响应面优化超声波辅助革胡子鲶鱼鱼头汤熬煮工艺

李璐 李鹏 孙慧娟 马凯华 马俪珍 李玲

摘 要：以革胡子鲶鱼鱼头为原料，通过单因素试验和响应面试验对超声波辅助革胡子鲶鱼鱼头汤熬煮工艺进行优化，以水溶性蛋白含量为筛选条件，研究超声温度、超声功率、超声时间对汤中水溶性蛋白含量的影响，确定最佳超声处理工艺条件。结果表明，响应面优化超声波辅助熬煮的最佳工艺条件为超声温度35 ℃、超声时间31 min、超声功率490 W，该条件下，鱼头汤中水溶性蛋白含量为（0.78±0.01） g/100 mL。实验结果与模型预测值接近，该模型可用于实际生产。

关键词：响应面;超声波;革胡子鲶鱼;鱼头汤;水溶性蛋白

Optimization of Ultrasonic-Assisted Cooking Conditions for Clarias gariepinus Head Broth Using

Response Surface Methodology

LI Lu， LI Peng， SUN Huijuan， MA Kaihua， MA Lizhen， LI Ling*

（Tianjin Aquatic Product Processing and Quality Safety School Enterprise Synergy Innovation Key Laboratory，

National R&D Branch Center for Conventional Fresh Water Fish Processing， College of Food Science and Biotechnology，

Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China）

Abstract： In this study， Clarias gariepinus heads were used as the raw material to prepare fish head broth. The ultrasonic pretreatment process was optimized by the combined use of one-factor-at-a-time method and response surface methodology. The temperature during ultrasonic treatment， ultrasonic power and time were considered as the independent variables， and water-soluble protein content was the only dependent variable. The results showed that the optimal process conditions were found to be ultrasonication at 35 ℃ and 490 W for 31 min. Under the optimized conditions， the experimental content of water-soluble protein in fish head soup， （0.78 ± 0.01） g/100 mL， was close to the model predicted value， confirming the practical applicability of the proposed model.

Keywords： response surface methodology; ultrasound; Clarias gariepinus; fish head broth; water-soluble protein

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210930-216

中圖分类号：TS254.9                                      文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2022）02-0027-06

引文格式：

李璐， 李鹏， 孙慧娟， 等. 响应面优化超声波辅助革胡子鲶鱼鱼头汤熬煮工艺[J]. 肉类研究， 2022， 36（2）： 27-32. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210930-216.    http：//www.rlyj.net.cn

LI Lu， LI Peng， SUN Huijuan， et al. Optimization of ultrasonic-assisted cooking conditions for Clarias gariepinus head broth using response surface methodology[J]. Meat Research， 2022， 36（2）： 27-32. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210930-216.    http：//www.rlyj.net.cn

革胡子鲶鱼鱼头质量占鲶鱼鱼体质量的（20.0±2.6）%，鱼头中粗蛋白含量达到13%左右，蛋白含量较高，脂肪含量（14.40±1.73）%、水分含量（61.70±1.57）%、总糖含量（4.79±0.83）%。鱼头中营养物质丰富，近年来对鱼头的研究更加深入。杨彩莉等[1]研究发现，3 种金枪鱼鱼头中蛋白、脂肪含量较高，且含有丰富的有益矿物质和多不饱和脂肪酸。王振强等[2]通过对鲫鱼鱼头中活性成分的提取，发现活性成分提取物中磷脂和脂肪酸含量较高，其中脂肪酸种类较多，以多不饱和脂肪酸为主且含有二十碳五烯酸。林婉茹等[3]对马鲛鱼鱼头酶解工艺进行优化，发现风味蛋白酶酶解效果最佳，在最佳工艺条件下，鱼头的酶解度为（16.20±0.42）%。

超声波设备具有易操作、效果好、范围广、方向性好等特点[4-5]，其作为一种绿色的物理技术被应用[6]。在食品加工中低频率、高强度超声波应用更为广泛[7]，可促进食品冷冻、干燥、乳化，还可用于食品理化性质（如溶解性、起泡性、凝胶性）的测定[8-11]。而超声波应用于鱼类加工过程中，能更好保持鱼类品质[12]。倪泽平等[13]研究微酸性电解水联合超声波处理对中华马鲛品质的影响，研究发现，在超声波辅助处理后，有更好的杀菌保鲜效果。王正云等[14]通过超声辅助酶法提取青鱼鱼皮胶原蛋白，在最佳超声条件下，胶原蛋白的提取率可达45.3%。李秀霞等[15]通过超声辅助冷冻和低温速冻2 种冻结方式对冻藏鱼肉肌原纤维蛋白的理化性质及结构进行研究，发现在超声波辅助冷冻后，能够有效提高鱼肉热稳定性及更好维持海鲈鱼结构。胡代花[16]超声辅助提取大鲵肝脏油脂，得出在最佳条件下，大鲵肝脏油脂的提取率为90.86%。李根等[17]采用超声辅助技术处理鲵皮，在超声辅助提取最佳工艺条件下，鲵皮胶原蛋白的提取率为（37.36±2.61）%（n=3），接近模型的预测值（37.76%），明显高于未用超声处理鲵皮胶原蛋白的提取率（17.56±1.77）%。孔金花等[18]用响应面法对超声波辅助腌制小龙虾工艺进行优化，在最优条件下感官评分达91.2 分，钠含量为0.82%。王逸鑫等[19]对青鱼超声波辅助腌制品品质进行研究，结果表明，在超声波辅助下，鲜甜味氨基酸含量增加，对腌制品的风味起积极作用。曹璇等[20]对超声波辅助提取金鲳鱼骨油的工艺进行优化，在最优条件下，金鲳鱼骨油的提取率为80.51%。

多数研究证明超声辅助处理对动植物活性物质及营养成分的提取有一定促进作用，故本研究以革胡子鲶鱼为原料，通过单因素及响应面的方法，考察超声温度、超声时间及超声功率对革胡子鲶鱼鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响，旨在为促进汤中营养物质的溶出提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜八须革胡子鲶鱼购于天津红旗农贸市场。食盐 中盐上海市有限公司;大豆油 益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司;硫酸铜 天津北方天医化学试剂厂;氢氧化钠 天津光复发展有限公司;碳酸钠 天津江天化工技术有限公司;酒石酸 天津大茂化学试剂厂;福林-酚 北京索莱宝科技有限公司。

1.2 仪器与设备

304不锈钢汤锅 上海双立人有限公司;BJRJ-82绞肉机 浙江嘉兴艾博实业有限公司;C21-WK2102电磁炉 广东美的生活电器制造有限公司;移液枪 德国Eppendorf公司;SDX-1全自动风冷速冻箱 天津特斯达食品机械科技有限公司;T6新世纪紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司;KQ-700DE数控超声波清洗机 昆山市超声仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 鱼头汤制作工艺流程

新鲜鱼头骨肉泥（200 g）→油煎20 s（加热功率1 200 W[21]）→加水（料液比1∶6（m/V））→超声波处理（按实验设计调整超声波条件）→加热（加热功率1 200 W[21]）→煮沸并加盐0.5%[22]（盐的质量为鱼头和水质量的0.5%，开始计时）→保沸（加热功率500 W）→过滤→取样（无明显固形物）。

1.3.1.1 鱼头前处理

新鲜革胡子鲶鱼（鱼体质量（1.69±0.13） kg、鱼头质量（0.35±0.04） kg、鱼头长（14.78±1.16） cm、鱼头宽（9.69±0.53） cm），在20～40 min内送到实验室，敲击致晕，宰杀放入冰水中，剁下鱼头，去除鱼鳃，用冰水洗净鱼头，然后沥干速冻，剁成小块，粉碎、搅拌，混匀为鱼头碎泥装入袋中，冷藏备用。

1.3.1.2 鱼头汤制作工艺

锅烧热加入20 g大豆油，然后放入鱼头碎泥200 g，煎20 s，加入1 200 g水后，将锅中所有鱼肉和水倒入2 000 mL食品用烧杯中，用保鲜膜封口，放凉后进行超声波处理（各因素的基本条件为：超声时间20 min、超声温度25 ℃、超声功率490 W，单因素试验中每次只改变一个因素条件，其他条件不变）。结束后全部倒入锅中（烧杯中不留残余）。将加热功率调为1 200 W，待鱼汤煮沸后加盐0.5%，将加热功率调为500 W保沸并开始计时64 min，计时结束后，过滤（无明显固体物）即为鱼汤。

1.3.2 鱼头汤超声波辅助熬煮单因素试验设计

1.3.2.1 超声温度对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响

将18 个装有鱼汤的烧杯（每組3 个平行）分别在超声温度20、25、30、35、40、45 ℃条件下超声。结束后全部倒入锅中（烧杯中不留残余）。加热功率保持在1 200 W，待水煮沸，加入7.5 g盐，立即将加热功率调为500 W，保沸并计时64 min，每32 min称质量1 次，补充足够的水，使熬煮前后总质量（水+锅）保持一致。过滤后测定鱼头汤中水溶性蛋白含量。

1.3.2.2 超声时间对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响

将18 个装有鱼汤的烧杯（每组3 个平行）分别在超声时间15、20、25、30、35、40 min条件下超声。其他操作同1.3.2.1节，测定鱼头汤中水溶性蛋白含量。

1.3.2.3 超声功率对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响

将18 个装有鱼汤的烧杯（每组3 个平行）分别在超声功率280、350、420、490、560、630 W条件下超声。其他操作同1.3.2.1节，测定鱼头汤中水溶性蛋白含量。

1.3.3 鱼头汤超声波辅助熬煮响应面试验设计

根据1.3.1节单因素试验结果，筛选合适条件进行响应面设计，以超声温度（A）、超声时间（B）、超声功率（C）为自变量，考察此3因素及其交互作用对蛋白质溶出的影响，设计3因素3水平响应面试验模型，以优化超声辅助鱼头汤熬煮工艺，试验水平及因素设计见表1。

1.3.4 水溶性蛋白含量测定

参考翟争妍[22]、钱雪丽[23]等的方法，略有改进。取5 mL鱼头汤定容至100 mL，取1 mL于试管中，加入5 mL福林-酚甲液振荡摇匀，室温下静置10 min后立即加入0.5 mL福林-酚乙液，振荡混匀，30 ℃水浴预热30 min，取出摇匀后测定750 nm波长处的吸光度。以牛血清蛋白标准溶液质量浓度（25、50、100、150、200、250 μg/mL）为横坐标，以吸光度为纵坐标，制作标准曲线，计算水溶性蛋白含量。

1.4 数据处理

运用SPSS 19.0软件对数据进行单因素方差分析，且利用Duncans新复极差法进行显著性分析（P<0.05），运用Office Excel 2019软件作图，利用Design-Expert 11软件对响应面优化试验结果进行回归及分析。

2 结果与分析

2.1 鱼头汤超声条件优化单因素试验结果与分析

2.1.1 超声温度对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响

超声温度的升高有助于提高溶出的蛋白质等物质与水的相容性[24]。由图1可知，随着超声温度升高，汤中水溶性蛋白的含量呈先增加后降低的趋势。在35 ℃时，汤中水溶性蛋白含量达到最大值。当超声温度大于35 ℃时，汤中水溶性蛋白含量显著下降，超声温度升高到40～45 ℃时，汤中水溶性蛋白含量无显著变化。所以超声温度35 ℃为最佳条件。

超声波处理是通过振荡产生的破碎等多重效应，增加溶剂的穿透力[25]，加速鱼头中的蛋白、脂肪等物质进入到汤中。由图2可知，在整个超声处理过程中，随着超声时间的延长，鱼头汤中水溶性蛋白含量呈现先增加后降低的趋势。超声时间继续延长，蛋白质等物质在溶剂中的扩散达到动态平衡，汤中蛋白含量趋于饱和，30 min时汤中水溶性蛋白含量达到最大值。当超声时间继续延长，大于30 min时，汤中水溶性蛋白含量降低，由于汤中产生空化效应，导致液体温度升高，蛋白质遇高温易变性[26]。所以超声时间30 min为最佳条件。

2.1.3 超声功率对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响

超声功率的增加会加速体系内空化作用，细胞不再继续破碎，鱼头中物质的溶出率降低[27]。由图3可知，随着超声功率的增加，汤中水溶性蛋白含量呈现先增加后降低的趋势。超声功率为490 W时汤中水溶性蛋白含量最高，超声波的破碎作用发挥到最大，细胞破碎效果较好[28]。当超声强度继续增加，会达到饱和，进而形成音障，超声作用开始减小[27]。超声功率超过490 W时，水溶性蛋白含量显著下降，所以超声功率490 W为最佳条件。

2.2 鱼头汤超声条件优化响应面试验结果与分析

2.2.1 响应面试验结果

鱼头汤超声条件优化响应面试验设计及结果如表2所示，通过Design-Expert 11软件对超声温度（A）、超声时间（B）、超声功率（C）及响应值水溶性蛋白含量（R）建立3因素3水平的二次回归模型，方程为：R=0.939 5-0.033 9A+0.027 1B-0.003 0C-0.007 4AB+0.046 9AC-0.017 6BC-0.040 7A2-0.131 5B2-0.061 8C2。

由表3可知，关于超声温度（A）、超声时间（B）、超声功率（C）与水溶性蛋白含量（R）建立的模型，P值为0.023 4（显著），F值为4.948 2，此二项回归方程拟合的模型显著，失拟项不显著，表明在回归区域内拟合较好。一次项A（超声温度）、C（超声功率）、二次项（A2、B2）影响显著。A、B、C 3 个因素对此模型均有一定的影响，顺序为A>C>B，同时得出交互项AB、BC、AC影响均不显著。

2.2.2 响应曲面分析

当回归方程的自变量发生改变，响应值灵敏度随之改变，形成响应坡面。响应面曲线的陡峭程度、等高线图的密集程度，都将对响应值的大小产生影响[29-30]。根据拟合的模型及各个因素对汤中水溶性蛋白含量的影响，绘制两因素交互作用响应面图和等高线图。

由图4～6可知，图5的等高线图更紧密、响应面曲线更陡峭，表明超声温度与超声功率的交互影响对汤中水溶性蛋白含量的影响较大;超声时间与超声功率交互作用对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响次之;超声时间与超声温度交互作用的等高线图接近圆形，对鱼头汤中水溶性蛋白含量的影响较小。

2.2.3 验证实验

由于不能直接从图上找到最佳工艺参数，通过Design-Expert 11软件进行分析并对回归方程进行计算，预测超声辅助的最佳工艺。由表4可知，模型预测值为超声温度34.13 ℃、超声时间30.61 min、超声功率536.60 W，为验证响应面所得结果的可靠性，考虑到实际操作的便利、成本等因素，将工艺修正为超声温度35 ℃、超声时间31 min、超声功率490 W。验证值与预测值的相对误差较小，表明验证值与预测值基本接近。

3 结 论

通过单因素及响应面试验，对超声温度、超声时间、超声功率进行优化，得到在超声温度35 ℃、超声时间31 min、超声功率490 W时，革胡子鲶鱼鱼头汤中水溶性蛋白含量为（0.78±0.01） g/100 mL，与模型预测值相比，相对误差为1.9%，误差较小，表明真实值与模型预测值接近，优化结果在此模型下有较高的可靠性。

参考文献：

[1] 杨彩莉， 曹晓杰， 张渊超， 等. 3 種金枪鱼头不同部位成分比较及营养学评价[J]. 肉类研究， 2019， 33（10）： 8-14. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20190520-111.

[2] 王振强， 贾俊伟， 申森， 等. 鱼头中活性成分提取工艺优化及定性分析[J]. 食品工业， 2021， 42（3）： 98-103.

[3] 林婉茹， 王晓辉， 陈洪彬， 等. 马鲛鱼鱼头蛋白酶解工艺研究[J]. 农产品加工， 2021（10）： 26-29. DOI：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2021.05.040.

[4] 贾娟， 王婷婷， 傅航， 等. 响应面优化超声辅助法提取杜仲叶中绿原酸的工艺研究[J]. 保鲜与加工， 2021， 21（3）： 97-103.

[5] AWASD T S， MOHARRAM H A， SHALTOUT O E， et al. Applications of ultrasound in analysis， processing and quality control of food： a review[J]. Food Research International， 2012， 48（2）： 410-427. DOI：10.1016/j.foodres.2012.05.004.

[6] TURANTA? F， KILI? G B， KILI? B. Ultrasound in the meat industry： general applications and decontamination efficiency[J]. International Journal of Food Microbiology， 2015， 198： 59-69. DOI：10.1016/j.ijfoodmicro.2014.12.026.

[7] YANG Tao， SUN Dawen. Enhancement of food processes by ultrasound： a review[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition， 2015， 55（4）： 570-594. DOI：10.1080/10408398.2012.667849.

[8] KRASULYA O. Impact of acoustic cavitation on food emulsions[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2016， 30（1）： 98-102. DOI：10.1016/j.ultsonch.2015.11.013.

[9] HIGUERA-BARRAZA O A， DEL TORO-SANCHEZ C L， RUIZ-CRUZ S， et al. Effects of high-energy ultrasound on the functional properties of proteins[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2016， 31： 558-562. DOI：10.1016/j.ultsonch.2016.02.007.

[10] ZHONG Zhifeng， XIONG Youling L.. Thermosonication-induced structural changes and solution properties of mung bean protein[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2020， 62： 104908. DOI：10.1016/j.ultsonch.2019.104908.

[11] QIU Liqing， ZHANG Min， CHITRAKAR B， et al. Application of power ultrasound in freezing and thawing processes： effect on process efficiency and product quality[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2020， 68： 105230. DOI：10.1016/j.ultsonch.2020.105230.

[12] 蔡路昀， 萬江丽， 周小敏， 等. 超声波技术在鱼类加工中的应用研究进展[J]. 食品科学技术学报， 2020， 38（2）： 114-120. DOI：10.3969/j.issn.2095-6002.2020.02.015.

[13] 倪泽平， 李莹莹， 于作昌， 等. 微酸性电解水与超声波联合处理对中华马鲛杀菌效果的影响[J]. 食品科技， 2021， 46（5）： 123-127. DOI：10.13684/j.cnki.spkj.2021.05.021.

[14] 王正云， 蒋慧亮. 超声波辅助酶法提取青鱼鱼皮胶原蛋白工艺[J]. 食品研究与开发， 2020， 41（5）： 133-137.

[15] 李秀霞， 刘孝芳， 刘宏影， 等. 超声波辅助冷冻与低温速冻对海鲈鱼冰晶形态及冻藏期间鱼肉肌原纤维蛋白结构的影响[J]. 中国食品学报， 2021， 21（10）： 169-176.

[16] 胡代花. 超声辅助提取大鲵肝脏油脂及其脂肪酸组成分析[J]. 中国油脂， 2017， 42（6）： 12-15. DOI：10.3969/j.issn.1003-7969.2017.06.004.

[17] 李根， 任国艳， 李倩， 等. 超声辅助提取鲵皮胶原蛋白工艺优化及结构特征分析[J]. 食品工业科技， 2021， 42（22）： 160-168. DOI：10.13386/j.issn1002-0306.2021020154.

[18] 孔金花， 葛庆丰， 诸永志， 等. 响应面法优化小龙虾超声波辅助腌制工艺[J]. 肉类研究， 2021， 35（3）： 23-29. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210309-061.

[19] 王逸鑫， 吴涵， 黄海源， 等. 超声波辅助腌制对青鱼腌制品品质的影响[J]. 食品与发酵工业， 2020， 46（22）： 142-146; 160. DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.024650.

[20] 曹璇， 申铉日. 超声波辅助稀碱水解法提取金鲳鱼骨油的工艺优化与脂肪酸组成分析[J]. 食品科学， 2017， 38（18）： 280-285. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201718043.

[21] 冯媛， 赵洪雷， 曲诗瑶， 等. 海鲶鱼汤烹制过程中风味特性的变化[J]. 食品科学， 2020， 41（8）： 202-207. DOI：10.7506/spkx1002-6630-20190523-283.

[22] 翟爭妍， 樊馨怡， 陶宁萍. 盐质量分数对鱼头汤熬煮过程中微纳米颗粒形成的影响[J]. 食品科学， 2021， 42（3）： 21-29. DOI：10.7506/spkx1002-6630-20200103-028.

[23] 钱雪丽. 金枪鱼鱼头汤微纳胶粒结构的形成及抗氧化作用的研究[D]. 上海： 上海海洋大学， 2019： 37.

[24] 吴非， 李钊， 周琪， 等. 超声波辅助水酶法提取米胚油及其成分分析[J]. 食品科学， 2020， 41（24）： 233-241. DOI：10.7506/spkx1002-6630-20200426-343.

[25] 张丽芬， 朱婉萍， 刘东红， 等. 食品功能组分超声辅助提取的研究进展[J]. 中国食品学报， 2011， 11（3）： 128-132. DOI：10.16429/j.1009-7848.2011.03.025.

[26] 张文娟， 潘灵刚， 陶缘， 等. 响应面分析法优化超声辅助提取椪柑幼果中辛弗林的工艺[J]. 中国食品学报， 2015， 15（9）： 91-99. DOI：10.16429/j.1009-7848.2015.09.013.

[27] 王薇薇， 孟廷廷， 郭丹钊， 等. 食品加工中超声波生物学效应的研究进展[J]. 食品工业科技， 2015， 36（2）： 379-383. DOI：10.13386/j.issn1002-0306.2015.02.074.

[28] 曾颖， 曾臻， 陈仲巍， 等. 超声波辅助双水相萃取鲍鱼内脏的β-葡萄糖苷酶[J]. 食品研究与开发， 2019， 40（2）： 74-80.

[29] 安攀宇， 赵珊， 张淼， 等. 响应面法优化鸡胸肉蛋白酶解工艺[J]. 肉类研究， 2018， 32（11）： 22-29. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201811004.

[30] 王安琪， 闫征， 王道营， 等. 响应面法优化中式炖煮专用鸡肉原料的处理工艺[J]. 肉类研究， 2019， 33（5）： 36-42. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20190320-064.

收稿日期：2021-09-30

基金项目：天津市淡水养殖产业技术体系创新团队项目（ITTFRS2021000-012）

第一作者简介：李璐（1995—）（ORCID： 0000-0002-8312-9322），女，硕士研究生，研究方向为水产品加工品质与安全。

E-mail： 617207362@qq.com

*通信作者简介：李玲（1982—）（ORCID： 0000-0003-2505-2045），女，副教授，博士，研究方向为果蔬采后生理与分子

生物学、食品质量与安全。E-mail： liling19820925@163.com