楊賢慶，侯彩玲,2，林婉玲 ，刁石強，郝淑賢，吳燕燕，鄧建朝，馬海霞

(1.中國水產(chǎn)科學研究院南海水產(chǎn)研究所，國家水產(chǎn)品加工技術研發(fā)中心，農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品加工重點實驗室，廣東 廣州 510300；2.上海海洋大學食品學院，上海 201306)

浸漬快速凍結(jié)技術[1-4]是指將被凍物品浸漬在低溫的凍結(jié)液中，通過直接的熱交換方式實現(xiàn)快速凍結(jié)，具有凍結(jié)速度快、能耗低、凍結(jié)質(zhì)量好等優(yōu)點，具有可觀的發(fā)展前景。然而，浸漬凍結(jié)過程中存在一些問題，比如凍結(jié)液質(zhì)量下降和凍結(jié)液溶質(zhì)滲入被凍物品等現(xiàn)象使浸漬式快速凍結(jié)技術仍無法得到廣泛應用。

凍結(jié)液是浸漬式凍結(jié)中與被凍物料接觸的凍結(jié)介質(zhì)，凍結(jié)液的選擇直接決定著凍結(jié)產(chǎn)品的品質(zhì)。直接浸漬式凍結(jié)中凍結(jié)液直接與被凍物品相接觸，因此對凍結(jié)液的要求相對比較高。首先，凍結(jié)液的凍結(jié)點要低，一般不能高于－30～－35℃，而且傳熱系數(shù)大，黏度小；其次，性質(zhì)穩(wěn)定，即安全無毒、不燃不爆、腐蝕性?。蛔詈?，價格不能過高。但這些常用的凍結(jié)液都存在一些缺陷[5-6]，比如，酒精溶液易揮發(fā)；氯化鈣溶液不可用于直接浸漬式凍結(jié)中；糖溶液黏度大等。為了進一步研究適合浸漬速凍技術的凍結(jié)液，本實驗選用對人體健康無害的甜菜堿、丙二醇、氯化鈉、甘氨酸、低聚木糖、甘露醇、水組成凍結(jié)液，通過單因素試驗及響應面分析試驗找到其最佳配比，應用于食品的浸漬凍結(jié)過程中。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甜菜堿 杭州萬景材料有限公司；丙二醇 天津市富宇精細化工有限公司；氯化鈉 廣州化學試劑廠；甘氨酸 廣州康龍生物科技有限公司；低聚木糖 廣州齊云生物技術有限公司；甘露醇 天津市福晨化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

DW-86L386海爾超低溫冰箱 青島海爾股份有限公司；735-2溫度測量儀 德國德圖儀器公司；TES 1310溫度計探頭 臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司；NDJ-8s數(shù)字黏度計 上海方瑞儀器有限公司；Mettler GB204電子天平 梅托勒-托利多儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 凍結(jié)液凍結(jié)點的測定

配制凍結(jié)液置于燒杯中，將溫度計探頭浸入溶液中并固定，探頭另一端連接至溫度測量儀接口。將盛有凍結(jié)液的燒杯置于－80℃冰箱中凍結(jié)。開啟溫度測量儀，選擇溫度-時間模式，此模式下可連續(xù)記錄一段時間內(nèi)的溫度，如圖1所示。由圖1可知，凍結(jié)液在降溫過程中存在一段降溫速率極小(甚至出現(xiàn)略微升溫現(xiàn)象)的曲線。對此段平緩曲線上的溫度求取平均值，可視為該凍結(jié)液的近似凍結(jié)點。

圖 1 凍結(jié)液的凍結(jié)曲線圖Fig.1 Freezing curve of immersion solution

1.3.2 凍結(jié)液黏度的測定

凍結(jié)液在室溫下的黏度一般不超過20mPa·s，因此使用0號轉(zhuǎn)子即可測定室溫下凍結(jié)液的黏度。測定方法為：打開數(shù)字黏度儀，調(diào)平后，將0號轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)子連接螺桿上，室溫下用50mL量筒量取約25mL凍結(jié)液于試筒內(nèi)，試筒固定到固定套筒上，此時轉(zhuǎn)子浸沒在試筒內(nèi)的凍結(jié)液中，設定合適的轉(zhuǎn)速后開始測定黏度，直至黏度數(shù)值不再變化為止，記錄讀數(shù)。

凍結(jié)過程中黏度變化范圍比較大，需要根據(jù)量程不斷更換轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)速。隨著凍結(jié)液溫度的降低，凍結(jié)液的黏度也開始逐漸增大，每次測定凍結(jié)液黏度時黏度值較難穩(wěn)定而此時溫度也在不斷變化。為準確測定某一溫度下的黏度值，在待測凍結(jié)液外加冰浴，即將盛有凍結(jié)液的燒杯置于充滿冰片的容器中，再置于－80℃冰箱中降溫。測定方法為：每當溫度降低5℃時，將容器取出，選擇合適的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)速測定黏度值，待數(shù)值穩(wěn)定后記錄讀數(shù)。通常選用1或2號轉(zhuǎn)子測定，除0號轉(zhuǎn)子外的其他轉(zhuǎn)子均為直接浸入凍結(jié)液中測定黏度值。

1.3.3 因素試驗

以凍結(jié)液凍結(jié)點為指標，研究不同質(zhì)量分數(shù)的單組分(甜菜堿、丙二醇、氯化鈉、甘氨酸)溶液作凍結(jié)液時凍結(jié)點的變化規(guī)律，篩選對凍結(jié)液凍結(jié)點影響顯著的組分進行下面的響應面分析，優(yōu)選最佳凍結(jié)液配方。

1.3.4 Box-Behnken試驗設計

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，采用響應面設計，運用Box-Behnken試驗設計原理，以凍結(jié)點的絕對值與黏度的比值為響應值，選擇對其影響顯著的3個因素，甜菜堿(A)、丙二醇(B)、氯化鈉(C)質(zhì)量分數(shù)，設計三因素三水平響應面分析試驗，試驗因素水平表見表1。

表 1 食品浸漬速凍凍結(jié)液響應面試驗因素水平表Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters used in response surface analysis

1.3.5 多組分復配

根據(jù)響應面分析試驗得到的3種物質(zhì)的配比，再添加少量其他物質(zhì)(甘氨酸、低聚木糖、甘露醇)進行多組分復配，測定其凍結(jié)點和低溫狀態(tài)下的黏度，在不顯著增大黏度的情況下得到凍結(jié)點更低的凍結(jié)液。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗與結(jié)果

2.1.1 不同質(zhì)量分數(shù)的甜菜堿溶液凍結(jié)點變化規(guī)律

圖 2 甜菜堿溶液凍結(jié)點變化規(guī)律圖Fig.2 Effect of betaine concentration on the freezing point of immersion solution

甜菜堿[7]在水中溶解度很大，可達160g/100g，具有強烈的吸濕保水性能，可用作浸漬凍結(jié)的凍結(jié)液組分之一。分別配制不同質(zhì)量分數(shù)(20%、40%、60%)的甜菜堿溶液進行凍結(jié)，記錄其凍結(jié)曲線以確定不同質(zhì)量分數(shù)的甜菜堿溶液的凍結(jié)點。繪制甜菜堿溶液在不同質(zhì)量分數(shù)下的凍結(jié)點變化規(guī)律圖如圖2所示。由圖2可知，隨著甜菜堿溶液質(zhì)量分數(shù)增大，凍結(jié)點逐漸降低，其水溶液凍結(jié)點可低至－30℃?？紤]到凍結(jié)液黏度及復配問題，甜菜堿的質(zhì)量分數(shù)選在20%為宜。

2.1.2 不同質(zhì)量分數(shù)的丙二醇溶液凍結(jié)點變化規(guī)律

根據(jù)資料表明，丙二醇[8-10]是浸漬凍結(jié)的凍結(jié)液中的重要組分。分別配制不同質(zhì)量分數(shù)(5%、10%、15%、20%、25%)的丙二醇溶液進行凍結(jié)，記錄其凍結(jié)曲線以確定不同質(zhì)量分數(shù)的丙二醇溶液的凍結(jié)點。繪制不同質(zhì)量分數(shù)丙二醇溶液凍結(jié)點變化規(guī)律圖，見圖3。由圖3可知，隨著丙二醇溶液質(zhì)量分數(shù)增高，凍結(jié)點逐漸降低，由于丙二醇黏度比較大，質(zhì)量分數(shù)過高會影響復配凍結(jié)液的總黏度，因此，丙二醇的質(zhì)量分數(shù)選在15%為宜。

圖 3 丙二醇溶液凍結(jié)點變化規(guī)律圖Fig.3 Effect of propanediol concentration on the freezing point of immersion solution

2.1.3 不同質(zhì)量分數(shù)的氯化鈉溶液凍結(jié)點變化規(guī)律

鹽水[11]溶液很早就應用到魚蝦等水產(chǎn)品在漁船上的冷凍保存，是最常用的浸漬凍結(jié)液組分之一，凍結(jié)點低，不過易腐蝕設備，且溶液常滲透進被凍物品，影響其原有的風味和質(zhì)量。分別配制不同質(zhì)量分數(shù)(5%、10%、15%、20%)的氯化鈉溶液進行凍結(jié)，記錄其凍結(jié)曲線以確定不同質(zhì)量分數(shù)的氯化鈉溶液的凍結(jié)點。繪制在不同質(zhì)量分數(shù)氯化鈉溶液凍結(jié)點變化規(guī)律圖見圖4。由圖4可知，隨著氯化鈉溶液質(zhì)量分數(shù)的增高，凍結(jié)點逐漸降低，考慮到氯化鈉腐蝕設備和滲透等問題，氯化鈉質(zhì)量分數(shù)選5%為宜。

圖 4 氯化鈉溶液凍結(jié)點變化規(guī)律圖Fig.4 Effect of sodium chloride on the freezing point of immersion solution

2.1.4 不同質(zhì)量分數(shù)的甘氨酸溶液凍結(jié)點變化規(guī)律

甘氨酸[12]用作凍結(jié)液組分的報道比較少，初次考慮將其用于凍結(jié)液中，進行單因素試驗。分別配制不同質(zhì)量分數(shù)(5%、10%、15%)的甘氨酸溶液凍結(jié)，記錄其凍結(jié)曲線以確定不同質(zhì)量分數(shù)的甘氨酸溶液的凍結(jié)點。繪制不同質(zhì)量分數(shù)甘氨酸溶液凍結(jié)點變化規(guī)律圖，見圖5。由圖5可知，隨著甘氨酸溶液質(zhì)量分數(shù)的增大，凍結(jié)點逐漸降低，不過降幅不是很大。可考慮在凍結(jié)液多組分復配中少量添加。

圖 5 甘氨酸溶液凍結(jié)點變化規(guī)律圖Fig.5 Effect of glycine concentration on the freezing point of immersion solution

由圖2～4可知，甜菜堿、丙二醇、氯化鈉質(zhì)量分數(shù)對凍結(jié)點有較大影響，甜菜堿質(zhì)量分數(shù)增加5%，凍結(jié)點可降低3℃左右；丙二醇質(zhì)量分數(shù)增加5%，凍結(jié)點可降低2℃左右；氯化鈉質(zhì)量分數(shù)增加5%，凍結(jié)點可降低3℃左右。而隨著甘氨酸質(zhì)量分數(shù)增加，凍結(jié)點降低不明顯。由圖5可知，甘氨酸質(zhì)量分數(shù)達到15%時已近飽和質(zhì)量分數(shù)，而凍結(jié)點只有－3.8℃。低聚木糖和甘露醇的單因素試驗結(jié)果同甘氨酸類似。因此，選擇對凍結(jié)點影響較大的甜菜堿、丙二醇、氯化鈉3種物質(zhì)進行三因素三水平的響應面優(yōu)化分析。

2.2 響應面法優(yōu)化凍結(jié)液配方

2.2.1 響應面試驗結(jié)果及分析

根據(jù)表1方案進行響應面試驗，在17個試驗中，1～12是析因試驗，13～17是中心試驗，用來估計試驗誤差。響應面分析[13-18]試驗結(jié)果見表2，回歸方程方差分析見表3。

表 2 響應面分析試驗結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表 3 回歸方程的方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression model

由表3方差分析可以看出，A、B、C、AC、B2、C2為顯著性影響因素。在各影響因素中，氯化鈉(C)對凍結(jié)液的質(zhì)量影響最大，其次是丙二醇(B)及甜菜堿(A)。經(jīng)回歸擬合后，試驗因素對響應值的影響可用回歸方程表示為：

Y＝6.79＋0.33A＋0.76B＋0.85C＋0.13AB－0.17AC＋0.058BC－0.092A2＋0.27B2－0.16C2

由表3可見，整體模型的顯著性水平P＜0.0001，表明試驗所選用的二次多項模型具有高度顯著性，能夠較好的描述各因素與響應值之間的真實關系，可以利用該回歸方程確定最佳凍結(jié)液配方。同時，失擬項P＝0.5859＞0.05，表明差異不顯著，說明殘差均由隨機誤差引起；R2為0.9930，說明響應值的變化有99.30%來源于所選變量，即甜菜堿、丙二醇和氯化鈉。

2.2.2 配方的響應曲面分析與優(yōu)化

根據(jù)模型方程繪制凍結(jié)液配方響應曲面圖，結(jié)果如圖6～8所示。從圖中可以直觀地看出各項因素對凍結(jié)液質(zhì)量的影響。

圖 6 甜菜堿和丙二醇質(zhì)量分數(shù)對凍結(jié)液質(zhì)量影響的響應曲面圖Fig.6 Response surface plot showing the interactive effects of betaine and propanediol concentration on the freezing point of immersion solution

由圖6可以看出，當丙二醇質(zhì)量分數(shù)不變時，凍結(jié)點/黏度的絕對值隨著甜菜堿質(zhì)量分數(shù)增大而增大；甜菜堿質(zhì)量分數(shù)不變時，該響應值隨著丙二醇質(zhì)量分數(shù)增大而增大。丙二醇對響應值影響較甜菜堿顯著，表現(xiàn)為曲線較陡。由圖7可以看出，氯化鈉對響應值影響較甜菜堿顯著，表現(xiàn)為曲線較陡。由圖8可以看出，氯化鈉對響應值影響較丙二醇顯著，表現(xiàn)為曲線較陡。這與表3中各影響因素對響應值影響大小次序(氯化鈉＞丙二醇＞甜菜堿)一致。

圖 7 甜菜堿和氯化鈉質(zhì)量分數(shù)對凍結(jié)液質(zhì)量影響的響應曲面圖Fig.7 Response surface plot showing the interactive effects of betaine and sodium chloride concentration on the freezing point of immersion solution

圖 8 丙二醇和氯化鈉質(zhì)量分數(shù)對凍結(jié)液質(zhì)量影響的響應曲面圖Fig.8 Response surface plot showing the interactive effects of propanediol and sodium chloride concentration on the freezing point of immersion solution

通過對模型方程求導計算，得到直接浸漬快速凍結(jié)的凍結(jié)液最佳配方是20.89%甜菜堿、15.00%丙二醇和10.00%氯化鈉組成的凍結(jié)液，由模型方程預測得到的凍結(jié)液凍結(jié)點絕對值與黏度的比值是7.75569。

根據(jù)響應曲面優(yōu)化結(jié)果，以21%甜菜堿、15%丙二醇和10%氯化鈉為配方制備凍結(jié)液，測得其凍結(jié)點和黏度，分別為－33.50℃和4.310mPa·s，所得比值為7.7726，與模型方程預測值基本一致。

2.3 多組分復配

相同質(zhì)量分數(shù)下，多元組分復配后比單一組分凍結(jié)液的凍結(jié)點低許多。然而從甘氨酸等的單因素試驗結(jié)果可知，增加甘氨酸、低聚木糖、甘露醇含量不會顯著降低凍結(jié)點。因此，選擇在響應面優(yōu)化得到的凍結(jié)液配方基礎上，再添加1%甘氨酸、1%低聚木糖、1%甘露醇進行復配，繪制凍結(jié)液的凍結(jié)曲線，復配后凍結(jié)液的凍結(jié)點降至－38.10℃，比復配之前的四元凍結(jié)液降低約5℃。此外，還測定了復配后凍結(jié)液在低溫狀態(tài)下的黏度，見表4。

表 4 復配后凍結(jié)液在低溫狀態(tài)下的黏度變化表Table 4 Effect of temperature on the viscosity of immersion solution

3 結(jié) 論

利用Box-Behnken試驗設計和響應面分析法，探討直接浸漬快速凍結(jié)的凍結(jié)液配方的最佳配比，所建立的試驗模型能夠反映響應值的變化，對試驗的擬合較好。結(jié)果表明，直接浸漬快速凍結(jié)的凍結(jié)液配方為：以占凍結(jié)液總質(zhì)量分數(shù)計，由21%甜菜堿、15%丙二醇、10%氯化鈉、1%甘氨酸、1%低聚木糖、1%甘露醇和水組成的多元凍結(jié)液，在此條件下凍結(jié)液的凍結(jié)點可達－38.10℃。

甜菜堿主要用于飼料添加劑中，在此處用作浸漬冷凍的凍結(jié)液組分并取得不錯的效果，既解決了凍結(jié)液的食用安全問題，又擴展了甜菜堿的應用范圍。由甜菜堿、丙二醇、氯化鈉、水為主要組分，添加少量甘氨酸、低聚木糖、甘露醇，可用作直接浸漬快速凍結(jié)的凍結(jié)液，用于魚、蝦等水產(chǎn)品及其制品的速凍和燒賣、魚丸等方便食品的冷凍加工。

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