《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Multi-Response Optimization of Formulation and Processing Parameters for a High-Protein Beef-Based Snack to Enhance Mechanical Crispiness, Acoustic Crispiness, and Protein Digestibility
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本研究旨在利用中心复合设计（CCD）的响应面法（RSM），优化牛肉脆片的配方和加工参数，以最大化其质构特性和蛋白质消化率。研究人员建立了统计模型，用于预测牛肉粉添加量（%）、挤压片厚度（mm）和烘烤时间（min）对脆片机械脆性、声学脆性、脆性可接受度和体外蛋白
本研究旨在利用中心复合设计（CCD）的响应面法（RSM），优化牛肉脆片的配方和加工参数，以最大化其质构特性和蛋白质消化率。研究人员建立了统计模型，用于预测牛肉粉添加量（%）、挤压片厚度（mm）和烘烤时间（min）对脆片机械脆性、声学脆性、脆性可接受度和体外蛋白质消化率的影响。优化结果表明，当牛肉粉含量为65.8%-67.7%、烘烤时间为14.0-14.8 min、挤压片厚度为1.0 mm时，各因变量均符合优化标准。预测模型的准确性得到了验证。验证数据进一步表明，优化后牛肉脆片的脆性可接受度（67.5 ± 1.3）显著高于未优化牛肉脆片（60.8 ± 3.3）。作为优化后的探索性实验，研究人员采用微计算机断层扫描（Micro-CT）技术评估了优化牛肉脆片、非优化牛肉脆片以及市售马铃薯脆片的微观结构属性。Micro-CT结果进一步揭示了孔隙特征、基质致密性和空间分布对质构特性的影响。优化牛肉脆片的二维和三维Micro-CT图像显示，其孔隙比非优化牛肉脆片更小、连通性更好，且优化牛肉脆片的孔隙连通性与市售马铃薯脆片更为接近。这些优化及优化后的发现为增强创新型牛肉脆片的质构特性和蛋白质品质提供了一种经过科学验证的策略，为未来功能性零食的创新奠定了坚实基础。
论文解读文章
一、研究背景与目的
全球零食市场长期被高热量、低营养的马铃薯脆片主导，这类产品淀粉和油脂含量高，易导致肥胖等健康问题。为应对这一挑战，开发兼具良好感官特性和高营养价值的新型零食成为研究热点。肉类零食因其高营养价值和功能性受到关注，其中牛肉富含优质蛋白、铁、锌及多种功能化合物，是开发营养型零食的理想原料。然而，高蛋白含量往往会影响产品的酥脆口感，这是决定消费者接受度的关键质构属性。目前，尚无研究系统性地优化牛肉脆片的配方与加工参数，以实现酥脆质地与高蛋白质消化率的兼顾。因此，本研究旨在利用响应面法（RSM）中的中心复合设计（CCD），同时优化牛肉粉添加量、挤压片厚度和烘烤时间三个变量，使产品在机械脆性、声学脆性、感官脆性可接受度以及体外蛋白质消化率方面达到最优，并通过微计算机断层扫描（Micro-CT）探究微观结构与质构的关系。
二、主要研究方法
研究人员采用中心复合设计（CCD）结合响应面法（RSM）进行多响应优化。使用Design-Expert V13软件生成包含19个实验点的设计方案，自变量为牛肉粉百分比（BP，56.5%-73.4%）、挤压片厚度（ST，1.0-3.5 mm）和烘烤时间（BT，10.6-17.4 min）。响应变量包括：机械脆性（通过TA-XT2质构仪配备Ottawa细胞测定力-变形曲线中的主峰数）、声学脆性（使用Bruel & Kj?r 2250型声级计同步记录最大声压级LAF值）、感官脆性可接受度（采用线性 hedonic 量表，由58名消费者基于平衡不完全区组设计BIBD进行评估）以及体外蛋白质消化率（采用pH-drop多酶法，使用胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和肽酶混合液）。此外，还进行了氨基酸组成分析和Micro-CT（Zeiss VERSA XRM-500）微观结构表征。所有样品均在澳大利亚珀斯制备，原料来自当地供应商。
三、研究结果
3.1 配方与加工参数对机械脆性的影响
机械脆性（以主峰数表示）范围在8.6±0.9至37.2±0.5之间。方差分析（ANOVA）显示，牛肉粉百分比（BP）的线性和二次项以及挤压片厚度（ST）的线性和二次项影响显著（p<0.05）。BP的正线性系数表明适量增加牛肉粉可提高脆性，但过高的BP会导致负二次效应，这与高蛋白形成较厚细胞壁从而降低断裂事件次数有关。ST呈负线性效应和正二次效应，表明较薄的脆片水分更低、更易断裂。等高线图显示，BP在67.8%-69.1%或58.2%-59.6%，ST在1.0-1.2 mm时可获得与市售马铃薯脆片相当的机械脆性。
3.2 配方与加工参数对声学脆性的影响
最大声压级（LAF）范围在57.0±0.3 dB至75.2±1.3 dB之间。模型R2为0.96。三个自变量的线性效应、烘烤时间与挤压片厚度的交互作用以及ST的二次效应均显著（p<0.05）。BP对声学脆性的正向影响最强，其次为烘烤时间。等高线图显示，在ST为1.0-1.2 mm、BP为57.4%-59.7%或65.5%-67.3%时，可获得74-75.2 dB的理想声学脆性。
3.3 配方与加工参数对感官脆性可接受度的影响
感官脆性可接受度评分范围从30.0±0.4到84.1±0.3。模型R2为0.96，调整R2为0.95。等高线图表明，BP低于65.0%且ST小于1.8 mm时，可获得目标可接受度分数（55-100）。感官脆性可接受度与机械脆性（r=0.709，p<0.01）和声学脆性（r=0.758，p<0.01）均呈显著正相关。
3.4 配方与加工参数对蛋白质消化率的影响
体外蛋白质消化率范围为68.9±0.2%至75.8±0.6%。模型R2为0.92，调整R2为0.89。BP和烘烤时间的线性效应为正，ST的线性效应为负。BP与烘烤时间的交互效应以及BP的二次效应均为负。牛肉蛋白易于被消化酶水解，而较薄的挤压片有利于热传递和蛋白质结构展开，从而提高消化率。延长烘烤时间可使蛋白质发生有利的结构变化，暴露更多酶切位点。
3.5 体外蛋白质消化率与氨基酸组成的相关性
所有19个样品的必需氨基酸含量与体外蛋白质消化率均呈强正相关（r=0.75-0.84，p<0.001）。由于氨基酸分析是在酸水解后进行，该相关性反映了不同样品间牛肉粉添加量和总蛋白含量的差异，而非直接的机制关系。
3.6 优化与模型验证
优化得到的最佳条件为：BP 67.7%、烘烤时间14.7 min、ST 1.0 mm（期望值>0.70）。在此条件下，实际测得的机械脆性（43.9±0.9）、声学脆性（73.7±1.2 dB）和蛋白质消化率（75.3±0.5%）均在预测区间内，而感官脆性可接受度（68.4±2.0）略低于预测值，这归因于人类感知的固有变异性。优化后的牛肉脆片在脆性、肉味和总体可接受度上均显著优于未优化样品（p<0.05）。
3.7 优化后探索：水分含量、水分活度与微观结构
优化后的牛肉脆片水分含量（4.63±0.47%）显著低于未优化样品（5.85±0.39%），但两者水分活度无显著差异（分别为0.38和0.39）。Micro-CT二维截面图像显示，优化样品具有更小、连通性更好的孔隙，其孔隙结构更接近市售马铃薯脆片。三维重建图像进一步揭示，牛肉脆片（特别是优化样品）呈现出更致密的固体基质，而马铃薯脆片则具有更高的孔隙率和膨胀结构。孔隙分布可视化显示，马铃薯脆片的气孔小而均匀，而牛肉脆片的气孔不规则且较大，表明结构异质性。
四、讨论与结论
本研究首次成功运用响应面法（RSM）优化了高蛋白牛肉脆片的配方和加工参数，实现了酥脆质地与高蛋白质消化率的平衡。最优条件为牛肉粉67.7%、烘烤时间14.7分钟、挤压片厚度1.0毫米。在该条件下，产品在机械脆性、声学脆性和蛋白质消化率方面均达到或接近预期目标，感官脆性可接受度也显著优于未优化产品。Micro-CT分析证实，优化样品的微观结构（更小、更连通的孔隙）是其优异质构特性的基础。该研究为食品工业开发兼具营养和口感的创新牛肉基零食提供了科学依据，同时有助于提高低等级牛肉的附加值，推动资源节约型食品创新。
