響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助革胡子鯰魚魚頭湯熬煮工藝

李璐 李鵬 孫慧娟 馬凱華 馬儷珍 李玲

摘 要：以革胡子鯰魚魚頭為原料，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)對超聲波輔助革胡子鯰魚魚頭湯熬煮工藝進(jìn)行優(yōu)化，以水溶性蛋白含量為篩選條件，研究超聲溫度、超聲功率、超聲時(shí)間對湯中水溶性蛋白含量的影響，確定最佳超聲處理工藝條件。結(jié)果表明，響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助熬煮的最佳工藝條件為超聲溫度35 ℃、超聲時(shí)間31 min、超聲功率490 W，該條件下，魚頭湯中水溶性蛋白含量為（0.78±0.01） g/100 mL。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測值接近，該模型可用于實(shí)際生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：響應(yīng)面;超聲波;革胡子鯰魚;魚頭湯;水溶性蛋白

Optimization of Ultrasonic-Assisted Cooking Conditions for Clarias gariepinus Head Broth Using

Response Surface Methodology

LI Lu， LI Peng， SUN Huijuan， MA Kaihua， MA Lizhen， LI Ling*

（Tianjin Aquatic Product Processing and Quality Safety School Enterprise Synergy Innovation Key Laboratory，

National R&D Branch Center for Conventional Fresh Water Fish Processing， College of Food Science and Biotechnology，

Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China）

Abstract： In this study， Clarias gariepinus heads were used as the raw material to prepare fish head broth. The ultrasonic pretreatment process was optimized by the combined use of one-factor-at-a-time method and response surface methodology. The temperature during ultrasonic treatment， ultrasonic power and time were considered as the independent variables， and water-soluble protein content was the only dependent variable. The results showed that the optimal process conditions were found to be ultrasonication at 35 ℃ and 490 W for 31 min. Under the optimized conditions， the experimental content of water-soluble protein in fish head soup， （0.78 ± 0.01） g/100 mL， was close to the model predicted value， confirming the practical applicability of the proposed model.

Keywords： response surface methodology; ultrasound; Clarias gariepinus; fish head broth; water-soluble protein

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210930-216

中圖分類號：TS254.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-8123（2022）02-0027-06

引文格式：

李璐， 李鵬， 孫慧娟， 等. 響應(yīng)面優(yōu)化超聲波輔助革胡子鯰魚魚頭湯熬煮工藝[J]. 肉類研究， 2022， 36（2）： 27-32. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210930-216.? ? http：//www.rlyj.net.cn

LI Lu， LI Peng， SUN Huijuan， et al. Optimization of ultrasonic-assisted cooking conditions for Clarias gariepinus head broth using response surface methodology[J]. Meat Research， 2022， 36（2）： 27-32. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210930-216.? ??http：//www.rlyj.net.cn

革胡子鯰魚魚頭質(zhì)量占鯰魚魚體質(zhì)量的（20.0±2.6）%，魚頭中粗蛋白含量達(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）%。魚頭中營養(yǎng)物質(zhì)豐富，近年來對魚頭的研究更加深入。楊彩莉等[1]研究發(fā)現(xiàn)，3 種金槍魚魚頭中蛋白、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[2]通過對鯽魚魚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[3]對馬鮫魚魚頭酶解工藝進(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)[4-5]，其作為一種綠色的物理技術(shù)被應(yīng)用[6]。在食品加工中低頻率、高強(qiáng)度超聲波應(yīng)用更為廣泛[7]，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）的測定[8-11]。而超聲波應(yīng)用于魚類加工過程中，能更好保持魚類品質(zhì)[12]。倪澤平等[13]研究微酸性電解水聯(lián)合超聲波處理對中華馬鮫品質(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[14]通過超聲輔助酶法提取青魚魚皮膠原蛋白，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[15]通過超聲輔助冷凍和低溫速凍2 種凍結(jié)方式對凍藏魚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，能夠有效提高魚肉熱穩(wěn)定性及更好維持海鱸魚結(jié)構(gòu)。胡代花[16]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[17]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）%（n=3），接近模型的預(yù)測值（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）%?？捉鸹ǖ萚18]用響應(yīng)面法對超聲波輔助腌制小龍蝦工藝進(jìn)行優(yōu)化，在最優(yōu)條件下感官評分達(dá)91.2 分，鈉含量為0.82%。王逸鑫等[19]對青魚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，對腌制品的風(fēng)味起積極作用。曹璇等[20]對超聲波輔助提取金鯧魚骨油的工藝進(jìn)行優(yōu)化，在最優(yōu)條件下，金鯧魚骨油的提取率為80.51%。

多數(shù)研究證明超聲輔助處理對動(dòng)植物活性物質(zhì)及營養(yǎng)成分的提取有一定促進(jìn)作用，故本研究以革胡子鯰魚為原料，通過單因素及響應(yīng)面的方法，考察超聲溫度、超聲時(shí)間及超聲功率對革胡子鯰魚魚頭湯中水溶性蛋白含量的影響，旨在為促進(jìn)湯中營養(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購于天津紅旗農(nóng)貿(mào)市場。食鹽 中鹽上海市有限公司;大豆油 益海嘉里金龍魚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 魚頭湯制作工藝流程

新鮮魚頭骨肉泥（200 g）→油煎20 s（加熱功率1 200 W[21]）→加水（料液比1∶6（m/V））→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[21]）→煮沸并加鹽0.5%[22]（鹽的質(zhì)量為魚頭和水質(zhì)量的0.5%，開始計(jì)時(shí)）→保沸（加熱功率500 W）→過濾→取樣（無明顯固形物）。

1.3.1.1 魚頭前處理

新鮮革胡子鯰魚（魚體質(zhì)量（1.69±0.13） kg、魚頭質(zhì)量（0.35±0.04） kg、魚頭長（14.78±1.16） cm、魚頭寬（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，剁下魚頭，去除魚鰓，用冰水洗凈魚頭，然后瀝干速凍，剁成小塊，粉碎、攪拌，混勻?yàn)轸~頭碎泥裝入袋中，冷藏備用。

1.3.1.2 魚頭湯制作工藝

鍋燒熱加入20 g大豆油，然后放入魚頭碎泥200 g，煎20 s，加入1 200 g水后，將鍋中所有魚肉和水倒入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，待魚湯煮沸后加鹽0.5%，將加熱功率調(diào)為500 W保沸并開始計(jì)時(shí)64 min，計(jì)時(shí)結(jié)束后，過濾（無明顯固體物）即為魚湯。

1.3.2 魚頭湯超聲波輔助熬煮單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.2.1 超聲溫度對魚頭湯中水溶性蛋白含量的影響

將18 個(gè)裝有魚湯的燒杯（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。過濾后測定魚頭湯中水溶性蛋白含量。

1.3.2.2 超聲時(shí)間對魚頭湯中水溶性蛋白含量的影響

將18 個(gè)裝有魚湯的燒杯（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)，測定魚頭湯中水溶性蛋白含量。

1.3.2.3 超聲功率對魚頭湯中水溶性蛋白含量的影響

將18 個(gè)裝有魚湯的燒杯（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)，測定魚頭湯中水溶性蛋白含量。

1.3.3 魚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（A）、超聲時(shí)間（B）、超聲功率（C）為自變量，考察此3因素及其交互作用對蛋白質(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停詢?yōu)化超聲輔助魚頭湯熬煮工藝，試驗(yàn)水平及因素設(shè)計(jì)見表1。

1.3.4 水溶性蛋白含量測定

參考翟爭妍[22]、錢雪麗[23]等的方法，略有改進(jìn)。取5 mL魚頭湯定容至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，取出搖勻后測定750 nm波長處的吸光度。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軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，且利用Duncans新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性分析（P<0.05），運(yùn)用Office Excel 2019軟件作圖，利用Design-Expert 11軟件對響應(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 超聲溫度對魚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[24]。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。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顯著變化。所以超聲溫度35 ℃為最佳條件。

超聲波處理是通過振蕩產(chǎn)生的破碎等多重效應(yīng)，增加溶劑的穿透力[25]，加速魚頭中的蛋白、脂肪等物質(zhì)進(jìn)入到湯中。由圖2可知，在整個(gè)超聲處理過程中，隨著超聲時(shí)間的延長，魚頭湯中水溶性蛋白含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。超聲時(shí)間繼續(xù)延長，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，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[26]。所以超聲時(shí)間30 min為最佳條件。

2.1.3 超聲功率對魚頭湯中水溶性蛋白含量的影響

超聲功率的增加會加速體系內(nèi)空化作用，細(xì)胞不再繼續(xù)破碎，魚頭中物質(zhì)的溶出率降低[27]。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。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[28]。當(dāng)超聲強(qiáng)度繼續(xù)增加，會達(dá)到飽和，進(jìn)而形成音障，超聲作用開始減小[27]。超聲功率超過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。

2.2 魚頭湯超聲條件優(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Design-Expert 11軟件對超聲溫度（A）、超聲時(shí)間（B）、超聲功率（C）及響應(yīng)值水溶性蛋白含量（R）建立3因素3水平的二次回歸模型，方程為：R=0.939 5-0.033 9A+0.027 1B-0.003 0C-0.007 4AB+0.046 9AC-0.017 6BC-0.040 7A2-0.131 5B2-0.061 8C2。

由表3可知，關(guān)于超聲溫度（A）、超聲時(shí)間（B）、超聲功率（C）與水溶性蛋白含量（R）建立的模型，P值為0.023 4（顯著），F(xiàn)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)A（超聲溫度）、C（超聲功率）、二次項(xiàng)（A2、B2）影響顯著。A、B、C 3 個(gè)因素對此模型均有一定的影響，順序?yàn)锳>C>B，同時(shí)得出交互項(xiàng)AB、BC、AC影響均不顯著。

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，都將對響應(yīng)值的大小產(chǎn)生影響[29-30]。根據(jù)擬合的模型及各個(gè)因素對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魚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，對魚頭湯中水溶性蛋白含量的影響較小。

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Design-Expert 11軟件進(jìn)行分析并對回歸方程進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測超聲輔助的最佳工藝。由表4可知，模型預(yù)測值為超聲溫度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)測值的相對誤差較小，表明驗(yàn)證值與預(yù)測值基本接近。

3 結(jié) 論

通過單因素及響應(yīng)面試驗(yàn)，對超聲溫度、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)，革胡子鯰魚魚頭湯中水溶性蛋白含量為（0.78±0.01） g/100 mL，與模型預(yù)測值相比，相對誤差為1.9%，誤差較小，表明真實(shí)值與模型預(yù)測值接近，優(yōu)化結(jié)果在此模型下有較高的可靠性。

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收稿日期：2021-09-30

基金項(xiàng)目：天津市淡水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（ITTFRS2021000-012）

第一作者簡介：李璐（1995—）（ORCID： 0000-0002-8312-9322），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗a(chǎn)品加工品質(zhì)與安全。

E-mail： 617207362@qq.com

*通信作者簡介：李玲（1982—）（ORCID： 0000-0003-2505-2045），女，副教授，博士，研究方向?yàn)楣卟珊笊砼c分子

生物學(xué)、食品質(zhì)量與安全。E-mail： liling19820925@163.com