黑米黑豆面條擠壓工藝參數(shù)的優(yōu)化

劉俊梅，王丹洋，吳世玉，顧瑾，鄭常領(lǐng)，夏小勇，于寒松，隋曉楠

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130118；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

隨著人民生活水平的提高，營養(yǎng)保健已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分，然而，黑色食品具有很好的營養(yǎng)保健功能，逐漸被大眾認(rèn)可，因此，國內(nèi)外出現(xiàn)了一股黑色食品熱。黑米、黑芝麻、黑豆、黑麥、黑木耳等日益受到人們的青睞。黑豆（又名稽豆、黑大豆），為豆科植物大豆的黑色種子[1-2]。黑豆中含有黑豆色素、黑豆多糖、異黃酮等生物活性物質(zhì)[3]。具有補(bǔ)腎益脾、降低膽固醇、增強(qiáng)鐵離子在人體中的吸收等作用。黑米，是由禾本科植物黑稻加工后的產(chǎn)品，屬粳米類，是一種非糯性稻米[4-5]。黑米中含有豐富的蛋白質(zhì)、維生素及黃酮類化合物[6-7]。具有清除自由基、維持血管滲透壓、增強(qiáng)免疫力等功效[8-9]。

螺桿擠壓技術(shù)是20世紀(jì)60年代后才興起的一種新技術(shù)，物料經(jīng)過螺桿擠壓發(fā)生物理、化學(xué)變化，起到改善產(chǎn)品品質(zhì)的作用[10]。具有操作簡單、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此，擠壓加工技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用型加工方法，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中，并得到迅速發(fā)展，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)[11]。本試驗(yàn)通過螺桿擠壓技術(shù)，結(jié)合科學(xué)的組方，在保證營養(yǎng)成分的前提下，使產(chǎn)品外觀平整、口感爽滑，降低斷條率等優(yōu)點(diǎn)，具有放大生產(chǎn)的可行性。

本研究通過前期試驗(yàn)基礎(chǔ)，確定了以黑米、黑豆、谷朊粉、木薯淀粉、面堿、食鹽為主要原輔料，通過螺桿擠壓出的面條效果最佳。添加木薯淀粉，保證了面條口感更加爽滑，適口性增加。添加谷朊粉使谷朊粉中的麥醇溶蛋白和麥谷蛋白發(fā)生水合作用，使得面條形成更好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。食鹽的添加保證面條的彈性。采用螺桿擠壓技術(shù)研制雜糧面條，從調(diào)整物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度分布三方面研究加工處理參數(shù)對擠壓雜糧面條的感官評分、斷條率等品質(zhì)特性的影響，為雜糧面條的擠壓生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

黑米、黑豆粕粉（油脂含量0.42%）：吉林公益源有限公司；谷朊粉、木薯淀粉、食鹽：市售。

1.2 儀器與設(shè)備

Q-300B粉碎機(jī)：上海旗箭電器有限公司；AUY220電子天平：日本島津公司；螺桿擠壓機(jī)：山東譽(yù)亞大豆機(jī)械制造有限公司；101A-2鼓風(fēng)干燥箱：上海試驗(yàn)儀器廠有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 制作工藝

1.3.2 操作要點(diǎn)

1.3.2.1 原輔料預(yù)處理

將黑米除雜后，低溫粉碎微細(xì)化處理。

1.3.2.2 物料篩分

將粉碎后的原料粉過40目、60目篩子，收集40目～60目之間的原料粉，備用。

1.3.2.3 混合面條粉調(diào)配

稱取一定量的黑米粉、黑豆粕粉、谷朊粉、木薯淀粉、食鹽混合均勻，備用。

1.3.2.4 平衡水分

準(zhǔn)確稱取混合面條粉，加入純凈水，充分?jǐn)嚢杌旌希芊?，室溫下放?0 min，使水分分布均勻平衡。

1.3.2.5 擠壓、熟化、成型、干燥

上述混合物料填入到料斗中進(jìn)行擠壓、熟化、成型，分別切割成長度為20 cm的面條，冷卻至常溫，干燥至水分含量為10%，進(jìn)行檢測、包裝，備用。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

前期研究確定原料配比為：黑豆粕粉100 g、黑米粉21 g，木薯淀粉5 g，谷朊粉12 g，食鹽2 g。通過單因素試驗(yàn)研究物料水分、螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度對雜糧面條感官和斷條率的影響。每次試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.3.3.1 螺桿轉(zhuǎn)速

按指定配比稱取一定量物料，加入到進(jìn)料斗中，在擠壓溫度135℃，水分含量33%，螺桿轉(zhuǎn)速分別為70、75、80、85、90 r/min 條件下進(jìn)行擠壓，將擠出的面條按照感官評分進(jìn)行評定并測定斷條率。

1.3.3.2 水分含量

按指定配比稱取一定量物料，加入到進(jìn)料斗中，在擠壓溫度135℃，螺桿轉(zhuǎn)速80 r/min，水分含量分別為 27%、30%、33%、36%、39%條件下進(jìn)行擠壓，將擠出的面條按照感官評分進(jìn)行評定并測定斷條率。

1.3.3.3 擠壓溫度

按指定配比稱取一定量物料，加入到進(jìn)料斗中，在螺桿轉(zhuǎn)速80 r/min，水分含量33%，擠壓溫度分別為130、135、140、145、150 ℃條件下進(jìn)行擠壓[12]，將擠出的面條按照感官評分進(jìn)行評定并測定斷條率。

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素的試驗(yàn)結(jié)果，以感官評分為指標(biāo)，采用Design expert軟件中的響應(yīng)面方法，選取螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量、擠壓溫度為3個(gè)因素，通過Box-Behnken設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)Table 1 Factor and level design of response surface test

1.4 黑米黑豆面條的感官評定

取同批制作的長20 cm的面條30根，放入剛煮沸的開水中進(jìn)行煮制8 min，再放入冷水中10 s后撈出，放在評價(jià)盤中待評定小組進(jìn)行打分評定。評定結(jié)果取小組成員評分的平均值。面條的感官評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 面條品嘗項(xiàng)目及評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The sensory score standard of noodle

1.5 面條熟斷條率的測定

將30根面條放入2000 mL沸水中煮至最佳蒸煮時(shí)間，并按公式計(jì)算其中斷條數(shù)占30根面條的百分比即為面條的斷條率[13]。

式中：S為30根熟面條中斷條的根數(shù)。

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)速對面條品質(zhì)的影響

螺桿轉(zhuǎn)速對黑米黑豆擠壓面條感官評分和斷條率的影響結(jié)果見圖1。

圖1 螺桿轉(zhuǎn)速對面條感官評分及斷條率的影響Fig.1 The effect of screw speed on sensory score and broken rate of black rice black bean noodles

如圖1所示，黑米黑豆擠壓面條的感官評分隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大呈先增大后減小的趨勢，斷條率隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大呈先減小后增大的趨勢。在螺桿轉(zhuǎn)速為80 r/min時(shí)感官評分達(dá)到最大96.5，斷條率最小為2.01%。這可能是由于螺桿轉(zhuǎn)速過低時(shí)，物料在機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間過長，物料水分含量過低，不利于淀粉的糊化，從而使得面條的感官評分較低，斷條率較高。而當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速過高時(shí)，物料在機(jī)筒內(nèi)時(shí)間短，螺桿對其作用不充分，物料吸收熱量不夠且水分含量過高，在擠壓過程中容易產(chǎn)生能量波動(dòng)，導(dǎo)致擠出的面條感官品質(zhì)降低[14]。

2.1.2 水分含量對面條品質(zhì)的影響

水分含量對黑米黑豆擠壓面條感官評分和斷條率的影響結(jié)果見圖2。

圖2 水分含量對面條感官評分及斷條率的影響Fig.2 The effect of moisture content on sensory score and broken rate of black rice black bean noodles

如圖2所示，隨加水量的增多，黑米黑豆擠壓面條的感官評分呈先增大后減小的趨勢，加水量為33%時(shí)，感官評分值最大96.7，這與段維等[15]得出的結(jié)論一致，Gimenez等[16]認(rèn)為：物料水分含量較低時(shí)，淀粉顆粒之間的交聯(lián)程度較低，導(dǎo)致面條斷條率增加；當(dāng)加水量過多時(shí)，過量的水分弱化了淀粉所受的剪切力和摩擦力，阻礙了淀粉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，從而降低了面條的感官品質(zhì)。面條斷條率則隨水分含量的增多呈先降低后升高趨勢，水分含量達(dá)到33%時(shí)，斷條率最低為2.03%。水分含量增多導(dǎo)致淀粉黏度降低，淀粉在機(jī)筒內(nèi)受到的剪切力及摩擦力減弱[17]，擠出過程物料經(jīng)過模口時(shí)受到的瞬時(shí)壓力降低，導(dǎo)致面條斷條率增加。

2.1.3 擠壓溫度對面條品質(zhì)的影響

擠壓溫度對黑米黑豆擠壓面條感官評分和斷條率的影響結(jié)果見圖3。

圖3 擠壓溫度對面條感官評分及斷條率的影響Fig.3 The effect of screw temperature on sensory score and broken rate of black rice black bean noodles

機(jī)筒溫度是擠壓物料吸收熱量的主要來源，直接影響物料在機(jī)筒內(nèi)的變化，即物料在機(jī)筒內(nèi)的流動(dòng)性能和熔融體狀態(tài)。擠壓面條的最終感官品質(zhì)受到影響。機(jī)筒溫度對膨化雜糧感官各項(xiàng)指標(biāo)的影響不完全相同。隨著機(jī)筒溫度的升高，黑米黑豆擠壓面條感官評分呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，黑米黑豆擠壓面條感官評分在機(jī)筒溫度為135℃時(shí)達(dá)到最大值，最大值為96.3，斷條率最低，為2.04%。隨著機(jī)筒溫度的升高，黑米黑豆擠壓面條色澤得分雖有所波動(dòng)，呈不斷加深趨勢。黑米黑豆擠壓面條風(fēng)味得分隨著機(jī)筒溫度的升高呈先增大后減小趨勢，是由于過高的溫度使部分物料焦糊化，隨著溫度的不斷升高風(fēng)味得分變化幅度逐漸增大[18]。

2.2 黑米黑豆面條擠壓最佳工藝參數(shù)響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

響應(yīng)面分析及結(jié)果見表3，感官評分回歸方程的方差分析結(jié)果見表4，斷條率回歸方程的方差分析結(jié)果見表5。

表3 響應(yīng)面分析及結(jié)果Table 3 Design and results of response surface experiments

表4 感官評分回歸方程的方差分析結(jié)果Table 4 Analysis of variance for the regression model

表5 斷條率回歸方程的方差分析結(jié)果Table 5 Analysis of variance for the regression model

續(xù)表5 斷條率回歸方程的方差分析結(jié)果Continue table 5 Analysis of variance for the regression model

運(yùn)用Design Expert 8.0.6軟件對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行完全二次回歸分析，得到黑米黑豆面條的感官評分對螺桿轉(zhuǎn)速（X1）、水分含量（X2）、擠壓溫度（X3）的二次多項(xiàng)回歸方程，表示如下：

斷條率對螺桿轉(zhuǎn)速（X1）、水分含量（X2）、擠壓溫度（X3）的二次多項(xiàng)回歸方程，表示如下：

由表4對感官評分響應(yīng)值的二次模型方差分析結(jié)果可以得出，R2=0.9978，表明自變量和響應(yīng)值關(guān)系顯著，模型 P＜0.0001，達(dá)到極顯著；失擬項(xiàng) P=0.1354＞0.05，不顯著。方差分析還顯示一次項(xiàng)（X1，X3）和二次項(xiàng) （X12，X22，X32）均顯著，X1X2、X1X3、X2X3交互作用顯著，說明該模型擬合度較好，可以用此來模擬分析和預(yù)測擠壓最佳工藝參數(shù)。

由表5對斷條率響應(yīng)值的二次模型方差分析結(jié)果可以得出，R2=0.9997，表明自變量和響應(yīng)值關(guān)系顯著，模型 P＜0.0001，達(dá)到極顯著；失擬項(xiàng) P=0.5916＞0.05，不顯著。方差分析還顯示一次項(xiàng)（X1，X2，X3）和二次項(xiàng)（X12，X22，X32）均顯著，X1X3交互作用顯著，X1X2、X2X3交互作用極顯著，說明該模型擬合度較好，可以用此來模擬分析和預(yù)測擠壓最佳工藝參數(shù)。

2.3 響應(yīng)面交互作用結(jié)果

螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量和擠壓溫度對感官評分及斷條率的影響見圖4。

圖4 螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量和擠壓溫度對感官評分及斷條率的影響Fig.4 Response surface the effect of screw speed，moisture content and screw temperature on the sensory score and broken rate

由圖4可知，3D圖投射的等高線圖的形狀可以直觀地反映兩因素交互作用的強(qiáng)弱。圖（A、B、C、D、E、F）均呈橢圓形說明螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度與水分含量對感官評分及斷條率的兩兩交互作用均顯著。從圖4（B、C、E）我們可以看出，擠壓溫度一側(cè)更加陡峭，表明感官評分與斷條率受擠壓溫度的影響較大。圖（4A）中對應(yīng)等高線可以看出，螺桿轉(zhuǎn)速對面條感官評分的影響大于水分含量。

2.4 最佳配方確定

通過軟件對黑米黑豆面條感官評分、斷條率二次模擬回歸分析，得到預(yù)測值為螺桿轉(zhuǎn)速81.42 r/min、水分含量33.64%、擠壓溫度134.08℃，感官評分為96.87、斷條率為1.90612%。從實(shí)際生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)方面考慮，將工藝參數(shù)修改為螺桿轉(zhuǎn)速81 r/min、水分含量34%、擠壓溫度134℃。實(shí)測值感官評分為96，斷條率為2%，實(shí)測值與預(yù)測值非常接近，表明該響應(yīng)面法對面條的工藝參數(shù)優(yōu)化可行。

3 結(jié)論

本研究旨在優(yōu)化黑米黑豆面條擠壓工藝參數(shù)，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)對黑米黑豆面條擠壓過程中的螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量、擠壓溫度3個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，確定了黑米黑豆面條的擠壓最佳工藝參數(shù)為螺桿轉(zhuǎn)速81 r/min、水分含量34%、擠壓溫度134℃。實(shí)測值感官評分為96，斷條率為2%，實(shí)測值與預(yù)測值非常接近，表明該響應(yīng)面法對面條的工藝參數(shù)優(yōu)化可行。

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