響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助革胡子鯰魚(yú)魚(yú)頭湯熬煮工藝

李 璐，李 鵬，孫慧娟，馬凱華，馬儷珍，李 玲

（天津農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與生物工程學(xué)院，國(guó)家大宗淡水魚(yú)加工技術(shù)研發(fā)分中心，天津市水產(chǎn)品加工及質(zhì)量安全校企協(xié)同創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

革胡子鯰魚(yú)魚(yú)頭質(zhì)量占鯰魚(yú)魚(yú)體質(zhì)量的（20.0±2.6）%，魚(yú)頭中粗蛋白含量達(dá)到13%左右，蛋白含量較高，脂肪含量（14.40±1.73）%、水分含量（61.70±1.57）%、總糖含量（4.79±0.83）%。魚(yú)頭中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，近年來(lái)對(duì)魚(yú)頭的研究更加深入。楊彩莉等研究發(fā)現(xiàn)，3 種金槍魚(yú)魚(yú)頭中蛋白、脂肪含量較高，且含有豐富的有益礦物質(zhì)和多不飽和脂肪酸。王振強(qiáng)等通過(guò)對(duì)鯽魚(yú)魚(yú)頭中活性成分的提取，發(fā)現(xiàn)活性成分提取物中磷脂和脂肪酸含量較高，其中脂肪酸種類(lèi)較多，以多不飽和脂肪酸為主且含有二十碳五烯酸。林婉茹等對(duì)馬鮫魚(yú)魚(yú)頭酶解工藝進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)風(fēng)味蛋白酶酶解效果最佳，在最佳工藝條件下，魚(yú)頭的酶解度為（16.20±0.42）%。

超聲波設(shè)備具有易操作、效果好、范圍廣、方向性好等特點(diǎn)，其作為一種綠色的物理技術(shù)被應(yīng)用。在食品加工中低頻率、高強(qiáng)度超聲波應(yīng)用更為廣泛，可促進(jìn)食品冷凍、干燥、乳化，還可用于食品理化性質(zhì)（如溶解性、起泡性、凝膠性）的測(cè)定。而超聲波應(yīng)用于魚(yú)類(lèi)加工過(guò)程中，能更好保持魚(yú)類(lèi)品質(zhì)。倪澤平等研究微酸性電解水聯(lián)合超聲波處理對(duì)中華馬鮫品質(zhì)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在超聲波輔助處理后，有更好的殺菌保鮮效果。王正云等通過(guò)超聲輔助酶法提取青魚(yú)魚(yú)皮膠原蛋白，在最佳超聲條件下，膠原蛋白的提取率可達(dá)45.3%。李秀霞等通過(guò)超聲輔助冷凍和低溫速凍2 種凍結(jié)方式對(duì)凍藏魚(yú)肉肌原纖維蛋白的理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在超聲波輔助冷凍后，能夠有效提高魚(yú)肉熱穩(wěn)定性及更好維持海鱸魚(yú)結(jié)構(gòu)。胡代花超聲輔助提取大鯢肝臟油脂，得出在最佳條件下，大鯢肝臟油脂的提取率為90.86%。李根等采用超聲輔助技術(shù)處理鯢皮，在超聲輔助提取最佳工藝條件下，鯢皮膠原蛋白的提取率為（37.36±2.61）%（=3），接近模型的預(yù)測(cè)值（37.76%），明顯高于未用超聲處理鯢皮膠原蛋白的提取率（17.56±1.77）%。孔金花等用響應(yīng)面法對(duì)超聲波輔助腌制小龍蝦工藝進(jìn)行優(yōu)化，在最優(yōu)條件下感官評(píng)分達(dá)91.2 分，鈉含量為0.82%。王逸鑫等對(duì)青魚(yú)超聲波輔助腌制品品質(zhì)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在超聲波輔助下，鮮甜味氨基酸含量增加，對(duì)腌制品的風(fēng)味起積極作用。曹璇等對(duì)超聲波輔助提取金鯧魚(yú)骨油的工藝進(jìn)行優(yōu)化，在最優(yōu)條件下，金鯧魚(yú)骨油的提取率為80.51%。

多數(shù)研究證明超聲輔助處理對(duì)動(dòng)植物活性物質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)成分的提取有一定促進(jìn)作用，故本研究以革胡子鯰魚(yú)為原料，通過(guò)單因素及響應(yīng)面的方法，考察超聲溫度、超聲時(shí)間及超聲功率對(duì)革胡子鯰魚(yú)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響，旨在為促進(jìn)湯中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的溶出提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮八須革胡子鯰魚(yú)購(gòu)于天津紅旗農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

食鹽 中鹽上海市有限公司；大豆油 益海嘉里金龍魚(yú)糧油食品股份有限公司；硫酸銅 天津北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠；氫氧化鈉 天津光復(fù)發(fā)展有限公司；碳酸鈉天津江天化工技術(shù)有限公司；酒石酸 天津大茂化學(xué)試劑廠；福林-酚 北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

304不銹鋼湯鍋 上海雙立人有限公司；BJRJ-82絞肉機(jī) 浙江嘉興艾博實(shí)業(yè)有限公司；C21-WK2102電磁爐 廣東美的生活電器制造有限公司；移液槍德國(guó)Eppendorf公司；SDX-1全自動(dòng)風(fēng)冷速凍箱 天津特斯達(dá)食品機(jī)械科技有限公司；T6新世紀(jì)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限公司；KQ-700DE數(shù)控超聲波清洗機(jī) 昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 魚(yú)頭湯制作工藝流程

新鮮魚(yú)頭骨肉泥（200 g）→油煎20 s（加熱功率1 200 W）→加水（料液比1∶6（/））→超聲波處理（按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)調(diào)整超聲波條件）→加熱（加熱功率1 200 W）→煮沸并加鹽0.5%（鹽的質(zhì)量為魚(yú)頭和水質(zhì)量的0.5%，開(kāi)始計(jì)時(shí)）→保沸（加熱功率500 W）→過(guò)濾→取樣（無(wú)明顯固形物）。

1.3.1.1 魚(yú)頭前處理

新鮮革胡子鯰魚(yú)（魚(yú)體質(zhì)量（1.69±0.13） kg、魚(yú)頭質(zhì)量（0.35±0.04） kg、魚(yú)頭長(zhǎng)（14.78±1.16） cm、魚(yú)頭寬（9.69±0.53） cm），在20～40 min內(nèi)送到實(shí)驗(yàn)室，敲擊致暈，宰殺放入冰水中，剁下魚(yú)頭，去除魚(yú)鰓，用冰水洗凈魚(yú)頭，然后瀝干速凍，剁成小塊，粉碎、攪拌，混勻?yàn)轸~(yú)頭碎泥裝入袋中，冷藏備用。

1.3.1.2 魚(yú)頭湯制作工藝

鍋燒熱加入20 g大豆油，然后放入魚(yú)頭碎泥200 g，煎20 s，加入1 200 g水后，將鍋中所有魚(yú)肉和水倒入2 000 mL食品用燒杯中，用保鮮膜封口，放涼后進(jìn)行超聲波處理（各因素的基本條件為：超聲時(shí)間20 min、超聲溫度25 ℃、超聲功率490 W，單因素試驗(yàn)中每次只改變一個(gè)因素條件，其他條件不變）。結(jié)束后全部倒入鍋中（燒杯中不留殘余）。將加熱功率調(diào)為1 200 W，待魚(yú)湯煮沸后加鹽0.5%，將加熱功率調(diào)為500 W保沸并開(kāi)始計(jì)時(shí)64 min，計(jì)時(shí)結(jié)束后，過(guò)濾（無(wú)明顯固體物）即為魚(yú)湯。

1.3.2 魚(yú)頭湯超聲波輔助熬煮單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.2.1 超聲溫度對(duì)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響

將18 個(gè)裝有魚(yú)湯的燒杯（每組3 個(gè)平行）分別在超聲溫度20、25、30、35、40、45 ℃條件下超聲。結(jié)束后全部倒入鍋中（燒杯中不留殘余）。加熱功率保持在1 200 W，待水煮沸，加入7.5 g鹽，立即將加熱功率調(diào)為500 W，保沸并計(jì)時(shí)64 min，每32 min稱(chēng)質(zhì)量1 次，補(bǔ)充足夠的水，使熬煮前后總質(zhì)量（水＋鍋）保持一致。過(guò)濾后測(cè)定魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量。

1.3.2.2 超聲時(shí)間對(duì)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響

將18 個(gè)裝有魚(yú)湯的燒杯（每組3 個(gè)平行）分別在超聲時(shí)間15、20、25、30、35、40 min條件下超聲。其他操作同1.3.2.1節(jié)，測(cè)定魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量。

1.3.2.3 超聲功率對(duì)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響

將18 個(gè)裝有魚(yú)湯的燒杯（每組3 個(gè)平行）分別在超聲功率280、350、420、490、560、630 W條件下超聲。其他操作同1.3.2.1節(jié)，測(cè)定魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量。

1.3.3 魚(yú)頭湯超聲波輔助熬煮響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)1.3.1節(jié)單因素試驗(yàn)結(jié)果，篩選合適條件進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)，以超聲溫度（）、超聲時(shí)間（）、超聲功率（）為自變量，考察此3因素及其交互作用對(duì)蛋白質(zhì)溶出的影響，設(shè)計(jì)3因素3水平響應(yīng)面試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以?xún)?yōu)化超聲輔助魚(yú)頭湯熬煮工藝，試驗(yàn)水平及因素設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及水平Table 1 Factors and levels used for response surface design

1.3.4 水溶性蛋白含量測(cè)定

參考翟爭(zhēng)妍、錢(qián)雪麗等的方法，略有改進(jìn)。取5 mL魚(yú)頭湯定容至100 mL，取1 mL于試管中，加入5 mL福林-酚甲液振蕩搖勻，室溫下靜置10 min后立即加入0.5 mL福林-酚乙液，振蕩混勻，30 ℃水浴預(yù)熱30 min，取出搖勻后測(cè)定750 nm波長(zhǎng)處的吸光度。以牛血清蛋白標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度（25、50、100、150、200、250 μg/mL）為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算水溶性蛋白含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，且利用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性分析（＜0.05），運(yùn)用Office Excel 2019軟件作圖，利用Design-Expert 11軟件對(duì)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 魚(yú)頭湯超聲條件優(yōu)化單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 超聲溫度對(duì)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響

超聲溫度的升高有助于提高溶出的蛋白質(zhì)等物質(zhì)與水的相容性。由圖1可知，隨著超聲溫度升高，湯中水溶性蛋白的含量呈先增加后降低的趨勢(shì)。在35 ℃時(shí)，湯中水溶性蛋白含量達(dá)到最大值。當(dāng)超聲溫度大于35 ℃時(shí)，湯中水溶性蛋白含量顯著下降，超聲溫度升高到40～45 ℃時(shí)，湯中水溶性蛋白含量無(wú)顯著變化。所以超聲溫度35 ℃為最佳條件。

圖1 超聲溫度對(duì)革胡子鯰魚(yú)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響Fig. 1 Effect of ultrasonic temperature on the content of water-soluble protein in Clarias gariepinus head broth

2.1.2 超聲時(shí)間對(duì)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響

超聲波處理是通過(guò)振蕩產(chǎn)生的破碎等多重效應(yīng)，增加溶劑的穿透力，加速魚(yú)頭中的蛋白、脂肪等物質(zhì)進(jìn)入到湯中。由圖2可知，在整個(gè)超聲處理過(guò)程中，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。超聲時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，蛋白質(zhì)等物質(zhì)在溶劑中的擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，湯中蛋白含量趨于飽和，30 min時(shí)湯中水溶性蛋白含量達(dá)到最大值。當(dāng)超聲時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，大于30 min時(shí)，湯中水溶性蛋白含量降低，由于湯中產(chǎn)生空化效應(yīng)，導(dǎo)致液體溫度升高，蛋白質(zhì)遇高溫易變性。所以超聲時(shí)間30 min為最佳條件。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)革胡子鯰魚(yú)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響Fig. 2 Effect of ultrasonic time on the content of water-soluble protein in Clarias gariepinus head broth

2.1.3 超聲功率對(duì)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響

超聲功率的增加會(huì)加速體系內(nèi)空化作用，細(xì)胞不再繼續(xù)破碎，魚(yú)頭中物質(zhì)的溶出率降低。由圖3可知，隨著超聲功率的增加，湯中水溶性蛋白含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。超聲功率為490 W時(shí)湯中水溶性蛋白含量最高，超聲波的破碎作用發(fā)揮到最大，細(xì)胞破碎效果較好。當(dāng)超聲強(qiáng)度繼續(xù)增加，會(huì)達(dá)到飽和，進(jìn)而形成音障，超聲作用開(kāi)始減小。超聲功率超過(guò)490 W時(shí)，水溶性蛋白含量顯著下降，所以超聲功率490 W為最佳條件。

圖3 超聲功率對(duì)革胡子鯰魚(yú)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響Fig. 3 Effect of ultrasonic power on the content of water-soluble protein in Clarias gariepinus head broth

2.2 魚(yú)頭湯超聲條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

魚(yú)頭湯超聲條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示，通過(guò)Design-Expert 11軟件對(duì)超聲溫度（）、超聲時(shí)間（）、超聲功率（）及響應(yīng)值水溶性蛋白含量（）建立3因素3水平的二次回歸模型，方程為：=0.939 5－0.033 9＋0.027 1－0.003 0－0.007 4＋0.046 9－0.017 6－0.040 7－0.131 5－0.061 8。

表2 革胡子鯰魚(yú)魚(yú)頭湯超聲條件響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results for response surface analysis of ultrasonic-assisted cooking conditions of Clarias gariepinus head broth

由表3可知，關(guān)于超聲溫度（）、超聲時(shí)間（）、超聲功率（）與水溶性蛋白含量（）建立的模型，值為0.023 4（顯著），值為4.948 2，此二項(xiàng)回歸方程擬合的模型顯著，失擬項(xiàng)不顯著，表明在回歸區(qū)域內(nèi)擬合較好。一次項(xiàng)（超聲溫度）、（超聲功率）、二次項(xiàng)（、）影響顯著。、、3 個(gè)因素對(duì)此模型均有一定的影響，順序?yàn)椋荆?，同時(shí)得出交互項(xiàng)、、影響均不顯著。

表3 革胡子鯰魚(yú)魚(yú)頭湯超聲條件響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果方差分析表Table 3 Analysis of variance of quadratic polynomial model of ultrasonic-assisted cooking conditions of Clarias gariepinus head broth

2.2.2 響應(yīng)曲面分析

當(dāng)回歸方程的自變量發(fā)生改變，響應(yīng)值靈敏度隨之改變，形成響應(yīng)坡面。響應(yīng)面曲線的陡峭程度、等高線圖的密集程度，都將對(duì)響應(yīng)值的大小產(chǎn)生影響。根據(jù)擬合的模型及各個(gè)因素對(duì)湯中水溶性蛋白含量的影響，繪制兩因素交互作用響應(yīng)面圖和等高線圖。

由圖4～6可知，圖5的等高線圖更緊密、響應(yīng)面曲線更陡峭，表明超聲溫度與超聲功率的交互影響對(duì)湯中水溶性蛋白含量的影響較大；超聲時(shí)間與超聲功率交互作用對(duì)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響次之；超聲時(shí)間與超聲溫度交互作用的等高線圖接近圓形，對(duì)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響較小。

圖4 超聲溫度與超聲時(shí)間交互作用對(duì)革胡子鯰魚(yú)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響Fig. 4 Individual and interactive effects of ultrasonic temperature and ultrasonic time on the content of water-soluble protein in Clarias gariepinus head broth

圖5 超聲溫度與超聲功率交互作用對(duì)革胡子鯰魚(yú)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響Fig. 5 Individual and interactive effects of ultrasonic temperature and ultrasonic power on the content of water-soluble protein in Clarias gariepinus head broth

圖6 超聲時(shí)間與超聲功率交互作用對(duì)革胡子鯰魚(yú)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量的影響Fig. 6 Individual and interactive effects of time and ultrasonic power on the content of water-soluble protein in Clarias gariepinus head broth

2.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

由于不能直接從圖上找到最佳工藝參數(shù)，通過(guò)Design-Expert 11軟件進(jìn)行分析并對(duì)回歸方程進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)超聲輔助的最佳工藝。由表4可知，模型預(yù)測(cè)值為超聲溫度34.13 ℃、超聲時(shí)間30.61 min、超聲功率536.60 W，為驗(yàn)證響應(yīng)面所得結(jié)果的可靠性，考慮到實(shí)際操作的便利、成本等因素，將工藝修正為超聲溫度35 ℃、超聲時(shí)間31 min、超聲功率490 W。驗(yàn)證值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差較小，表明驗(yàn)證值與預(yù)測(cè)值基本接近。

表4 模型預(yù)測(cè)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of model prediction and experimental validation

3 結(jié) 論

通過(guò)單因素及響應(yīng)面試驗(yàn)，對(duì)超聲溫度、超聲時(shí)間、超聲功率進(jìn)行優(yōu)化，得到在超聲溫度35 ℃、超聲時(shí)間31 min、超聲功率490 W時(shí)，革胡子鯰魚(yú)魚(yú)頭湯中水溶性蛋白含量為（0.78±0.01） g/100 mL，與模型預(yù)測(cè)值相比，相對(duì)誤差為1.9%，誤差較小，表明真實(shí)值與模型預(yù)測(cè)值接近，優(yōu)化結(jié)果在此模型下有較高的可靠性。