Plackett-Burman试验设计联用Box-Behnken响应面法优化脂肪替代物...

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Plackett-Burman试验设计联用Box-Behnken响应面法优化脂肪替代物的制备Plackett-Burman试验设计联用Box-Behnken响应面法优化脂肪替代物的制备

安攀宇1，汪静心2，肖 岚1，李燮昕1，李 维1，梁欣梅1

（1.四川旅游学院食品学院，四川 成都 610100；2.成都纺织高等专科学校，四川 成都 611731）

摘 要：为改善作为脂肪替代物的复配凝胶的品质，运用Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验结合Box-Behnken响应面法对影响复配凝胶品质的配方参数进行优化。首先用Plackett-Burman试验设计对影响复配凝胶品质的8 个因素进行评价，筛选出具有显著效应的4 个因素：卡拉胶、乳清蛋白、水及碳酸钠的添加量；然后用最陡爬坡试验逼近最大响应区域；最后采用响应面法确定了各影响因素在最佳配方中的质量比例为卡拉胶-乳清蛋白-水-碳酸钠-魔芋精粉-明胶-大豆分离蛋白-植物油=1.19∶1∶254.52∶2∶6∶1.5∶1∶18.4。由验证实验可知，优化配方制得复配凝胶的硬度为6.96 N，感官弹性为49.41%，咀嚼性为4.14 mJ，白度值为49.44，收缩率为48.33%，质量损失率为45.77%，相对误差在0.85%～1.7%之间，与预测值接近。结果表明：Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验结合响应面法可以很好地对复配凝胶的配方参数进行优化，且制备的复配凝胶能较好地模拟中式香肠中的动物脂肪。

关键词： 脂肪替代物；Plackett-Burman设计；配方优化；响应面法

由甘油和脂肪酸组成的脂肪，以三酰甘油酯的形式广泛存在于各类食品中，能承载脂溶性维生素，是人类膳食组成中重要的营养及供能物质[1]。在食品工业中，脂肪的添加能够使食品口感细腻润滑、风味独特并形成特定的组织状态[2]。在常温下，动物脂肪常以固态微颗粒状态存在，其在肉制品加工中的作用尤为重要[3]。Álvarez等[4]研究发现，动物脂肪大量存在于加工肉制品中，能提高产品的保水性，降低蒸煮损失，改善口感，使产品形成良好风味及质地。但动物脂肪中由于含有大量的饱和脂肪酸，膳食中过度摄入则容易诱发多种心脑血管疾病[5-7]。世界卫生组织根据相关研究结果[8]也早在2013年就建议人们尽量选择低动物脂肪饮食，以消除饱和脂肪酸对于人体健康潜在的威胁。但如果单纯降低加工肉制品中的脂肪含量，会使肉制品保水性降低，口感也会变的粗糙、干硬，从而降低了人们对产品的消费欲望[9]。因此，在肉制品加工中如何在降低脂肪含量的同时，又能维持成品良好的感官品质，成为从业者迫切需要解决的问题[10-12]。

为了满足消费者的需求，适用于各类不同产品的脂肪替代物的开发及应用成为近年来的研究热点[13-14]。肉类制品中的动物脂肪替代物多以碳水化合物、蛋白质和植物油脂为基质，通过使用物理、化学的方法进行改性，添加到产品中以期模拟脂肪的部分或全部特性，使产品达到“降脂不降质”的目的[15]。国内外对此已有大量研究和探索，如Serdaroğlu等[16]研究发现，在乳化肉丸中加入乳清蛋白，在提高持油性的同时并不会降低肉丸的感官品质。El-Magoli等[17]研究发现，添加了乳清蛋白的牛肉饼经过TPA测试得到咀嚼度变大，硬度和弹性基本不变的结果。Marek等[18]发现在肉制品中使用卡拉胶替代部分脂肪，能显著降低肉制品的蒸煮损失和贮藏期间内的减重情况。Ruizcapillas等[19]将魔芋胶加入发酵的干香肠中，发现随着魔芋替代品用量的增加，香肠的总脂肪含量下降，香肠的硬度和咀嚼性增加。在肉制品的脂肪替代物的研究中，多集中在对形成乳化体系肉制品中使用胶体、蛋白质或植物油脂替代动物脂肪的研究[20-21]，而对于在加工过程中不形成乳化体系的肉制品的脂肪替代物研究相对较少。在这类制品中，动物脂肪替代物多要求以固体块状形式存在，且需其经过热加工过程不会发生形态及风味的改变[22]。张根生等[23]使用魔芋胶、卡拉胶、菊粉等复配制成脂肪替代物并添加到哈尔滨红肠中，虽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较差，造成整体感官品质也有所下降。因此，从业者需要找到具有更好物理化学性质的脂肪替代品模拟肉制品中的固体动物脂肪。本研究通过优化筛选魔芋精粉、卡拉胶、大豆分离蛋白、乳清蛋白、明胶、水、碳酸钠以及植物油等物质的用量，在碱性环境中复配为热不可逆凝胶块模拟动物块状脂肪，并将其与猪背脂肪进行对比，以期其在肉制品中能作为固体动物脂肪的替代物而广泛应用。

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1 材料与方法1.1 材料与试剂

食用植物调和油（金龙鱼、益海嘉里）、猪背脂肪购于龙泉驿区永辉超市；魔芋精粉（食品级，KJ-30）湖北强森魔芋科技有限公司；卡拉胶（食品级） 烟台精协海洋科技发展有限公司；大豆分离蛋白（食品级，SD-102） 山松生物制品有限公司；乳清蛋白（食品级，450速溶型） 新西兰恒天然集团；明胶（食品级，冻力180） 河北天晟生物科技有限公司；碳酸钠（食品级） 天津渤化永利化工股份有限公司；去离子水（食品级）为实验室自制。

5.3 去雄。为节省养分，将有限的养分集中供给植株生长发育，因此，玉米拔除多余分蘖应及早进行，以降低养分损耗，同时还可以避免损伤主茎。玉米去雄可减少植株体内的营养消耗，促使光合产物和矿物营养向雌穗输送，使穗大、粒多、子饱。去雄后，一般可增产10%左右。人工辅助授粉可减少秃顶、缺粒，一般可增产8%～10%。在玉米进入蜡熟末期，扒开玉米果穗苞叶，以促进玉米早熟，进行田间降水，提高玉米品质。

1.2 仪器与设备

SE602F电子天平 美国奥豪斯公司；85-2A恒温数显磁力搅拌器、HH-6数显恒温水浴锅 上海力辰科技有限公司；电子数显卡尺（精度0.02 mm） 德国美耐特公司；TMS-Pilot食品物性分析仪 美国FTC公司；CR-10PLUS色差仪 日本柯尼卡美能达（中国）有限公司；SIGMA HD场发射扫描电子显微镜 德国Zeiss公司。

1.3 方法

1.3.1 复配凝胶制备工艺

研究生师生关系主要包括教育关系、心理关系、伦理关系。教育关系是师生关系的核心，表现为导师与研究生的教学指导关系。心理关系是师生为完成共同的教学任务而产生的心理交往和情感交流。伦理关系处于师生关系体系中的最高层次，表现为导师与研究生构成一个特殊的道德共同体，各自承担和履行一定的伦理责任和伦理义务。当前研究生师生关系在上述各个层面均出现了不同程度的异化和失衡。

按照实验设计称量明胶并加入去离子水，在70 ℃条件下进行保温溶胀30 min，均质得到溶液A；称量已经在干燥状态下预先充分混合的魔芋精粉和卡拉胶，并加入去离子水。在70 ℃条件下300 r/min搅拌溶解30 min，并经均质得到溶液B；称量已经在干燥状态下预先充分混合的乳清蛋白和大豆分离蛋白，加入食用植物调和油。在室温条件下300 r/min搅拌溶解30 min，并经均质得到溶液C；将A、B和C三种溶液混匀，在7 0 ℃、搅拌速率300 r/min条件下混匀60 min。然后加入已经溶于去离子水的碳酸钠，在85 ℃条件下充分混匀并保温60 min；将保温成型凝胶放入容器中，100 ℃条件隔水加热60 min。取出后，将已经凝固成形的制品放入流水中浸泡，进行脱碱脱色。

采用SPSS 19.0统计学软件对数据进行处理，计量资料以“±s”表示，采用t检验；计数资料以百分数（%）表示，采用x2检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

1.3.2 脂肪替代物收缩率和质量损失率的测定

根据安攀宇[24]的方法，使用低温烘烤的办法模拟复配凝胶的失水过程，具体操作如下，将复配凝胶块准确切制为边长均为15 mm的立方体，将其置于烘箱中在45 ℃烘烤150 min，分别于烘烤开始和结束时测定每个凝胶块立方体的边长并计算出体积，按照式（1）计算收缩率：

   

式中：V初始为凝胶立方体烘烤开始时体积/mm3；V烘后为凝胶立方体烘烤结束时体积/mm3。

用电子天平称量每个凝胶块立方体烘烤开始和结束时的质量，按照式（2）计算质量损失率：

   

式中：m初始为凝胶立方体烘烤开始时的质量/g；m烘后为凝胶立方体烘烤结束时的质量/g。

1.3.3 复配凝胶白度值的测定

参照鱼糜制品白度值[25]的测定方法。将凝胶块去除表皮后，切制成厚度为15 mm、边长为40 mm的矩形薄片，用色差计进行测定。白度值W按照式（3）进行计算：

   

式中：L*为亮度；a*正值表示偏红，负值表示偏绿；b*正值表示偏黄，负值表示偏蓝。

1.3.4 复配凝胶质构的测定

将凝胶块去除表皮后，使用自制的取样器制备高度和直径均为20 mm的圆柱形样品，使用TMS-PRO型食品物性分析仪以TPA模式进行测量。测定参数为：探头测试速率1 mm/s，压缩比为70%，停留时间3 s，触发力0.375 g，探头型号为TMS 10 mm Steel小型圆柱形探头。

1.3.5 复配凝胶Plackett-Burman试验设计

硼酸混合溶液：取0.05 mol/l硼酸钠溶液1 000 ml，加0.2 mol/l硼酸溶液10 ml。取上述溶液-水-乙醇（1∶1∶2），混合，摇匀，即得。临用前配制。

根据前期单因素预试验结果，对魔芋精粉、卡拉胶、大豆分离蛋白、乳清蛋白、明胶、植物油、水以及碳酸钠的添加量共8 个因素进行考察，每个因素选取高低2 个水平，另设3 个虚拟列，设计实验次数N=12的Plackett-Burman试验，因素与水平见表1。

表1 Plackett-Burman试验设计因素及水平
Table 1 Plackett-Burman design in terms of coded and experimental data

     

油/mL X7水/mL X8碳酸钠/g 1 1（7.5） 1（1.5） -1（1.0） 1（1.5） 1（1.5） 1（20） -1（270） -1（1.33）2 -1（6.0） -1（1.0） -1 1 -1（1.0） 1 1（405） -1 3 1 1 -1 -1（1.0） -1 1 -1 1（2）4 1 1 1（1.5） -1 -1 -1（30） 1 -1 5 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 6 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 7 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 8 -1 1 -1 1 1 -1 1 1 9 -1 1 1 -1 1 1 1 -1 10 1 -1 1 1 -1 1 1 1 11 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 12 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1试验号因素X1魔芋精粉/g X2卡拉胶/g X3大豆分离蛋白/g X4乳清蛋白/g X5明胶/g X6植物

1.3.6 复配凝胶最陡爬坡试验设计

根据1.3.5节Plackett-Burman试验结果和各种因素对响应值的影响，设计了最陡爬坡试验的方向和步长。按照一定梯度改变卡拉胶、乳清蛋白、水以及碳酸钠的添加量，通过测量复配凝胶的硬度、感官弹性、咀嚼性、白度值、收缩率和质量损失率，进而确定以上4 个因素的最适添加量。

1.3.7 复配凝胶Box-Behnken响应面试验设计

共建，也促进了诸多难点问题的解决。西江沿岸各市大力推进解决水上难点问题，取得明显进展。如肇庆、云浮市开展非法码头、水上餐饮设施和非法采砂的清理整治，取缔、拆解了一批非法码头和餐饮设施，打掉一大批非法采砂点，形成强大的威慑力。

在1.3.6节试验结果的基础上，以卡拉胶、乳清蛋白、水以及碳酸钠的添加量为自变量，通过Box-Behnken设计4因素3水平的响应面试验，再分别以复配凝胶的硬度、感官弹性、咀嚼性、白度值、收缩率和质量损失率为响应值，考察各因素对于响应值的影响程度，试验因素与水平见表2。

表2 Box-Behnken响应面试验设计因素与水平
Table 2 Coded values and corresponding actual values of independent variables used for Box-Behnken design

     

D碳酸钠添加量/g-1 1 1 225 1.33 0 1.25 1.25 270 1.67 1 1.5 1.5 315 2水平因素A卡拉胶添加量/g B乳清蛋白添加量/g C水添加量/mL

1.3.8 复配凝胶扫描电镜测定

为了克服复杂地段场地空间狭小的难题，实现高架桥、市政道路、地铁车站三者最优化组合，经综合比选，确认方案三为最优方案。

将不同凝胶样品置于-40 ℃低温环境冷冻36 h，然后再进行真空冷冻干燥，冻干后的各凝胶样品经真空离子喷金，在扫描电镜下观察内部结构。

1.3.9 中式香肠中复配凝胶替代猪背脂肪实验

通过实验得到的最优配方制作复配凝胶，并作为脂肪替代物添加到中式香肠中，替代量为脂肪添加量的50%，将制得产品依据表3进行感官评定。

对于“女佛山后寺萧涧秋”寄来的信,个个奇怪,连阿荣和学生。看完信后,陶慕侃“怅怅”,“他失望地将信交给陶岚,陶岚发抖地读了一遍,默了一忽,眼含泪说:‘哥哥,请你到上海去找萧先生回来。’”

表3 中式香肠的感官评分标准
Table 3 Criteria for sensory evaluation of Chinese sausages

     

指标 评价标准 得分外观外观完整且均匀；干燥后自然收缩；无黏液、无破损 8～10外观较完整，但不均匀；干燥后自然收缩稍显严重；表面有少量黏液和破损 4～7外观不完整且不均匀；干燥后自然收缩严重；表面有黏液和破损 1～3色泽呈产品固有的色泽，瘦肉呈红色，脂肪白色 8～10产品固有色泽较暗，瘦肉呈枣红色，脂肪白色且略微发黄 4～7产品固有色泽暗淡，瘦肉呈灰红色，脂肪发黄 1～3组织状态切面整齐，组织紧密，有弹性，无空洞 8～10切面较整齐，组织紧密性和弹性一般，无空洞但有少量裂痕 4～7切面不整齐，组织紧密性和弹性差，空洞和裂痕多 1～3口感肉质细嫩；咸淡适中 8～10肉质较硬；咸淡分布不均 4～7肉质发硬；过咸或过淡 1～3风味肉脂香味浓厚，无其他异味 8～10肉脂香味一般，有少许异味 4～7难以闻到肉脂香味，异味严重 1～3

1.4 数据处理

使用Desgin-Expert 8.06软件分析测试结果，以优化每个因素的最佳添加量，并根据预测结果进行验证实验。实验数据采用Excel 2019、SPSS 22.0分析处理，Origin 2018进行作图。

2 结果与分析2.1 复配凝胶Plackett-Burman试验设计结果

由于复配凝胶作为块状脂肪的替代物，需要尽可能模拟脂肪的主要物理性能。因此，本研究选取硬度、感官弹性和咀嚼性等响应值来察复配凝胶与脂肪质构的差异；选取白度值为响应值考察复配凝胶与脂肪的色泽差异；选取在烘烤条件下的收缩率和质量损失率考察复配凝胶与脂肪保水性能的差异。通过Plackett-Burman试验，筛选出复配凝胶的各组分中对于影响其作为脂肪替代物的整体性能的关键因素。试验设计结果及分析分别见表4和表5。

表4 Plackett-Burman试验设计结果
Table 4 Experimental results of Plackett-Burman design

     

试验号 硬度/N 感官弹性/%咀嚼性/mJ白度值收缩率/%质量损失率/%1 5.49 55.09 0.54 53.08 58.28 53.28 2 4.30 45.79 0.42 42.22 48.28 43.28 3 5.75 49.59 0.47 47.58 52.06 47.06 4 4.73 37.39 0.43 42.31 40.31 35.31 5 5.35 49.97 0.46 46.65 52.28 47.28 6 5.23 50.03 0.49 48.82 53.77 48.77 7 5.11 51.04 0.49 48.76 54.64 49.64 8 4.26 39.85 0.38 38.96 42.64 37.64 9 3.93 37.10 0.47 46.48 32.78 35.78 10 4.64 44.95 0.38 38.55 47.1 42.1 11 4.22 38.91 0.38 37.77 41.44 36.44 12 5.06 48.76 0.47 47.81 51.24 46.24

表5 Plackett-Burman试验设计方差分析
Table 5 Analysis of variance of experimental results of Plackett-Burman design

     

注：**.差异极显著（P＜0.01）；*.差异显著（P＜0.05），下同。

硬度 感官弹性 咀嚼性 白度值 收缩率 质量损失率模型 0.036 0* 0.012 3* 0.036 3* 0.015 1* 0.044 4* 0.011 0*X1 0.058 7 0.537 9 0.871 3 0.566 3 0.323 4 0.567 7 X2 0.534 4 0.193 0 0.071 7 0.037 5* 0.249 8 0.346 2 X3 0.403 5 0.140 9 0.327 1 0.228 4 0.206 2 0.236 9 X4 0.982 3 0.015 2* 0.740 2 0.706 7 0.034 9* 0.011 9*X5 0.091 9 0.168 8 0.355 0 0.208 5 0.220 7 0.270 9 X6 0.715 5 0.066 7 0.110 1 0.062 7 0.654 6 0.079 4 X7 0.003 4**0.001 2**0.004 6**0.001 7**0.005 1** 0.001 0**X8 0.996 4 0.678 8 0.031 0* 0.018 4* 0.740 5 0.414 1方差来源P值

从表5可以看出，本研究中的所有试验模型都差异显著（P＜0.05），表明每个模型的拟合度和可靠性都很高，适合于研究各组分因素对于响应值的影响程度。其中X2（卡拉胶添加量）、X4（乳清蛋白添加量）、X7（水添加量）和X8（碳酸钠添加量）4 个因素分别对各响应值都存在显著影响（P＜0.05）。因此选取以上4 个因素为主要影响因素，在下一步的试验设计中继续考察其最优的水平范围。对其余无显著影响的因素，根据单因素试验结果及正负效应，确定复配凝胶中各组分的添加量为魔芋精粉6 g、明胶1.5 g、大豆分离蛋白1 g和植物油20 mL。

2.2 复配凝胶最陡爬坡试验设计结果

表6 最陡爬坡试验设计与结果
Table 6 Steepest ascent design with experimental results

     

试验号 水/mL 乳清质量损失率/%1 180 0.75 1 0.75 5.26 45.85 0.37 42.31 54. 67 52.53 2 225 1 1.33 1 5.13 50.22 0.43 47.33 48.76 42.46 3 270 1.25 1.67 1.25 4.97 52.06 0.49 51.76 42.56 38.77 4 315 1.5 2 1.5 4.33 41.75 0.46 49.72 50. 28 43.64 5 360 1.75 2.33 1.75 3.93 39.24 0.46 48.96 53.96 51.10猪背脂肪 17.02 52.17 4.73 56.39 12.07 11.39蛋白/g碳酸钠/g卡拉胶/g硬度/N 感官弹性/%性/mJ 白度值 收缩率/%咀嚼

由表6可知，随着水、乳清蛋白、碳酸钠和卡拉胶等各组分添加量的增加，复配凝胶的感官弹性、咀嚼性、白度值均呈现出先升高后降低的趋势，硬度呈现逐渐下降的趋势，而收缩率和质量损失率呈现出先降后升的趋势。由表6还可知，猪背脂肪的质构指标和色泽指标均大于复配凝胶的表现，而保水性指标小于复配凝胶的表现，因此，当复配凝胶中各组分添加量分别为水270 mL、乳清蛋白1.25 g、碳酸钠1.67 g和卡拉胶1.25 g时，其各项指标评分均与对照组的猪背脂肪最为接近，说明该试验组接近各组分的最佳响应区间。因此，以该试验组为下一步响应面的中心试验点，进行响应面试验。

传统乳液聚合过程为乳化剂分子形成胶束,胶束中溶解有单体,水相内水性引发剂分解生成自由基,然后与零散的单体反应生成的短链自由基进入增溶胶束,引发聚合,最终在胶束内形成聚合物.

2.3 复配凝胶Box-Behnken响应面试验设计结果

表7显示了复配凝胶的Box-Behnken响应面测试的结果，通过Design-Expert 8.06软件进行多元回归拟合，分别得到表述各因素对不同响应值影响的二次多项式回归方程如下：

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

对照组患者选择常规护理干预，观察组患者选择早期康复护理，具体内容主要为：（1）基础护理，密切观察患者生命体征的变化，维持肢体的功能位；（2）功能训练，根据患者具体病情选择针对性的体位，指导患者定期进行体位变化，2 h翻身一次，由被动运动逐渐变为主动运动。关节的锻炼时间为10 min，3～5次/d；（3）精细功能的锻炼，指导患者完成摩擦毛巾、手指板分离、键盘锻炼、写字等，加强患者的手指功能。

感官弹性：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

2015年，国务院印发《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》，对高等教育和“双一流”建设提出深化产教融合明确要求。2017年10月18日，党在十九大报告中提出了“深化产教融合、校企合作”。由此可见，产教融合、协同育人已成为未来我国高等教育培养创新型人才、技能型人才的一项重要方针，为各类学科、专业综合改革指明了方向。

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

收缩率：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

质量损失率：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响应面试验设计与结果
Table 7 Box-Behnken design with experimental results

     

试验号 A卡拉胶添加量质量损失率/%1 -1 0 1 0 2.90 19.87 3.00 18.81 29.87 26.15 2 0 0 -1 -1 9.48 79.67 7.62 74.50 79.67 77.47 3 1 0 1 0 9.23 72.30 7.26 78.40 72.30 79.67 4 -1 1 0 0 5.59 39.90 3.15 39.64 39.90 38.43 5 1 -1 0 0 8.34 60.43 6.70 60.98 60.43 62.29 6 1 0 -1 0 9.57 75.73 7.92 71.63 75.73 77.70 7 0 0 0 0 9.12 71.17 7.84 79.06 71.17 72.25 8 0 0 0 0 8.93 69.33 6.42 67.88 69.33 65.57 9 0 0 -1 1 8.59 65.87 6.84 64.95 65.87 67.66 10 0 0 1 -1 9.40 74.00 7.11 71.07 74.00 73.33 11 1 0 0 1 9.84 78.37 7.01 74.53 78.37 74.97 12 -1 -1 0 0 3.63 28.27 1.73 29.18 28.27 26.17 13 0 1 0 1 7.11 71.07 7.24 70.41 71.07 78.42 14 0 1 1 0 8.90 65.97 6.83 69.58 65.97 69.30 15 -1 0 0 1 4.38 29.80 1.03 22.48 29.80 25.26 16 0 -1 -1 0 9.09 70.90 7.19 73.41 70.90 72.80 17 0 0 1 1 7.43 60.30 6.66 61.56 60.30 64.01 18 0 1 0 -1 8.59 65.90 6.47 69.85 65.90 60.27 19 0 0 0 0 8.99 69.93 6.72 69.24 69.93 68.57 20 0 1 -1 0 8.33 73.27 7.97 79.61 73.27 77.45 21 0 0 0 0 8.07 60.67 6.03 69.52 60.67 61.37 22 0 -1 0 -1 9.14 61.43 6.47 69.35 61.43 62.62 23 0 -1 1 0 7.67 53.73 5.63 51.47 53.73 56.16 24 -1 0 0 -1 6.82 49.23 4.32 50.23 49.23 47.75 25 1 1 0 0 8.55 65.50 6.95 60.52 65.50 67.86 26 0 0 0 0 9.03 70.30 7.81 77.97 70.30 71.17 27 0 -1 0 1 7.44 54.40 4.99 57.36 54.40 55.13 28 -1 0 -1 0 7.20 62.03 6.59 63.82 62.03 60.35 29 1 0 0 -1 8.68 66.83 6.01 60.13 66.83 60.77 B乳清蛋白添加量C水D碳酸钠性/mJ 白度值 收缩率/%添加量 硬度/N 感官弹性/%咀嚼添加量

由表8可知，各个模型的P值均小于0.01，表示模型对响应值有极显著影响，且失拟项P值均大于0.05（即不显著），它表明每个模型都具有高度的拟合度，并且试验误差很小，模型能够准确描述各因素与响应值之间的真实关系，即可以用各模型分别对复配凝胶的各项性能进行分析和预判。在响应面分析中，回归模型的确定系数越高，即所选因素对响应值变化的影响越大[26]。本试验中，各模型的确定系数R2均大于0.92，校正确定系数R2Adj均大于0.85，说明各模型中所选因素对于响应值的变化影响较高，仅有较少量的变化不能使用模型进行解释。本试验中，各模型的信噪比均大于4，也说明各模型设计合理，可信度较高[27]。综合以上分析，在本试验中各个模型的置信度较高，能较好拟合响应值与所选自变量的关系。

护理前两组血糖餐前餐后监测状况、酸中毒症状积分、生存质量接近（P＞0.05）；护理后综合护理干预组血糖餐前餐后监测状况、酸中毒症状积分、生存质量的改善幅度更大（P＜0.05）。见表 2。

针对以上现状，笔者从2013年开始，选定西乡大岭沟、勉县吴家湾、南郑陈村和黎坪、略阳接官亭和白雀寺等地大樱桃园中多年不挂果的放任树进行整形修剪改造试验示范，累计改造面积200余亩，1.21万株。对整修后的放任树实施科学的肥水管理，枝梢花芽形成快，2015年就开始挂果，2017年单株产量10 kg，2018年达到20～25 kg，平均株产 15 kg，折合亩产420 kg以上。现将大樱桃放任树整形修剪、促花促果技术总结如下。

表8 Box-Behnken响应面试验方差分析
Table 8 Analysis of variance of experimental results of Box-Behnken design

     

方差来源 P值硬度 感官弹性 咀嚼性 白度值 收缩率 质量损失率模型 ＜0.000 1** ＜0.000 1** ＜0.000 1** ＜0.000 1** ＜0.000 1** ＜0.000 1**A卡拉胶添加量 ＜0.000 1** ＜0.000 1** ＜0.000 1** ＜0.000 1** ＜0.000 1** ＜0.000 1**B乳清蛋白添加量 0.433 5 0.008 6** 0.030 8* 0.021 8* 0.004 6** 0.004 0**C水添加量 0.007 6** 0.000 3** 0.007 7** 0.001 0** 0.000 4** 0.001 5**D碳酸钠添加量 0.004 4** 0.047 8* 0.107 6 0.033 2* 0.031 2* 0.325 2 AB 0.181 1 0.518 7 0.423 1 0.325 0 0.477 2 0.492 4 AC 0.006 7** 0.001 6** 0.058 2 0.000 3** 0.006 4** 0.001 9**AD 0.012 1* 0.007 5** 0.009 1** 0.001 5** 0.003 9** 0.001 7**BC 0.133 8 0.336 7 0.770 3 0.284 8 0.290 4 0.386 1 BD 0.862 6 0.239 0 0.136 9 0.261 0 0.195 9 0.017 2*CD 0.401 4 0.992 1 0.814 5 0.997 1 0.991 3 0.959 6 A2 ＜0.000 1** ＜0.000 1** ＜0.000 1** ＜0.000 1** ＜0.000 1** ＜0.000 1**B2 0.025 5* 0.013 6* 0.087 3 0.029 6* 0.004 8** 0.052 5 C2 0.800 1 0.244 5 0.035 6* 0.695 4 0.091 1 0.011 1*D2 0.848 7 0.891 8 0.125 5 0.149 3 0.934 9 0.480 1失拟项 0.191 4 0.382 8 0.738 2 0.541 3 0.495 9 0.460 5 R2 0.938 2 0.946 1 0.923 1 0.945 9 0.950 0 0.954 0 R2 Adj 0.876 3 0.892 2 0.846 1 0.891 8 0.900 1 0.908 0信噪比 13.410 15.639 13.113 15.349 15.952 15.882

由表8还可知，A、C和AD 3 个因素对各回归模型影响均显著（P＜0.05）；B对除以硬度为响应值外的其余回归模型影响均显著（P＜0.05）；D对除以硬度和质量损失率为响应值外的其余回归模型影响均显著（P＜0.05）；AC对除以咀嚼性为响应值外的其余回归模型影响均显著（P＜0.05）；BD仅对以质量损失率为响应值的回归模型影响显著（P＜0.05）。

2.4 复配凝胶因素相互作用和响应面分析

2.4.1 两因素交互作用对复配凝胶硬度的影响

   
     

图1 两因素交互作用对复配凝胶硬度影响的响应面图
Fig. 1 Response surface plot showing the interactive effect of various factors on hardness of composite gels

     

图2 两因素交互作用对复配凝胶感官弹性影响的响应面图
Fig. 2 Response surface plot showing the interactive effect of various factors on sensory elasticity of composite gels

     

图3 卡拉胶和碳酸钠添加量的交互作用对复配凝胶咀嚼性影响的响应面图
Fig. 3 Response surface plot showing the interactive effects between various factors on chewiness of composite gels

由图1～3可知，随着卡拉胶添加量的增大，复配凝胶的各项质构性能指标均呈现先升高后降低的趋势，且存在有极高值点。而随着水和碳酸钠用量的增加，复配凝胶的硬度、感官弹性和咀嚼性均呈现出缓慢下降的趋势。响应面的3D曲面图坡度较陡，也说明因素之间存在有交互作用，这与方差分析结果一致。

卡拉胶作为食品中常见的胶基添加剂，具有良好的凝胶性能，但有热可逆性、保水能力较差和形成凝胶易破裂等问题，加工中常将属于凝胶多糖类的卡拉胶与魔芋胶这类非凝胶类多糖按照一定比例进行复配，产生的协同增效作用可以提高卡拉胶的凝胶效果[28]。且由于卡拉胶分子存在硫酸酯基，其可以与蛋白质分子中的氨基结合，形成稳定的三维网状结构[29]，固复配凝胶配方中的卡拉胶可与乳清蛋白和大豆分离蛋白形成相对稳定的凝胶结构。在本研究中，卡拉胶在碱性条件下与魔芋胶和乳清蛋白混合，可以极大提升复配凝胶的质构性能，使制作出的复配凝胶能较好地模拟出脂肪滑嫩、细腻的口感特性。然而随着卡拉胶用量逐渐增加，复配凝胶强度的增长趋势变得缓慢，以至超过某一阈值时，凝胶强度逐渐开始下降，原因可能是卡拉胶与体系中蛋白质的结合已经达到一种过饱和的状况，因此，此时增加卡拉胶的用量对复合凝胶的质地性能没有影响。当碳酸钠的用量过大时体系的碱性变强，致使凝胶化以应发生过快，凝胶的交联网状体系破裂、脱水和收缩，造成复配凝胶整体的质构性能降低[30]。由于卡拉胶中含有的硫酸酯基团能与水分子形成氢键，将游离的水“封闭”在复配凝胶的网状结构中，因此增大卡拉胶的用量能提高复配凝胶的质构性能。但由于复配凝胶中魔芋胶的用量固定，当卡拉胶用量持续增大时，过多的卡拉胶无法与魔芋胶进行复配，而卡拉胶本身的凝胶性能相对于复配胶体较差，因此在复配凝胶中随着卡拉胶的用量的增加，其质构性能指标均出现先升后降的趋势。

2.4.2 两因素交互作用对复配凝胶白度值的影响

     

图4 两因素交互作用对复配凝胶白度值影响的响应面图
Fig. 4 Response surface plot showing the interactive effect of various factors on whiteness value of composite gels

从图4可以看出，复合凝胶的白度值随着卡拉胶添加量的增加先增大后减小，并且存在最大值。而随着水和碳酸钠用量的增加，复配凝胶的白度值呈现缓慢降低的趋势。白度值表示物体表面白色的程度，动物体内脂肪细胞多为白色或浅黄色，因此复配凝胶需要呈现出较大的白度值才能在色泽上更好的模拟动物脂肪。有大量研究表明[31-34]，相对于卡拉胶自身的吸水溶胀作用，将其与蛋白质复配使用时能形成更为致密的三维网状结构。凝胶的空间网状结构致密，能使更多的光线发生以射，使凝胶的颜色更白，即白度值升高。本研究中，适量的卡拉胶与乳清蛋白、大豆分离蛋白以及魔芋胶进行充分复配，形成致密的网状结构，能提高复配凝胶的白度值。碳酸钠的使用能增强体系的碱性，适量的OH-能使魔芋胶发生脱乙酰基以应而增强凝胶化，但过多的OH-也会使凝胶的颜色变黄[3]。随着水的添加量增大，复配凝胶网状结构能捕获大量的游离水分子，从而使凝胶的整体体积增大，此时凝胶的网状结构致密性降低，能吸收更多的光线，故凝胶的白度值随着水用量的增大而降低。

2.4.3 两因素交互作用对复配凝胶收缩率和质量损失率的影响

     

图5 两因素交互作用对复配凝胶收缩率影响的响应面图
Fig. 5 Response surface diagram showing the interactive effect of interaction of various factors on shrinkage rate of composite gels

   
     

图6 两因素交互作用对复配凝胶质量损失率影响的响应面图
Fig. 6 Response surface plot showing the interactive effect of various factors on mass loss percentage of composite gels

由图5、6可知，随着卡拉胶添加量的增加，复合凝胶的收缩率和质量损失率都先增加后减小，并且存在最大值。而随着水和碳酸钠用量的增加，复配凝胶的保水性指标均呈现缓慢降低的趋势。随着乳清蛋白用量的增加，复配凝胶的质量损失率基本保持不变。复配凝胶中碳酸钠的使用，一方面可以提供OH-使魔芋胶发生凝胶作用，但另一方面也提供了大量的阳离子中和了卡拉胶中的阴离子，使卡拉胶“捕获”自由水的能力减弱，因此凝胶出现持水力减弱的情况[35]。

2.5 复配凝胶最佳配方的确定及验证实验

为了使复配凝胶能较好的模拟脂肪的各项物性，本研究以复配凝胶的质构指标、色泽指标和保水性指标为响应值，根据2.2节对于猪背脂肪的测定结果（表6），设定复配凝胶硬度的目标为17 N（即猪背脂肪硬度测定值），收缩率和质量损失率的目标分别为12.07%和11.39%（即猪背脂肪测定值），感官弹性的目标范围值在50%～53%之间，咀嚼性的目标范围值在3～5 mJ之间，白度值的目标范围在50～60之间，再通过Desgin-Expert 8.06软件优化预测得到作为脂肪替代物的复配凝胶的最优配方。

在本研究中，由于作为脂肪替代物的复配凝胶的最优配方中的各项取值最终结果均为定值，为制备方便，将配方中的各项换算为相应的质量比例，故得到最终结果为复配凝胶配方中各物料的质量比例形式：卡拉胶-乳清蛋白-水-碳酸钠-魔芋精粉-明胶-大豆分离蛋白-植物油=1.19∶1∶254.52∶2∶6∶1.5∶1∶18.4，其中水和植物油质量浓度分别为1、0.92 g/mL。验证实验按照该配方进行，结果如表9所示。

表9 验证实验结果
Table 9 Results of validation experiments

     

项目 实测值 预测值 相对误差/%硬度/N 6.96 7.02 0.85感官弹性/% 49.41 50 1.18咀嚼性/mJ 4.14 4.09 1.22白度值 49.44 50.23 1.57收缩率/% 48.33 49.03 1.43质量损失率/% 45.77 46.56 1.70

由表9可知，按照软件优化得到的配方制作复配凝胶进行验证实验，经过3 次平行实验的响应指标实测值与预测值接近，各响应指标与预测值的相对误差均在可允许误差5%范围之内。由此可知，此响应面模型对于复配凝胶的配方优化是可行的，此实验方法具有较高的准确性，通过该方法，可以获得作为脂肪替代物的复配凝胶的最佳配方。

2.6 复配凝胶扫描电镜微观结构分析     

图7 样品扫描电镜图
Fig. 7 Scanning electron micrographs of pure and composite gels

本研究中复配凝胶的配方主要以蛋白质和多糖类物质为主，因此选择配方中具有代表性的蛋白质类（大豆分离蛋白）和多糖类（魔芋精粉）分别制作凝胶，并与作为脂肪替代物的复配凝胶进行对比观察。由图7可知，不同类型凝胶的微观结构差异较大，其中大豆分离蛋白凝胶（图7A0）和魔芋精粉凝胶（图7B0）形成的网状结构空洞较多，而复配凝胶（图7C0）的微观结构基本没有空隙存在。尽管网状结构中的空隙可以将水分子“捕获”，但由于此类固化水分子的键能相对较弱[36-38]，在某些情况下水分子也较容易挣脱束缚，造成凝胶的失水。而复配凝胶的微观结构（图7C0、C1）呈现一种表面皱褶较多，但断面基本无空洞的情况，这使水分子在参与形成凝胶的过程中，能被封闭在皱褶结构的间隙中，从而提高了凝胶的保水性能。另外，由图7还可以看出，大豆分离蛋白凝胶为多片层网状结构且空洞较多，魔芋精粉凝胶的网状结构松散且空隙较大，但复配凝胶的微观结构为多皱褶的致密三维封闭结构，综合了以上二者凝胶结构的优点。造成这样的原因可能是因为蛋白质与多糖之间互相缠绕、包裹，使得网状结构之间的空隙变小、空洞封闭，这样的微观结构能提高凝胶的机械性能[39]，同时也使得复配凝胶的各项物性指标相对于其他凝胶更接近于真实动物脂肪（猪背脂肪）。

2.7 中式香肠中脂肪替代物应用结果     

图8 猪背脂肪和复配凝胶对比图
Fig. 8 Comparison between pig back fat and composite gel

     

图9 复配凝胶对中式香肠感官评分的影响
Fig. 9 Effect of composite gel on sensory score of Chinese sausage

     

图10 复配凝胶对中式香肠外观的影响
Fig. 10 Effect of composite gel on appearance of Chinese sausage

如图8所示，按照最优配方制作的复配凝胶与猪背脂肪在外观、色泽等方面较为相似。由图9、10可知，添加了复配凝胶的中式香肠与空白对照组在外观、色泽、组织状态、口感和风味等感官评分方面，均无显著性差异（P＞0.05）。而替代组的脂肪含量相对于空白对照组降低了50%，说明通过前期实验结果制备的作为脂肪替代物的复配凝胶，能在肉制品中较好地模拟动物脂肪的各项性能，通过将其添加到产品中能真正达到“降脂不降质”[40]的目的。

3 结 论

本研究通过Plackett-Burman设计，最陡爬坡试验和Box-Behnken响应面法对作为脂肪替代物的复配凝胶的配方进行优化设计，研究魔芋精粉、卡拉胶、大豆分离蛋白、乳清蛋白、明胶、植物油、水以及碳酸钠的添加量8 个因素，对复配凝胶的质构性能、色泽性能和保水性能的影响。首先，通过Plackett-Burman试验，筛选出配方中的卡拉胶、乳清蛋白、水和碳酸钠的添加量为4 个关键因素，它们对复配凝胶的各项品质指标均有显著性影响，然后通过最陡爬坡试验和Box-Behnken响应面试验建立了这4 种物料的添加量与各响应值之间的回归模型。通过软件优化得到复配凝胶配方中各物料之间的质量比例为，卡拉胶-乳清蛋白-水-碳酸钠-魔芋精粉-明胶-大豆分离蛋白-植物油=1.19∶1∶254.52∶2∶6∶1.5∶1∶18.4。经验证实验，得知按此配方制得的复配凝胶作为脂肪替代物加入到中式香肠中，在保证产品感官品质不降低的前提下，极大降低了中式香肠的脂肪含量。综上所述，通过本研究制得的复配凝胶能较好的模拟动物脂肪的各项物理性能，且能良好运用于中式肉制品的实际生产中，为低脂肉制品的开发提供了一定的理论参考价值。

本研究中，针对作为脂肪替代物的复配凝胶的配方由于存在因素较多的情况，故而先采用Plackett-Burman试验设计，根据各因素对于复配凝胶的物性影响大小进行重要性筛选，找出主要作用因素；再使用最陡爬坡试验和Box-Behnken响应面法，找出这些主要作用因素在复配凝胶配方中的最适添加量，进而确定出制作复配凝胶的最优配方。通过以上3 步试验设计内容，可使用较少的试验量在众多因素中快速寻找到最优配方。本研究中的实验设计是通过使用先“定性”即因素重要性，后“定量”即因素添加量的研究方法，后期验证实验表明本设计可靠、实验方法科学合理，且按照最优配方制作的复配凝胶在中式香肠中亦能较好替代猪背脂肪。

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Optimization of the Preparation of Fat Substitutes Using Plackett-Burman Design Combined with Box-Behnken Response Surface Methodology

AN Panyu1, WANG Jingxin2, XIAO Lan1, LI Xiexin1, LI Wei1, LIANG Xinmei1
(1. College of Food Science, Sichuan Tourism College, Chengdu 610100, China;2. Chengdu Textile College, Chengdu 611731, China)

Abstract: In order to improve the quality of composite gels as a fat substitute, the formulation was optimized using combination of Plackett-Burman design, steepest ascent method and Box-Behnken response surface methodology. Firstly,eight factors affecting the quality of composite gels were evaluated by Plackett-Burman design, and four of these were found to have significant effects on the response variable: the amounts of carrageenan, whey protein, water and sodium carbonate.Subsequently, the optimal response region was approached by the steepest ascent method. Finally, the response surface methodology was used to determine the optimal proportion of ingredients was carrageenan:whey protein:water:sodium carbonate:konjac fi ne powder:gelatin:soybean protein isolate:vegetable oil = 1.19:1:254.52:2:6:1.5:1:18.4. The validation experiments showed that the hardness of the composite gel prepared with the optimized formulation was 6.96 N, sensory elasticity 49.41%, chewiness 4.14 mJ, whiteness value 49.44, shrinkage rate 48.33%, and mass loss percentage 45.77%.These experimental values were close to the predicted values with relative error of 0.85%-1.7%. Thus, combination of Plackett-Burman design, the steepest ascent method and response surface methodology was feasible to optimize the formulation of composite gels, and the prepared composite gel could well simulate the animal fat in Chinese sausage.

Keywords: fat substitutes; Plackett-Burman design; formulation optimization; response surface methodology

收稿日期：2019-05-06

基金项目：四川省教育厅自科项目（15ZB0313）；西华大学食品与生物技术省高校重点实验室项目（szjj2017-113）

第一作者简介：安攀宇（1984—）（ORCID: 0000-0001-6085-5703），男，讲师，硕士，研究方向为畜产品加工及品质控制。E-mail: 36404114@qq.com

DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190506-038

中图分类号：TS251.5

文献标志码：A

文章编号：1002-6630（2020）10-0255-10

引文格式：

安攀宇, 汪静心, 肖岚, 等. Plackett-Burman试验设计联用Box-Behnken响应面法优化脂肪替代物的制备[J]. 食品科学,2020, 41(10): 255-264. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190506-038. http://www.spkx.net.cn

AN Panyu, WANG Jingxin, XIAO Lan, et al. Optimization of the preparation of fat substitutes using Plackett-Burman design combined with Box-Behnken response surface methodology[J]. Food Science, 2020, 41(10): 255-264. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190506-038. http://www.spkx.net.cn