基于響應(yīng)面和模糊數(shù)學(xué)法優(yōu)化人造肉腸工藝

吳國滟, 謝 雯, 歐雨嘉, 曾紹校,3, 鄭寶東,3

(1.閩臺特色海洋食品加工及營養(yǎng)健康教育部工程研究中心，福建 福州 350002; 2.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002；3.福建省特種淀粉品質(zhì)科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002)

人造肉腸以高蛋白、低脂肪深受人們喜愛[1].人造肉腸的開發(fā)利用解決了肉類產(chǎn)品造成的動物疫病、環(huán)境惡化和資源浪費(fèi)等問題，并且創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會效益[2].目前人造肉主要分為植物基人造肉和細(xì)胞培養(yǎng)肉，其中細(xì)胞培養(yǎng)肉這種體外培養(yǎng)技術(shù)仍不夠成熟，存在成本高昂、生產(chǎn)困難等問題[3].然而，傳統(tǒng)素食的研究主要集中于豆制品的加工生產(chǎn)，存在豆腥味重、咀嚼性差以及口感與真肉差距較大等問題[4].為了解決這一問題，亟需開發(fā)高品質(zhì)植物基人造肉食品，對推動我國素食產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義.

植物基人造肉腸是以植物組織蛋白為原料，經(jīng)擠壓、膨化、復(fù)水、拆絲、斬拌、成型等工藝制成具有肉類纖維結(jié)構(gòu)和口感的肉類替代品.高雪琴[5]對大豆分離蛋白和卡拉膠復(fù)配對豬肉品質(zhì)的影響進(jìn)行了研究，得到的產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)完整、緊湊.谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(glutamine transaminase，TG酶)能夠催化蛋白質(zhì)分子中的?；D(zhuǎn)移反應(yīng)，改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，促使蛋白形成凝膠，成為人造肉中不可缺少的添加劑[6-7].劉香海等[8]研究表明，TG酶在0～60 ℃均可發(fā)生反應(yīng)，但在30～50 ℃具有較高的酶活性.此外，研究[9-10]表明，大豆分離蛋白、卡拉膠、食鹽以及TG酶添加量是影響肉制品品質(zhì)的4個(gè)主要因素.不同用量的大豆分離蛋白、卡拉膠、食鹽以及TG酶可使植物基人造肉腸發(fā)生不同程度的凝膠轉(zhuǎn)化、蛋白質(zhì)變性和降解等，從而有效改善植物基人造肉腸的質(zhì)地、咀嚼度以及口感[11].

本研究以大豆組織蛋白為主要原料，以大豆分離蛋白、食鹽、卡拉膠以及TG酶為輔料，將原輔料進(jìn)行混合攪拌、擠壓、灌腸、蒸煮等，制備出具有類似肉類纖維結(jié)構(gòu)和口感的人造肉腸；采用響應(yīng)面法以及模糊數(shù)學(xué)法優(yōu)化植物基人造肉腸工藝配方，以期為植物基人造肉腸的工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

大豆拉絲蛋白由河南維潤生物科技有限公司提供；大豆分離蛋白由臨邑禹王植物蛋白有限公司提供；食品級卡拉膠由福建綠新食品有限公司提供；TG酶由福州康味來進(jìn)出口貿(mào)易有限公司提供；食鹽、白砂糖、食用油、馬鈴薯淀粉等均購于福州市永輝超市；豬肉香精由福建正味生物科技有限公司提供.

1.2 儀器設(shè)備

BSM-120.4型電子天平為上海友縝電子科技有限公司產(chǎn)品；FP3010斬拌機(jī)為上海邑隆貿(mào)易有限公司產(chǎn)品；HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋為常州丹瑞實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；TA-XT2i質(zhì)構(gòu)儀為英國Stable Micro Systems(SMS)公司產(chǎn)品.

1.3 方法

基礎(chǔ)配方參考文獻(xiàn)[1，12]并做了改進(jìn)，由大豆組織蛋白(40%)、水(25%)、食用油(5%)、白砂糖(4%)、馬鈴薯淀粉(5%)、黑胡椒(0.8%)、豬肉香精(0.1%)、大豆分離蛋白(1%～9%)、食鹽(0.5%～2.5%)、卡拉膠(0.4%～1.2%)、TG酶(0.1%～0.5%)、磷酸鹽0.1%組成.

干燥的大豆組織蛋白需復(fù)水除去豆腥味，將原料放入溫水中，復(fù)水20～30 min，至內(nèi)部無硬心后取出，脫水后拆絲備用.

將大豆分離蛋白混合后放入斬拌機(jī)中速攪拌2 min，隨后加入鹽等調(diào)味料攪拌2 min，加入卡拉膠、馬鈴薯淀粉等攪拌5 min，最后加入組織蛋白和TG酶攪拌1 min.

將混合后的人造肉糜通過灌腸機(jī)灌入腸衣內(nèi)定型，50 ℃水浴凝膠反應(yīng)20 min.將凝膠定型后的人造肉腸在100 ℃下加熱蒸煮20 min成型.

1.3.2 咀嚼度的測定 咀嚼度用膠黏性和彈性的乘積表示[13]，通過質(zhì)構(gòu)儀測定.將人造肉成品剪切成直徑2 cm、高20 mm的圓柱體，采用TPA模式，選用P/36R探頭，測試前、中、后速率分別為2.0、1.0、2.0 mm·s-1，形變?yōu)?5%[14]，每個(gè)樣品重復(fù)3～5次，取平均值.

1.3.3 單因素試驗(yàn) 選取的大豆分離蛋白添加量分別為1.0%、3.0%、5.0%、7.0%、9.0%，食鹽添加量分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，卡拉膠添加量分別為0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%，TG酶添加量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，以人造肉腸感官評分和咀嚼度為指標(biāo)，確定4個(gè)因素的最佳水平.

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn) 選取對人造肉腸感官評分和咀嚼度影響較大的大豆分離蛋白(A)、卡拉膠(B)、TG酶(C)作為因素進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，其因素水平見表1.

表1 響應(yīng)面因素水平設(shè)計(jì)

1.3.5 人造肉腸的模糊數(shù)學(xué)感官評定 利用模糊數(shù)學(xué)評價(jià)法進(jìn)行感官評分[15].參考徐進(jìn)等[16]的感官評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由10位食品相關(guān)從業(yè)人員分別對人造肉腸從色澤、口感、風(fēng)味和組織狀態(tài)4個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)，按優(yōu)、良、中、差4個(gè)等級評分，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2.

表2 人造肉腸感官評價(jià)等級表

建立模糊評價(jià)集合：參考文獻(xiàn)[17]，以人造肉腸的色澤、口感、風(fēng)味、組織狀態(tài)作為因素，X表示評價(jià)對象集，X=(X1,X2,X3……Xi)，Xi表示各組待測樣品；U表示因素集，U=(U1(色澤),U2(口感),U3(風(fēng)味),U4(組織狀態(tài)))；用V表示評語集，V=(V1(優(yōu)),V2(良),V3(中),V4(差))；用S表示權(quán)重集，S=(0.2(色澤),0.3(口感),0.2(風(fēng)味),0.3(組織狀態(tài)))，S1+S2+S3+S4=1；用Rj表示第j號樣品感官評價(jià)為好、良、中、差的贊成比率.贊成比率=贊成票數(shù)/總?cè)藬?shù).

通過模糊矩陣乘法運(yùn)算得到綜合感官評價(jià)結(jié)果(Yj)，Yj的計(jì)算公式表示如下：

(1)

式中，Rj為第j號樣品感官評價(jià)為好、良、中、差的贊成比率；S為權(quán)重.

將評價(jià)等級優(yōu)、良、中、差分別賦值90、80、70、60，將評價(jià)結(jié)果Zj={y1,y2,y3,y4}分別與賦值的分?jǐn)?shù)相乘，并對上述結(jié)果進(jìn)行加權(quán)求和后得到Zj，表示如下：

(2)

式中，Yj為綜合感官評價(jià)結(jié)果；Zj為第j號樣品加權(quán)的感官綜合總分?jǐn)?shù).

1.3.6 人造肉腸基本成分的測定 根據(jù)文獻(xiàn)[18-21]分別測定人造肉腸的蛋白質(zhì)含量、粗脂肪含量、水分含量和灰分含量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

對以上試驗(yàn)質(zhì)構(gòu)特性平均測定5次，數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示.采用IBM SPSS 26.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和方差分析，用Excel 2016作圖，采用Design Expert 8.0.6軟件繪制Box-behnken響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù).

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 大豆分離蛋白添加量對人造肉腸感官評分和咀嚼度的影響 10名食品感官評定人員的投票情況如表3所示.以評價(jià)對象X1為例，根據(jù)感官評價(jià)結(jié)果建立評價(jià)對象的模糊數(shù)學(xué)矩陣，得到R1：

表3 不同大豆分離蛋白添加量感官評價(jià)結(jié)果

(3)

Yj的計(jì)算為矩陣乘法運(yùn)算，即S中每一行數(shù)字對應(yīng)乘以Rj中每一列數(shù)字，并把結(jié)果相加.以Y1為例可得到如下感官質(zhì)量評價(jià)結(jié)果：

(4)

式中，y1=0.2×0.5+0.3×0.4+0.2×0.0+0.3×0.0=0.22；

y2=0.2×0.0+0.3×0.3+0.2×0.5+0.3×0.6=0.37；

y3=0.2×0.3+0.3×0.0+0.2×0.2+0.3×0.4=0.22；

y4=0.2×0.2+0.3×0.3+0.2×0.3+0.3×0.0=0.19；

Y1={0.22,0.37,0.22,0.19}.

由式(2)得到樣品X1的綜合感官評分Z1:

Z1=90×0.22+80×0.37+70×0.22+60×0.19=76.2

(5)

同理可得其余樣品感官評分：Z2=80.4，Z3=86.5，Z4=85.6，Z5=80.5.

因此，不同大豆分離蛋白感官評分分別為76.2、80.4、86.5、85.6、80.5分.

由圖1可知，隨著大豆分離蛋白添加量的增大，人造肉腸感官評分呈先升高后降低的趨勢，而咀嚼度一直增大，但增大速率先緩慢后加快.在大豆分離蛋白添加量為5.0%時(shí)，感官評分達(dá)到最大值；而在添加量為9.0%時(shí)，咀嚼度達(dá)到最大，但感官評分卻降低.這是因?yàn)檫^量的大豆分離蛋白會造成產(chǎn)品硬度增大，咀嚼度增強(qiáng)，導(dǎo)致口感降低.因此選擇大豆分離蛋白添加量為5.0%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn).

圖1 大豆分離蛋白添加量對人造肉腸感官及咀嚼度的影響

2.1.2 食鹽添加量對人造肉腸感官評分和咀嚼度的影響 由圖2可知，隨著食鹽添加量的增大，人造肉腸感官評分呈先升高后降低的趨勢，而咀嚼度也同步呈現(xiàn)先增大后緩慢降低的趨勢.在食鹽添加量為2.0%時(shí)，感官評分和咀嚼度都達(dá)到最大.可能是因?yàn)榧尤脒m量的食鹽可以提高蛋白質(zhì)水合的能力，增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度[22]，使得咀嚼度增大；但食鹽添加量過大會使蛋白質(zhì)分子內(nèi)部疏水基團(tuán)暴露出來，也使產(chǎn)品變咸，消費(fèi)者難以接受.在不影響人造肉腸風(fēng)味口感的前提下，選擇食鹽添加量為2%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn).

2.1.3 卡拉膠添加量對人造肉腸感官評分和咀嚼度的影響 由圖3可得，隨著卡拉膠添加量的增大，人造肉腸感官評分呈先升高后降低的趨勢，而咀嚼度則一直增大，尤其是上升速率在0.8%～1.0%時(shí)達(dá)到最大；在卡拉膠添加量為0.8%時(shí)，感官評分達(dá)到最大值；而添加量為1.2%時(shí)，咀嚼度達(dá)到最大.卡拉膠是一種熱可逆的多糖，可以與蛋白質(zhì)結(jié)合，使產(chǎn)品具有良好的彈性[23].加入適量的卡拉膠可使植物蛋白肉的剪切力和彈性顯著提高，組織更緊密；卡拉膠添加量過大，會使肉質(zhì)變硬，失去彈性，影響人造肉腸的組織狀態(tài)和口感，感官評分降低.故選擇卡拉膠添加量為0.8%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn).

圖3 卡拉膠添加量對人造肉腸感官及咀嚼度的影響

2.1.4 TG酶添加量對人造肉腸感官評分和咀嚼度的影響 由圖4可知，隨著TG酶添加量的增大，人造肉腸感官評分呈先升高后降低的趨勢，而咀嚼度也一直增大，但上升速率逐漸降低.在TG酶添加量為0.3%時(shí)，感官評分達(dá)到最大值；而在TG酶添加量為0.5%時(shí)，咀嚼度達(dá)到最大，但是感官評分卻降低.咀嚼度增大主要是由于蛋白質(zhì)在TG酶作用下由原來的無序、松散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則、排列緊密的狀態(tài)[24-25]，蛋白質(zhì)間相互交聯(lián)[26].上升速率緩慢是由于TG酶催化酰基化轉(zhuǎn)移已達(dá)到飽和狀態(tài)，因此，適當(dāng)添加TG酶可以改善其組織結(jié)構(gòu)，但過量添加TG酶，會影響其質(zhì)構(gòu)和感官評分[27].故選擇TG酶添加量為0.3%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn).

2.2 人造肉腸的模糊數(shù)學(xué)法評判結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取大豆分離蛋白、卡拉膠、TG酶3個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，對響應(yīng)面試驗(yàn)17組不同樣品的評價(jià)結(jié)果見表4.

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)感官評價(jià)結(jié)果

響應(yīng)面試驗(yàn)中各評價(jià)對象的綜合評判集見表5.

表5 響應(yīng)面試驗(yàn)感官綜合評價(jià)集及感官綜合評分

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)的優(yōu)化

2.3.1 模型顯著性檢驗(yàn) 為了得到人造肉腸的最佳工藝條件，根據(jù)Box-behnken設(shè)計(jì)原理，以大豆分離蛋白添加量(A)、卡拉膠添加量(B)、TG酶添加量(C)3個(gè)因素為自變量，以感官評分作為響應(yīng)值進(jìn)行回歸分析.試驗(yàn)設(shè)計(jì)及感官結(jié)果如表6所示.

表6 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)及其結(jié)果

對表7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到人造肉腸感官評分對A、B、C的回歸模擬方程：

表7 回歸方程方差分析結(jié)果1)

Y=86.58A+0.80B+0.10C-4.30AB-1.40AC-2.00BC-4.94A2-2.79B2-3.49C2

(6)

方差分析結(jié)果表明,3個(gè)因素對人造肉腸感官品質(zhì)影響的大小表現(xiàn)為:大豆分離蛋白添加量(A)>卡拉膠添加量(B)>TG酶添加量(C)，其中，大豆分離蛋白添加量對感官結(jié)果影響極顯著(P<0.01)，卡拉膠添加量對感官結(jié)果影響顯著(P<0.05)，TG酶添加量對感官結(jié)果影響不顯著.

2.3.2 各因素之間的交互作用 從響應(yīng)面圖中可直觀看出各因素對響應(yīng)值的影響及各因素之間的交互作用，響應(yīng)面越陡峭，等高線越密集，表明該因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響越顯著[28].由圖5可以看出，響應(yīng)值呈先上升后下降的趨勢，等高線為橢圓且最密集，表明大豆分離蛋白添加量與卡拉膠添加量之間的交互作用極顯著.由圖6可以看出，等高線接近圓形且較密集，響應(yīng)值呈先上升后下降的拋物線，表明大豆分離蛋白添加量與TG酶添加量之間的交互作用顯著.由圖7可以看出，響應(yīng)面整體曲面較平緩，等高線為橢圓且密集，表明卡拉膠添加量與TG酶之間的交互作用極顯著.三者均與方差分析的結(jié)果保持一致.

圖5 大豆分離蛋白添加量與卡拉膠添加量對人造肉腸感官評分的響應(yīng)面(a)和等高線(b)

圖6 大豆分離蛋白添加量與TG酶添加量對人造肉腸感官評分的響應(yīng)面(a)和等高線(b)

圖7 卡拉膠添加量與TG酶添加量對人造肉腸感官評分的響應(yīng)面(a)和等高線(b)

2.3.3 最佳工藝條件的確定 利用模糊數(shù)學(xué)法確定響應(yīng)面中各評價(jià)對象的感官評分，通過Design Expert 8.0.6分析得到人造肉腸最佳的工藝條件為：大豆分離蛋白添加量5.42%，卡拉膠添加量0.78%，TG酶添加量0.27%.通過模擬得到的感官評分為86.8分.為了檢驗(yàn)響應(yīng)面分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，將工藝參數(shù)修正為：大豆分離蛋白添加量為5.4%，卡拉膠添加量為0.8%，TG酶添加量為0.3%.在此條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到感官評分的平均值為86.7分，與理論預(yù)測值相比，誤差<0.1%，差異不顯著.

2.4 人造肉腸的基本成分

人造肉腸的粗蛋白、粗脂肪、灰分、水分含量的測定結(jié)果分別為36.47%、1.04%、2.42%、59.48%，咀嚼度為1 862.45 g，表明其屬于高蛋白、低脂肪的肉類代替品.

3 小結(jié)

本研究以植物組織蛋白為主要原料，以大豆分離蛋白、卡拉膠、食鹽以及TG酶為輔料制備人造肉腸，在單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)3因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，并結(jié)合模糊數(shù)學(xué)法對人造肉腸進(jìn)行感官評價(jià)，得到的最佳工藝條件為：大豆分離蛋白添加量為5.4%，卡拉膠添加量為0.8%，TG酶添加量為0.3%.在此條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)驗(yàn)證，感官評分的平均值為86.7分，得到咀嚼度高達(dá)1 862.45 g的高蛋白、低脂肪植物基人造肉腸.驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際感官評分值相近.