擠壓膨化法生產(chǎn)碎米米粉的工藝條件優(yōu)化

遲吉捷

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品與加工研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110161)

大米在加工時(shí)被碾碎的部分，稱為碎米，其營(yíng)養(yǎng)成分與大米相近，但其價(jià)格僅為大米的30%～50%，如何積極開(kāi)展碎米資源的利用，實(shí)現(xiàn)物盡其用是我國(guó)稻米加工行業(yè)共同關(guān)心的問(wèn)題。 盡管國(guó)內(nèi)對(duì)碎米加工技術(shù)研究的方法很多，但真正能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的項(xiàng)目并不是很多，適合中小型企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品很少，因此，研制出一種適合中小型企業(yè)生產(chǎn)的碎米加工產(chǎn)品很有必要。 隨著碾米業(yè)的發(fā)展，我國(guó)碎米資源將極為豐富，合理利用碎米資源，提高碎米的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是我國(guó)碾米行業(yè)共同關(guān)注的問(wèn)題。 以碎米為原料加工食品的研究生產(chǎn)尚處于起步階段。 多年來(lái)碎米的使用、食用方法比較單一，隨著人們生活水平的提高，傳統(tǒng)碎米的加工、使用已滿足不了現(xiàn)代快節(jié)奏生活的需求。 因此，在不減少碎米營(yíng)養(yǎng)成分損失、加工成本又比較低廉的前提下，對(duì)碎米的功能性質(zhì)進(jìn)行改善，必將對(duì)拓寬碎米的使用范圍具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本試驗(yàn)著重對(duì)碎米的擠壓膨化工藝條件進(jìn)行了研究，以期獲得更好的加工方法及產(chǎn)品參數(shù)配比，來(lái)體現(xiàn)膨化米糊的優(yōu)越性，改善碎米粉的功能特性，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，為碎米的深度開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

碎米(粳米)，盤錦晶澤米業(yè)有限公司提供。

1. 2 主要試驗(yàn)設(shè)備

雙螺桿擠壓膨化機(jī)，濟(jì)南天時(shí)信機(jī)械有限公司；WF 萬(wàn)能粉碎機(jī)，江蘇科力機(jī)械設(shè)備有限公司；LXJ-IIB 型低速大容量多管離心機(jī)，上海安亭公司；HH.S21-NI8 型電熱恒溫水浴鍋，北京三二八科學(xué)儀器有限公司；DFT-10000 高速粉碎機(jī)，溫嶺市大德機(jī)械有限公司；TA-XT2i 型質(zhì)構(gòu)儀，英國(guó)Stable Micro Systems 儀器公司；756 型紫外分光光度計(jì)，上海尤尼柯有限公司；分析天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；E-52 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠；SHB-B95 型循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；101A-3 型數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海錦屏儀表有限公司通州分公司。

1. 3 試驗(yàn)方法及擠壓膨化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以碎米為原料，通過(guò)單因素試驗(yàn)，獲得較為理想的擠壓膨化操作工藝參數(shù)。 本試驗(yàn)采用設(shè)備為雙螺桿擠壓機(jī)，分三區(qū)加熱，(Ⅰ(80 ℃)、Ⅱ(100 ℃)區(qū)主要作用為原料均勻預(yù)熱和混合物料作用，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果起輔助作用，III 區(qū)機(jī)筒溫度120～130 ℃，物料水分含量18%～24%，螺桿轉(zhuǎn)速210～230 r/min 時(shí)，喂料速度固定在400 g/min 時(shí)，產(chǎn)品達(dá)到適宜的膨化效果(質(zhì)地酥脆)。 機(jī)筒溫度、物料水分、螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)膨化產(chǎn)品特性影響顯著，本試驗(yàn)選取機(jī)筒溫度(A)、物料水分含量(B)、螺桿轉(zhuǎn)速(C)3 個(gè)因子，采用三因素3 水平正交實(shí)驗(yàn)表，通過(guò)碎米膨化試驗(yàn)分析研究操作參數(shù)對(duì)產(chǎn)品參數(shù)的影響規(guī)律，最終得出理想的工藝參數(shù)。

表 1 擠壓膨化優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 擠壓膨化試驗(yàn)

由于原料實(shí)際水分有一定差異，試驗(yàn)前測(cè)定碎米的水分。 喂料速度以及螺桿轉(zhuǎn)速?zèng)Q定產(chǎn)品生產(chǎn)能力，確定喂料速度以及螺桿轉(zhuǎn)速，使產(chǎn)品生產(chǎn)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值。 試驗(yàn)前根據(jù)表2 中物料水分要求計(jì)算出需補(bǔ)加的水量，加入需要補(bǔ)充的水分，在混料器中混勻。 原料由螺旋式計(jì)量加料器喂入。 擠壓膨化機(jī)一般經(jīng)過(guò)10 min 預(yù)熱后即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，試驗(yàn)開(kāi)始緩慢喂料，當(dāng)擠出物擠出速度以及色澤穩(wěn)定時(shí)開(kāi)始記錄試驗(yàn)數(shù)值。

2. 1 擠壓膨化樣品的預(yù)處理

根據(jù)試驗(yàn)要求，將膨化機(jī)擠出樣品置于50 ℃烘箱干燥24 h，使產(chǎn)品測(cè)定數(shù)值不受環(huán)境影響，取出部分干燥樣品用于測(cè)出產(chǎn)品硬度、脆度等參數(shù)；取部分樣品粉碎后過(guò)100 目篩，測(cè)出產(chǎn)品水分含量置于4 ℃封閉保存，用于產(chǎn)品吸水性、水溶性指數(shù)的測(cè)定。

2. 2 擠壓膨化產(chǎn)品特性的分析

2. 2. 1擠壓膨化產(chǎn)品吸水性、水溶性指數(shù)的測(cè)定

擠壓膨化參數(shù)對(duì)膨化粉吸水性有很大影響，測(cè)定方法參照文獻(xiàn)方法[2]。

吸水性=上清干重/樣品干重

水溶性=沉淀中水的重量/干重

2. 2. 2擠壓膨化產(chǎn)品硬度和脆度的測(cè)定

采用質(zhì)構(gòu)儀在壓縮模式下(HDP/VB)對(duì)碎米擠壓膨化產(chǎn)品進(jìn)行樣品硬度和脆性測(cè)定。

測(cè)定硬度值即樣品斷裂所需要的最大力，硬度值等于曲線中力的峰值，以“g”為單位，數(shù)值越大，膨化物越硬；測(cè)定脆度值所產(chǎn)生的峰數(shù)個(gè)數(shù)越多，脆度越好，生產(chǎn)實(shí)踐中，酥脆度差的產(chǎn)品粉碎效果相對(duì)較差。 將每個(gè)樣品測(cè)量10 次，取平均值即為產(chǎn)品硬度值。

2. 3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均是重復(fù)3 次所得平均值，以均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，用SPSS 24 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3. 1 擠壓工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品吸水性及水溶性的影響

機(jī)筒溫度是影響產(chǎn)品膨化的一個(gè)重要因素，在一定范圍內(nèi)，機(jī)筒溫度越高產(chǎn)品膨化的越完全，溫度超過(guò)200 ℃時(shí)，淀粉含量較高的產(chǎn)品甚至?xí)l(fā)生焦化，同時(shí)也極易產(chǎn)生有毒物質(zhì)丙烯酰胺，能源消耗也增大；溫度低時(shí)，由于物料在機(jī)筒內(nèi)無(wú)法得到足夠的能量，無(wú)法完全達(dá)到熔融狀態(tài)，因此，產(chǎn)品膨化效果差，不夠酥脆，色澤暗淡，且孔隙度大小不一。 由表2 和表3 可以看出，機(jī)筒溫度對(duì)產(chǎn)品的吸水性值、水溶性值影響比較明顯。 實(shí)踐生產(chǎn)中，由于溫度升高，產(chǎn)品色澤會(huì)發(fā)生一定變化，溫度高于170 ℃時(shí)，產(chǎn)品顏色變深，因此，生產(chǎn)中操作溫度不易過(guò)高。

物料中的水分在膨化過(guò)程中起到潤(rùn)滑作用，水分過(guò)小，機(jī)筒內(nèi)蒸汽壓不足，膨化過(guò)程中容易造成膨化機(jī)內(nèi)部堵塞，造成當(dāng)機(jī)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，且膨化機(jī)內(nèi)部溫度升高過(guò)快，導(dǎo)致膨化過(guò)程無(wú)法在穩(wěn)定的溫度中進(jìn)行；水分過(guò)大時(shí)，原料膨化不完全，產(chǎn)品水分也會(huì)隨之增加，由于水分過(guò)大，也會(huì)導(dǎo)致膨化機(jī)提供的能量不足，造成機(jī)筒無(wú)法在設(shè)定溫度下進(jìn)行，從而導(dǎo)致產(chǎn)品膨化不完全。由表2 和表3 可以看出物料水分含量的增加對(duì)產(chǎn)品的吸水性增加并不顯著，但產(chǎn)品的水溶性變化較大。

螺桿轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了產(chǎn)品加工的效率，但螺桿轉(zhuǎn)速過(guò)慢容易導(dǎo)致機(jī)筒堵塞，快速降低機(jī)筒溫度，導(dǎo)致產(chǎn)品膨化度降低，螺桿轉(zhuǎn)速過(guò)快，由于摩擦生熱，機(jī)筒溫度也會(huì)迅速升高，產(chǎn)品穩(wěn)定性降低，螺桿轉(zhuǎn)速在250 r/min 時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)中加工效率低，能耗增加，不利于生產(chǎn)，230 r/min 時(shí)，機(jī)筒溫度比較穩(wěn)定，幾乎不發(fā)生變化，生產(chǎn)效率提高，降低了能耗，膨化機(jī)穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)品品質(zhì)也很好；螺桿轉(zhuǎn)速210 r/min 時(shí)，由于無(wú)法及時(shí)擠出機(jī)筒內(nèi)的原料，可能導(dǎo)致膨化機(jī)當(dāng)機(jī)，容易造成生產(chǎn)效率降低。 由表2 和表3 可以看出隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加對(duì)產(chǎn)品的吸水性有很大影響，水溶性影響不大。

由表中的R 值可看出，螺桿轉(zhuǎn)速和機(jī)筒溫度是影響產(chǎn)品吸水性值的主要因素；而物料水分含量是影響產(chǎn)品水溶性值的主要因素。

表 2 擠壓工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品吸水性的影響

表 3 擠壓工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品水溶性的影響

3. 2 擠壓膨化工藝條件對(duì)硬度和脆性的影響

由表4 和表5 可以看出影響擠壓工藝條件的3 個(gè)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)、相互制約，螺桿轉(zhuǎn)速和物料水分影響不穩(wěn)定可能與實(shí)驗(yàn)參數(shù)未達(dá)到臨界值有關(guān)。 實(shí)踐證明，在破壞性試驗(yàn)中，螺桿轉(zhuǎn)速和物料水分對(duì)脆度和硬度影響也很明顯，螺桿轉(zhuǎn)速過(guò)快、物料水分過(guò)大，物料不能完全膨化，導(dǎo)致硬度和脆度都降低很多。 由表中R 值可知，機(jī)筒溫度對(duì)產(chǎn)品硬度和脆度影響最大，機(jī)筒溫度恒定的情況下、物料水分越大，產(chǎn)品的硬度和脆性越小，反之亦然。

表 4 擠壓工藝條件對(duì)產(chǎn)品硬度的影響

表 5 擠壓工藝條件對(duì)產(chǎn)品脆度的影響

3. 3 產(chǎn)品的綜合評(píng)價(jià)與操作參數(shù)的優(yōu)化

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)的不同，得到優(yōu)化工藝參數(shù)也有一定差異。 利用常見(jiàn)的多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法，可大大減少試驗(yàn)次數(shù)，降低試驗(yàn)成本。 對(duì)于由多指標(biāo)構(gòu)成的某問(wèn)題可試圖用最少個(gè)數(shù)的公共因子的線性函數(shù)與特殊因子之和來(lái)表示每一個(gè)分量，并且要求各因子之間相互獨(dú)立。 這樣不僅消除了指標(biāo)間信息重疊，而且還起到降維的作用，便于抓住事物的主要矛盾。

根據(jù)因子載荷矩陣和公式，通過(guò)計(jì)算得到各個(gè)樣本的因子得分。 針對(duì)每一個(gè)樣本所對(duì)應(yīng)的因子進(jìn)行加權(quán)求和即可得到各樣本的綜合評(píng)分，在綜合得分的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交分析。

機(jī)筒溫度的增加，產(chǎn)品的綜合得分也隨之逐漸增加，這說(shuō)明在產(chǎn)品膨化過(guò)程中，膨化溫度起著決定性作用；由表8 可以看出物料水分的增加，產(chǎn)品的綜合得分增加很平緩；螺桿轉(zhuǎn)速的加快，綜合得分增減并不明顯。 所以，選取的最優(yōu)組合為A2B2C2，此參數(shù)產(chǎn)品得分最高，產(chǎn)品品質(zhì)也最好，即在喂料速度固定為400 g/min 條件下，機(jī)筒溫度為130 ℃， 物 料 水 分 為21%， 螺 桿 轉(zhuǎn) 速 為230 r/min。 在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到綜合評(píng)分為0.95，與模型預(yù)測(cè)值較為吻合。 在此操作參數(shù)下，產(chǎn)品膨化達(dá)到理想效果，適宜粉碎，色澤淡黃，米香氣十足，產(chǎn)品孔隙度均勻一致。

表 6 目標(biāo)相關(guān)矩陣參數(shù)

表 7 方差極大因子矩陣

表 8 目標(biāo)因子正交分析

3 結(jié)論

機(jī)筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、物料水分呈動(dòng)態(tài)平衡，相互制約。 本試驗(yàn)結(jié)果表明，在喂料速度固定為400 g/min 條件下，機(jī)筒溫度為130 ℃，物料水分為21%，螺桿轉(zhuǎn)速為230 r/min 的操作參數(shù)下，產(chǎn)品膨化達(dá)到理想效果，適宜粉碎，色澤淡黃，米香氣十足，產(chǎn)品孔隙度均勻一致。 本試驗(yàn)為利用擠壓膨化技術(shù)提高碎米食用品質(zhì)生產(chǎn)健康、營(yíng)養(yǎng)、美味的即食米糊食品提供了理論依據(jù)。