D-最优混料设计优化油炸牛肉饼中食用胶的添加量

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(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)

牛肉营养丰富,具有蛋白含量高、脂肪含量低、肉质鲜嫩等特点,因而受消费者喜睐,市面上的牛肉常以肉饼、肉干等形式售出,这些制品的加工工艺大多要经过油炸、微波、烘干等过程,而在熟制的过程中,会使肉饼的水分含量降低,质地粗糙,口感坚硬,另一方面油炸会破坏食物营养价值,对人体健康不利[1],如果适当的加入一定量的食用胶,不但提高食物营养价值,而且可以得到较好的感官品质[2-3]。Valenzuela等[4]将亚麻籽胶添加到牛肉馅饼配方中,通过测定肉饼的质构、水分含量以及脂肪含量等指标,得出亚麻籽能够降低肉饼的硬度值,同时减少蒸煮过程中水分和脂肪的损失,使产品具有很好粘结性和咀嚼感。Kao等[5]在法兰克福香肠中加入魔芋胶,实验得出魔芋胶能够降低香肠的脂肪含量。庄沛锐等[6]研究了将卡拉胶与刺槐豆胶复配添加到猪肉糜中,结果表明两种亲水胶体都能有效改善肉糜的质构特性和品质特性,并且对产品的颜色也有一定的影响。

近年来,混料实验在实际生产中得到非常广泛的应用而日益受到重视。其中最优化设计(D-Optimal Mixture Design)是根据混合物组成的变化研究一个或多个响应变量,在混合物组分百分比等于100%的前提下,通过比较各实验因子的不同比率与反应变量的关系,得出最优组合比例,优化产品特性[7-8],具有实验次数少、信息量充分、参数预测精度高等特点[9-11]。Sarteshnizi等[12]应用D-最优混料设计法优化抗性淀粉(RS),葡聚糖(BG)和淀粉(ST)在香肠中的配比,实验得出2.216%的RS,1.328%的BG和2.456%的ST,总体可接受性最好,期望值最高。Hoc等人[13]对焙烤、非焙炒,脱脂和非脱脂的坚果,在提取蛋白质的条件上应用了最优化设计。邹宇等[14]在菊花枸杞饮料的配方上应用混料设计的方法,在最佳配方比下,产品具有浓郁的菊花和枸杞香味,酸甜适中,口感润滑,是一种绿色、营养、健康的保健饮品。

据此本实验以牛肉为素材,用最优化(D-Optimal)混料设计为实验方案,探究魔芋胶、黄原胶、亚麻籽胶在油炸牛肉饼产品指标中的交互作用,优化油炸牛肉饼中三种食用胶(魔芋胶、黄原胶、亚麻籽胶)的最适添加量,使产品更加富有弹性和多汁性,从而为进一步探讨原料配方对产品品质特性的影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

牛肉、五香粉、食盐、玉米淀粉 均购于哈尔滨大润发超市;黄原胶 河南天冠生物工程股份有限公司;魔芋胶 郑州世纪美添食化贸易有限公司;亚麻籽胶 新疆绿旗企业生物科技有限公司。

JD500-2电子天平 沈阳龙腾电子称量仪器有限公司;AL-104精密电子天平 上海梅特勒-托利多仪器设备有限公司;P22A自动控温油炸 ACA北美电器;DH-9070A电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏设备有限公司;MJ-BL25B2美的料理机 国美电器;TA-XT Plus质构仪 英国SMS公司;冷冻干燥机 上海田枫实业有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 牛肉饼基础配方 每组实验以瘦牛肉500 g为基准量,玉米淀粉50 g,碘盐7.5 g,五香粉5 g,水量80 g。

1.2.2 牛肉饼制作工艺流程 原料肉的选择整理→切块→配料→斩拌→添加基础配方→继续斩拌→模具成型→油炸→预冷→包装→成品→贮藏

牛肉预处理:用清水浸泡冲洗,除去牛肉中的筋腱部位。然后将牛肉用刀切成小块,切忌块不要太大。

斩拌:牛肉切块后与配料混合,在4 ℃条件下冷藏,腌制过夜后进行斩拌,直至物料混匀,颜色均一稳定。

模具定型:将斩拌好的肉糜装满于圆形铝盖模具中,铝盖内径5.5 cm,深度1 cm。用手轻轻将充满的肉糜表面抚平,定型10 s。

油炸:采用恒温油炸锅,工艺参数:油炸温度为190 ℃,油炸时间为60 s。

1.3D-最优混料设计优化食用胶添加量

使用Design Expert 8.0.5软件进行混料回归实验设计,优化牛肉饼配方中魔芋胶、黄原胶、亚麻籽胶三种食用胶的最适添加量。三个因子质量百分比之和为肉重的0.6%,通过测定牛肉饼的出品率、保水性、硬度、感官评定四个指标作为实验响应值,建立数学模型,进一步探讨配方系统中各组分因子对牛肉饼的影响。通过前期单因素预实验,将三种食用胶的百分含量分别限定在魔芋胶0≤X1≤0.60,黄原胶0≤X2≤0.60,亚麻籽胶0≤X3≤0.50范围内(依据GB 2760-2011《食品添加剂 亚麻籽胶》),X1、X2、X3均为实际值。X1+X2+X3=0.6%。D-最优混料实验设计方案如表1所示。

1.4产品指标的测定方法

1.4.1 出品率的测定 参考Gök等人[15]的方法并作适当改动。牛肉饼在油炸前精确称量样品质量;牛肉饼样品按照实验设计的温度和时间进行油炸,油炸后样品沥油30 s,待冷却至室温,吸干其表面水分和油脂后,精确称量样品质量。出品率公式进行计算:

1.4.2 保水性的测定 水分含量的测定方法参照 GB/T 5009.3-2010[16]。将牛肉饼样品置于常压恒温干燥箱内,于105 ℃条件下干燥至恒重。失去的重量即为样品中水分含量。

1.4.3 硬度的测定 牛肉饼样品采用TPA质构分析仪进行硬度指标的测定,参照刘迪迪等[17]的方法。用平行刀将肉饼切成2 cm长的圆柱体,切面要平整垂直。实验设置测试参数为:选用P/50探头,测试前速率:2 mm/s,测试速率:1 mm/s,测试后速率:1 mm/s,压缩比为50%,两次激活感应力:5 g,TPA结果采用Stable Micro System软件分析。

1.4.4 感官评定 感官评定参考汪岩等[18]的方法,略作改动。感官评定要在无异味、无噪音、照明充足的房间进行。防止评定前通过身体或视觉的接触,使评定员得到一些片面的、不正确的信息影响他们感官反应和判断,要避免评定员看到样品准备全过程。气温应控制在20～22 ℃的范围内,相对湿度应保持在50%～55%左右,通风情况良好,保持其中无气味,无噪音。感官评分9分为非常喜欢,5分为一般,1分为不可接受。让小组成员品尝,并且品尝下一个样品前都用纯净水漱口。在所有的感官评定数值中,分别去掉一个最高分和一个最低分,然后计算其平均值。

表1 D-Optimal 设计实验方案和结果Table 1 D-Optimal mixture design and experiment results

注:实验结果中数据表示为平均值±标准差,同一列之间小写字母代表差异性,字母相同表示差异不显著,不同则表示差异显著(p<0.05)。

1.5数据处理

实验结果为3次平行实验的平均值,数据采用Design Expert 8.0.5及Statistix 8.1软件进行处理分析。D-Optimal实验模型采用Scheffe不完全三次多项式拟合,本文主要依据直线模型与二次项模型:

Y=λ1X1+λ2X2+λ3X3(直线型);

Y=λ1X1+λ2X2+λ3X3+λ1λ2X1X2+λ1λ3X1X3+λ2λ3X2X3(二次型)。

方程中Y值代表不同响应值,即出品率、保水性、硬度值、感官评定。X1、X2、X3分别代表魔芋胶、黄原胶、亚麻籽胶,λ1、λ2、λ3分别对应数学回归模型系数,回归系数经过分析后得到等高线图和回归方程,每个自变量的显著性由F值和p值决定。

2 结果与讨论

2.1D-Optimal实验产品指标测定结果

依据20组实验组设计混合实验,响应值为牛肉饼的出品率、保水性、硬度值、感官评定四个指标,测定指标实验结果如表1所示。由表1可知，亚麻籽胶添加量越大，硬度越大，从而会降低感官评分。而魔芋胶和黄原胶的比例增大，亚麻籽胶的比例减小，会获得较高的感官评分。

2.2复配胶对牛肉饼出品率的影响

根据20组设计实验,利用Design-Expert 8.0.5软件,得到拟合出品率交互相因子实验结果的二次项式回归模型为Y=84.47X1+84.83X2+86.15X3+5.17X1X2+1.66X2X3。其系数为正值,表明三种胶体均可增加产品的出品率。

利用F检验检测回归模型的统计学显著性和方差分析结果见表2,该模型下的p<0.0001,表明模型拟合度很好。同时,失拟项相关的p值0.0947表明失拟项并不显著(p>0.05),说明实验组数据误差较小。决定系数R2为0.8831,这表明模型中88.31%的出品率分数变化归因于自变量。这些结果说明该二次项模型能够表现出各因子之间的真实关系,可以用来测评牛肉饼出品率分数。而X1X2的p<0.0001,结合图1等高线图,说明魔芋胶与黄原胶在提高牛肉饼出品率的基础上产生了极其显著的交互作用(p<0.01)。

图1 出品率交互因子等高线Fig.1 The contours of the interaction factors in cooking yield

2.3复配胶对牛肉饼保水性的影响

利用Design-Expert 8.0.5 软件,得到拟合出品率交互因子,实验结果的二次多项式回归模型如下Y=76.42X1+77.32X2+80.21X3+3.92X1X2+1.44X1X3+1.38X2X3。各项系数的正值表示三种食用胶在保水性的响应上起到了促进作用,且亚麻籽胶的贡献值最大,这主要是因为食用胶和肉中蛋白通过分子长链相互交联,在三维空间形成一种坚固而致密的网络结构,能将水或其他液体固定在其中,以阻止外界压力,从而提供了水分大量的储存空间,提高了肉制品的保水性[19]。

利用F检验检测回归模型的统计学显著性和方差分析结果见表2,该模型下的p<0.0001,这表明模型极其显著。同时,失拟项相关的p值为0.1809表明失拟项并不显著(p>0.05),说明实验组数据误差较小,决定系数R2为0.9136,这表明模型拟合程度很好。而X1X2的p值为0.0035,说明魔芋胶与黄原胶在提高牛肉饼出品率的基础上产生了极其显著的相互作用(p<0.01)。本研究与贾娜[20]将魔芋胶、黄原胶、亚麻籽胶三种食用胶两两复配,证实魔芋胶与黄原胶在提高肌原纤维蛋白保水性方面存在协同作用的结论相一致,也正是食用胶的使用,锁住了肉饼中的水分,其本身形成的亲水胶体由于能增加连续相的黏度,因而具有阻碍或降低分散相中油滴的迁移或聚结的倾向。这与魔芋葡甘聚糖和黄原胶的分子组成和空间结构息息相关,魔芋葡甘聚糖分子的基本结构单元是由D-葡萄糖和D-甘露糖组成,黄原胶除含有上述两种成分外还含有D-葡糖糖醛酸,最重要的是由于它们在分子结构上相互作用,前者表面平滑,分子中没有分支链的部分与黄原胶分子的双螺旋结构以次级键形式相互结合,形成三维空间网状结构,从而产生强烈的协同促进作用[21]。

图2 保水性交互因子等高线Fig.2 The contours of the interaction factors in water-holding capacity

2.4复配胶对牛肉饼硬度值的影响

利用Design-Expert 8.0.5软件,得到拟合质构硬度值交互因子实验结果的回归模型如下Y=76.42X1+77.32X2+80.21X3。利用F检验检测回归模型的统计学显著性和方差分析结果见表2,该模型下的p<0.0001,这表明模型极其显著。同时,失拟项相关的p值0.9164表明失拟项并不显著(p>0.05),说明实验组数据误差较小,决定系数R2为0.8173。食用胶的复配添加提高了肉饼的质构硬度(p<0.01),其数学回归模型二次项系数为0,且结合图3等高线图可知,三种食用胶在提高硬度的贡献上并未起到协同作用。冯美琴[22]将食用胶应用在鸡肉肠的研制中,发现食用胶可降低其硬度值,本篇文章在此并没有得到相一致的结果。可能与传统蒸煮方法相比,油炸工艺中温度过高,在加快水分损失的同时,也在一定程度上增加了产品的硬度[23]。

图3 硬度交互因子等高线Fig.3 The contours of the interaction factors in hardness

2.5复配胶对产品感官评定的影响

利用Design-Expert 8.0.5软件,得到拟合感官评价值交互因子实验结果的回归模型如下Y=7.99X1+7.91X2+5.56X3。利用F检验检测回归模型的统计学显著性和方差分析结果见表2,该模型下的p<0.0001,这表明模型极其显著。同时,失拟项相关的p值0.3729表明失拟项并不显著(p>0.05),说明实验组数据误差较小,决定系数R2为0.9458。从等高线的图4可以观察到,亚麻籽胶过多使得评分较低(p<0.01),主要因为过多的亚麻籽胶导致牛肉饼硬度增大,而当胶体体系中魔芋胶和黄原胶比例较大而亚麻籽胶比例较小时,两者的协同作用增大了肉饼的保水性,抑制了硬度值的增加,从而获得相对较高的感官评分,其作用机理与王霞[24]研究相一致。由此得出,各种食用胶对肉饼的硬度和品质特性的影响是不完全同的,为了生产高品质牛肉饼,各种食用胶的复配应给予考虑,不但使肉饼硬度得以保证,而且口感较佳。

图4 感官评定交互因子等高线Fig.4 The contours of the interaction factors in sensory evaluation

表2 牛肉饼的出品率、保水性、硬度值、感官评定回归模型的方差分析Table 2 Analysis of variance of beef patties cooking yield,water-holding capacity,hardness,sensory evaluation with regression mode

2.6牛肉饼中最优食用胶添加量及验证实验

利用Design-Expert 8.0.5软件最优化功能设定各因素的变化范围,设定所期望的响应值如下:最大出品率,最大保水性,硬度值在4300～4700 g的范围适中值,最高的感官评分。通过数学模型模拟分析,得出三种食用胶的最优配方为:魔芋胶0.227%,黄原胶0.293%,亚麻籽胶0.08%。依据这个添加量结果,在后续验证实验结果如表3,与预测值基本一致,因此确定牛肉饼中最优食用胶配方组合为魔芋胶0.227%,黄原胶0.293%,亚麻籽胶0.08%。

表3 产品特性指标的预测值与实际值Table 3 The predicted and measured results of physical properties

3 结论

采用D-最优混料设计对牛肉饼中三种食用胶的添加量进行了优化,通过回归模型的建立,对原料各组分间交互作用进行分析,同时结合混料设计分析软件的优选功能,得到牛肉饼中食用胶的最佳配方为:魔芋胶0.227%,黄原胶0.293%,亚麻籽胶0.08%。在此条件下,产品的出品率为83.79%,保水性77.14%,硬度值4463 g,感官评定7.41,与预测值相符。魔芋胶与黄原胶在提高产品的出品率及保水性起到了协同作用(p<0.01);亚麻籽胶的过多使用会增加肉饼的硬度而呈现较低的感官评分(p<0.01)。而当魔芋胶和黄原胶比例增大,亚麻籽胶比例减小时,可以获得较高的感官评分(p<0.01)。本文应用了D-最优混料设计的方法,深入分析各因素之间的关系,优化产品配方比例,为进一步探讨原料配方对产品特性的影响提供一定的理论依据。

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