响应面法优化植物基香肠配方

徐 进，周 辉，周 凯，曾宪明，张万刚，徐宝才,,*

（1.南京农业大学食品科技学院，江苏南京 210095；2.合肥工业大学食品与生物工程学院，安徽合肥 230601）

香肠具有风味独特、营养丰富、食用及携带方便等特点[1]，是深受人们喜爱的一类熟肉制品。香肠中含有丰富的蛋白质，然而香肠中脂肪含量偏高，含有大量的饱和脂肪酸和胆固醇，容易引起人体疾病的发生，如肥胖症、高血压等[2]。植物蛋白肉是以植物蛋白为主要原料，为替代传统肉类而出现的一类仿肉产品[3]。植物蛋白肉中蛋白质含量高、胆固醇和脂肪含量低，在为人体补充营养的同时又减少肉制品带来的各种疾病的风险[4]，满足了人们追求绿色健康消费观念的需求。

豌豆分离蛋白是从豌豆中分离出来的一种优质植物蛋白资源，氨基酸组成均衡，与其他豆类蛋白相比具有更低的致敏性[5]。因其具有良好的凝胶性[6]和持水性[7]，是制作植物肉的良好原料。豌豆组织蛋白又叫豌豆肉类类似物[8−9]，是以豌豆分离蛋白为主要原料，加入一定的水及添加剂通过挤压膨化，使蛋白质分子之间整齐排列且具有同方向的组织结构，同时膨化凝固，形成纤维状蛋白，具有与肉类相似的咀嚼感[10]。谷朊粉中蛋白质含量丰富，氨基酸种类齐全，是常用的食物原料[11]。谷朊粉有良好的吸水性，添加在植物肉中用来改善其保水性和质构特性[12−13]。研究显示，豆类和谷物共同使用可以使产品蛋白质含量和消化率增加[14−15]。国内外最常用的植物肉制作原料是大豆蛋白,师文添[16]以大豆拉丝蛋白为原料制作出弹性良好、香味浓厚的烟熏素火腿。Akramzadeh 等[17]通过在大豆素肠中添加卡拉胶、改性淀粉和蛋清等改善其质构特性。植物蛋白肉的原料还有蘑菇[18]、花生蛋白[19]等，目前对豌豆蛋白的研究主要集中在肉制品、乳制品、水产品、焙烤制品等领域[20]，而关于豌豆蛋白和谷朊粉的添加比例对植物基香肠质构特点和蒸煮损失的响应面分析还没有相关研究。

本研究对豌豆分离蛋白、豌豆组织蛋白、谷朊粉3 种蛋白的添加量进行单因素实验和响应面试验，通过对香肠进行感官和质构分析等指标的分析进行配方优化试验，研制出新型的植物基香肠配方。探究豌豆分离蛋白、豌豆组织蛋白和谷朊粉3 种蛋白原料的最佳添加量和配方工艺，旨在得到品质好、口感佳的植物基香肠，为相关植物肉产品的开发及产业发展提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

豌豆分离蛋白（蛋白质含量88.2%）、豌豆组织蛋白（蛋白质含量85.1%） 烟台双塔公司；谷朊粉（蛋白质含量88.0%） 封丘县华丰粉业有限公司；紫苏籽油 吉林市圣基实业有限公司；木薯变性淀粉

杭州普罗星淀粉有限公司；谷氨转氨酰胺酶（酶活107.1 U/g） 河南万邦实业有限公司；白砂糖、食盐、白胡椒粉、五香粉、生姜粉、洋葱粉 均购买于苏果超市；不同品牌植物基香肠 均为市售。

PRACTUM224-1CN 电子分析天平（精度 0.0001 g）北京赛多利斯仪器系统有限公司；K15e 斩拌机西班牙TALSA 公司；TW20 通用水浴锅 德国JULABO 公司；TA-XTplus 质构仪 英国Stab Micro System 公司；MUL-9000XILIE 系列纯水机美国Millipore 公司；DC800-FB-E 真空充气包装机美国Promarks 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 植物基香肠基本配方 冰水54%、豌豆分离蛋白17%～21%、豌豆组织蛋白5%～25%、谷朊粉1%～13%、木薯变性淀粉3%、紫苏籽油7.5%、食盐1.2%、白砂糖1.6%、香辛料2%、味精0.5%。

1.2.2 植物基香肠的制作流程

1.2.3 制作工艺要点

1.2.3.1 组织蛋白复水和拆丝 40 ℃温水浸泡豌豆组织蛋白30 min，浸泡至内部无硬芯，用纱布裹住组织蛋白挤出水分，复水后重量约是干料的3 倍。将浸泡好的组织蛋白放入斩拌机里进行斩拌拆丝。

1.2.3.2 分离蛋白乳化 豌豆分离蛋白加入大部分冰水，斩拌至无颗粒状态，加入紫苏籽油进行高速斩拌，斩拌至奶油状。

1.2.3.3 斩拌与搅拌 依次加入谷朊粉、香辛料和淀粉，搅拌均匀。加入TG 酶和拆丝后的豌豆组织蛋白搅拌均匀。

1.2.3.4 灌装 搅拌完成的浆体倒入灌肠机，用直径22 mm 的塑料肠衣进行灌装，每根肠约重50 g，灌装要求：松紧适中、肠体表面无气泡[21]。

1.2.3.5 蒸煮 香肠从冷库中取出放至室温，先在50 ℃中加热30 min，随后在90 ℃中加热30 min，加热结束后冷却。

1.2.4 单因素实验 选定豌豆分离蛋白添加量19%、豌豆组织蛋白添加量15%、谷朊粉添加量7%为固定工艺参数，以硬度、咀嚼性、感官评价和蒸煮损失为指标，考察豌豆分离蛋白添加量（17%、18%、19%、20%、21%）、豌豆组织蛋白添加量（5%、10%、15%、20%、25%）、谷朊粉添加量（1%、4%、7%、10%、13%）3 个主要影响因素对植物基香肠品质的影响。

1.2.5 响应面优化试验 在单因素实验的基础上，以感官评分（Y1）和咀嚼性（Y2）为响应值进行三因素三水平的试验，以对植物蛋白香肠影响显著的3 个因素豌豆分离蛋白添加量（A）、豌豆组织蛋白添加量（B）和谷朊粉添加量（C）为考察因素，Box-Behnken试验因素与水平见表1。

表1 响应面试验因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiment

1.2.6 质构特性 样品处理成直径2 cm，厚度1 cm的圆柱体[22]，在TPA 模式下进行质构测试。物性测试仪探头型号为P/50，操作参数为测试前速度2 mm/s，测试速度1 mm/s，测试后速度1 mm/s，下压程度50%，触发力5 g，测定指标为硬度、咀嚼性。每组样品测定5 次，求平均值。

1.2.7 蒸煮损失率 参照张慧霞[23]的方法略有改动。将香肠质量记为m1，置于封闭蒸煮袋中。使TG 酶更好地发挥作用，采用两段式加热法，先在50 ℃中水浴加热30 min，再在90 ℃中水浴加热30 min，蒸煮完毕后室温放置2 h，擦干表面的水分后称重，质量记为m2，每组样品进行5 次测定，取平均值，蒸煮损失率的计算公式如下：

1.2.8 感官评价 参照王禹赫等[24]的方法略有改动。感官鉴定邀请了20 位对香肠具有专业感官鉴定的人士，对植物基香肠从组织结构、硬度、弹性、口感、总体可接受性等方面进行评价打分，最后得分取平均值。采用盲审的方式进行评定，参与评定的人员禁止交流，每组样品评定前用水漱口，评定标准见表2。

表2 植物基香肠感官评价标准Table 2 The sensory evaluation standards of vegetarian sausage

1.3 数据分析

实验测定数据采用平均值±标准差的形式表示，采用SPSS 22.0 对数据进行处理；响应面试验运用Design Expert 8.0.6 软件进行分析和设计，对实验数据进行方差分析及二次多项式回归拟合。每个水平设置3 个平行，重复测定5 次。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 豌豆分离蛋白添加量对植物基香肠品质的影响 豌豆分离蛋白添加量对植物蛋白香肠品质的影响如图1 所示，由图1A 可知，随着豌豆分离蛋白添加量的增加，香肠的硬度逐渐增大。这是由于豌豆分离蛋白具有良好的凝胶性，分散在水中形成凝胶体，随着豌豆分离蛋白添加量的增加，形成的立体网络结构更加坚固[25]。香肠的咀嚼性随着豌豆分离蛋白添加量的增加逐渐增大，豌豆分离蛋白需要与水结合发挥作用，添加量过多时不能很好地与水结合[14]，添加量在17%～19%时，咀嚼性显著提高（P<0.05），添加量在19%～20%时硬度和咀嚼性均无显著变化，从经济因素考虑，认为豌豆分离蛋白添加量在19%时合适。

蒸煮损失和感官评价的结果如图1B 所示，由图1B 可知，当豌豆分离蛋白添加量为17%～19%时，产品的蒸煮损失率显著下降（P<0.05）添加量为19%～20%时，蒸煮损失无显著变化。可能是由于加热的过程诱导的疏水作用导致分离蛋白更好的交联[26]，形成更致密的凝胶网络结构，具有一定的改善香肠蒸煮损失的作用。Sun[27]的研究也表明，添加豌豆分离蛋白凝胶可以提高产品的持水性。豌豆分离蛋白添加量在19%～20%时感官评分较高，添加量过少时香肠口感发软，咀嚼性差，而添加量高于20%时，香肠口感发硬，汁水感不足。综合以上分析认为，豌豆分离蛋白的添加量在19%时可以较好地发挥凝胶性和保水性的功能。

图1 豌豆分离蛋白添加量对香肠品质的影响Fig.1 Effects of pea protein isolate on qualities of sausage

2.1.2 豌豆组织蛋白添加量对植物基香肠品质的影响 豌豆组织蛋白添加量对植物基香肠品质的影响如图2 所示，由图2A 可知，随着豌豆组织蛋白添加量的增加，产品的硬度和咀嚼性均呈现先上升后下降的趋势。豌豆组织蛋白添加量在5%～10%时硬度显著增大（P<0.05），这可能是因为豌豆组织蛋白具有良好的吸水能力，有利于支撑香肠的组织结构[28]。添加量为10%～15%时，硬度下降显著（P<0.05），添加量在15%～25%时，硬度下降不显著。这可能是因为香肠内部结构变得膨胀和松散，凝胶体系遭到破坏[29]。豌豆组织蛋白添加量为5%～10%时咀嚼性增大但是变化不显著（P<0.05），添加量在10%～15%时咀嚼性显著下降（P<0.05），15%～25%咀嚼性下降不显著。结果表明，适当添加豌豆组织蛋白可以提高香肠的咀嚼性，添加量过多会带来负面效果[30]。

图2 豌豆组织蛋白添加量对香肠品质的影响Fig.2 Effects of pea tissue protein on qualities of sausage

豌豆组织蛋白添加量对产品蒸煮损失和感官评分的影响如图2B 所示。豌豆组织蛋白添加量由5%增加到25%时，蒸煮损失率由2.6%增加到4.2%，可能是因为豌豆组织蛋白的添加使豌豆分离蛋白和水不能很好的结合，破坏整个体系的稳定性，从而使产品的保水性下降。当豌豆组织蛋白的添加量为10%时，感官评分最高，这是因为豌豆组织蛋白的添加赋予了植物基香肠肉纤维感，使其口感和视觉感受与真肉肠相近。豌豆组织蛋白添加量过多时，切面结构粗糙、松散，口感发渣，感官评分下降。综合而言，豌豆组织蛋白的适宜添加量为10%。

2.1.3 谷朊粉添加量对植物基香肠品质的影响 谷朊粉的添加量对香肠品质的影响如图3 所示，由图3A 可知，谷朊粉的添加量由1%增加至7%时，硬度呈现上升趋势，这可能是因为谷朊粉在高温条件下硬度增大，随着添加量的增多整个体系的硬度也随之增大，谷朊粉添加量为10%～13%时，硬度无显著变化。这与赵知微[13]研究谷朊粉添加到素肉饼中对质构的影响结果一致。添加量在7%～10%之间时，香肠硬度呈下降趋势，这可能是因为加入了过量的谷朊粉，分子内和分子间通过二硫键连接，形成了不均匀的网络结构，导致部分谷朊粉不能均匀的与水结合而发挥功能[11]。谷朊粉添加量为4%～7%时咀嚼性显著提高（P<0.05），当谷朊粉添加量为7%时，咀嚼性最高，谷朊粉添加量继续增大，在添加量为7%～13%时咀嚼性无显著变化。

图3 谷朊粉添加量对香肠品质的影响Fig.3 Effects of gluten on qualities of sausage

谷朊粉的添加量对香肠蒸煮损失和感官评分的影响如图3B 所示。王慧洁等[31]指出，只有添加合适量的谷朊粉，才能使产品的感官得分得到提升。由于谷朊粉有很强的吸水性，能提高产品的保水性，谷朊粉的添加量在1%～10%时，蒸煮损失变化显著（P<0.05），在7%时蒸煮损失率最小，添加量在10%～13%时蒸煮损失变化不显著。谷朊粉添加量过少时，弹性差，硬度小，感官得分低。谷朊粉添加量过大时，香肠的质地干燥粗糙，切面不均匀。当谷朊粉的添加量为7%时产品的感官评分达到最高值，蒸煮损失率达到最低值，并且与其他添加量有显著差异（P<0.05）。综合分析认为谷朊粉添加量在7%时，香肠具有较好的品质。

2.2 Box-Behnken 试验结果与分析

2.2.1 响应面回归方程的建立与分析 在单因素实验基础之上，以豌豆分离蛋白添加量（A）、豌豆组织蛋白添加量（B）、谷朊粉添加量（C）为试验因子进行三因素三水平Box-Behnken 试验设计，以植物基香肠感官评分（Y1）、咀嚼性（Y2）为响应值，得到添加不同植物蛋白后香肠感官评分和咀嚼性的结果，结果如表3 所示。

表3 响应面试验设计与结果Table 3 Experiment design and results of response surface analysis

将表4 数据用Design Expert 8.0.6 进行回归分析，得到植物基香肠感官评分和咀嚼性的二次回归方程，植物基香肠感官评分回归方程为：Y1=80.02+1.17A+0.28B−2.59C+0.40AB−0.37AC+0.19BC−6.86 A2−2.6B2−4.42C2，植物基香肠咀嚼性回归方程为：Y2=4758.94+71.12A−20.73B−31.07C−12.86AB+2.55 AC+50.17BC−99.76A2−100.96B2−164.96C2。

F值和P值用于表征试验因素对响应值影响的程度，F值越大，P值越小，说明该因素在方程中的影响越显著[32]。由表4 和表5 可知，植物基香肠感官评分建立的回归方程模型：F值为151.68，P=0.0001<0.01，建立的模型极显著，失拟项P=0.0616>0.05 不显著。植物基香肠咀嚼性所建立的回归方程模型：F值为3.99，P=0.0240<0.05，表明建立的模型显著，二次模型的失拟项P=0.0622>0.05 不显著。上述两个模型的R2均接近1，说明所得模型预测值与实测值之间具有高度的相关性，试验误差较小，试验自变量与响应值之间的关系显著，可用于植物基香肠制备工艺参数的预测与优化。

表5 不同试验因素回归模型系数检验Table 5 Test of regression coefficients of different test factors

2.2.2 因素间交互作用分析 Box-Benhnken 响应面图见图4。响应曲面图显示了A、B、C 中任意一个变量取零水平时，其余两个变量对感官评分的影响。响应面图曲线越弯曲说明影响越大[33]。

从响应面图中可直观地看出各因素对响应值的影响，由图4 可知，感官评分和咀嚼性均随着各因素的增加先升高后降低。由响应面图和表4 的方差分析得到，一次项豌豆分离蛋白添加量（A）、谷朊粉添加量（C）均对感官评分呈极显著影响（P<0.01），其他项不显著，3 个因素对香肠感官评分的影响大小依次为：谷朊粉添加量（C）>豌豆分离蛋白添加量（A）>豌豆组织蛋白添加量（B）。植物基香肠咀嚼性回归模型中，一次项豌豆分离蛋白添加量（A）对咀嚼性呈极显著影响（P<0.01），其他项不显著，3 个因素对香肠的咀嚼性影响大小依次为：豌豆分离蛋白添加量（A）>谷朊粉添加量（C）>豌豆组织蛋白添加量（B）。3 个影响因素间的交互作用不显著。

图4 各因素交互作用对感官评分影响的响应面图Fig.4 Response surface diagram of the interaction of factors on sensory score

表4 响应面二次模型的方差分析Table 4 Variance analysis of response surface quadratic model

2.3 三种蛋白原料最佳添加量的预测及验证

利用Design Expert 8.0.6 对二次多元回归模型进行最佳工艺条件的预测，得到植物基香肠的蛋白原料最佳添加量：当豌豆分离蛋白添加量为19.19%、豌豆组织蛋白为9.83%、谷朊粉为7.13%时，感官评分预测值为80.11 分，咀嚼性4767.09 g·s。在此工艺下进行3 次平行验证试验，得到的植物蛋白香肠有良好的弹性，切面均匀，气孔小而且分布均匀，硬度适中，有较好的咀嚼感，吃后有回味，和肉香肠的口感相似，感官评分实际值为81.20 分，与预测值80.11分接近，咀嚼性4791.2 g·s，与预测值4767.09 g·s接近。说明响应面优化的结果是可靠的，具有实际应用价值。

2.4 与市售产品品质比较

质构特性和保水性是食品的重要特性，也是科学评价食品品质的重要参考指标[34]。本文对优化后的香肠样品与市售的4 种以大豆蛋白为主要原料的香肠进行质构特性和蒸煮损失率的比较。

由表6 可知，市售植物基香肠的硬度范围在5302.22～7330.51 g，优化后香肠样品1 的硬度为6245.11 g，在市售植物基香肠硬度范围内。样品1 的内聚性、回复性均高于（P<0.05）市售香肠，口感更好，说明样品1 具有良好的质构特性。蒸煮损失率低于（P<0.05）市售香肠，说明样品1 的保水性较好。

表6 产品的品质特性测定结果Table 6 Quality characteristics results of samples

3 结论

通过优化植物基香肠中蛋白原料最佳配比得到植物基香肠原料中豌豆分离蛋白、豌豆组织蛋白和谷朊粉的最佳添加量。通过响应面试验得出，影响植物基香肠感官评分的三个因素影响程度大小顺序为谷朊粉添加量>豌豆分离蛋白添加量>豌豆组织蛋白添加量，影响植物基香肠咀嚼性的三个因素影响程度大小顺序为豌豆分离蛋白添加量>谷朊粉添加量>豌豆组织蛋白添加量。最优参数为豌豆分离蛋白添加量19.19%、豌豆组织蛋白添加量9.83%、谷朊粉添加量7.13%，在此条件下得到的植物基香肠具有良好的口感，蒸煮损失率低于市售植物基香肠。该实验符合响应面模型验证结果，具有一定的实践指导价值。综上所述，在此优化条件下生产出的植物基香肠硬度适中、咀嚼性以及保水性好，可为新植物蛋白原料的开发和使用提供思路和理论指导。