響應(yīng)面優(yōu)化五谷人參營(yíng)養(yǎng)米工藝及其物性研究

熊小青，吳西，劉思佳，寧艷艷，王延芳，劉靜雪

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院食品工程學(xué)院，吉林吉林132101）

響應(yīng)面優(yōu)化五谷人參營(yíng)養(yǎng)米工藝及其物性研究

熊小青，吳西，劉思佳，寧艷艷，王延芳，劉靜雪*

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院食品工程學(xué)院，吉林吉林132101）

以五谷粉、人參粉為主要原料，采用雙螺桿擠出工藝生產(chǎn)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米，應(yīng)用單因素和響應(yīng)面法對(duì)影響產(chǎn)品工藝的主要因素：擠出溫度、人參粉添加量、水分添加量進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)質(zhì)構(gòu)儀對(duì)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米和五常大米進(jìn)行物性分析。結(jié)果表明：當(dāng)擠出溫度145℃、人參粉添加量3%、水分添加量25%時(shí)，營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分為97.67分。影響產(chǎn)品感官評(píng)分因素由大到小依次為擠出溫度>人參粉添加量>水分添加量，物性分析表明最佳工藝參數(shù)制得的五谷人參營(yíng)養(yǎng)米硬度、彈性、咀嚼性、內(nèi)聚性、黏著性等指標(biāo)與五常大米米飯物性指標(biāo)無(wú)顯著差異，表明五谷人參營(yíng)養(yǎng)米食用品質(zhì)較佳。

五谷粉；人參米；響應(yīng)面；物性

玉米又稱(chēng)玉蜀黍、苞米等，屬禾本科玉米屬，富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素、膳食纖維、礦物質(zhì)等人體必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，尤其是其含有豐富的亞油酸及谷胱甘肽，具有調(diào)節(jié)人體異常代謝的重要功能[1-2]。稻米是一年生草本植物，營(yíng)養(yǎng)含量高[3]，本試驗(yàn)采用稻谷加工過(guò)程中產(chǎn)生的碎米以提高稻谷的綜合利用。燕麥性味甘平，對(duì)人體的脾臟和心臟都很有益處，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值非常高[4-5]。小米具有很高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，含有大量的蛋白質(zhì)和維生素，它不僅可以做食物，而且入藥有清熱滋補(bǔ)、補(bǔ)脾腎和腸胃等功效[6]。蕎麥有開(kāi)胃寬腸，慢性泄瀉的功效，含有豐富的膳食纖維，其含量是一般精制大米的10倍[7]。人參中含各種類(lèi)型的人參皂苷、氨基酸、多肽、脂溶性成分以及微量元素等，其中皂苷為主要活性成分[8-9]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)證明人參能改善人體物質(zhì)代謝，具有抗疲勞、抗過(guò)敏、降血糖等功效[10]。本研究利用玉米、大米、小米、蕎麥、燕麥為原料，大大提高谷物資源的綜合利用及其附加價(jià)值，滿(mǎn)足人們對(duì)食物多樣性的需求。特別添加人參原料開(kāi)發(fā)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米，還能大幅度提高人參的精深加工程度，充分利用人參資源，解決目前人參口味差，只能藥用的問(wèn)題。這種“大米”的研制順應(yīng)了“人參可以加入到食品中”的當(dāng)前形勢(shì)。擠出工藝是一項(xiàng)高溫高壓瞬時(shí)加工工藝技術(shù)，集連續(xù)性蒸煮，混煉于一體，其加工成本低、生產(chǎn)效率高、在食品工藝中運(yùn)用越來(lái)越廣泛，本研究旨在開(kāi)發(fā)一種新的五谷復(fù)合人參產(chǎn)品，為五谷和人參綜合開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米粉、大米、燕麥、蕎麥、小米、糯米：許昌優(yōu)加糧農(nóng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有限公司；人參：靖宇縣康盛生物藥材有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JC-60A型雙螺桿擠出機(jī)：濟(jì)南賽信機(jī)械有限公司；TA-XT2i物性測(cè)定儀：英國(guó)StableMieroSystem公司；BZF-50型真空干燥箱：上海鼎科科學(xué)儀器有限公司；FA-2204C型分析天平：上海佑科儀器有限公司；MB-45型快速水分測(cè)定儀：美國(guó)奧豪斯儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 五谷營(yíng)養(yǎng)粉的制備

取一定量的玉米粉、大米粉、小米粉、燕麥粉、蕎麥粉，經(jīng)進(jìn)一步粉碎、過(guò)140目篩，備用。

1.3.2 五谷營(yíng)養(yǎng)粉基礎(chǔ)配料

取備好的玉米粉、大米粉、小米粉、燕麥粉、蕎麥粉，具體配比（以總粉質(zhì)量計(jì)算）為：玉米粉80%，大米粉6%，小米粉4%，燕麥粉5%，蕎麥粉5%，將上述配比的混合粉稱(chēng)為五谷粉。

1.3.3 人參粉的制備

取一定量的五年內(nèi)人工種植的人參，首先采用流動(dòng)水清洗干凈，然后用真空干燥箱于50℃條件下烘干，干燥過(guò)篩（140目）后備用。

1.3.4 五谷人參營(yíng)養(yǎng)米工藝流程

1.3.5 五谷人參營(yíng)養(yǎng)米單因素試驗(yàn)

1.3.5.1 擠出溫度對(duì)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分的影響

在人參粉添加量為3.0%、水分添加量為25%、擠出溫度為 120、130、140、150、160 ℃時(shí)，考察擠出溫度對(duì)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分的影響。

1.3.5.2 人參粉添加量對(duì)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分的影響

在水分添加量為25%、擠出溫度為140℃條件下，人參粉添加量為2.6%、2.8%、3.0%、3.2%、3.4%時(shí)，考察人參粉添加量對(duì)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分的影響。

1.3.5.3 水分添加量對(duì)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分的影響

在人參粉添加量為3.0%、擠出溫度為140℃條件下，水分添加量為23%、24%、25%、26%、27%時(shí)，考察水分添加量對(duì)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分的影響。

1.3.6 五谷人參營(yíng)養(yǎng)米工藝參數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)單因素結(jié)果，為進(jìn)一步確定工藝參數(shù)，以擠出溫度、人參粉添加量、水分添加量作為因素，每個(gè)因素選擇3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，并且以五谷人參營(yíng)養(yǎng)米產(chǎn)品的口感評(píng)分作為試驗(yàn)的考核指標(biāo)，利用響應(yīng)面軟件設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理及分析，從而確定最佳工藝參數(shù)。試驗(yàn)因素及水平見(jiàn)表1。

表1 因素水平表Table 1 Factors and Levels

1.3.7 五谷人參營(yíng)養(yǎng)米的感官評(píng)定

進(jìn)行五谷人參營(yíng)養(yǎng)米的感官評(píng)定不僅結(jié)合了五谷人參營(yíng)養(yǎng)米自身的特點(diǎn)，也參照了GB/T 15682-2008《糧油檢驗(yàn)稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)價(jià)方法》中米飯感官評(píng)分規(guī)則，另外邀請(qǐng)了10位有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家對(duì)本產(chǎn)品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打分和評(píng)定，具體的感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

1.3.8 五谷人參營(yíng)養(yǎng)米飯的物性測(cè)定

本試驗(yàn)將制得的五谷人參營(yíng)養(yǎng)米產(chǎn)品和市售五常大米采用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。將人參米、五常大米與水按照質(zhì)量比1∶1∶1.5放入電飯煲蒸煮20 min，熟制后進(jìn)行測(cè)定。使用質(zhì)構(gòu)儀在TPA（Texture Profile Analysis）模式下測(cè)定五谷人參營(yíng)養(yǎng)米飯的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)（硬度、彈性、咀嚼性、內(nèi)聚性、黏著性），具體測(cè)定方法為：分別取5 g熟制五谷人參營(yíng)養(yǎng)米飯和5 g熟制五常大米米飯平放在測(cè)試臺(tái)的中間位置，要保證米粒平整且不留有空隙地平鋪在測(cè)試臺(tái)上。平行試驗(yàn)5次，取其平均值[11-13]。測(cè)定參數(shù)：測(cè)前速度1.00 mm/s；測(cè)試速度0.5 mm/s；壓縮比90.0%；2次壓縮間隔時(shí)間5.00 s；探頭型號(hào)SMS P50。

表2 五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The quality scoring standards of the grain ginseng nutrition rice

2 結(jié)果與分析

2.1 五谷人參營(yíng)養(yǎng)米的單因素試驗(yàn)

2.1.1 擠出溫度對(duì)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分的影響

擠出溫度對(duì)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分的影響結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 擠出溫度對(duì)感官評(píng)分的影響Fig.1 Effect of the extrusion temperature on sensory score

由圖1可以看出，隨著擠出溫度的增加，五谷人參營(yíng)養(yǎng)米飯的感官評(píng)分分值先增大后減小，擠出溫度為120℃時(shí)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米飯的感官評(píng)分較低，當(dāng)擠出溫度達(dá)到140℃時(shí)米飯的感官評(píng)分分?jǐn)?shù)最高，為97.35分。出現(xiàn)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米飯的感官評(píng)分低的情況可能是因?yàn)樵谌藚⒎厶砑恿亢退痔砑恿恳欢ǖ那闆r下，當(dāng)使用較低的擠出溫度時(shí)，淀粉糊化地不徹底，使得五谷人參營(yíng)養(yǎng)米黏牙、飯粒完整性差，感官評(píng)分低。當(dāng)擠出溫度較高時(shí)，五谷人參米飯膨化過(guò)度、出現(xiàn)氣泡，感官評(píng)分降低。因此，適宜的擠出溫度為140℃。

2.1.2 人參粉添加量對(duì)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分的影響

人參粉添加量對(duì)感官評(píng)分的影響結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 人參粉添加量對(duì)感官評(píng)分的影響Fig.2 Effect of the ginseng powder content on sensory score

由圖2可以看出，隨著加入越來(lái)越多的人參粉的量，五谷人參營(yíng)養(yǎng)米飯的感官評(píng)分分值先增大后減小，當(dāng)人參粉添加量為3.0%時(shí)，感官評(píng)分分97.36分，效果較好。出現(xiàn)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米飯的感官評(píng)分低的情況可能是因?yàn)楫?dāng)添加人參粉量少時(shí)，人參粉味道不明顯，而當(dāng)人參粉添加量過(guò)高時(shí)，又有較濃烈的苦味，影響了五谷人參營(yíng)養(yǎng)米飯獨(dú)特香氣，從而影響了米飯的整體品質(zhì)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，人參粉添加量為3.0%時(shí)，效果較好，五谷人參營(yíng)養(yǎng)米米飯較香，口感潤(rùn)滑性好。

2.1.3 水分添加量對(duì)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分的影響

水分添加量對(duì)感官評(píng)分的影響結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，隨著加入越來(lái)越多的水分，五谷人參營(yíng)養(yǎng)米飯的感官評(píng)分分值先增大后減小，當(dāng)水分添加量為25%時(shí)，感官評(píng)分分?jǐn)?shù)是97.28分，效果最好。原因是水分過(guò)低時(shí)，部分焦糊原料影響到最終產(chǎn)品的適口性，并且由于焦糊導(dǎo)致了米粒色澤灰暗、光澤度差，導(dǎo)致口感評(píng)分下降；當(dāng)水分過(guò)高時(shí)，由于五谷人參營(yíng)養(yǎng)米耐煮性的下降，破壞了米粒的完整性，感官分值隨之下降。因此，確定水分添加量為25%。

圖3 水分添加量對(duì)感官評(píng)分的影響Fig.3 Effect of the water content on sensory score

2.2 五谷人參營(yíng)養(yǎng)米工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

依據(jù)單因素試驗(yàn)，運(yùn)用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以擠出溫度（A）、人參粉添加量（B）、水分添加量（C）作為響應(yīng)因素，以五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分分值（Y）為響應(yīng)值設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Box-Benhnken central composite design arrangement and experimental results

采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表5進(jìn)行多元回歸擬合、方差分析及顯著性檢驗(yàn)，得到以五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分分值Y為目標(biāo)函數(shù)，關(guān)于各條件編碼值的二次回歸方程為：

Y=97.44+0.66A+0.33B+0.16C-0.36AB-0.16AC-0.057BC-0.51A2-1.35B2-0.52C2。

對(duì)該模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，可得到方差分析見(jiàn)表4，模型的可信度分析見(jiàn)表5。

表4 回歸方程方差分析表Table 4 Analysis of variance table for regression model

表5 回歸模型的可信度分析Table 5 Reliability analysis of the regression model

由表4、表5可知，模型的P值小于0.000 1，遠(yuǎn)小于0.01，說(shuō)明該模型極顯著，回歸模型與實(shí)際測(cè)定數(shù)值能夠很好的擬合，試驗(yàn)誤差較小，因此，可以用該回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)值對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，R2=99.33%，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間具有高度的相關(guān)性，說(shuō)明方程可靠性較高。在回歸模型中，A、B、C、AB、A2、B2、C2，對(duì)響應(yīng)值影響極顯著，AC對(duì)響應(yīng)值影響顯著，BC對(duì)響應(yīng)值影響不顯著。影響產(chǎn)品感官評(píng)分因素由大到小依次為擠出溫度＞人參粉添加量＞水分添加量。

2.2.2 各因素的交互作用對(duì)五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分分值影響

響應(yīng)面圖是響應(yīng)值對(duì)應(yīng)各因素A、B、C所構(gòu)成的可直觀反應(yīng)各因素的交互作用的三維空間曲面圖[14-15]。為了考察各因素間的交互作用對(duì)響應(yīng)值五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分分值的影響，使其中任意的兩個(gè)因素不變的情況下，對(duì)模型進(jìn)行降維分析。由Design-Expert8.0.6軟件對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所得響應(yīng)面及其等高線見(jiàn)圖4。等高線可以使我們能夠直接觀察出各個(gè)因素的交互作用和對(duì)響應(yīng)值的影響情況。等高線中的橢圓形表示兩因素的交互作用比較明顯，而圓形則表示兩因素交互作用不太明顯。擠出溫度（A）與人參粉添加量（B）之間的交互作用極顯著，具體表現(xiàn)為等高線圖呈明顯的橢圓形，擠出溫度（A）與水分添加量（C）之間的交互作用顯著，等高線圖呈現(xiàn)出橢圓形，而人參粉添加量（B）與水分添加量（C）之間的交互作用不顯著，具體表現(xiàn)為等高線圖幾乎呈現(xiàn)為圓形。

圖4 各兩因素交互作用響應(yīng)面及等高線圖Fig.4 Response surfaces and contour plots of the interactive effects of each two factors.

2.2.3 優(yōu)化五谷人參營(yíng)養(yǎng)米工藝參數(shù)

為進(jìn)一步確定最佳參數(shù)，對(duì)擬合的回歸方程求分別一階偏導(dǎo)數(shù)，并設(shè)其為0，得到三元一次方程如下：

求解得：X1＝0.557、X2＝0.043、X3＝0.030，即最佳工藝參數(shù)為擠出溫度145.57℃、人參粉添加量3.01%、水分添加量25.03%，在此條件下五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分為97.65分。為了方便現(xiàn)實(shí)中的操作，將參數(shù)修正為擠出溫度145℃、人參粉添加量3%、水分添加量25%。采用修正后的工藝參數(shù)進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，制得五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分為97.67分。

2.3 物性測(cè)定結(jié)果

五谷人參營(yíng)養(yǎng)米和五常大米的物性測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 物性測(cè)定結(jié)果Table 6 Physical properties result

根據(jù)表6可知，五谷人參營(yíng)養(yǎng)米米飯和五常大米米飯的各項(xiàng)指標(biāo)，包括硬度、彈性、咀嚼性、內(nèi)聚性、黏著性均無(wú)顯著性差異，說(shuō)明五谷人參營(yíng)養(yǎng)米和五常大米物性幾乎一致。

3 結(jié)論

五谷人參營(yíng)養(yǎng)米的最佳工藝參數(shù)為：擠出溫度145℃、人參粉添加量3%、水分添加量25%，在此條件下，五谷人參營(yíng)養(yǎng)米感官評(píng)分為97.67分。影響產(chǎn)品感官評(píng)分因素由大到小依次為擠出溫度＞人參粉添加量＞水分添加量。根據(jù)質(zhì)構(gòu)儀分析結(jié)果表明，最佳工藝參數(shù)制得的五谷人參營(yíng)養(yǎng)米硬度、彈性、咀嚼性、凝聚性、回復(fù)性、黏著性等指標(biāo)適宜，與五常大米米飯對(duì)應(yīng)的指標(biāo)無(wú)顯著差異，說(shuō)明五谷人參營(yíng)養(yǎng)米食用品質(zhì)較佳。

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Response Surface Methodology Optimization of Grain Ginseng Nutrition Rice Process and Study on Physicochemical Properties

XIONG Xiao-qing，WU Xi，LIU Si-jia，NING Yan-yan，WANG Yan-fang，LIU Jing-xue*
（College of Food Engineering，Jilin Agricultural Science and Technology College，Jilin 132101，Jilin，China）

The main factors influencing the process of the product were as follows：single-factor and response surface method were used to produce the nutritive rice of ginseng used the double-screw extruding process with the grain powder and the ginseng powder as the main raw materials.The extrusion temperature，the adding amount of ginseng powder，and the physical properties of ginseng rice and Wuchang rice was analyzed by texture analyzer.The results showed that when the extrusion temperature was 145℃，the adding amount of ginseng powder was 3%and the amount of water added was 25%，the sensory score of nutrition rice was 97.67.The results showed that the factors affecting the sensory evaluation were extrusion temperature>additive amount of ginseng powder>the amount of water added，and physical properties analysis showed that the optimum process parameters were the hardness，elasticity，chewiness，cohesion，and other indicators and the Wuchang rice no significant difference between the physical properties of rice，rice ginseng nutritional rice consumption quality was better.

grain powder；ginseng rice；response surface；physical properties

2016-10-24

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.14.018

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新科研項(xiàng)目（吉農(nóng)院合字[2016]第 2016037號(hào)）

熊小青（1996—），女（漢），本科在讀，研究方向：糧食油脂及植物蛋白工程。

*通信作者：劉靜雪（1988—），男，助教，碩士，研究方向：糧食油脂及植物蛋白工程與功能性食品開(kāi)發(fā)。