雙螺桿擠壓苦蕎茶生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化

趙 琳，黃潤庭，蔡魯峰，吳 碩，李宗軍*

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410128）

苦蕎麥?zhǔn)橇瓤剖w麥屬的植物，中國是世界上唯一大面積種植苦蕎的國家，栽培面積約為30萬 hm2，產(chǎn)量為30～50萬 t，種植面積和產(chǎn)量均居世界第1位[1-2]?？嗍w含黃酮類等多種活性成分，其主要成分為蘆丁，占總黃酮含量的70%～85%[3-4]。研究表明這些活性成分具有降血脂、降血糖、鎮(zhèn)痛抗炎、抗氧化、抗癌防癌、改善微循環(huán)等多種藥理功能，尤其是降血糖、降血脂作用較強(qiáng)[5-10]?？嗍w麥更被譽(yù)為21世紀(jì)人類重要的食藥兩用的糧食作物，每年全世界被報(bào)導(dǎo)的許多其他新型蕎麥產(chǎn)品有面條、蛋糕、餅干、茶等[11-13]?？嗍w的保健功效主要?dú)w因于它的高水平酚醛化合物和抗氧化活性，蕎麥麩和蕎麥殼的抗氧化活性比大麥、黑小麥和燕麥高[14-15]。

食品擠壓技術(shù)是集輸送、攪拌、混合、蒸煮、殺菌、加壓成型等操作條件于一體的連續(xù)式生產(chǎn)[16-18]。食品擠壓加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于組織化蛋白生產(chǎn)、食品浸油、休閑食品等領(lǐng)域[19]。目前，物料擠壓加工特性和擠壓設(shè)備操作參數(shù)的研究已成為人們關(guān)注的兩大熱點(diǎn)[20]。擠壓苦蕎茶就是將苦蕎麥原材料混合、調(diào)質(zhì)后進(jìn)入雙螺桿擠壓機(jī)擠壓成型，再經(jīng)流化床干燥器干燥后，最后進(jìn)行焙烤提香而成的苦蕎茶產(chǎn)品。國內(nèi)外關(guān)于苦蕎茶的研究很少，肖詩明等[21]研究了苦蕎茶的配方工藝并對焙炒溫度和時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，袁林穎等[22]研究的苦蕎茶是以苦蕎麥鮮葉為原料，經(jīng)過殺青、揉捻、烘焙等工藝而制得。而本實(shí)驗(yàn)以苦蕎麥皮粉和根莖粉為原料，研究了雙螺桿擠壓機(jī)主要操作參數(shù)對苦蕎茶產(chǎn)品特性的影響規(guī)律，以測定苦蕎茶中總黃酮含量和抗氧化能力的綜合評分為考察目標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面分析，從而確定擠壓苦蕎茶產(chǎn)品最佳的工藝參數(shù)，為加工新型功能茶提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

苦蕎皮粉、苦蕎芯粉、苦蕎根莖粉購于四川省涼山彝族自治州。

無水乙醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉、蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品 中國食品藥品檢定研究院；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH） 梯希愛（上海）化成工業(yè)發(fā)展有限公司；VC 北京鼎國昌盛生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠壓機(jī)、流化床干燥器 湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司；粉碎機(jī) 長沙市岳麓區(qū)中南制藥機(jī)械廠；紫外-可見分光光度計(jì) 北京萊伯泰科儀器有限公司；WFJ 7200型可見分光光度計(jì) 尤尼柯（上海）儀器有限公司；MC-EP196電磁爐 廣州美的生活電器制造有限公司；CP114電子分析天平 奧豪斯儀器（上海）有限公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；標(biāo)準(zhǔn)分析篩 新鄉(xiāng)市篩分設(shè)備有限公司；SEC-3Y型烤箱 珠海三麥機(jī)械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 擠壓苦蕎茶生產(chǎn)工藝流程及操作要點(diǎn)

工藝流程：苦蕎麥原材料→粉碎機(jī)粉碎過80 目篩→配料→混合均勻→雙螺桿擠壓機(jī)擠壓成型→60℃流化床干燥器干燥2 h→150℃烤箱焙烤15 min→成品。

操作要點(diǎn)：1）苦蕎麥原材料經(jīng)粉碎后過80 目篩，再進(jìn)行生產(chǎn)；2）原材料放入擠壓機(jī)之后，需根據(jù)其特性先進(jìn)行實(shí)際最大喂料量的測定，然后再進(jìn)行生產(chǎn)；3）苦蕎茶進(jìn)入烤箱焙烤時(shí)，烤箱溫度切勿太高，以免產(chǎn)品被烤糊。

1.3.2 混合物料中原材料的確定

在利用雙螺桿擠壓機(jī)擠壓苦蕎茶的初步實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)擠壓苦蕎皮粉和苦蕎芯粉容易造成堵機(jī)現(xiàn)象，且擠壓出的苦蕎茶沖泡后容易糊湯，茶湯渾濁?？紤]到由于苦蕎皮粉和芯粉中淀粉含量過高，達(dá)到70%左右，尤其是芯粉中淀粉含量更高，擠壓時(shí)堵機(jī)現(xiàn)象更嚴(yán)重；故排除芯粉，加入根莖粉與皮粉混合擠壓，本實(shí)驗(yàn)采用兩種模頭進(jìn)行擠壓得到的苦蕎茶產(chǎn)品呈“月牙型”和“圓條型”。但“月牙型”苦蕎茶沖泡效果不佳，經(jīng)攪拌后茶粒會膨發(fā)變軟，茶湯不清澈；而“圓條型”苦蕎茶沖泡后穩(wěn)定性較高，幾個(gè)小時(shí)后即使反復(fù)攪拌，茶湯依然澄清。

采用掃描電鏡對“月牙型”和“圓條型”苦蕎茶的微觀結(jié)構(gòu)觀察，由圖1可以看到，在同樣的工藝參數(shù)條件下“月牙型”苦蕎茶內(nèi)部基本完全糊化，而“圓條型”苦蕎茶內(nèi)部并未完全糊化，還能看到其內(nèi)部的粗纖維。故采用碘液呈色法[23]測定苦蕎茶產(chǎn)品的糊化度，結(jié)果顯示，“月牙型”比“圓條型”苦蕎茶糊化度高；“月牙型”苦蕎茶沖泡效果不佳可能是因?yàn)槠湫螤顬閮深^尖中間段粗，擠壓過程受熱不均勻，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織不均一，且糊化度較高，故沖泡后易膨發(fā)變軟。經(jīng)過多次預(yù)實(shí)驗(yàn)，最終確定本實(shí)驗(yàn)采用的原材料m（苦蕎皮粉）∶m（苦蕎根莖粉）為1∶1，擠壓機(jī)模頭為“圓條型”。

圖1 兩種形狀的苦蕎茶掃描電鏡圖Fig.1 Electron microscopic images of two kinds of buckwheat tea

1.3.3 擠壓苦蕎茶中總黃酮含量的測定[24]

測定波長的選擇：以蘆丁為標(biāo)準(zhǔn)品，用體積分?jǐn)?shù)50%乙醇溶液配制0.1 mg/mL的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液。將蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液在800～200 nm波長范圍內(nèi)自動進(jìn)行掃描，得蘆丁的紫外-可見圖譜，測得在510 nm波長處有最大吸收峰，故選擇該波長作為測定波長。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：精密吸取0、0.5、1、2、3、4、5 mL標(biāo)準(zhǔn)溶液分別置于10 mL容量瓶中，加5%亞硝酸鈉溶液0.3 mL，放置6 min，加10%硝酸鋁溶液0.3 mL，放置6 min，加4%氫氧化鈉溶液2 mL，再加入蒸餾水2 mL，搖勻，放置12 min后，再加50%乙醇溶液至刻度，搖勻，以50%乙醇溶液作空白，在510 nm波長處測定吸光度，得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程：y＝0.755x+0.035 8，R2＝0.999 4。

測定方法：準(zhǔn)確稱取2.5 g苦蕎茶于燒杯中，加入100 mL的水，在水溫100℃條件下沖泡15 min后，抽濾，茶湯轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，用蒸餾水定容至刻度；取待測液1 mL加入顯色劑進(jìn)行顯色反應(yīng)，測定吸光度。

1.3.4 擠壓苦蕎茶抗氧化能力的測定[25]

以VC為標(biāo)準(zhǔn)品，在800～200 nm波長范圍內(nèi)自動進(jìn)行掃描，測得在518 nm波長處有最大吸收峰，故選擇該波長作為測定波長。將VC用無水乙醇配制成1.03×10－6、2.05×10－6、4.11×10－6、6.16×10－6、8.22×10－6、9.24×10－6、1.03×10－5g/mL質(zhì)量濃度的溶液，按照DPPH法在518 nm波長處測定吸光度，得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程：y＝6.65x+29.78，R2＝0.998 2。

用無水乙醇配制0.1 mmol/L的DPPH溶液，避光保存。將2 mL測試樣品溶液及2 mL DPPH溶液加入到同一試管中，搖勻，室溫條件下暗處靜置30 min后測定其吸光度A樣品；同時(shí)測定2 mL DPPH溶液與2 mL溶劑（蒸餾水）混合后的吸光度A對照；以及2 mL測試樣品溶液與2 mL無水乙醇混合后的吸光度A空白。DPPH自由基清除率計(jì)算如式（1）所示：

1.3.5 單因素試驗(yàn)

固定其他條件，分別考察螺桿轉(zhuǎn)速（110、130、150、170、190、210 r/min）、模頭溫度（70、73、76、79、82℃）和水分含量（23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、30%）對擠壓苦蕎茶產(chǎn)品的影響，并計(jì)算綜合評分，以確定各因素的適宜范圍。綜合評定滿分為10 分，分別是總黃酮含量5 分、抗氧化能力5 分。

總黃酮含量和抗氧化能力綜合評分計(jì)算方法如式（2）所示：

式中：C為對應(yīng)指標(biāo)的綜合評分值；A為加工后苦蕎茶總黃酮含量和抗氧化能力測定值；B為加工前苦蕎麥原材料中總黃酮含量和抗氧化能力測定值。

1.3.6 響應(yīng)面分析試驗(yàn)

通過單因素試驗(yàn)，確定響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平。采用Design-Expert 8.0.5軟件中的Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，選取3個(gè)主要影響因子的水平為自變量，即螺桿轉(zhuǎn)速、模頭溫度、水分含量3個(gè)因素作為試驗(yàn)因素，以其主要指標(biāo)綜合評分為響應(yīng)值，采用三因素三水平的響應(yīng)面法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，得出擠壓苦蕎茶的最優(yōu)工藝條件，并驗(yàn)證模型預(yù)測的有效性。響應(yīng)面試驗(yàn)因素及水平見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平Table1 Factors and levels used in response surface methodology

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 螺桿轉(zhuǎn)速對擠壓苦蕎茶產(chǎn)品綜合評分的影響

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速對擠壓苦蕎茶產(chǎn)品綜合評分的影響Fig.2 Effect of screw speed on the comprehensive evaluation score of extruded buckwheat tea

由圖2可以看出，螺桿轉(zhuǎn)速小于150 r/min時(shí)，綜合評分隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加而逐漸升高，大于150 r/min時(shí)，綜合評分隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加而逐漸降低，主要是由于當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速很低時(shí)，擠壓機(jī)腔內(nèi)溫度會相應(yīng)降低，從而影響物料的熟化度，使得擠壓苦蕎茶表面結(jié)構(gòu)松散。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速超過150 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速過高會使擠壓機(jī)腔內(nèi)的溫度、剪切力升高，以至擠壓苦蕎茶過度糊化，從而影響苦蕎茶的沖泡特性，苦蕎茶中總黃酮含量和抗氧化能力降低。因此，響應(yīng)面分析試驗(yàn)中螺桿轉(zhuǎn)速選擇130、150、170 r/min 3個(gè)水平。

2.1.2 模頭溫度對擠壓苦蕎茶產(chǎn)品綜合評分的影響

圖3 模頭溫度對擠壓苦蕎茶產(chǎn)品綜合評分的影響Fig.3 Effect of extruder head temperature on the comprehensiveevaluation score of extruded buckwheat tea

由圖3可以看出，模頭溫度在76～82℃范圍內(nèi)時(shí)得到的擠壓苦蕎茶產(chǎn)品綜合評分最高，主要是由于模頭溫度過低，物料就不能充分地糊化，需要達(dá)到一定的溫度擠壓，苦蕎茶中的功能性成分才得到充分的溶解。但超過最佳溫度后，由于高溫破壞了苦蕎的結(jié)構(gòu)及加速了淀粉的降解，擠壓苦蕎茶產(chǎn)品品質(zhì)反而下降，綜合評分降低。因此，響應(yīng)面分析試驗(yàn)中模頭溫度選擇76、79、82℃ 3個(gè)水平。

2.1.3 水分含量對擠壓苦蕎茶產(chǎn)品綜合評分的影響

圖4 水分含量對擠壓米產(chǎn)品綜合評分的影響Fig.4 Effect of water content on the comprehensive evaluation score of extruded buckwheat tea

由圖4可以看出，隨著水分含量的降低，擠壓苦蕎茶產(chǎn)品的綜合評分逐漸升高，當(dāng)水分含量繼續(xù)升高時(shí)，因?yàn)闈櫥饔檬刮锪吓c筒壁的摩擦減少，模頭壓力減少，物料吸收的機(jī)械能和熱能相應(yīng)減少，導(dǎo)致物料膨化度低，且含水量過高會造成并條現(xiàn)象。當(dāng)水分含量為23%～25%時(shí)，總黃酮含量和抗氧化能力變化不明顯，基本達(dá)到動態(tài)平衡，當(dāng)水分含量低于23%時(shí)，?？谔幍奈锪匣旧蠜]有膨化，且出現(xiàn)物料明顯燒焦的現(xiàn)象，產(chǎn)品成型效果也較差，很難測定產(chǎn)品的理化指標(biāo)，故將水分含量在23%以下的產(chǎn)品排除于本試驗(yàn)。因此，響應(yīng)面分析試驗(yàn)中水分含量選擇23%、24%、25% 3個(gè)水平。

2.2 擠壓苦蕎茶生產(chǎn)工藝條件響應(yīng)面試驗(yàn)分析結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table2 Experimental design and results for response surface methodology

運(yùn)用Design-Expert軟件，對擠壓苦蕎茶顯著影響因素進(jìn)行響應(yīng)面分析，Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2，回歸模型系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表3，得到多元二次回歸模型：

Y=7.47+0.02A－1.25×10－3B+0.034C－0.025AB－0.06AC－0.032BC－0.21A2－0.29B2－0.14C2

表3 Box-Behnken設(shè)計(jì)多元回歸模型系數(shù)評估及其顯著性檢驗(yàn)Table3 Regression coefficients and statistical significance in the fitted regression model based on Box-Behnken design

由表3可以看出，回歸模型方差分析表明回歸模型是顯著的（P＜0.01），回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果R2為0.990 8，說明此模型與數(shù)據(jù)擬合度很高。方差分析表中失擬P值為0.734 6，大于0.05，因此證明該模型可以充分地解釋響應(yīng)中的變異，模型擬合度很高，試驗(yàn)誤差小。

在該模型中，模型項(xiàng)F值為84.02，說明該模型是有意義的。由表3數(shù)據(jù)可知，在一次項(xiàng)中C（水分含量）為顯著，在交互項(xiàng)中AC存在顯著交互作用，在二次項(xiàng)中A（模頭溫度）、B（螺桿轉(zhuǎn)速）和C（水分含量）的二次項(xiàng)表現(xiàn)為極顯著，表明模頭溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量之間的相互作用對綜合得分有一定影響，交互作用顯著。由F檢驗(yàn)結(jié)果的顯著性分析可知，各因素對反應(yīng)的貢獻(xiàn)率，影響顯著性由大到小依次為C＞A＞B，即水分含量＞模頭溫度＞螺桿轉(zhuǎn)速。模頭溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量及其交互作用對響應(yīng)值的影響如圖5～7所示。

圖5 模頭溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對綜合得分影響的等高線與響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface and contour plots for the effect of extruder head temperature and screw speed on the comprehensive evaluation score of extruded buckwheat tea

圖6 模頭溫度和水分含量對綜合得分影響的等高線與響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface and contour plots for the effect of extruder head temperature and water content on the comprehensive evaluation score of extruded buckwheat tea

圖7 螺桿轉(zhuǎn)速和水分含量對綜合得分影響的等高線與響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface and contour plots for the effect of screw speedand water content on the comprehensive evaluation score of extruded buckwheat tea

由圖5可以看出，當(dāng)水分含量一定時(shí)，擠壓苦蕎茶產(chǎn)品綜合評分隨模頭溫度的升高和螺桿轉(zhuǎn)速的增加而先升高后降低。由圖6可以看出，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著另外兩個(gè)因素的變化，苦蕎茶產(chǎn)品綜合評分呈現(xiàn)一定趨勢的變化，且都隨著某兩個(gè)因素的增大，綜合評分先不斷增加，當(dāng)某兩個(gè)因素達(dá)到某一值時(shí)，綜合評分存在最大值，之后隨著因素的繼續(xù)增大，綜合評分開始呈下降趨勢。由圖7可以看出，當(dāng)模頭溫度一定時(shí)，擠壓苦蕎茶產(chǎn)品的綜合評分隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)升高后降低的趨勢，而水分含量的變化趨勢不大。

2.2.2 擠壓苦蕎茶最佳生產(chǎn)工藝條件的確定

運(yùn)用Design-Expert 8.0.5軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析，確定最優(yōu)的生產(chǎn)工藝條件為模頭溫度79.10℃、螺桿轉(zhuǎn)速149.81 r/min、水分含量24.12%，預(yù)測的綜合評分為7.470 3。為檢驗(yàn)響應(yīng)面法所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，將工藝條件修正為模頭溫度79℃、螺桿轉(zhuǎn)速150 r/min、水分含量24%，重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，測得擠壓苦蕎茶產(chǎn)品的綜合評分平均值為7.39，與理論預(yù)測值相比其相對誤差約為0.08%。說明了該模型對擠壓苦蕎茶綜合評分做出了很好的預(yù)測，同時(shí)也說明利用響應(yīng)面法所得的優(yōu)化工藝條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

利用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化，得到最佳擠壓苦蕎茶的生產(chǎn)工藝參數(shù)為模頭溫度79℃、螺桿轉(zhuǎn)速150 r/min、水分含量24%，在此條件下生產(chǎn)的苦蕎茶產(chǎn)品綜合評分為7.39。本研究表明，把測定總黃酮含量和抗氧化能力作為擠壓苦蕎茶產(chǎn)品的評價(jià)指標(biāo)是可行的，加工后的苦蕎茶相比于苦蕎麥原材料的總黃酮含量和抗氧化能力保留率為70%～80%，證明雙螺桿加工技術(shù)對苦蕎中的功能性成分損失不大。本實(shí)驗(yàn)雖固定了擠壓機(jī)的模頭溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和水分含量，但這還是只局限于生產(chǎn)本產(chǎn)品及苦蕎類相關(guān)產(chǎn)品，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)針對不同物料的自身特性和擠壓機(jī)型等通過實(shí)驗(yàn)合理的確定生產(chǎn)參數(shù)值，從而得到最佳的產(chǎn)品效果。

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