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(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心,廣東廣州 510300;2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306)

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響應(yīng)面法優(yōu)化水產(chǎn)品低溫保鮮冰配方的研究

袁小敏1,2,郝淑賢1,*,李來(lái)好1,楊賢慶1,林婉玲1,趙永強(qiáng)1,黃卉1,胡曉1

(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心,廣東廣州 510300;2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306)

為解決保鮮介質(zhì)溫度波動(dòng)大以及保冷時(shí)間短對(duì)水產(chǎn)品鮮度的影響,本文以聚丙烯酸鈉、氯化鈉、丙二醇為主要成分,對(duì)水產(chǎn)品低溫保鮮冰的配方進(jìn)行優(yōu)化。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,依據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,采用響應(yīng)面進(jìn)行分析,以優(yōu)化最佳的低溫保鮮冰配方。結(jié)果表明:低溫保鮮冰的最佳配方為聚丙烯酸鈉1.0%、氯化鈉0.6%、丙二醇2.1%,此低溫保鮮冰可在水產(chǎn)品微凍溫度帶(-3～-1.5 ℃)維持130 min,與傳統(tǒng)鹽水介質(zhì)相比延長(zhǎng)約60 min。該低溫保鮮冰維持低溫時(shí)間更長(zhǎng)、溫度更加穩(wěn)定,能更有利于水產(chǎn)品的貯藏加工。

保鮮,低溫保鮮冰,響應(yīng)面法,配方優(yōu)化

水產(chǎn)品由于水分含量高,富含蛋白質(zhì)與不飽和脂肪酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),在運(yùn)輸、貯藏、加工與銷售過(guò)程中易受到地區(qū)和季節(jié)等因素的影響,使微生物繁殖過(guò)快,加速脂肪氧化等,使水產(chǎn)品的鮮度下降[1-2]。微凍保鮮是將水產(chǎn)品保藏在其冰點(diǎn)及冰點(diǎn)以下1～2 ℃或凍結(jié)點(diǎn)附近的一種輕度冷凍保鮮方式[3]。在此溫度下,水產(chǎn)品內(nèi)部水分部分發(fā)生凍結(jié),因此對(duì)原材料的組織結(jié)構(gòu)影響較小,從而有效抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖與酶的活性。雖然微凍保鮮的時(shí)間較冷凍保鮮時(shí)間短,但能有效避免冷凍保藏導(dǎo)致的水產(chǎn)品品質(zhì)劣化現(xiàn)象,從而較好保持產(chǎn)品品質(zhì)[4-7]。根據(jù)魚(yú)類等水產(chǎn)品凍結(jié)點(diǎn)的特征,通常選取微凍溫度為-3 ℃左右,在此溫度下能有效保證原材料的新鮮品質(zhì)[8-10]。微凍保鮮中最常見(jiàn)的制冷劑就是冰鹽水混合物,但該制冷劑在微凍過(guò)程中易出現(xiàn)溫度不穩(wěn)定、冰融化速度快與溫度易回升等問(wèn)題,從而對(duì)水產(chǎn)品的鮮度造成影響[9,11]。

目前我國(guó)長(zhǎng)途貯運(yùn)流通環(huán)節(jié)仍以冰鮮[12]為主要保鮮方式,微凍[13]對(duì)設(shè)備的要求較高,流化冰[14](流化冰超冷卻)多用于產(chǎn)品的降溫預(yù)處理環(huán)節(jié),流通過(guò)程中的低溫控制方面尚屬空白。本研究通過(guò)降低冰的溫度,延長(zhǎng)冰融時(shí)間,變相實(shí)現(xiàn)貯運(yùn)環(huán)節(jié)的低溫控制,繼承傳統(tǒng)冰藏保鮮使用方便特點(diǎn)的同時(shí),最大限度延長(zhǎng)水產(chǎn)品貯藏和銷售過(guò)程中的生鮮品質(zhì)。為進(jìn)一步滿足水產(chǎn)品保鮮的實(shí)際要求,解決傳統(tǒng)冰鮮介質(zhì)的不足,本文選用對(duì)人體健康無(wú)害的聚丙烯酸鈉、氯化鈉、丙二醇與水作為低溫保鮮冰的主要組成成分,可降低傳統(tǒng)貯藏介質(zhì)的冰點(diǎn)到達(dá)微凍的溫度，通過(guò)單因素篩選與響應(yīng)面分析確定其最佳配比,以有效保持其溫度穩(wěn)定,從而更好應(yīng)用于水產(chǎn)品的保鮮中。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

丙二醇 天津市大茂化學(xué)試劑廠;氯化鈉 廣州化學(xué)試劑廠;聚丙烯酸鈉 山東西亞化學(xué)工業(yè)有限公司,以上試劑均為分析純。

DW-86L626型超低溫冰箱 中國(guó)山東青島海爾集團(tuán);735-2型溫度測(cè)量?jī)x 德國(guó)德圖儀器公司;IN612C型恒溫箱 日本YAMATO公司;JJ500Y型電子天平 常熟市雙杰測(cè)試儀器廠。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 低溫保鮮冰凍結(jié)點(diǎn)及融化時(shí)間測(cè)定 配制低溫保鮮冰溶液200 mL于塑料燒杯中,將溫度測(cè)量?jī)x探頭浸入溶液中心點(diǎn)且固定,探頭另一端連接溫度測(cè)量?jī)x的接口,開(kāi)啟溫度時(shí)間模式,可連續(xù)記錄一段時(shí)間內(nèi)的溫度變化情況。將燒杯放置于-60 ℃冰箱速凍,待其溫度降至(-5±1)℃時(shí)取出,再放置于20 ℃的恒溫箱中測(cè)定-3～-1.5 ℃時(shí)的溫度變化情況,每隔1 min記錄一次溫度。根據(jù)溫度測(cè)量?jī)x所記錄的數(shù)據(jù)分別繪制出保鮮冰溶液的凍結(jié)曲線以及融化曲線。在凍結(jié)曲線中最為平滑的一段即為保鮮冰的凍結(jié)點(diǎn)[15]。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn) 選取氯化鈉濃度1%,丙二醇體積分?jǐn)?shù)2%,配制聚丙烯酸鈉濃度分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的低溫保鮮冰溶液,記錄在20 ℃的環(huán)境中融化保持溫度在-3～-1.5 ℃時(shí)的時(shí)間。

選取聚丙烯酸鈉濃度1%,丙二醇體積分?jǐn)?shù)2%時(shí),配制氯化鈉濃度分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的低溫保鮮冰溶液,記錄在20 ℃的環(huán)境中融化保持溫度在-3～-1.5 ℃時(shí)的時(shí)間。

選取聚丙烯酸鈉濃度為1%,氯化鈉濃度為0.5%,配制丙二醇體積分?jǐn)?shù)分別為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的低溫保鮮冰溶液,記錄在20 ℃的環(huán)境中融化保持溫度在-3～-1.5℃時(shí)的時(shí)間。

1.2.3 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果,采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)并運(yùn)用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,以溫度在-3～-1.5 ℃的融化時(shí)間為響應(yīng)值,選擇3個(gè)因素聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)、丙二醇體積分?jǐn)?shù)(C)設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平Table 1 The factor level of response surface methodology

1.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示。采用Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,利用軟件Origin 8.5繪制曲線,利用Design expert 8.0.6.1進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1單因素分析結(jié)果

2.1.1 聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫保鮮冰凍結(jié)點(diǎn)及融化時(shí)間的影響 聚丙烯酸鈉是一種白色粉末,同時(shí)具有親水和疏水基團(tuán)的高分子化合物,廣泛應(yīng)用于食品制造業(yè),由于其具有增稠特性,常被用作食品膠以及在蓄冷領(lǐng)域的吸水性樹(shù)脂[16-18]。

由圖1可知,聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對(duì)凍結(jié)點(diǎn)的影響顯著(p<0.05),溫度在-1.2至-1.4 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)融化時(shí)間最長(zhǎng),后隨著聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,低溫保鮮冰的融化時(shí)間反而下降。這是由于聚丙烯酸鈉與水和丙二醇結(jié)合形成了凝膠,可以保持水分不流失[19]。當(dāng)聚丙烯酸鈉含量較低時(shí),三者充分融合,但隨著其濃度的增大反而不利于與丙二醇和水的融合,從而導(dǎo)致融化時(shí)間下降。因此,在氯化鈉和丙二醇的質(zhì)量和體積確定時(shí)聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.0%最佳。

圖1 聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)凍結(jié)點(diǎn)及融化時(shí)間的影響Fig.1 Effect of sodium polyacrylate concentration on the freezing point and thawing time

2.1.2 氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫保鮮冰凍結(jié)點(diǎn)及融化時(shí)間的影響 鹽水因其傳熱系數(shù)大,對(duì)水產(chǎn)品冷卻的速度較快,可有效保證漁獲物的鮮度,早被用作保鮮介質(zhì)進(jìn)行漁船上水產(chǎn)品制冷保鮮的工藝研究。但由于鹽水易腐蝕設(shè)備,且易滲透,會(huì)對(duì)原料的風(fēng)味與品質(zhì)造成影響。低溫鹽水冰保鮮工藝的關(guān)鍵在于需要選擇合適的鹽水濃度,過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)對(duì)水產(chǎn)品的鮮度產(chǎn)生影響[20-21]。

由圖2得出氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加0.5%,凍結(jié)點(diǎn)下降約0.3 ℃。在氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.5%時(shí),低溫保鮮冰融化時(shí)間最長(zhǎng)。隨著氯化鈉的質(zhì)量增加,低溫保鮮冰的融化時(shí)間反而下降。這主要是由于氯化鈉的用量增加,降低了其溶液冰點(diǎn),從而導(dǎo)致冰在-3～-1.5 ℃時(shí)的融化時(shí)間縮短。梁昌[22]對(duì)氯化鈉的冰點(diǎn)以及融化速率進(jìn)行研究,結(jié)果表明冰點(diǎn)與鹽的含量成反比關(guān)系,同時(shí)融化速率會(huì)隨鹽含量的增加而加快,與該實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果一致。因此選擇氯化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。

圖2 氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)凍結(jié)點(diǎn)及融化時(shí)間的影響Fig.2 Effect of sodium chloride concentration on the freezing point and thawing time

2.1.3 丙二醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)低溫保鮮冰凍結(jié)點(diǎn)及融化時(shí)間的影響 配制低溫保鮮冰中聚丙烯酸鈉1%、氯化鈉0.5%,考察丙二醇體積分?jǐn)?shù)為1.0%～3.0%時(shí)的融化時(shí)間。

由圖3可知,丙二醇的體積分?jǐn)?shù)由1.0%增至3.0%,其低溫保鮮冰的冰點(diǎn)下降約0.4 ℃。丙二醇體積分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)低溫保鮮冰融化時(shí)間最長(zhǎng),在其他條件不變的情況下,增減丙二醇的用量都會(huì)縮短低溫保鮮冰的融化時(shí)間。因此,選擇丙二醇的體積分?jǐn)?shù)約為2.0%。

圖3 丙二醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)凍結(jié)點(diǎn)及融化時(shí)間的影響Fig.3 Effect of propylene glycol concentration on the freezing point and thawing time

2.2響應(yīng)面法優(yōu)化低溫保鮮冰配方

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 在單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,按照表1實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),響應(yīng)面分析與結(jié)果見(jiàn)表2。表2中實(shí)驗(yàn)1～12為析因?qū)嶒?yàn),13～17為中心實(shí)驗(yàn),以此判斷實(shí)驗(yàn)誤差的大小。利用Design-Expert 8.0.6.1 軟件對(duì)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得到保鮮冰在-3～-1.5 ℃的融化時(shí)間為響應(yīng)值的回歸方程為:

Y=132+6.38A+5.50B+8.13C-6.50AB-5.25AC-6.50BC-18.38A2-11.13B2-19.37C2

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and the results of response surface methodology

表3 回歸方程的方差分析Table 3 Analysis of variance of fitted regression model

注：**，p<0.01,極顯著；*，p<0.05,顯著。

上述回歸方程中各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系見(jiàn)表3,得出模型的p<0.05(顯著),失擬項(xiàng)檢驗(yàn)的p>0.05(不顯著),說(shuō)明回歸方程的擬合程度很好,不存在模型擬合不足的現(xiàn)象,表明殘差由隨機(jī)誤差引起。同時(shí)R2=0.9804再次表明模型充分?jǐn)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可靠的說(shuō)服力,可利用此回歸方程確定保鮮冰融化時(shí)間的最佳配比[23]。結(jié)果表明，AB、AC、BC對(duì)響應(yīng)值影響顯著,A、B、C、A2、B2、C2對(duì)響應(yīng)值影響極顯著，各因素對(duì)響應(yīng)值影響大小的排序?yàn)镃>A>B。

2.2.2 響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化 根據(jù)模型方程得到低溫保鮮冰配方的三維空間曲面圖見(jiàn)圖4～圖6。響應(yīng)面的三維空間圖可直觀、形象表現(xiàn)出各實(shí)驗(yàn)因子之間的相互作用對(duì)保鮮冰融化時(shí)間的影響。每個(gè)響應(yīng)面都是將其中兩個(gè)因素對(duì)保鮮冰融化時(shí)間的影響進(jìn)行分析比較,另一個(gè)因素則固定在零水平,若圖形中的曲線陡峭,則表明該因素對(duì)保鮮冰融化時(shí)間的影響越大[24-25]。從圖4可以看出聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)保鮮冰融化時(shí)間的影響,表示聚丙烯酸鈉的曲線要比氯化鈉的曲線陡峭,因此聚丙烯酸鈉對(duì)保鮮冰融化時(shí)間的影響較大。由圖5可得出丙二醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)保鮮冰融化時(shí)間的影響要大于聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由圖6表明氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的曲線比丙二醇體積分?jǐn)?shù)的曲線較為平滑,因此氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增減對(duì)保鮮冰融化時(shí)間的影響要小于丙二醇體積分?jǐn)?shù)。

圖4 聚丙烯酸鈉和氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)保鮮冰融化時(shí)間影響的響應(yīng)曲面圖Fig.4 Response surface plot showing the interactive effects of sodium polyacrylate and sodium chloride concentration on the thawing time of fresh ice

圖5 聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和丙二醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)保鮮冰融化時(shí)間影響的響應(yīng)曲面圖Fig.5 Response surface plot showing the interactive effects of sodium polyacrylate and propylene glycol concentration on the thawing time of fresh ice

圖6 氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和丙二醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)保鮮冰融化時(shí)間影響的響應(yīng)曲面圖Fig.6 Response surface plot showing the interactive effects of sodium chloride and propylene glycol concentration on the thawing time of fresh ice

通過(guò)模型方程得出最佳低溫保鮮冰溶液配比為聚丙烯酸鈉1.06%、氯化鈉0.58%、丙二醇2.08%,同時(shí)預(yù)測(cè)保鮮冰在-3～-1.5 ℃融化時(shí)間為133.5 min。根據(jù)實(shí)際操作與方便結(jié)果計(jì)算,最終得出保鮮冰溶液的最佳配方:聚丙烯酸鈉1.0%、氯化鈉0.6%、丙二醇2.1%。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證保鮮冰在-3～-1.5 ℃融化時(shí)間為(130±4) min,與預(yù)測(cè)結(jié)果偏差較小(RSD 1.88%)。因此,響應(yīng)面法對(duì)水產(chǎn)品低溫保鮮冰配方的優(yōu)化是可行的,得到的保鮮冰具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.3低溫保鮮冰與傳統(tǒng)氯化鈉鹽水冰比較

傳統(tǒng)常用3%左右的冰鹽水混合物作為冰藏保鮮的介質(zhì)[11],圖7將傳統(tǒng)2%、3%鹽水冰與本實(shí)驗(yàn)所研究的低溫保鮮冰分別進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn),鹽的濃度越高越易融化,2%與3%濃度的鹽水冰在-3～-1.5 ℃維持時(shí)間僅有74與67 min,而本研究配制的微凍保鮮凍結(jié)液可維持130 min,融化時(shí)間延長(zhǎng)了約60 min。有研究表明,使用聚丙烯酸鈉為原料得到的高分子吸水樹(shù)脂制得的冰比普通冰融化時(shí)間延長(zhǎng)了50 min,有效的延長(zhǎng)了相變時(shí)間[17]。總之低溫保鮮冰能更好的延長(zhǎng)溫度持續(xù)的時(shí)間且更加穩(wěn)定,因此更有利于水產(chǎn)品的保鮮。

圖7 不同溶劑的保鮮冰融化時(shí)間的影響Fig.7 Effect of different solvents on the thawing time of fresh ice

3 結(jié)論

通過(guò)進(jìn)行聚丙烯酸鈉、氯化鈉、丙二醇對(duì)低溫保鮮冰融化時(shí)間影響的單因素實(shí)驗(yàn),應(yīng)用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析法對(duì)保鮮冰配方進(jìn)行優(yōu)化,所得到的模型能較好反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響。最終得到優(yōu)化的保鮮冰配方為:聚丙烯酸鈉1.0%、氯化鈉0.6%與丙二醇2.1%。此保鮮冰可維持在水產(chǎn)品微凍溫度帶-3～-1.5 ℃間約130 min,與傳統(tǒng)的以鹽水為介質(zhì)的保鮮冰在相同條件下相比融化時(shí)間延長(zhǎng)了約60 min。本低溫保鮮冰可應(yīng)用于水產(chǎn)品的微凍保鮮貯藏中,操作方便,安全可靠。

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Theformulaoptimizationoffreshiceforaquaticproductsbyresponsesurfacemethodology

YUANXiao-min1,2,HAOShu-xian1,*,LILai-hao1,YANGXian-qing1,LINWan-ling1,ZHAOYong-qiang1,HUANGHui1,HUXiao1

(1.South China Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,National R&D Center For Aquatic Product Processing,Key Laboratory of Aquatic Product Processing,Ministry of Agriculture,Guangzhou 510300,China; 2.College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

To solve the problem of large temperature fluctuation and short cold-keeping time for aquatic products,the fresh ice formula of partial-frozen for aquatic products,such as sodium polyacrylate,sodium chloride and propanediol,were optimized on the basis of single factor experiments at the point of -3～-1.5 ℃. Box-Behnken experimental design and response surface methodology(RSM)were used to find the optimal formula. The results showed that the optimal fresh ice formula was 1.0% sodium polyacrylate,0.6% sodium chloride and 2.1% propanediol,which could keep the temperature of partial-frozen(-3～-1.5 ℃)of aquatic for 130 min. Compared with traditional fresh ice of sodium chloride,complex fresh ice could prolong for about 60 min. Therefore,fresh ice formula could keep longer low-temperature time,make the temperature more stable and be helpful for the storage and processing of aquatic products.

preservation;fresh ice;response surface methodology(RSM);formula optimization

2016-12-14

袁小敏(1991-),女,碩士研究生,研究方向:水產(chǎn)品加工與質(zhì)量安全控制,E-mail：yuanxiaominyuan@163.com。

*通訊作者:郝淑賢(1972-),博士,研究員,研究方向:水產(chǎn)品加工與質(zhì)量安全控制,E-mail：susanhao2001@163.com。

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016A020210025);國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(羅非魚(yú))產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-49);吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20170204042NY);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31601533);中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助(2016TS11)。

TS254.1

:A

:1002-0306(2017)12-0292-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.12.053