2%迷迭香提取物對蝦鍍冰衣凍藏保鮮，也具有最好的效果。乳酸鈉能夠抑制食物細菌生長，增強風味，延長貨架期，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)[14]。采用3%乳酸鈉鍍冰衣后的金槍魚總評分與質(zhì)量分數(shù)2%乳酸鈉差距不大，鹽溶性蛋白含量明顯高于質(zhì)量分數(shù)2%的乳酸鈉冰衣組。竹葉抗氧化物是一種天然抗氧化劑，富含黃酮、內(nèi)酯和酚酸類化合物，具有抗脂質(zhì)氧化、抑菌的作用。隨著竹葉抗氧化物濃度的提高，鍍冰衣處理后的金槍魚，蛋白含量逐漸下降并趨于平穩(wěn)，色差值差距不大，其中質(zhì)量分數(shù)0.1%竹葉抗氧化物冰衣液評分最高。

2.2 采用響應(yīng)面法優(yōu)化金槍魚復(fù)合鍍冰衣配比

2.2.1 復(fù)合鍍冰衣配比實驗方案和因素水平

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，利用Box-Behnken中心組合實驗設(shè)計原理，采用3因素3水平的響應(yīng)面分析法設(shè)計實驗，實驗因素水平設(shè)計如表1所示。

表1 Box-Behnken實驗設(shè)計因素和水平 單位：%

2.2.2 響應(yīng)面分析

具體響應(yīng)面實驗方案與結(jié)果如表2所示(由Design-Expert 10.0.7軟件生成)，實驗共17個實驗點，13～17為中心實驗點，中心實驗點的實驗誤差較小，均值是20.81，符合實驗要求。

對表2中的實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合后，得A迷迭香酸、B乳酸鈉和C竹葉抗氧化物濃度對總評分Y影響的二次多項回歸模型。

表2 Box-Behnken試驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 2 Box-Behnken experimental design scheme andresults

Y=20.82+0.25×A+0.72×B+0.42×C+

0.56×A×B+0.89×A×C-0.92×B×C-0.41A2-

1.10×B2-1.41×C2

(6)

2.3 模型顯著性檢驗

模型的方差分析結(jié)果如表3所示?？偰Ｐ头讲铒@著(P<0.05)，模型擬合相關(guān)度97.71%。方差失擬項F值不顯著(P=0.1094>0.05)。該二次回歸模型與實際實驗擬合較好，適合復(fù)合冰衣液對金槍魚新鮮度影響的預(yù)測。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Anovariance analysis of regression model

由表3中可以看出，迷迭香酸、乳酸鈉和竹葉抗氧化物質(zhì)量分數(shù)對總評分影響均顯著(P<0.05),且任意2種因素對響應(yīng)值存在顯著的交互作用(P<0.05)。各個因素對實驗結(jié)果的重要性由F值的檢驗判定，概率P值越小，顯著性越高[15]。由表3可知各個因素對金槍魚新鮮度的影響大小為：乳酸鈉>竹葉抗氧化物>迷迭香酸。

2.4 響應(yīng)曲面分析及最佳復(fù)合冰衣液配比

利用Design-Expert 10.0.7軟件繪制的模型的三維響應(yīng)值曲面可以直觀看出各因素對響應(yīng)值的影響。

a-迷迭香酸和乳酸鈉;b-迷迭香酸和竹葉抗氧化物;c-乳酸鈉和竹葉抗氧化物圖2 迷迭香酸、乳酸鈉和竹葉抗氧化物交互作用對總評分的影響Fig.2 Response surface for the mutual influences of rosmarinic acid， sodium lactate and antioxidants in bamboo leaves on total score

迷迭香酸具有清除羥自由基的能力，濃度越高，清除能力越強[16]。由圖2-a可以看出，隨著迷迭香酸濃度的增加，總體評分上升，當乳酸鈉處在編碼范圍值(-1,0)時，兩者存在顯著的增效作用，當乳酸鈉處在編碼范圍值(0,1)時，總評分下降，這是因為乳酸鈉是一種弱酸鹽，高濃度的乳酸鈉會導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性[17]。竹葉抗氧化物富含黃酮類、內(nèi)酯類和酚酸類化合物，能阻斷脂肪鏈自動氧化的鏈式反應(yīng)，清除多種活性氧自由基，但竹葉抗氧化物顏色呈現(xiàn)黃色或棕黃色，濃度過高對色差造成一定影響，因此當竹葉抗氧化物濃度過高時也會造成評分下降。三維響應(yīng)面圖在底面投影成等高線圖，可以反映出每2個因素對響應(yīng)值變量造成的影響和交互作用的強弱。等高線圖呈橢圓形表示交互作用強，呈圓形表示交互作用較弱[18-19]。由圖2等高線可以看出乳酸鈉與迷迭香酸和竹葉抗氧化物結(jié)合具有很強的協(xié)同作用。通過對回歸方程的求導(dǎo)和分析，復(fù)合冰衣液的最佳成分配比是迷迭香(0.3%)、乳酸鈉(3.4%)和竹葉抗氧化物(0.12%)，此時金槍魚復(fù)合鍍冰衣的效果最好，預(yù)測評分為21.19分。

2.5 復(fù)合冰衣液對金槍魚鍍冰衣保鮮效果驗證

2.5.1 保水性評定結(jié)果

金槍魚魚肉中的水分含量與金槍魚蛋白質(zhì)、色澤、質(zhì)構(gòu)等緊密相關(guān)，蒸煮損失和持水力的變化是衡量金槍魚新鮮度的重要指標[20-21]。表4顯示了金槍魚復(fù)合鍍冰衣和對照組貯藏6個月保水性的變化，可以看出復(fù)合鍍冰衣的金槍魚持水力下降遠遠慢于對照組。隨著貯藏時間延長，持水力下降趨勢變快，蒸煮損失的整體變化不大，這是由于凍藏過程中鹽溶性蛋白變性，破壞了蛋白質(zhì)周圍疏水與親水結(jié)合鍵，導(dǎo)致蛋白質(zhì)持水力的下降和魚肉保水性的喪失[22]。

表4 復(fù)合鍍冰衣對金槍魚保水性的影響 單位：%

2.5.2 鹽溶性蛋白含量的變化

鹽溶性蛋白作為金槍魚肌肉組織中主要成分，是評判肌肉品質(zhì)好壞的重要指標[23-24]，如圖3所示。在凍藏過程中，由于冰晶的機械作用，導(dǎo)致肌原纖維蛋白破壞，鹽溶性蛋白含量下降，鹽溶性蛋白含量的變化能夠反映出蛋白質(zhì)的變性程度[25]。在凍藏過程中，對照組由于直接與空氣接觸，鹽溶性蛋白變性嚴重。復(fù)合鍍冰衣具有抗氧化作用，相較于對照組蛋白質(zhì)下降速度較慢，6個月后下降為26.5 mg/g。

圖3 復(fù)合鍍冰衣對鹽溶性蛋白的影響Fig.3 Effect of compound ice coating on salt soluble protein

2.5.3 色差的變化

貯藏期間金槍魚復(fù)合鍍冰衣和對照組的色差變化如圖4所示。新鮮金槍魚呈鮮紅色，在貯藏期間由于氧化作用，肌紅蛋白會被氧化成高鐵肌紅蛋白，導(dǎo)致魚肉褐變，紅度值變化[26]。隨著鍍冰衣貯藏時間的延長，金槍魚肉色(a*值)呈下降趨勢，復(fù)合鍍冰衣處理后的金槍魚下降比對照組慢。6個月后，復(fù)合鍍冰衣組和對照組a*值分別下降至6.2和4。對照組的金槍魚由于高鐵肌紅蛋白中含有的Fe3+在魚肉中沉積，魚肉褐變明顯[27]。

圖4 復(fù)合鍍冰衣對色差的影響Fig.4 Effect of compound ice coating on color difference

2.5.4 揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)的變化

在魚肉貯藏過程中，由于魚體內(nèi)部細菌和內(nèi)源酶的作用，蛋白質(zhì)在分解過程中會生成含氮物質(zhì)，即TVB-N[28]。對金槍魚TVB-N值的測量，能夠反映出金槍魚的腐敗程度，新鮮魚的TVB-N值在12 mg/100 g左右[29]。當海水魚的TVB-N值>30.0 mg/100 g時，即可認為不新鮮[30]。由圖5可以看出，復(fù)合鍍冰衣處理后的金槍魚TVB-N值上升明顯較對照組緩慢，貯藏6個月后，對照組金槍魚TVB-N值增加到22.37 mg/100 g，復(fù)合鍍冰衣組TVB-N增加18.29 mg/100 g。這是由于復(fù)合鍍冰衣中富含的乳酸鈉對細菌具有抑制作用，減緩TVB-N增加。在貯藏初期，TVB-N的值上升較慢，是因為貯藏前期魚體內(nèi)源酶活性較低，微生物數(shù)量較少，隨著內(nèi)源酶活性增強和微生物數(shù)量逐漸增加，TVB-N值在貯藏后期迅速上升[19]。

圖5 復(fù)合鍍冰衣對TVB-N的影響Fig.5 Effect of compound ice coating on TVB-N

3 結(jié)論

本實驗在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取合適的濃度范圍，采用Box-Behnken響應(yīng)面分析法對金槍魚冰衣液進行復(fù)配，對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，總模型方差顯著(P<0.05)，與預(yù)測值均無顯著性差異。迷迭香酸和乳酸鈉具有明顯的交互作用。根據(jù)得到的最佳配比(迷迭香酸質(zhì)量分數(shù)0.2%，乳酸鈉質(zhì)量分數(shù)3.4%，竹葉抗氧化物質(zhì)量分數(shù)0.12%)，并對結(jié)果進行了驗證。實驗表明，采用最佳配比復(fù)合鍍冰衣后的金槍魚具有更好的持水力、鹽溶性蛋白和色差值，能夠顯著減少金槍魚肉色褐變，減緩TVB-N增加。迷迭香酸、乳酸鈉、竹葉抗氧化物之間具有很強的協(xié)同作用，采用最佳配比的復(fù)合鍍冰衣能夠保持金槍魚的新鮮度，延長金槍魚的貨架期。