安攀宇，汪靜心，肖 嵐，李燮昕，李 維，梁欣梅

（1.四川旅游學(xué)院食品學(xué)院，四川 成都 610100；2.成都紡織高等?？茖W(xué)校，四川 成都 611731）

由甘油和脂肪酸組成的脂肪，以三酰甘油酯的形式廣泛存在于各類食品中，能承載脂溶性維生素，是人類膳食組成中重要的營養(yǎng)及供能物質(zhì)[1]。在食品工業(yè)中，脂肪的添加能夠使食品口感細(xì)膩潤滑、風(fēng)味獨特并形成特定的組織狀態(tài)[2]。在常溫下，動物脂肪常以固態(tài)微顆粒狀態(tài)存在，其在肉制品加工中的作用尤為重要[3]。álvarez等[4]研究發(fā)現(xiàn)，動物脂肪大量存在于加工肉制品中，能提高產(chǎn)品的保水性，降低蒸煮損失，改善口感，使產(chǎn)品形成良好風(fēng)味及質(zhì)地。但動物脂肪中由于含有大量的飽和脂肪酸，膳食中過度攝入則容易誘發(fā)多種心腦血管疾病[5-7]。世界衛(wèi)生組織根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果[8]也早在2013年就建議人們盡量選擇低動物脂肪飲食，以消除飽和脂肪酸對于人體健康潛在的威脅。但如果單純降低加工肉制品中的脂肪含量，會使肉制品保水性降低，口感也會變的粗糙、干硬，從而降低了人們對產(chǎn)品的消費欲望[9]。因此，在肉制品加工中如何在降低脂肪含量的同時，又能維持成品良好的感官品質(zhì)，成為從業(yè)者迫切需要解決的問題[10-12]。

為了滿足消費者的需求，適用于各類不同產(chǎn)品的脂肪替代物的開發(fā)及應(yīng)用成為近年來的研究熱點[13-14]。肉類制品中的動物脂肪替代物多以碳水化合物、蛋白質(zhì)和植物油脂為基質(zhì)，通過使用物理、化學(xué)的方法進行改性，添加到產(chǎn)品中以期模擬脂肪的部分或全部特性，使產(chǎn)品達到“降脂不降質(zhì)”的目的[15]。國內(nèi)外對此已有大量研究和探索，如Serdaro?lu等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在乳化肉丸中加入乳清蛋白，在提高持油性的同時并不會降低肉丸的感官品質(zhì)。El-Magoli等[17]研究發(fā)現(xiàn)，添加了乳清蛋白的牛肉餅經(jīng)過TPA測試得到咀嚼度變大，硬度和彈性基本不變的結(jié)果。Marek等[18]發(fā)現(xiàn)在肉制品中使用卡拉膠替代部分脂肪，能顯著降低肉制品的蒸煮損失和貯藏期間內(nèi)的減重情況。Ruizcapillas等[19]將魔芋膠加入發(fā)酵的干香腸中，發(fā)現(xiàn)隨著魔芋替代品用量的增加，香腸的總脂肪含量下降，香腸的硬度和咀嚼性增加。在肉制品的脂肪替代物的研究中，多集中在對形成乳化體系肉制品中使用膠體、蛋白質(zhì)或植物油脂替代動物脂肪的研究[20-21]，而對于在加工過程中不形成乳化體系的肉制品的脂肪替代物研究相對較少。在這類制品中，動物脂肪替代物多要求以固體塊狀形式存在，且需其經(jīng)過熱加工過程不會發(fā)生形態(tài)及風(fēng)味的改變[22]。張根生等[23]使用魔芋膠、卡拉膠、菊粉等復(fù)配制成脂肪替代物并添加到哈爾濱紅腸中，雖然能降低肉制品的脂肪含量，但由于脂肪替代物的物理性能較差，造成整體感官品質(zhì)也有所下降。因此，從業(yè)者需要找到具有更好物理化學(xué)性質(zhì)的脂肪替代品模擬肉制品中的固體動物脂肪。本研究通過優(yōu)化篩選魔芋精粉、卡拉膠、大豆分離蛋白、乳清蛋白、明膠、水、碳酸鈉以及植物油等物質(zhì)的用量，在堿性環(huán)境中復(fù)配為熱不可逆凝膠塊模擬動物塊狀脂肪，并將其與豬背脂肪進行對比，以期其在肉制品中能作為固體動物脂肪的替代物而廣泛應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

食用植物調(diào)和油（金龍魚、益海嘉里）、豬背脂肪購于龍泉驛區(qū)永輝超市；魔芋精粉（食品級，KJ-30）湖北強森魔芋科技有限公司；卡拉膠（食品級） 煙臺精協(xié)海洋科技發(fā)展有限公司；大豆分離蛋白（食品級，SD-102） 山松生物制品有限公司；乳清蛋白（食品級，450速溶型） 新西蘭恒天然集團；明膠（食品級，凍力180） 河北天晟生物科技有限公司；碳酸鈉（食品級） 天津渤化永利化工股份有限公司；去離子水（食品級）為實驗室自制。

1.2 儀器與設(shè)備

SE602F電子天平 美國奧豪斯公司；85-2A恒溫數(shù)顯磁力攪拌器、HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋 上海力辰科技有限公司；電子數(shù)顯卡尺（精度0.02 mm） 德國美耐特公司；TMS-Pilot食品物性分析儀 美國FTC公司；CR-10PLUS色差儀 日本柯尼卡美能達（中國）有限公司；SIGMA HD場發(fā)射掃描電子顯微鏡 德國Zeiss公司。

1.3 方法

1.3.1 復(fù)配凝膠制備工藝

按照實驗設(shè)計稱量明膠并加入去離子水，在70 ℃條件下進行保溫溶脹30 min，均質(zhì)得到溶液A；稱量已經(jīng)在干燥狀態(tài)下預(yù)先充分混合的魔芋精粉和卡拉膠，并加入去離子水。在70 ℃條件下300 r/min攪拌溶解30 min，并經(jīng)均質(zhì)得到溶液B；稱量已經(jīng)在干燥狀態(tài)下預(yù)先充分混合的乳清蛋白和大豆分離蛋白，加入食用植物調(diào)和油。在室溫條件下300 r/min攪拌溶解30 min，并經(jīng)均質(zhì)得到溶液C；將A、B和C三種溶液混勻，在7 0 ℃、攪拌速率300 r/min條件下混勻60 min。然后加入已經(jīng)溶于去離子水的碳酸鈉，在85 ℃條件下充分混勻并保溫60 min；將保溫成型凝膠放入容器中，100 ℃條件隔水加熱60 min。取出后，將已經(jīng)凝固成形的制品放入流水中浸泡，進行脫堿脫色。

1.3.2 脂肪替代物收縮率和質(zhì)量損失率的測定

根據(jù)安攀宇[24]的方法，使用低溫烘烤的辦法模擬復(fù)配凝膠的失水過程，具體操作如下，將復(fù)配凝膠塊準(zhǔn)確切制為邊長均為15 mm的立方體，將其置于烘箱中在45 ℃烘烤150 min，分別于烘烤開始和結(jié)束時測定每個凝膠塊立方體的邊長并計算出體積，按照式（1）計算收縮率：

式中：V初始為凝膠立方體烘烤開始時體積/mm3；V烘后為凝膠立方體烘烤結(jié)束時體積/mm3。

用電子天平稱量每個凝膠塊立方體烘烤開始和結(jié)束時的質(zhì)量，按照式（2）計算質(zhì)量損失率：

式中：m初始為凝膠立方體烘烤開始時的質(zhì)量/g；m烘后為凝膠立方體烘烤結(jié)束時的質(zhì)量/g。

1.3.3 復(fù)配凝膠白度值的測定

參照魚糜制品白度值[25]的測定方法。將凝膠塊去除表皮后，切制成厚度為15 mm、邊長為40 mm的矩形薄片，用色差計進行測定。白度值W按照式（3）進行計算：

式中：L*為亮度；a*正值表示偏紅，負(fù)值表示偏綠；b*正值表示偏黃，負(fù)值表示偏藍(lán)。

1.3.4 復(fù)配凝膠質(zhì)構(gòu)的測定

將凝膠塊去除表皮后，使用自制的取樣器制備高度和直徑均為20 mm的圓柱形樣品，使用TMS-PRO型食品物性分析儀以TPA模式進行測量。測定參數(shù)為：探頭測試速率1 mm/s，壓縮比為70%，停留時間3 s，觸發(fā)力0.375 g，探頭型號為TMS 10 mm Steel小型圓柱形探頭。

1.3.5 復(fù)配凝膠Plackett-Burman試驗設(shè)計

根據(jù)前期單因素預(yù)試驗結(jié)果，對魔芋精粉、卡拉膠、大豆分離蛋白、乳清蛋白、明膠、植物油、水以及碳酸鈉的添加量共8 個因素進行考察，每個因素選取高低2 個水平，另設(shè)3 個虛擬列，設(shè)計實驗次數(shù)N=12的Plackett-Burman試驗，因素與水平見表1。

表1 Plackett-Burman試驗設(shè)計因素及水平Table 1 Plackett-Burman design in terms of coded and experimental data

1.3.6 復(fù)配凝膠最陡爬坡試驗設(shè)計

根據(jù)1.3.5節(jié)Plackett-Burman試驗結(jié)果和各種因素對響應(yīng)值的影響，設(shè)計了最陡爬坡試驗的方向和步長。按照一定梯度改變卡拉膠、乳清蛋白、水以及碳酸鈉的添加量，通過測量復(fù)配凝膠的硬度、感官彈性、咀嚼性、白度值、收縮率和質(zhì)量損失率，進而確定以上4 個因素的最適添加量。

1.3.7 復(fù)配凝膠Box-Behnken響應(yīng)面試驗設(shè)計

在1.3.6節(jié)試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，以卡拉膠、乳清蛋白、水以及碳酸鈉的添加量為自變量，通過Box-Behnken設(shè)計4因素3水平的響應(yīng)面試驗，再分別以復(fù)配凝膠的硬度、感官彈性、咀嚼性、白度值、收縮率和質(zhì)量損失率為響應(yīng)值，考察各因素對于響應(yīng)值的影響程度，試驗因素與水平見表2。

表2 Box-Behnken響應(yīng)面試驗設(shè)計因素與水平Table 2 Coded values and corresponding actual values of independent variables used for Box-Behnken design

1.3.8 復(fù)配凝膠掃描電鏡測定

將不同凝膠樣品置于-40 ℃低溫環(huán)境冷凍36 h，然后再進行真空冷凍干燥，凍干后的各凝膠樣品經(jīng)真空離子噴金，在掃描電鏡下觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1.3.9 中式香腸中復(fù)配凝膠替代豬背脂肪實驗

通過實驗得到的最優(yōu)配方制作復(fù)配凝膠，并作為脂肪替代物添加到中式香腸中，替代量為脂肪添加量的50%，將制得產(chǎn)品依據(jù)表3進行感官評定。

表3 中式香腸的感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Criteria for sensory evaluation of Chinese sausages

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Desgin-Expert 8.06軟件分析測試結(jié)果，以優(yōu)化每個因素的最佳添加量，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果進行驗證實驗。實驗數(shù)據(jù)采用Excel 2019、SPSS 22.0分析處理，Origin 2018進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)配凝膠Plackett-Burman試驗設(shè)計結(jié)果

由于復(fù)配凝膠作為塊狀脂肪的替代物，需要盡可能模擬脂肪的主要物理性能。因此，本研究選取硬度、感官彈性和咀嚼性等響應(yīng)值來察復(fù)配凝膠與脂肪質(zhì)構(gòu)的差異；選取白度值為響應(yīng)值考察復(fù)配凝膠與脂肪的色澤差異；選取在烘烤條件下的收縮率和質(zhì)量損失率考察復(fù)配凝膠與脂肪保水性能的差異。通過Plackett-Burman試驗，篩選出復(fù)配凝膠的各組分中對于影響其作為脂肪替代物的整體性能的關(guān)鍵因素。試驗設(shè)計結(jié)果及分析分別見表4和表5。

表4 Plackett-Burman試驗設(shè)計結(jié)果Table 4 Experimental results of Plackett-Burman design

表5 Plackett-Burman試驗設(shè)計方差分析Table 5 Analysis of variance of experimental results of Plackett-Burman design

從表5可以看出，本研究中的所有試驗?zāi)Ｐ投疾町愶@著（P＜0.05），表明每個模型的擬合度和可靠性都很高，適合于研究各組分因素對于響應(yīng)值的影響程度。其中X2（卡拉膠添加量）、X4（乳清蛋白添加量）、X7（水添加量）和X8（碳酸鈉添加量）4 個因素分別對各響應(yīng)值都存在顯著影響（P＜0.05）。因此選取以上4 個因素為主要影響因素，在下一步的試驗設(shè)計中繼續(xù)考察其最優(yōu)的水平范圍。對其余無顯著影響的因素，根據(jù)單因素試驗結(jié)果及正負(fù)效應(yīng)，確定復(fù)配凝膠中各組分的添加量為魔芋精粉6 g、明膠1.5 g、大豆分離蛋白1 g和植物油20 mL。

2.2 復(fù)配凝膠最陡爬坡試驗設(shè)計結(jié)果

表6 最陡爬坡試驗設(shè)計與結(jié)果Table 6 Steepest ascent design with experimental results

由表6可知，隨著水、乳清蛋白、碳酸鈉和卡拉膠等各組分添加量的增加，復(fù)配凝膠的感官彈性、咀嚼性、白度值均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，硬度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，而收縮率和質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先降后升的趨勢。由表6還可知，豬背脂肪的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)和色澤指標(biāo)均大于復(fù)配凝膠的表現(xiàn)，而保水性指標(biāo)小于復(fù)配凝膠的表現(xiàn)，因此，當(dāng)復(fù)配凝膠中各組分添加量分別為水270 mL、乳清蛋白1.25 g、碳酸鈉1.67 g和卡拉膠1.25 g時，其各項指標(biāo)評分均與對照組的豬背脂肪最為接近，說明該試驗組接近各組分的最佳響應(yīng)區(qū)間。因此，以該試驗組為下一步響應(yīng)面的中心試驗點，進行響應(yīng)面試驗。

2.3 復(fù)配凝膠Box-Behnken響應(yīng)面試驗設(shè)計結(jié)果

表7顯示了復(fù)配凝膠的Box-Behnken響應(yīng)面測試的結(jié)果，通過Design-Expert 8.06軟件進行多元回歸擬合，分別得到表述各因素對不同響應(yīng)值影響的二次多項式回歸方程如下：

硬度：Y1＝0.532 04+37.730 70A+20.855 40B-0.164 78C-9.817 79D-7.026 64AB+0.088 074AC+10.736 33AD+0.044 148BC+0.656 72BD-0.017 910CD-25.081 79A2-9.801 77B2+3.122 12×10-5C2-0.424 24D2

感官彈性：Y2＝237.580 28+242.091 11A+150.185 81B-2.134 13C-178.791 23D-26.266 40AB+0.860 74AC+92.437 9AD+0.219 26BC+36.417 91BD+1.658 37×103CD-212.884 60A2-87.884 40B2+1.168 18×10-3C2+2.403 43D2

咀嚼性：Y3＝18.255 51+42.966 10A+14.675 78B-0.289 83C-13.481 48D-4.693 32AB+0.065 185AC+12.825 85AD+9.407 33×103BC+6.696 54BD+5.638 31×103CD-27.484 46A2-8.211 10B2+3.204 39×10-4C2-4.053 13D2

白度值：Y4＝163.960 76+303.748 23A+140.426 84B-2.137 20C-119.971 07D-43.709 60AB+1.150 73AC+125.829 55AD+0.264 74BC+37.453 73BD+6.650 08×10-4CD-283.454 72A2-81.471 12B2+4.150 33×10-4C2-28.593 29D2

收縮率：Y5＝191.936 11+265.431 14A+166.794 18B-2.060 24C-166.444 05D-26.240 00AB+0.638 44AC+92.447 76AD+0.219 33BC+36.417 91BD+1.658 37×10-3CD-199.566 67A2-94.546 67B2+1.580 04×10-3C2-1.306 90D2

質(zhì)量損失率：Y6＝401.445 92+255.978 56A+31.798 71B-2.826 64C-198.827 96D-26.760 00AB+0.803 78AC+109.522 39AD+0.188 67BC+76.537 31BD+8.126 04×10-3CD-222.208 00A2-63.148 00B2+2.689 88×10-3C2-12.045 00D2

表7 Box-Behnken響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Table 7 Box-Behnken design with experimental results

由表8可知，各個模型的P值均小于0.01，表示模型對響應(yīng)值有極顯著影響，且失擬項P值均大于0.05（即不顯著），它表明每個模型都具有高度的擬合度，并且試驗誤差很小，模型能夠準(zhǔn)確描述各因素與響應(yīng)值之間的真實關(guān)系，即可以用各模型分別對復(fù)配凝膠的各項性能進行分析和預(yù)判。在響應(yīng)面分析中，回歸模型的確定系數(shù)越高，即所選因素對響應(yīng)值變化的影響越大[26]。本試驗中，各模型的確定系數(shù)R2均大于0.92，校正確定系數(shù)R2Adj均大于0.85，說明各模型中所選因素對于響應(yīng)值的變化影響較高，僅有較少量的變化不能使用模型進行解釋。本試驗中，各模型的信噪比均大于4，也說明各模型設(shè)計合理，可信度較高[27]。綜合以上分析，在本試驗中各個模型的置信度較高，能較好擬合響應(yīng)值與所選自變量的關(guān)系。

表8 Box-Behnken響應(yīng)面試驗方差分析Table 8 Analysis of variance of experimental results of Box-Behnken design

由表8還可知，A、C和AD3 個因素對各回歸模型影響均顯著（P＜0.05）；B對除以硬度為響應(yīng)值外的其余回歸模型影響均顯著（P＜0.05）；D對除以硬度和質(zhì)量損失率為響應(yīng)值外的其余回歸模型影響均顯著（P＜0.05）；AC對除以咀嚼性為響應(yīng)值外的其余回歸模型影響均顯著（P＜0.05）；BD僅對以質(zhì)量損失率為響應(yīng)值的回歸模型影響顯著（P＜0.05）。

2.4 復(fù)配凝膠因素相互作用和響應(yīng)面分析

2.4.1 兩因素交互作用對復(fù)配凝膠硬度的影響

圖1 兩因素交互作用對復(fù)配凝膠硬度影響的響應(yīng)面圖Fig. 1 Response surface plot showing the interactive effect of various factors on hardness of composite gels

圖2 兩因素交互作用對復(fù)配凝膠感官彈性影響的響應(yīng)面圖Fig. 2 Response surface plot showing the interactive effect of various factors on sensory elasticity of composite gels

圖3 卡拉膠和碳酸鈉添加量的交互作用對復(fù)配凝膠咀嚼性影響的響應(yīng)面圖Fig. 3 Response surface plot showing the interactive effects between various factors on chewiness of composite gels

由圖1～3可知，隨著卡拉膠添加量的增大，復(fù)配凝膠的各項質(zhì)構(gòu)性能指標(biāo)均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且存在有極高值點。而隨著水和碳酸鈉用量的增加，復(fù)配凝膠的硬度、感官彈性和咀嚼性均呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢。響應(yīng)面的3D曲面圖坡度較陡，也說明因素之間存在有交互作用，這與方差分析結(jié)果一致。

卡拉膠作為食品中常見的膠基添加劑，具有良好的凝膠性能，但有熱可逆性、保水能力較差和形成凝膠易破裂等問題，加工中常將屬于凝膠多糖類的卡拉膠與魔芋膠這類非凝膠類多糖按照一定比例進行復(fù)配，產(chǎn)生的協(xié)同增效作用可以提高卡拉膠的凝膠效果[28]。且由于卡拉膠分子存在硫酸酯基，其可以與蛋白質(zhì)分子中的氨基結(jié)合，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[29]，固復(fù)配凝膠配方中的卡拉膠可與乳清蛋白和大豆分離蛋白形成相對穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)。在本研究中，卡拉膠在堿性條件下與魔芋膠和乳清蛋白混合，可以極大提升復(fù)配凝膠的質(zhì)構(gòu)性能，使制作出的復(fù)配凝膠能較好地模擬出脂肪滑嫩、細(xì)膩的口感特性。然而隨著卡拉膠用量逐漸增加，復(fù)配凝膠強度的增長趨勢變得緩慢，以至超過某一閾值時，凝膠強度逐漸開始下降，原因可能是卡拉膠與體系中蛋白質(zhì)的結(jié)合已經(jīng)達到一種過飽和的狀況，因此，此時增加卡拉膠的用量對復(fù)合凝膠的質(zhì)地性能沒有影響。當(dāng)碳酸鈉的用量過大時體系的堿性變強，致使凝膠化以應(yīng)發(fā)生過快，凝膠的交聯(lián)網(wǎng)狀體系破裂、脫水和收縮，造成復(fù)配凝膠整體的質(zhì)構(gòu)性能降低[30]。由于卡拉膠中含有的硫酸酯基團能與水分子形成氫鍵，將游離的水“封閉”在復(fù)配凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，因此增大卡拉膠的用量能提高復(fù)配凝膠的質(zhì)構(gòu)性能。但由于復(fù)配凝膠中魔芋膠的用量固定，當(dāng)卡拉膠用量持續(xù)增大時，過多的卡拉膠無法與魔芋膠進行復(fù)配，而卡拉膠本身的凝膠性能相對于復(fù)配膠體較差，因此在復(fù)配凝膠中隨著卡拉膠的用量的增加，其質(zhì)構(gòu)性能指標(biāo)均出現(xiàn)先升后降的趨勢。

2.4.2 兩因素交互作用對復(fù)配凝膠白度值的影響

圖4 兩因素交互作用對復(fù)配凝膠白度值影響的響應(yīng)面圖Fig. 4 Response surface plot showing the interactive effect of various factors on whiteness value of composite gels

從圖4可以看出，復(fù)合凝膠的白度值隨著卡拉膠添加量的增加先增大后減小，并且存在最大值。而隨著水和碳酸鈉用量的增加，復(fù)配凝膠的白度值呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢。白度值表示物體表面白色的程度，動物體內(nèi)脂肪細(xì)胞多為白色或淺黃色，因此復(fù)配凝膠需要呈現(xiàn)出較大的白度值才能在色澤上更好的模擬動物脂肪。有大量研究表明[31-34]，相對于卡拉膠自身的吸水溶脹作用，將其與蛋白質(zhì)復(fù)配使用時能形成更為致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)致密，能使更多的光線發(fā)生以射，使凝膠的顏色更白，即白度值升高。本研究中，適量的卡拉膠與乳清蛋白、大豆分離蛋白以及魔芋膠進行充分復(fù)配，形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能提高復(fù)配凝膠的白度值。碳酸鈉的使用能增強體系的堿性，適量的OH-能使魔芋膠發(fā)生脫乙?；詰?yīng)而增強凝膠化，但過多的OH-也會使凝膠的顏色變黃[3]。隨著水的添加量增大，復(fù)配凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能捕獲大量的游離水分子，從而使凝膠的整體體積增大，此時凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)致密性降低，能吸收更多的光線，故凝膠的白度值隨著水用量的增大而降低。

2.4.3 兩因素交互作用對復(fù)配凝膠收縮率和質(zhì)量損失率的影響

圖5 兩因素交互作用對復(fù)配凝膠收縮率影響的響應(yīng)面圖Fig. 5 Response surface diagram showing the interactive effect of interaction of various factors on shrinkage rate of composite gels

圖6 兩因素交互作用對復(fù)配凝膠質(zhì)量損失率影響的響應(yīng)面圖Fig. 6 Response surface plot showing the interactive effect of various factors on mass loss percentage of composite gels

由圖5、6可知，隨著卡拉膠添加量的增加，復(fù)合凝膠的收縮率和質(zhì)量損失率都先增加后減小，并且存在最大值。而隨著水和碳酸鈉用量的增加，復(fù)配凝膠的保水性指標(biāo)均呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢。隨著乳清蛋白用量的增加，復(fù)配凝膠的質(zhì)量損失率基本保持不變。復(fù)配凝膠中碳酸鈉的使用，一方面可以提供OH-使魔芋膠發(fā)生凝膠作用，但另一方面也提供了大量的陽離子中和了卡拉膠中的陰離子，使卡拉膠“捕獲”自由水的能力減弱，因此凝膠出現(xiàn)持水力減弱的情況[35]。

2.5 復(fù)配凝膠最佳配方的確定及驗證實驗

為了使復(fù)配凝膠能較好的模擬脂肪的各項物性，本研究以復(fù)配凝膠的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)、色澤指標(biāo)和保水性指標(biāo)為響應(yīng)值，根據(jù)2.2節(jié)對于豬背脂肪的測定結(jié)果（表6），設(shè)定復(fù)配凝膠硬度的目標(biāo)為17 N（即豬背脂肪硬度測定值），收縮率和質(zhì)量損失率的目標(biāo)分別為12.07%和11.39%（即豬背脂肪測定值），感官彈性的目標(biāo)范圍值在50%～53%之間，咀嚼性的目標(biāo)范圍值在3～5 mJ之間，白度值的目標(biāo)范圍在50～60之間，再通過Desgin-Expert 8.06軟件優(yōu)化預(yù)測得到作為脂肪替代物的復(fù)配凝膠的最優(yōu)配方。

在本研究中，由于作為脂肪替代物的復(fù)配凝膠的最優(yōu)配方中的各項取值最終結(jié)果均為定值，為制備方便，將配方中的各項換算為相應(yīng)的質(zhì)量比例，故得到最終結(jié)果為復(fù)配凝膠配方中各物料的質(zhì)量比例形式：卡拉膠-乳清蛋白-水-碳酸鈉-魔芋精粉-明膠-大豆分離蛋白-植物油=1.19∶1∶254.52∶2∶6∶1.5∶1∶18.4，其中水和植物油質(zhì)量濃度分別為1、0.92 g/mL。驗證實驗按照該配方進行，結(jié)果如表9所示。

表9 驗證實驗結(jié)果Table 9 Results of validation experiments

由表9可知，按照軟件優(yōu)化得到的配方制作復(fù)配凝膠進行驗證實驗，經(jīng)過3 次平行實驗的響應(yīng)指標(biāo)實測值與預(yù)測值接近，各響應(yīng)指標(biāo)與預(yù)測值的相對誤差均在可允許誤差5%范圍之內(nèi)。由此可知，此響應(yīng)面模型對于復(fù)配凝膠的配方優(yōu)化是可行的，此實驗方法具有較高的準(zhǔn)確性，通過該方法，可以獲得作為脂肪替代物的復(fù)配凝膠的最佳配方。

2.6 復(fù)配凝膠掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)分析

圖7 樣品掃描電鏡圖Fig. 7 Scanning electron micrographs of pure and composite gels

本研究中復(fù)配凝膠的配方主要以蛋白質(zhì)和多糖類物質(zhì)為主，因此選擇配方中具有代表性的蛋白質(zhì)類（大豆分離蛋白）和多糖類（魔芋精粉）分別制作凝膠，并與作為脂肪替代物的復(fù)配凝膠進行對比觀察。由圖7可知，不同類型凝膠的微觀結(jié)構(gòu)差異較大，其中大豆分離蛋白凝膠（圖7A0）和魔芋精粉凝膠（圖7B0）形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)空洞較多，而復(fù)配凝膠（圖7C0）的微觀結(jié)構(gòu)基本沒有空隙存在。盡管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的空隙可以將水分子“捕獲”，但由于此類固化水分子的鍵能相對較弱[36-38]，在某些情況下水分子也較容易掙脫束縛，造成凝膠的失水。而復(fù)配凝膠的微觀結(jié)構(gòu)（圖7C0、C1）呈現(xiàn)一種表面皺褶較多，但斷面基本無空洞的情況，這使水分子在參與形成凝膠的過程中，能被封閉在皺褶結(jié)構(gòu)的間隙中，從而提高了凝膠的保水性能。另外，由圖7還可以看出，大豆分離蛋白凝膠為多片層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且空洞較多，魔芋精粉凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松散且空隙較大，但復(fù)配凝膠的微觀結(jié)構(gòu)為多皺褶的致密三維封閉結(jié)構(gòu)，綜合了以上二者凝膠結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。造成這樣的原因可能是因為蛋白質(zhì)與多糖之間互相纏繞、包裹，使得網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間的空隙變小、空洞封閉，這樣的微觀結(jié)構(gòu)能提高凝膠的機械性能[39]，同時也使得復(fù)配凝膠的各項物性指標(biāo)相對于其他凝膠更接近于真實動物脂肪（豬背脂肪）。

2.7 中式香腸中脂肪替代物應(yīng)用結(jié)果

圖8 豬背脂肪和復(fù)配凝膠對比圖Fig. 8 Comparison between pig back fat and composite gel

圖9 復(fù)配凝膠對中式香腸感官評分的影響Fig. 9 Effect of composite gel on sensory score of Chinese sausage

圖10 復(fù)配凝膠對中式香腸外觀的影響Fig. 10 Effect of composite gel on appearance of Chinese sausage

如圖8所示，按照最優(yōu)配方制作的復(fù)配凝膠與豬背脂肪在外觀、色澤等方面較為相似。由圖9、10可知，添加了復(fù)配凝膠的中式香腸與空白對照組在外觀、色澤、組織狀態(tài)、口感和風(fēng)味等感官評分方面，均無顯著性差異（P＞0.05）。而替代組的脂肪含量相對于空白對照組降低了50%，說明通過前期實驗結(jié)果制備的作為脂肪替代物的復(fù)配凝膠，能在肉制品中較好地模擬動物脂肪的各項性能，通過將其添加到產(chǎn)品中能真正達到“降脂不降質(zhì)”[40]的目的。

3 結(jié) 論

本研究通過Plackett-Burman設(shè)計，最陡爬坡試驗和Box-Behnken響應(yīng)面法對作為脂肪替代物的復(fù)配凝膠的配方進行優(yōu)化設(shè)計，研究魔芋精粉、卡拉膠、大豆分離蛋白、乳清蛋白、明膠、植物油、水以及碳酸鈉的添加量8 個因素，對復(fù)配凝膠的質(zhì)構(gòu)性能、色澤性能和保水性能的影響。首先，通過Plackett-Burman試驗，篩選出配方中的卡拉膠、乳清蛋白、水和碳酸鈉的添加量為4 個關(guān)鍵因素，它們對復(fù)配凝膠的各項品質(zhì)指標(biāo)均有顯著性影響，然后通過最陡爬坡試驗和Box-Behnken響應(yīng)面試驗建立了這4 種物料的添加量與各響應(yīng)值之間的回歸模型。通過軟件優(yōu)化得到復(fù)配凝膠配方中各物料之間的質(zhì)量比例為，卡拉膠-乳清蛋白-水-碳酸鈉-魔芋精粉-明膠-大豆分離蛋白-植物油=1.19∶1∶254.52∶2∶6∶1.5∶1∶18.4。經(jīng)驗證實驗，得知按此配方制得的復(fù)配凝膠作為脂肪替代物加入到中式香腸中，在保證產(chǎn)品感官品質(zhì)不降低的前提下，極大降低了中式香腸的脂肪含量。綜上所述，通過本研究制得的復(fù)配凝膠能較好的模擬動物脂肪的各項物理性能，且能良好運用于中式肉制品的實際生產(chǎn)中，為低脂肉制品的開發(fā)提供了一定的理論參考價值。

本研究中，針對作為脂肪替代物的復(fù)配凝膠的配方由于存在因素較多的情況，故而先采用Plackett-Burman試驗設(shè)計，根據(jù)各因素對于復(fù)配凝膠的物性影響大小進行重要性篩選，找出主要作用因素；再使用最陡爬坡試驗和Box-Behnken響應(yīng)面法，找出這些主要作用因素在復(fù)配凝膠配方中的最適添加量，進而確定出制作復(fù)配凝膠的最優(yōu)配方。通過以上3 步試驗設(shè)計內(nèi)容，可使用較少的試驗量在眾多因素中快速尋找到最優(yōu)配方。本研究中的實驗設(shè)計是通過使用先“定性”即因素重要性，后“定量”即因素添加量的研究方法，后期驗證實驗表明本設(shè)計可靠、實驗方法科學(xué)合理，且按照最優(yōu)配方制作的復(fù)配凝膠在中式香腸中亦能較好替代豬背脂肪。