Plackett-Burman设计和响应面法优化速冻紫苏籽肉丸的配方

陈昌勇，何腊平，3，*，李翠芹，田　耘，陈　平，薛荣涛，骆　艳（.贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州贵阳002；2.贵州省农畜产品贮藏与加工重点实验室，贵州贵阳002；3.贵州省猪肉制品工程技术研究中心，贵州贵阳002；.贵州大学化学与化工学院，贵州贵阳002；.北京市朝阳区常营地区办事处，北京0002；.贵州大学理学院，贵州贵阳002）

Plackett-Burman设计和响应面法优化速冻紫苏籽肉丸的配方

陈昌勇1，2，何腊平1，2，3，*，李翠芹4，田耘5，陈平6，薛荣涛1，2，骆艳1
（1.贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州省农畜产品贮藏与加工重点实验室，贵州贵阳550025；3.贵州省猪肉制品工程技术研究中心，贵州贵阳550025；4.贵州大学化学与化工学院，贵州贵阳550025；5.北京市朝阳区常营地区办事处，北京100024；6.贵州大学理学院，贵州贵阳550025）

为改善速冻紫苏籽肉丸的品质，运用Plackett-Burman实验、最陡爬坡实验结合Box-Behnken响应面实验对影响速冻紫苏籽肉丸品质的工艺配方参数进行优化。首先用Plackett-Burman设计对影响速冻紫苏籽肉丸的品质的七个因素进行了评价，筛选出具有显著效应的三个因素：紫苏籽、冰水和大豆分离蛋白；然后用最陡爬坡路径逼近最大响应区域；最后采用响应面法确定了主要影响因素的最佳配方工艺为紫苏籽7%、冰水29%和大豆分离蛋白2.5%。经验证实验得到感官评分为22.03分，硬度为2158.83 g，弹性为8.82 mm，内聚性为0.63，相对误差在0.57%～1.61%之间，与预测值很接近，表明Plackett-Burman实验、最陡爬坡实验结合响应面法可以很好地对速冻紫苏籽肉丸的工艺配方参数进行优化，而且制备的紫苏籽肉丸富含多不饱和脂肪酸。

速冻紫苏籽肉丸，Plackett-Burman设计，配方优化，响应面法

肉及肉制品是日常饮食中蛋白质、脂肪酸、矿物质和维生素的重要来源，在人类进化过程中产生了至关重要的作用［1］。但肉中还含有饱和脂肪酸、胆固醇等对人体健康不利的物质，在人体中这些物质量的失衡可能诱发肥胖症、癌症和心脑血管疾病［2］。所以，改变肉制品的脂肪含量和脂肪酸组分可以帮助增加其营养品质。研究表明增加多不饱和脂肪酸的摄入对健康非常有利［3］。目前，高不饱和脂肪酸的功能产品的开发呈现日益增长的趋势，富含代脂物质油脂、蛋白质和纤维素的植物果实，如罂粟籽［4］、亚麻籽［5-6］、核桃［7-8］等已被成功应用到传统肉制品中去替代动物脂肪，改善其功能特性。

紫苏籽是中国卫生部颁布的87种药食同源食物之一［9］，含油量34.0%～45.2%，含蛋白质18.5%～21.8%，含纤维素19.0%～25.1%［10］。紫苏籽蛋白中氨基酸种类达18种，其中含有人体所需的8种必需氨基酸。紫苏籽油含不饱和脂肪酸90%以上，其中α-亚麻酸含量高达54%～64%，是目前所知α-亚麻酸含量最高的食用植物油［11］。大量研究证明，紫苏油具有降血脂、防癌和增强大脑功能发育的功效［12-13］。目前还没有将紫苏籽作为功能性成分应用到肉制品中的报道。

Plackett-Burman实验、最陡爬坡实验结合Box-Behnken响应面实验是一套经济高效的优化实验设计方法，能用较少的实验数据推算出目标值的最优条件，已被广泛应用于微生物发酵［14-15］和功能成分提取［16］方面，但在肉制品中的应用却鲜有报道。本研究将紫苏籽作为动物脂肪替代物和功能性成分添加到传统肉丸中，运用Plackett-Burman实验、最陡爬坡实验结合Box-Behnken响应面实验对影响速冻紫苏籽肉丸品质的工艺配方参数进行优化，以获得最优的速冻紫苏籽肉丸配方，为紫苏籽在肉制品中的进一步应用提供理论依据，同时为类似的肉制品中配方的筛选实验提供参考。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

猪后腿瘦肉、猪肥膘、紫苏籽、食盐均购于贵阳市花溪区星力超市；木薯淀粉广西红枫淀粉有限公司；卡拉胶福建省绿麒食品胶体有限公司；大豆分离蛋白谷神生物科技集团有限公司；复合磷酸盐上海健鹰食品科技研究所；37种脂肪酸甲酯混标美国Sigma公司。

RY-12（S）电动绞肉机正元精密机械有限公司；CT3质构仪美国Brookfield公司；JYL-C012搅拌机九阳股份有限公司；DW-50W255低温冰箱青岛海尔特种电器有限公司；7820A气相色谱仪美国Agilent公司；JM-A15002电子天平余姚市红铭称重校验设备有限公司。

1.2实验方法

1.2.1肉丸基本配方猪瘦肉∶肥膘为4∶1，调味料：白糖1.2%，味精0.30%，白胡椒0.15%，鲜葱1.5%，鲜姜1.0%（按实际生产惯例所有配料以猪瘦肉、肥膘的总重量百分比添加，实验中维持肥膘和紫苏籽添加量的总和为20%不变）。

1.2.2工艺流程猪肉的预处理与绞制→紫苏籽粉的制备→混合斩拌→成型→预煮制→冷却→速冻→包装冻藏。

1.2.3操作要点

1.2.3.1猪肉的预处理与绞制选取新鲜猪瘦肉和肥膘为原料，洗净并切成小块放入冰箱冷藏至10℃以下；分别取出放入绞肉机内绞碎。

1.2.3.2紫苏籽粉的制备将干净的紫苏籽放入锅中用文火炒制，爆裂有香气逸出即可；炒制好后取出放凉并多次粉碎，每次粉碎3～5 s，至表面出油即可。

1.2.3.3混合斩拌将制备好的肉糜、肥膘和紫苏籽粉按比例放入斩拌机中，同时按比例加入食盐、复合磷酸盐、卡拉胶、大豆分离蛋白、淀粉、白糖、味精、白胡椒、鲜葱、鲜姜和冰水进行斩拌，斩拌至胶状肉泥。将斩拌完毕的肉馅放入0～4℃下静置3 h。

1.2.3.4成型将肉馅制成直径约2.5 cm的肉丸。

1.2.3.5预煮制将成型的肉丸放入初始温度为60℃的热水中煮制，水温升高至85℃后恒温，肉丸浮起后再煮3～5 min，即可捞出。

1.2.3.6冷却将煮制好的肉丸放入冰水中降温12 min。

1.2.3.7速冻将冷却好的肉丸放入-40℃条件下速冻处理30 min。

1.2.3.8包装冻藏经速冻处理的产品进行真空包装，放入-18℃的冷库中冻藏。

1.2.4Plackett-Burman实验根据前期单因素预实验确定的各个因素的水平，选用实验次数N=12的Plackett-Burman实验设计，对影响肉丸品质的紫苏籽、淀粉、食盐、冰水、卡拉胶、大豆分离蛋白和复合磷酸盐的添加量7个因素进行考察，每个因素取高低两个水平，高水平为低水平的1.5倍。另设四个空白项（对应表中的X3、X6、X9和X11），用以估计实验误差。实验因素与水平见表1。

表1　Plackett-Burman实验因素与水平Table 1　Factors and levels of Plackett-Burman design

1.2.5最陡爬坡实验根据上一步Plackett-Burman实验的结果设计爬坡方向和步长，按一定梯度改变紫苏籽、冰水、大豆分离蛋白的添加量，测定感官评分、硬度、弹性、内聚性和咀嚼性从而确定紫苏籽、冰水、大豆分离蛋白三个因素的最适浓度范围。

1.2.6Box-Behnken响应面实验在1.2.5的基础上，以紫苏籽、冰水、大豆分离蛋白的添加量为自变量，肉丸的感官评分、硬度、弹性和内聚性为响应值进行响应面实验，因为咀嚼性是硬度、弹性和内聚性的线性函数，所以不以其为响应值［17］。实验因素与水平见表2。其中，零点实验重复5次，用以考察实验误差。

表2　Box-Behnken实验因素与水平Table 2　Factors and levels of Box-Behnken design

1.2.7感官评价评定小组由10名专业人员组成，评分标准［18］见下表，感官评分为色泽、弹性、滋气味、口感和组织状态五项的得分总和。

1.2.8质构指标测定将冷冻肉丸样品在3～4℃解冻12 h，解冻完全后，置于80℃水浴加热5 min，再冷却至室温，样品规格修正至20 mm高圆柱体，用质构仪进行测定。

测定方法：质构剖面分析法。测定参数为测试前速2.0 mm/s、测试速度2.0 mm/s、测试后速2.0 mm/s、测试距离50%，两次压缩中停顿时间5.0 s，探头类型TA11。测定结果以硬度、弹性、内聚性、咀嚼性为指标。每组处理6个样品，取其平均值。

1.2.9脂肪酸组成测定脂肪酸组成的测定参照Gök［4］的方法。

表3　感官质量评分标准（满分25分）Table 3　Standards of product quality sense grades （full score：25）

1.3处理处理

实验数据采用Design Expert 8.0.6软件进行统计分析。

2　结果与分析

2.1Plackett-Burman实验

Plackett-Bunnan设计是一种经典的两水平实验设计方法，它可以利用最少的实验次数，从众多考察因素中快速有效地筛选出最为重要的几个因素，供进一步研究用［19］。Plackett-Burnman实验的结果和方差分析见表4和表5。

从表5的方差分析中可以看出所有实验模型的p值均小于0.05，表明模型显著，拟合性好。以感官评分为主，质构指标为辅，得到紫苏籽、冰水和大豆分离蛋白为影响肉丸品质的主要因素。紫苏籽含有油脂、蛋白质和膳食纤维，能够与肉丸中的蛋白质发生乳化作用；冰水可以溶解配料，大豆分离蛋白可以束缚水分和脂肪，其都能改善肉丸的凝胶结构［20］。以这三个因素为研究对象，作为进一步的优化实验。对结果无显著影响的因素，根据因素的正负效应并结合单因素实验结果确定添加量为淀粉12%、食盐2.5%、卡拉胶0.3%和复合磷酸盐0.3%。

表4　Plackett-Burman实验设计及响应值Table 4　Plackett-Burman design and results

表5　Plackett-Burman实验方差分析Table 5　Analysis of variance on Plackett-Burman design

2.2最陡爬坡实验

Plackett-Burnman实验设计及结果如表6所示。随着紫苏籽、冰水和大豆分离蛋白的变化，其感官评分、弹性、内聚性均呈现出先增大后减小的趋势，硬度和咀嚼性不断减小，当紫苏籽、冰水和大豆分离蛋白分别为8%、30%和2.4%时，其感官评分和质构均为最好，说明其比较接近最佳响应区域。因此，下一步实验将以紫苏籽8%、冰水30%和大豆分离蛋白2.4%作为实验中心点，进行响应面实验。

2.3响应面实验

2.3.1响应面优化实验结果Box-Behnken响应面实验设计结果如表7所示。

采用Design Expert 8.0.6软件对表7中的实验数据进行回归分析，得到以各响应值为目标函数的二次回归模型为：

硬度=2139.13-36.66A-178.04B+22.47C+26.17AB+ 74.52AC-140.92BC-42.60A2-76.37B2-55.35C2

弹性=8.75-0.071A+0.029B-0.020C+0.040AB-0.073AC+0.027BC-0.056A2-（5.000E-004）B2-0.018C2

内聚性=0.61-0.018A+（5.000E-003）B-（2.500E-003）C+（5.000E-003）AB-0.010BC-（7.500E-003）A2-（2.500E-003）B2-（2.500E-003）C2

感官评分=22.08-0.24A-0.32B-0.19C+0.64AB-0.52AC-1.21BC-1.64A2-1.59B2-0.71C2

表7　Box-Behnken响应面实验设计结果Table 7　The results of Box-Behnken response surface design

表8　Box-Behnken响应面实验方差分析Table 8　Analysis of variance of Box-Behnken response surface design

对各模型进行方差分析，结果见表8。由表8可以看出，所有模型的p值＜0.05，显著，而失拟项的p值＞0.05，不显著，模型的R2＞0.85，说明此次实验的模型拟合程度良好、实验误差较小，可用于速冻紫苏籽肉丸品质的预测。

表6　最陡爬坡实验设计与结果Table 6　Experimental design and results of steepest ascent

2.3.2响应面分析绘制响应曲面（图1～图4）进行直观分析，研究相关变量之间的交互作用。

2.3.2.1各因素对感官评分的交互作用图1（a）显示了紫苏籽和冰水对肉丸感官评分的交互作用，由响应面图可以看出，冰水对感官评分的影响最为显著，随着冰水添加量的增加感官评分先上升后下降，这是因为适当的冰水可增加肉丸的多汁性和口感，但超过一定量后，会使肉丸蛋白质分子之间游离水过剩，导致肉丸松散，成型度和口感变差［21］。由图1（b）可知，感官评分随着紫苏籽、大豆分离蛋白的增加都呈先上升后下降的趋势，且紫苏籽对感官评分的影响比大豆分离蛋白添加量更显著。这是因为适量的紫苏籽会增加肉丸硬度和口感，特别是紫苏籽能赋予肉丸独特的香味，增加其感官评分，但过量又会使其口感粗糙、结构不致密，同时香味过浓，风味不协调，感官评分下降。图1（c）表明，冰水和大豆分离蛋白之间的交互作用具有显著性，对肉丸的感官评分影响较大。随着大豆分离蛋白添加量的增加，肉丸感官评分先升高后降低，这是因为大豆分离蛋白能形成缚住水分和脂肪液滴的基质，乳化肉丸中的脂肪，结合水分，改进组织结构［21］，同时大豆分离蛋白富含必需氨基酸，但过量加入会影响口感。

图1　各两因素交互作用对感官评分影响的响应面图Fig.1　Response surface for the effects of three process parameters on sensory scores

2.3.2.2各因素对硬度的交互作用图2显示了大豆分离蛋白和冰水对肉丸硬度的交互作用，由图2可知，其交互作用显著。随着大豆分离蛋白添加量的增加，硬度呈快速上升的趋势，这是因为大豆分离蛋白添加量增多会造成固形物的增加，而使硬度增加；而硬度随冰水添加量的增加呈下降趋势，因为冰水的增加，蛋白质与水相互作用，形成交叉的连接相互作用降低［22］，使得肉丸硬度降低。

图2　大豆分离蛋白和冰水对硬度影响的响应面图Fig.2　Response surface showing the effects of soy proteinisolate and ice water on hardness

2.3.2.3各因素对弹性的交互作用图3（a）显示了冰水和紫苏籽对肉丸弹性的交互影响，由图可知，其交互作用显著，且紫苏籽对弹性的影响比冰水添加量显著的多。随着紫苏籽的增加肉丸弹性下降，这是由于紫苏籽增多的同时肥膘的量降低会造成干物质的增加，可能与猪肉蛋白质竞争可利用的水分，从而对蛋白相产生浓缩效应，降低弹性。由图3（b）可知，大豆分离蛋白和紫苏籽对肉丸弹性的交互作用具有显著性，这与方差分析的结果是一致的。

图3　各两因素交互作用对弹性影响的响应面图Fig.3　Response surface for the effects of two process parameters on springiness

2.3.2.4各因素对内聚性的交互作用图4显示了冰水和大豆分离蛋白对肉丸内聚性的交互影响，从图4中可以看出冰水和大豆分离蛋白对肉丸内聚性具有显著的交互作用。当大豆分离蛋白添加量较低时，内聚性随着冰水添加量的增加而上升，因为适量的冰水可以与大豆分离蛋白、淀粉等发生乳化作用，使得预煮制时淀粉发挥最大的糊化作用，强化肉丸的凝胶结构，增加内聚性［20］。

图4　冰水和大豆分离蛋白对内聚性影响的响应面图Fig.4　Response surface showing the effects of ice water and soy protein isolate on cohesiveness

2.3.3最优配方的确定及验证实验以感官评分、硬度、弹性和内聚性为响应值，设定感官评分、弹性和内聚性的目标为最大值，硬度的目标为范围值2000～2200 g之间，通过回归模型预测的最佳配方参数为紫苏籽6.88%，冰水28.89%，大豆分离蛋白2.54%，在此条件下生产出来的产品感官评分为21.82分，硬度为2185.14 g，弹性为8.77 mm，内聚性为0.62。为检验响应曲面法所得结果的可靠性，采用最佳工艺配方进行肉丸的加工，考虑到实际操作的便利，将参数修正为：紫苏籽7%，冰水29%，大豆分离蛋白2.5%。在此条件下做验证实验，经6次平行实验，实际测得感官评分为22.03分，硬度为2158.83 g，弹性为8.82 mm，内聚性为0.63，相对误差在0.57%～1.61%之间，与预测值很接近，证明响应面分析法得到的速冻紫苏籽肉丸的工艺配方参数是真实可靠的。

2.3.4脂肪酸组成测定通过检测得到速冻紫苏籽肉丸中多不饱和脂肪酸占总脂肪酸含量的28.83%，特别是α-亚麻酸占总脂肪酸含量的12.68%，远高于文献［8］中猪肉香肠的0.88%，也远高于85℃水浴中煮制的猪肉［23］的0.53%。这表明，本研究制备的紫苏肉丸富含多不饱和脂肪酸α-亚麻酸。Bilek等［5］获得过类似的结果：将与紫苏籽营养成分类似的亚麻籽添加到肉饼中，发现亚麻籽的添加能显著提高肉饼中的α-亚麻酸含量。

3　结论

本文将药食同源的紫苏籽作为动物脂肪替代物和功能性成分添加到肉丸中，运用Plackett-Burman实验、最陡爬坡实验结合Box-Behnken响应面实验对影响速冻紫苏籽肉丸品质的工艺配方参数进行优化。建立了紫苏籽、冰水和大豆分离蛋白对硬度、弹性、内聚性和感官评分的二次回归方程模型，确定了速冻紫苏籽肉丸的最佳配方为紫苏籽7%、冰水29%、大豆分离蛋白2.5%、淀粉12%、食盐2.5%、卡拉胶0.3%、复合磷酸盐0.3%、猪瘦肉80%和肥膘13%。最佳配方所得产品富含多不饱和脂肪酸、兼有猪肉清香和紫苏籽特有香味，风味协调，口感好，具有广阔的市场前景。

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Optimization of formula for quick-frozen perilla meatballs by Plackett-Burman design and response surface methodology

CHEN Chang-yong1，2，HE La-ping1，2，3，*，LI Cui-qin4，TIAN Yun5，CHEN Ping6，XUE Rong-tao1，2，LUO Yan1
（1.School of Liquor and Food Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.Key Laboratory of Agricultural and Animal Products Store&Processing of Guizhou Province，Guizhou University，Guiyang 550025，China；3.Guizhou Pork products Research Center of Engineering Technology，Guiyang 550025，China；4.School of Chemistry and Chemical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China；5.Office of Changying District，Beijing 100024，China；6.College of Science，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

In order to improve quality of quick-frozen perilla meatballs，the formula parameters which affected quality of quick-frozen perilla meatballs were optimized by Plackett-Burman design，the steepest ascent experiment and Box-Benhnken response surface methodology．First，two level factorial design of Plackett-Burman was used to evaluate the influence of seven related factors，and substitution amount of perilla seed，ice water and soy protein isolated were identified as the most significant variables.Second，the path of steepest ascent was used to approach the optimal region of response surface.Third，further optimization was made by using response surface methodology.The results showed that the optimal production formula were as follows：perilla seed 7%，ice water 29%，soy protein isolated 2.5%.Under the optimal conditions，the sensory score of 22.03，hardness of 2158.83 g，springiness of 8.82 mm and cohesiveness of 0.63 was obtained by the verification experiment，and the relative error was 0.57%～1.61%，which indicated that the combination of Plackett-Burman design，the steepest ascent experiment and response surface methodology could welloptimize the production formula for quick-frozen perilla meatballs.Moreover，the perilla meatballs were rich in polyunsaturated fatty acids.

quick-frozen perilla meatballs；Plackett-Burman design；formula optimization；response surface methodology

2015－09－10

陈昌勇（1989-），男，硕士研究生，研究方向：畜产品加工与贮藏工程，E-mail：cychenhn@163.com。

何腊平（1972-），男，博士，教授，研究方向：发酵工程，食品营养与安全，E-mail：helaping@163.com。

贵州省猪肉特色制品深加工关键技术研究及产业化示范（黔科合重大专项字［2015］6004号）；贵州省研究生特色食品加工创新工作站（黔教研合JYSZ字［2015］009）；贵州省猪肉制品工程技术研究中心项目（黔科合农G字［2013］4001号）。

TS251.5

B

1002-0306（2016）04-0259-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.04.044