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响应面法优化水产品液体速冻用的载冷剂配比

张涛 吴燕燕 李来好 杨贤庆 林婉玲 杨少玲 郝淑贤

引用本文:
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响应面法优化水产品液体速冻用的载冷剂配比

    作者简介: 张 涛(1992—),男,硕士研究生,从事水产品加工与质量安全控制研究。E-mail: zhangtaolzt@163.com;
    通讯作者: 吴燕燕, wuyygd@163.com
  • 中图分类号: S 985;TS 254.4

Optimization of ratio of refrigerants for quick liquid freezing of aquatic product by response surface methodology

    Corresponding author: Yanyan WU, wuyygd@163.com ;
  • CLC number: S 985;TS 254.4

  • 摘要: 为开发适合水产品快速冻结的安全食品级速冻液配方,该研究以乙醇、低聚果糖、柠檬酸、氯化钙、丙二醇等组成低温速冻液。通过单因素试验分析乙醇、低聚果糖、柠檬酸和氯化钙在不同质量分数下的冻结点变化规律,在此基础上以冻结点和黏度为响应值,通过Box-Behnken响应面法对速冻液中载冷剂的添加量进行优化,得到速冻液的最佳配方为19.9%乙醇、9.5%低聚果糖、3%柠檬酸、5%氯化钙、10%丙二醇。该配方制备的速冻液的冻结点可达−63.50 ℃、黏度4.64 mPa·s,具有冻结温度低、黏度小的特点,而且配方成本较低,操作方便,可应用于水产品及方便食品的快速冻结。
  • 图 1  冻结液的冻结曲线图

    Figure 1.  Freezing curve of frozen liquid

    图 2  乙醇和丙二醇不同添加量溶液冻结点变化规律图

    Figure 2.  Variation rule of freezing point with different addition amounts of ethanol or propylene glycol

    图 3  乙醇添加到丙二醇中溶液冻结点变化

    Figure 3.  Variation of freezing point of solution of ethanol added to propylene glycol

    图 4  低聚果糖不同添加量溶液冻结点变化规律图

    Figure 4.  Variation rule of freezing point with different addition amounts of oligofructose

    图 5  柠檬酸不同添加量溶液冻结点变化规律图

    Figure 5.  Variation rule of freezing point with different addition amounts of citric acid

    图 6  氯化钙不同添加量溶液冻结点变化规律图

    Figure 6.  Variation rule of freezing point with different addition amounts of calcium chloride

    图 7  乙醇、柠檬酸、低聚果糖和氯化钙各因素交互作用对速冻液冻结点影响的响应面图

    Figure 7.  Response surface diagram of the interaction of ethanol, citric acid, oligofructose and calcium chloride on freezing point of quick freezing liquid

    图 8  乙醇、柠檬酸、低聚果糖和氯化钙各因素交互作用对速冻液黏度影响的响应面图

    Figure 8.  Response surface diagram of the interaction of ethanol, citric acid, oligofructose and calcium chloride on viscosity of frozen liquid

    表 1  载冷剂配比的响应面试验因素水平表

    Table 1.  Response surface factors level of refrigerants ratio

    因素
    factor
    水平 level
    –101
    乙醇质量分数/% (A)
    ethanol mass fraction
    101520
    低聚果糖质量分数/% (B)
    fructooligosaccharide content
    81012
    柠檬酸质量分数/% (C)
    mass fraction of citric acid/%
    345
    氯化钙质量分数/% (D)
    mass fraction of calcium chloride
    357
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    表 2  响应面法优化实验结果

    Table 2.  Experimental results of BOX-Behnken design

    序号
    serial No.
    ABCD冻结点绝对值/℃
    absolute value of freezing point
    黏度/mPa·s
    viscosity
    1 –1 –1 0 0 40.8 6.19
    2 1 –1 0 0 60.2 4.71
    3 –1 1 0 0 46.3 5.96
    4 1 1 0 0 47.9 5.66
    5 0 0 –1 –1 43.8 5.32
    6 0 0 1 –1 43.5 5.60
    7 0 0 –1 1 48.1 5.15
    8 0 0 1 1 44.3 7.80
    9 –1 0 0 –1 37.8 5.05
    10 1 0 0 –1 54.3 4.65
    11 –1 0 0 1 44.7 6.51
    12 1 0 0 1 56.5 5.58
    13 0 –1 –1 0 51.8 5.77
    14 0 1 –1 0 45.7 5.40
    15 0 –1 1 0 44.9 6.20
    16 0 1 1 0 42.1 7.14
    17 –1 0 –1 0 35.4 4.95
    18 1 0 –1 0 63.5 4.62
    19 –1 0 1 0 45.6 6.50
    20 1 0 1 0 40.8 5.35
    21 0 –1 0 –1 49.2 5.46
    22 0 1 0 –1 39.0 5.70
    23 0 –1 0 1 45.7 6.30
    24 0 1 0 1 49.5 6.62
    25 0 0 0 0 43.6 6.10
    26 0 0 0 0 44.6 5.90
    27 0 0 0 0 45.8 6.31
    28 0 0 0 0 45.3 6.00
    29 0 0 0 0 45.1 6.45
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    表 3  冻结点绝对值回归与方差分析结果

    Table 3.  Analysis of variance fitted regression model of absolute value of freezing point

    来源
    source
    平方和
    SS
    自由度
    df
    均方和
    MS
    FP显著性
    significance
    模型 model 1 042.95 14 74.5 37.67 < 0.000 1 **
    A 439.23 1 439.23 222.11 < 0.000 1 **
    B 40.7 1 40.7 20.58 0.000 5 **
    C 61.2 1 61.2 30.95 < 0.000 1 **
    D 37.45 1 37.45 18.94 0.000 7 **
    AB 79.21 1 79.21 40.05 < 0.000 1 **
    AC 270.6 1 270.6 136.84 < 0.000 1 **
    AD 5.52 1 5.52 2.79 0.116 9
    BC 2.72 1 2.72 1.38 0.260 2
    BD 49 1 49 24.78 0.000 2 **
    CD 3.06 1 3.06 1.55 0.233 8
    A2 42.51 1 42.51 21.5 0.000 4 **
    B2 9.69 1 9.69 4.9 0.043 9 *
    C2 1.48 1 1.48 0.75 0.401 7
    D2 0.96 1 0.96 0.49 0.497
    残差 residual 27.69 14 1.98
    失拟 lack of fit 24.9 10 2.49 3.57 0.115 7
    纯误差 pure error 2.79 4 0.7
    总和 cor total 1 070.64 28 0.974 1
    注:*. 差异显著(P<0.05);**. 差异极显著(P<0.01);下表同此 Note: *. significant difference (P<0.05); **. very significant difference (P<0.01). The same case in the following table.
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    表 4  黏度回归与方差分析结果

    Table 4.  Analysis of variance fitted regression model of viscosity

    来源
    source
    平方和
    SS
    自由度
    df
    均方和
    MS
     FP显著性
    significance
    模型 model 14.86 14 1.06 34.76 < 0.000 1 **
    A 1.76 1 1.76 57.47 < 0.000 1 **
    B 0.29 1 0.29 9.34 0.008 6 **
    C 4.54 1 4.54 148.58 < 0.000 1 **
    D 3.18 1 3.18 104.19 < 0.000 1 **
    AB 0.35 1 0.35 11.4 0.004 5 **
    AC 0.17 1 0.17 5.5 0.034 2 *
    AD 0.07 1 0.07 2.3 0.151 7
    BC 0.43 1 0.43 14.04 0.002 2 **
    BD 1.60E-03 1 1.60E-03 0.052 0.822 3
    CD 1.4 1 1.4 45.97 < 0.000 1 **
    A2 2.47 1 2.47 81.01 < 0.000 1 **
    B2 0.02 1 0.02 0.64 0.437 6
    C2 0.077 1 0.077 2.52 0.134 8
    D2 0.088 1 0.088 2.88 0.111 9
    残差 residual 0.43 14 0.031
    失拟 lack of fit 0.22 10 0.022 0.44 0.865 3
    纯误差 pure error 0.2 4 0.051
    总和 cor total 15.29 28
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-02-22
  • 录用日期:  2019-04-22
  • 网络出版日期:  2019-05-30
  • 刊出日期:  2019-10-01

响应面法优化水产品液体速冻用的载冷剂配比

    作者简介:张 涛(1992—),男,硕士研究生,从事水产品加工与质量安全控制研究。E-mail: zhangtaolzt@163.com
    通讯作者: 吴燕燕, wuyygd@163.com
  • 1. 中国水产科学研究院南海水产研究所,农业农村部水产品加工重点实验室,广东 广州 510300
  • 2. 上海海洋大学食品学院,上海 201306

摘要: 为开发适合水产品快速冻结的安全食品级速冻液配方,该研究以乙醇、低聚果糖、柠檬酸、氯化钙、丙二醇等组成低温速冻液。通过单因素试验分析乙醇、低聚果糖、柠檬酸和氯化钙在不同质量分数下的冻结点变化规律,在此基础上以冻结点和黏度为响应值,通过Box-Behnken响应面法对速冻液中载冷剂的添加量进行优化,得到速冻液的最佳配方为19.9%乙醇、9.5%低聚果糖、3%柠檬酸、5%氯化钙、10%丙二醇。该配方制备的速冻液的冻结点可达−63.50 ℃、黏度4.64 mPa·s,具有冻结温度低、黏度小的特点,而且配方成本较低,操作方便,可应用于水产品及方便食品的快速冻结。

English Abstract

  • 近年来中国水产品产量增长显著,特别是随着水产养殖和渔业装备技术的发展,水产养殖产量快速增长,2017年中国水产品总产量达到6 445万吨[1]。水产品水分含量较高,常温下极易腐败变质。温度是影响水产品货架期的重要因素,低温保鲜能有效抑制水产品自身的酶活以及微生物生长,且成本相对低廉更符合生产需求[2]。常见的低温保鲜方式主要有冷藏和冷冻,但传统的冷冻技术主要采用空气强制对流冷冻和间接接触冷冻,能耗较高、冷冻效率低、冻结不均匀、易产生干耗,造成产品质地差等问题[3-6]。为追求更好的水产保鲜品质和更高的冷冻效率,开发更高效的新型水产品保鲜方法成为当前的研究热点。研究表明采用低冻结点的高纯度食品级氟利昂、液氮、液态二氧化碳作为载冷剂,冻结温度可低至–70 ℃以下,速冻效果最佳,但受限于回收难、不利于工业化生产等原因普及度不高[7-8]。不断有学者进行液体速冻方式的优化改良[9],即利用低温液体(冷冻媒介)与食品材料进行热交换,使食品材料快速冻结,该方法具有冻结设备结构简单、操作方便、冻结速率快、低能耗、冻结均匀、干耗小等优点,已成为当下的研究热点。为了更快地实现热交换,需要选择温度更低且更稳定的载冷剂作为冷冻媒介,由于跟食品材料直接接触,这种载冷剂还必须具有安全无毒的特点[9-11]。常见的一元冷冻媒介有液氮、液态二氧化碳,但其缺点是无法循环利用;随后一些学者开始利用盐水或乙醇水溶液或糖类水溶液作为载冷剂,但发现高浓度乙醇易挥发且易燃,而浓盐水则渗透性太强且易腐蚀设备,糖类则存在黏度太高的问题。为克服上述缺陷,三元、四元载冷剂[12-13]被研发出来,即将盐或糖、乙醇和水按一定比例复配组合得到的冻结液,具有降低冻结点的效果,但其冻结物料的温度仍不够低且不能完全克服上述问题。因此开发复合多元载冷剂是正确的改进方向,也是液体速冻技术发展的核心,由于需要选择安全、食用级的组分,并解决多元载冷剂之间的相互影响等问题,所以发展较为缓慢[14-16];近年韩光赫等[17]、杨贤庆等[18]开发的多元载冷剂可实现–40 ℃左右的冻结。

    载冷剂配方是液体速冻的最关键技术,而目前国内外相关研究较少[19-20]。为探索适合浸渍速冻技术的新型多元冻结液,本实验选用食品级乙醇、低聚果糖、柠檬酸及氯化钙组成的水溶液,通过单因素试验探明各载冷剂添加量与冻结点之间的关系和影响,再将起主要作用的载冷剂通过响应面法优化其最佳配比,获得适用于水产品快速冻结的冻结点较低的速冻液配方,从而实现水产品在更短时间内达到较低的中心温度,更好地保持鲜度和品质。

    • 乙醇、丙二醇、柠檬酸、低聚果糖、氯化钙等均为食品级,购自广州化学试剂厂。

    • WJ400H液体冻结机(饶平万佳水产有限公司);Testo 735-2专业型温度仪(德国德图仪器公司);Forma-725超低温冰箱(艾本德中国有限公司);NDJ-8s数字黏度计(上海方瑞仪器有限公司)。

    • 参考杨贤庆等[18]和马晓斌等[21]的方法,测定冻结液的冻结点(图1)。降温曲线在36~38 min出现略微升温现象,可对此升温曲线的温度段求平均值并视为该冻结液的近似冻结点。

      图  1  冻结液的冻结曲线图

      Figure 1.  Freezing curve of frozen liquid

    • 预实验测得冻结液在常温状态的黏度不超过15 mPa·s,黏度计转子类型选择0号转子,测定黏度更精确。测定方法参考倪明龙[22],重复测3次取平均值。

    • 在不同添加量下,分别研究所选用的食品级载冷剂组分对溶液冻结点的影响。

      乙醇/丙二醇添加量对冻结液冻结点的影响。以冻结液冻结点为指标,分别配制不同质量分数(5%、10%、15%、20%、25%)乙醇溶液和丙二醇溶液进行冻结,记录2组醇溶液冻结曲线;在5%、10%、15%、20%、25%的乙醇溶液中添加丙二醇配置成复合醇溶液,分析不同乙醇添加量对复合醇冻结点的影响。

      低聚果糖添加量对冻结液冻结点的影响。以冻结液冻结点为指标,分别配制不同质量分数(4%、6%、8%、10%、12%、14%)的低聚果糖溶液进行冻结,记录其冻结曲线,分析低聚果糖不同添加量对冻结液冻结点的影响。

      柠檬酸添加量对冻结液冻结点的影响。分别配制不同质量分数(3%、6%、9%、12%、15%、18%)的柠檬酸溶液进行冻结,记录其冻结曲线,分析柠檬酸不同添加量对溶液冻结点的影响。

      氯化钙添加量对冻结液冻结点的影响。分别配制不同质量分数(2%、5%、8%、11%)的氯化钙溶液进行冻结,记录其冻结曲线,分析氯化钙不同添加量对溶液冻结点的影响。

    • 在1.3.3单因素试验结果基础上,对冻结点影响较大的主要因素,进行Box-Behnken响应面试验,自变量为乙醇(A)、低聚果糖(B)、柠檬酸(C)、氯化钙(D)的质量分数,响应值为冻结点的绝对值和黏度,设计的试验因素水平表见表1

      因素
      factor
      水平 level
      –101
      乙醇质量分数/% (A)
      ethanol mass fraction
      101520
      低聚果糖质量分数/% (B)
      fructooligosaccharide content
      81012
      柠檬酸质量分数/% (C)
      mass fraction of citric acid/%
      345
      氯化钙质量分数/% (D)
      mass fraction of calcium chloride
      357

      表 1  载冷剂配比的响应面试验因素水平表

      Table 1.  Response surface factors level of refrigerants ratio

    • 醇类是速冻液中常用的载冷剂,现有的含醇类速冻液中醇类用量较大,也因此造成速冻液不稳定、挥发性大、黏度大等问题,为达到降低冻结点的同时减少速冻液粘性的目的,必须合理调整和选择乙醇和丙二醇的含量[23]。乙醇和丙二醇均随质量分数的增加,冻结点温度不断下降,且乙醇的冻结点温度一直低于丙二醇(图2)。而多元组分液体冻结点往往低于单一组分液体,所以为了提高速冻液的效能即增强抗结晶能力、降低冻结点,可以通过组合搭配两种醇类的比例来改进冻结性能。本研究以10%丙二醇[15]为基础,添加不同质量分数的乙醇形成复合醇,并保持复合醇在速冻液中总含量不超过30%。随着乙醇质量分数的增加,冻结点温度不断降低,乙醇添加量为15%时,达到最低,而后温度处于较平稳状态(图3)。丙二醇不易挥发,但黏度较高,因此选择其质量分数为10%,而乙醇的添加量宜在15%左右,合理调整乙醇、丙二醇组分比例可减少载冷剂的损失量[24]

      图  2  乙醇和丙二醇不同添加量溶液冻结点变化规律图

      Figure 2.  Variation rule of freezing point with different addition amounts of ethanol or propylene glycol

      图  3  乙醇添加到丙二醇中溶液冻结点变化

      Figure 3.  Variation of freezing point of solution of ethanol added to propylene glycol

    • 糖类具有包埋蛋白质分子中结合水的能力,能抑制蛋白质在冷冻时发生变性,所以常作为抗冻剂应用于水产品中[25-26]。低聚果糖具有高溶解度、高保水性和良好的抗结晶性,有助于降低冷冻液的冻结点温度并提高冷冻液稳定性。随着低聚果糖添加量的增大,冻结点逐渐降低,较低浓度时其冻结点温度随其浓度变化不明显(图4)。出于冻结液黏度及复配考虑,低聚果糖的质量分数梯度采用8%、10%、12%。

      图  4  低聚果糖不同添加量溶液冻结点变化规律图

      Figure 4.  Variation rule of freezing point with different addition amounts of oligofructose

    • 本研究首次考虑将柠檬酸应用于冻结液中,柠檬酸有很好的降低冻结点的功能,能有效抑制液体结冰的速率,使液体在低温下保持较好的稳定性;此外,柠檬酸也是一种优良的螯合剂、掩蔽剂,与其他组分一起配制时能提高载冷剂性能(图5)。随着柠檬酸添加量的增加,溶液冻结点逐渐降低,其降幅大于低聚果糖溶液。柠檬酸溶液偏弱酸性对食品原来的品质和口感稍有影响,但如果水产品包装之后再进行速冻液冻结,就不会对其品质和口感造成影响。研究表明柠檬酸浓度大于3%后,其pH随浓度增加无显著变化,故柠檬酸的质量分数阈值可选3%~5%为宜。

      图  5  柠檬酸不同添加量溶液冻结点变化规律图

      Figure 5.  Variation rule of freezing point with different addition amounts of citric acid

    • 冷盐水保鲜是最早应用于渔船冷冻保存水产品的有效、方便且廉价的方法,盐类也是最常用的液体冷冻液组分之一,研究表明多元冷冻液中加少量盐类可有效地降低溶液的冻结点,不过其具有很高的渗透性,易对物料原有风味和质量产生影响,且对设备腐蚀性较强[18, 27]。由不同质量分数氯化钙溶液冻结点的变化可知(图6),随着氯化钙添加量的增加,溶液冻结点逐渐降低,其冻结点比氯化钠还低[18],氯化钙作为食品添加剂与柠檬酸一起应用于水产品中以提高水产品在冷藏过程中的品质。研究表明[24]氯化钙含量超过7%冷却过程会出现盐析现象,考虑到冻结液的冻结效果和稳定性及其对食材影响[28],氯化钙的添加量不宜超过7%。

      图  6  氯化钙不同添加量溶液冻结点变化规律图

      Figure 6.  Variation rule of freezing point with different addition amounts of calcium chloride

    • 根据BOX-Behnken中心设计原理,在上述单因素实验基础上,以影响速冻液冻结点的明显因素,乙醇(A)、低聚果糖(B)、柠檬酸(C)和氯化钙(D)为自变量,以冻结点绝对值和黏度为响应值,按表1进行响应面试验,实验结果见表2

      序号
      serial No.
      ABCD冻结点绝对值/℃
      absolute value of freezing point
      黏度/mPa·s
      viscosity
      1 –1 –1 0 0 40.8 6.19
      2 1 –1 0 0 60.2 4.71
      3 –1 1 0 0 46.3 5.96
      4 1 1 0 0 47.9 5.66
      5 0 0 –1 –1 43.8 5.32
      6 0 0 1 –1 43.5 5.60
      7 0 0 –1 1 48.1 5.15
      8 0 0 1 1 44.3 7.80
      9 –1 0 0 –1 37.8 5.05
      10 1 0 0 –1 54.3 4.65
      11 –1 0 0 1 44.7 6.51
      12 1 0 0 1 56.5 5.58
      13 0 –1 –1 0 51.8 5.77
      14 0 1 –1 0 45.7 5.40
      15 0 –1 1 0 44.9 6.20
      16 0 1 1 0 42.1 7.14
      17 –1 0 –1 0 35.4 4.95
      18 1 0 –1 0 63.5 4.62
      19 –1 0 1 0 45.6 6.50
      20 1 0 1 0 40.8 5.35
      21 0 –1 0 –1 49.2 5.46
      22 0 1 0 –1 39.0 5.70
      23 0 –1 0 1 45.7 6.30
      24 0 1 0 1 49.5 6.62
      25 0 0 0 0 43.6 6.10
      26 0 0 0 0 44.6 5.90
      27 0 0 0 0 45.8 6.31
      28 0 0 0 0 45.3 6.00
      29 0 0 0 0 45.1 6.45

      表 2  响应面法优化实验结果

      Table 2.  Experimental results of BOX-Behnken design

      对冻结点绝对值的结果(表2),通过Design Expert软件进行多元拟合回归分析,冻结点回归方程为:

      $ \begin{array}{l} {Y_1} = 44.88 + 6.05A - 1.84B - 2.26C + 1.77D - 4.45AB- \\ \;\;\;\;\; 8.22AC - 1.18AD + 0.82BC + 3.50BD-0.88CD+ \\ \;\;\;\;\; 2.56{A^2} + 1.22B^2 - 0.48{C^2} + 0.39{D^2} \end{array} $

      对速冻液冻结点结果的回归方程进行方差分析和显著性检验 (表3)。整体模型的显著性水平P<0.000 1,表明模型达到很高的显著水平,是确定最佳冻结液配方的有效参考项。由失拟项(P=0.115 7>0.05)不显著,相关系数(R2)为0.974 1,说明影响残差的主要因素是随机误差,该模型能较好地反映冻结点与乙醇、柠檬酸、低聚果糖、氯化钙添加量之间的关系。乙醇添加量和柠檬酸添加量均为P<0.000 1,说明乙醇和柠檬酸添加量对冻结点影响最显著(表3)。回归方程中,根据F值大小,各因素对冻结点的影响顺序为A>C>B>D

      来源
      source
      平方和
      SS
      自由度
      df
      均方和
      MS
      FP显著性
      significance
      模型 model 1 042.95 14 74.5 37.67 < 0.000 1 **
      A 439.23 1 439.23 222.11 < 0.000 1 **
      B 40.7 1 40.7 20.58 0.000 5 **
      C 61.2 1 61.2 30.95 < 0.000 1 **
      D 37.45 1 37.45 18.94 0.000 7 **
      AB 79.21 1 79.21 40.05 < 0.000 1 **
      AC 270.6 1 270.6 136.84 < 0.000 1 **
      AD 5.52 1 5.52 2.79 0.116 9
      BC 2.72 1 2.72 1.38 0.260 2
      BD 49 1 49 24.78 0.000 2 **
      CD 3.06 1 3.06 1.55 0.233 8
      A2 42.51 1 42.51 21.5 0.000 4 **
      B2 9.69 1 9.69 4.9 0.043 9 *
      C2 1.48 1 1.48 0.75 0.401 7
      D2 0.96 1 0.96 0.49 0.497
      残差 residual 27.69 14 1.98
      失拟 lack of fit 24.9 10 2.49 3.57 0.115 7
      纯误差 pure error 2.79 4 0.7
      总和 cor total 1 070.64 28 0.974 1
      注:*. 差异显著(P<0.05);**. 差异极显著(P<0.01);下表同此 Note: *. significant difference (P<0.05); **. very significant difference (P<0.01). The same case in the following table.

      表 3  冻结点绝对值回归与方差分析结果

      Table 3.  Analysis of variance fitted regression model of absolute value of freezing point

      Design Expert软件拟合实验结果,得出冻结点的最佳冷冻液配方为乙醇添加量19.89%、低聚果糖添加量9.56%、柠檬酸添加量3.02%,氯化钙添加量为5.41%,其冻结点理论值为–64.617 7 ℃。

      表2速冻液黏度的结果,通过Design Expert软件进行多元拟合回归分析,速冻液黏度回归方程如下:

      $ \begin{array}{l} {Y_2} = 6.15 - 0.38A + 0.15B + 0.61C + 0.52D + 0.30AB - \\ \;\;\;\;\;\;\;0.21AC - 0.13AD + 0.33BC + 0.020BD +0.59CD - \\ \;\;\;\;\;\;\; 0.62{A^2} + 0.055{B^2} - 0.11{C^2} - 0.12{D^2} \end{array} $

      对速冻液黏度的回归方程进行方差分析和显著性检验结果见表4。模型整体显著性水平P<0.000 1,表明模型显著性水平极高,失拟项不显著(P=0.864 8>0.05),表明实验结果和模型拟合良好,该模型可较好地描述各因素与黏度值之间的真实关系,可从黏度的角度来预测速冻液配方。R2=0.972 0和校正决定系数(RAdj 2 =0.944 1)可以验证模型的拟合度,表明该模型能较好地反映速冻液的黏度与乙醇、低聚果糖、柠檬酸和氯化钙添加量之间的关系。乙醇、柠檬酸和氯化钙添加量均为P<0.000 1,说明三者添加量对响应值有显著性影响(表4)。根据F值大小,各因素对速冻液的黏度影响顺序为:C>D>A>B。Design Expert软件拟合实验结果,得出黏度的最佳速冻液配方为乙醇添加量19.96%、低聚果糖添加量9.86%、柠檬酸添加量3.03%,氯化钙添加量为5.54%,其黏度理论值为4.590 05 mPa·s。

      来源
      source
      平方和
      SS
      自由度
      df
      均方和
      MS
       FP显著性
      significance
      模型 model 14.86 14 1.06 34.76 < 0.000 1 **
      A 1.76 1 1.76 57.47 < 0.000 1 **
      B 0.29 1 0.29 9.34 0.008 6 **
      C 4.54 1 4.54 148.58 < 0.000 1 **
      D 3.18 1 3.18 104.19 < 0.000 1 **
      AB 0.35 1 0.35 11.4 0.004 5 **
      AC 0.17 1 0.17 5.5 0.034 2 *
      AD 0.07 1 0.07 2.3 0.151 7
      BC 0.43 1 0.43 14.04 0.002 2 **
      BD 1.60E-03 1 1.60E-03 0.052 0.822 3
      CD 1.4 1 1.4 45.97 < 0.000 1 **
      A2 2.47 1 2.47 81.01 < 0.000 1 **
      B2 0.02 1 0.02 0.64 0.437 6
      C2 0.077 1 0.077 2.52 0.134 8
      D2 0.088 1 0.088 2.88 0.111 9
      残差 residual 0.43 14 0.031
      失拟 lack of fit 0.22 10 0.022 0.44 0.865 3
      纯误差 pure error 0.2 4 0.051
      总和 cor total 15.29 28

      表 4  黏度回归与方差分析结果

      Table 4.  Analysis of variance fitted regression model of viscosity

    • 通过Design Expert软件进一步对实验结果进行曲面图分析。曲面图中各因素的曲线陡峭程度能反映其对响应值的影响大小,越陡影响越大;而图中等高线形状能直观表明2个因素间的交互作用大小,等高线接近圆形说明交互作用弱,接近椭圆形则表明交互作用强[31-32]。当乙醇添加量不变时,冻结点随着低聚果糖添加量的增加而缓慢降低;当低聚果糖添加量不变时,冻结点随着乙醇添加量的增加而快速降低,说明乙醇对冻结点的影响较低聚果糖显著,曲线较陡(图7-a)。同样乙醇对冻结点的影响较柠檬酸影响大(图7-b);图7-c也显示乙醇对冻结点的影响比氯化钙大。而图7-d柠檬酸对冻结点的影响较低聚果糖显著,图7-e表明低聚果糖与氯化钙对冻结点的影响类似,图7-f则是柠檬酸对冻结点的影响较氯化钙显著。这与表3各影响因素对冻结点影响大小的顺序一致,即乙醇>柠檬酸>低聚果糖>氯化钙。

      图  7  乙醇、柠檬酸、低聚果糖和氯化钙各因素交互作用对速冻液冻结点影响的响应面图

      Figure 7.  Response surface diagram of the interaction of ethanol, citric acid, oligofructose and calcium chloride on freezing point of quick freezing liquid

      图8-a曲面图中曲线较平缓,说明乙醇和低聚果糖对速冻液黏度影响较小;图8-b显示柠檬酸添加量不变时,黏度随着乙醇添加量的增加变化缓慢,但当乙醇添加量不变时,黏度随着柠檬酸添加量的增加而快速增大,说明柠檬酸对黏度的影响较乙醇显著,曲线表现较陡。图8-d也表明柠檬酸较低聚果糖对速冻液的黏度影响较大;图8-ce则表明氯化钙对速冻液黏度的影响较乙醇和低聚果糖大,图8-f中曲线越陡峭,说明柠檬酸和氯化钙对速冻液黏度的影响都较显著。这与表4各影响因素对速冻液黏度影响大小的顺序一致,即柠檬酸>氯化钙>乙醇>低聚果糖。

      图  8  乙醇、柠檬酸、低聚果糖和氯化钙各因素交互作用对速冻液黏度影响的响应面图

      Figure 8.  Response surface diagram of the interaction of ethanol, citric acid, oligofructose and calcium chloride on viscosity of frozen liquid

    • 根据前面分析分别得到冻结点和黏度的最佳速冻液配方,结合生产实际及节约成本原则,综合考虑之后确定液体快速冻结的冻结液最佳配方为19.9%乙醇、9.5%低聚果糖、3%柠檬酸和5%氯化钙组成的冻结液。为了检验模型预测的准确性,在此条件下重复3次,测得最佳冻液配方冻结点为–63.5 ℃,黏度为4.64 mPa·s,较接近模型预测值,表明实验模型可以用于预测实际值。

      本研究成功获得了比同类冷冻液配方研究[18, 20, 24]冻结点更低、黏度更小的冷冻液配方,而且配方中所用到的几种添加剂价格便宜,成本较低。本研究是在之前研究基础上对新高度的探索,验证了乙醇、丙二醇、低聚果糖、柠檬酸、氯化钙组分在冷冻液复配中的作用,同时采用响应面模型拟合最佳配方,较好地反映出4个因素对冻结点和黏度的影响关系,为探索更高效的速冻液配方提供研究思路。目前本研究所得配方仅在实验和中验证有效,在实际生产用途中并未得到验证,对于其在实际生产中的局限性及缺陷仍未可知。

    • 近年来,液体速冻因操作方便、节能、成本较低、设备小巧而备受关注,也越来越受到水产行业的重视,利用其快速冻结水产品,可以在较短时间内达到锁鲜的目的。而液体速冻技术的关键就是冻结液,开发一种冻结温度低的速冻液是当前行业迫切需要解决的问题。

      本研究选择食用级冷媒剂,在单因素实验研究各成分最低冻结点范围的基础上,通过Box-Behnken响应面法对主要组成的添加量进行优化,得到速冻液载冷剂最佳配比为19.9%乙醇、9.5%低聚果糖、3%柠檬酸、5%氯化钙、10%丙二醇。该配方配制的速冻液不仅冻结温度低,冻结点可达–63.50 ℃,且黏度较小(4.64 mPa·s),应用于水产品如鱼类或虾、贝类的快速冻结,可实现在较短时间内使其所需冻结温度,进而较好地保持其品质和鲜度;此外,该配方还兼具成本低、操作方便等优势。

参考文献 (32)

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