響應(yīng)面設(shè)計(jì)分析法優(yōu)化擠壓干式粥的生產(chǎn)工藝

馬喜山 ，劉士偉 ，王成祥，趙鑫燕，孫鋒鋒，段盛林 *

1. 中國(guó)食品發(fā)酵工業(yè)研究院有限公司（北京 100015）；2. 功能主食創(chuàng)制與慢病營(yíng)養(yǎng)干預(yù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京 100015）；3. 河北同福健康產(chǎn)業(yè)有限公司（石家莊 051430）

粥作為我國(guó)的傳統(tǒng)食品，千百年來(lái)始終備受青睞。無(wú)論古今，粥以其平淡綿長(zhǎng)、不溫不火、營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)生的特點(diǎn)始終在中國(guó)人心目中存有美好形象，經(jīng)歷了生活觀念、飲食特色的千回百換，在快節(jié)奏的吃吃喝喝中，喝粥不僅久立不倒，而且歷久彌新，經(jīng)受住時(shí)間、觀念的考證，以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)重新勝出于飲食舞臺(tái)。

但是，由于人們生活節(jié)奏的加快及其工作環(huán)境的改變，快餐文化不斷加劇，這使得熬煮粥在食用上受到了一定限制。同時(shí)，快節(jié)奏與宅生活也推進(jìn)了“方便食品”產(chǎn)品種類(lèi)的需求。目前，方便面是上班族們喜歡的一種食品，它既可以當(dāng)點(diǎn)心、宵夜，又可以當(dāng)正餐，而且食用方便，非常適合繁忙的上班族和出差在外的商旅人士等[1]。據(jù)中國(guó)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)面制品分會(huì)統(tǒng)計(jì)，2011年方便面行業(yè)總產(chǎn)量為483.83億包，銷(xiāo)售額達(dá)到557.76億元，中國(guó)已成為世界方便面第一大國(guó)[2]。目前很多消費(fèi)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到方便面給人們帶來(lái)的健康隱患。這時(shí)，帶著中國(guó)粥文化氣息的干式粥就可以踏上歷史舞臺(tái)，作為市場(chǎng)的新寵，其代表了最平民化的健康速食產(chǎn)品。干式粥沖泡后與家庭后廚熬煮出的粥米具有相似的顆粒，同樣的咀嚼感，同樣的米香味，更重要的是它能夠滿(mǎn)足人們一般飲食的營(yíng)養(yǎng)需求，這使得干式營(yíng)養(yǎng)粥既可縮短消費(fèi)者的食用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快節(jié)奏生活，又能夠滿(mǎn)足消費(fèi)者的正常飲食需求，另外還提高了農(nóng)副產(chǎn)品的綜合利用率。

目前，對(duì)于市場(chǎng)上可購(gòu)買(mǎi)的方便粥產(chǎn)品，部分是以普通大米為原料，經(jīng)過(guò)熬煮、干燥，或直接膨化，不需要米粒成型工序，其產(chǎn)品的復(fù)水性不好。其他多數(shù)產(chǎn)品則采用擠壓成型技術(shù)將米粉等原輔料擠壓為米粒狀態(tài)，進(jìn)一步經(jīng)過(guò)膨化處理[3]，生產(chǎn)出沖泡性相對(duì)較好的粥體，但由于后期的膨化工藝的原因，產(chǎn)品的口感和風(fēng)味不好。此試驗(yàn)是以米粉為原料，主要考察物料水分添加量、擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速和擠壓機(jī)模頭溫度單個(gè)因素對(duì)干式粥品質(zhì)的影響[4]，通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析得出最佳的生產(chǎn)工藝。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

大米（湖北新美香食品有限公司）；GY-06A粉碎機(jī)（贛云江西贛云食品機(jī)械廠(chǎng)）；MA150水分測(cè)定儀（德國(guó)Sartorius公司）；80目標(biāo)準(zhǔn)分選篩（約0.180 mm孔徑，上海豐行篩網(wǎng)制造有限公司）；CY-II拌粉機(jī)（濟(jì)南晨陽(yáng)科技有限公司）；CY65-II雙螺桿擠壓機(jī)（濟(jì)南晨陽(yáng)科技有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 擠壓方法

利用雙螺桿擠壓機(jī)加工干式粥的工藝流程：大米→粉碎→混合→喂料→擠壓→干燥→干式粥。

具體操作流程：（1）將原料大米用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，使用0.250 mm分選篩進(jìn)行分選，取大于0.250 mm的米粉備用[5]；（2）按照設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)加水量，在米粉進(jìn)行攪拌過(guò)程中進(jìn)行添加，混合5 min后放置10 min待水分充分被物料吸收后取出備用[6-7]；（3）使用喂料機(jī)向擠壓機(jī)腔體內(nèi)進(jìn)行喂料，并同時(shí)進(jìn)行擠壓；（4）試驗(yàn)階段，擠壓出的干式粥可以采用自然晾干的方式進(jìn)行干燥，水分控制在5%以下[8]。

1.2.2 水分測(cè)定

混合后的物料水分和干式粥成品的水分含量采用快速水分測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3 干式粥的評(píng)分方法

選定10人進(jìn)行品嘗評(píng)定，為了折中南北方人的生活飲食習(xí)慣，所選的人中有北方人5名，有南方人5名。使用不小于80 ℃的開(kāi)水浸泡試驗(yàn)所得的干式粥10 min，每人按照干式粥感官評(píng)定方法（見(jiàn)表1）進(jìn)行打分，結(jié)果取10人所打分?jǐn)?shù)的平均分為產(chǎn)品最終得分，并作為試驗(yàn)結(jié)果的參考[9]。

表1 干式粥感官評(píng)定方法 單位：分

1.2.4 單因素試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道及具體試驗(yàn)所得[10]，米粉水分含量控制在12%，固定喂料量150 kg/h、模頭溫度90 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min，分別考察物料水分添加量（水/干重）8%，9%和10%對(duì)干式粥品質(zhì)的影響。固定喂料量150 kg/h、水分添加量（水/干重）8%、模頭溫度90℃，分別考察螺桿轉(zhuǎn)速190，200和210 r/min對(duì)干式粥品質(zhì)的影響。固定喂料量150 kg/h、水分添加量（水/干重）8%、螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min，分別考察模頭溫度90，95和100 ℃對(duì)干式粥品質(zhì)的影響。

1.2.5 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

通過(guò)分析單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取水分添加量（水/干重）、模頭溫度、螺桿轉(zhuǎn)速三個(gè)因素，品評(píng)得分為因變量，按照Box-Behnken模型，利用統(tǒng)計(jì)軟件Design-Expert進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 物料水分添加量（水/干重）對(duì)干式粥品質(zhì)的影響

如圖1所示：不同水分添加量對(duì)干式粥品質(zhì)的影響較大，在水分添加量較低時(shí)，即在5%～9%范圍內(nèi)，隨著水分添加量的不斷增加，干式粥的品質(zhì)也越來(lái)越好，但是當(dāng)水分添加量超過(guò)9%以后，干式粥的品質(zhì)越來(lái)越差并呈現(xiàn)出較快的下降。這可能與在擠壓過(guò)程中，水分含量過(guò)高影響淀粉的糊化及熔融程度，并降低擠壓腔體內(nèi)外的溫差而抑制干式粥被擠出瞬間時(shí)的膨化有關(guān)系。由此可見(jiàn)，最佳的物料水分添加量（水/干重）為9%。

圖1 物料水分添加量（水比干重）對(duì)干式粥品質(zhì)的影響

2.1.2 擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)干式粥品質(zhì)的影響

如圖2所示：不同螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)干式粥品質(zhì)也有著不同的影響，但是沒(méi)有水分添加量的變化對(duì)干式粥品質(zhì)的影響明顯。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較低時(shí)，即在160～180 r/min范圍內(nèi)，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，干式粥品質(zhì)越來(lái)越好且變化較為明顯，但是當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加時(shí)，干式粥品質(zhì)的變化變得較為緩慢，在達(dá)到200 r/min后，干式粥品質(zhì)開(kāi)始變差并較為緩慢。這可能與起始階段主機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，沒(méi)有達(dá)到物料在腔體中熔融所需要的能量有關(guān)。而主機(jī)轉(zhuǎn)速增加到一定數(shù)值時(shí)，能量滿(mǎn)足了物料在腔體內(nèi)熔融的條件，同時(shí)由于受到螺桿前端溫度及增壓組件使用與否的影響，即使繼續(xù)增加螺桿轉(zhuǎn)速，在一定范圍內(nèi)，其對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響也較小，從而得出最佳的螺桿轉(zhuǎn)速為200 r/min。

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)干式粥品質(zhì)的影響

2.1.3 模頭溫度對(duì)干式粥品質(zhì)的影響

如圖3所示：不同模頭溫度對(duì)干式粥品質(zhì)的影響較大，在模頭溫度較低時(shí)，即在75～95 ℃范圍內(nèi)，隨著模頭溫度的增加，干式粥品質(zhì)越來(lái)越好，但是當(dāng)模頭溫度達(dá)到95 ℃后，品質(zhì)呈現(xiàn)出緩慢的下降。這可能與在物料被擠出的過(guò)程中，較低的模頭溫度使擠壓腔體內(nèi)外壓差變小，能量出現(xiàn)一定程度的迫降有關(guān)系，而較高的溫度可能會(huì)使得物料具有較高的能量而膨化過(guò)度，這也會(huì)使得干式粥的品質(zhì)下降，進(jìn)而得出最佳的模頭溫度為95 ℃。

圖3 模頭溫度對(duì)干式粥品質(zhì)的影響

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

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

按照Box-Behnken模型，利用統(tǒng)計(jì)軟件Design-Expert. V8.0.6進(jìn)行的三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，結(jié)果見(jiàn)表2，其中試驗(yàn)點(diǎn)17個(gè)，分析因點(diǎn)12個(gè)，考慮到試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，零點(diǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行5次。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

運(yùn)用Design-Expert. V8.0.6軟件對(duì)表2中的響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，擬合得到回歸方程：

為了檢驗(yàn)方程的顯著性，對(duì)干式粥生產(chǎn)工藝的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3，模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)表4。

表3 二次響應(yīng)面回歸模型方差分析表

表4 二次響應(yīng)面回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，總的模型的P值小于0.01，表明二次方程模型極顯著?；貧w方程的失擬項(xiàng)的檢驗(yàn)P=0.338 5＞0.05，不顯著，這表明未知因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果干擾很小，同時(shí)回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.989 7，這說(shuō)明了因變量與所有自變量之間的回歸關(guān)系顯著，表明該回歸方程與實(shí)際情況擬合得很好。這較好地反映了干式粥的品質(zhì)與水分添加量、螺桿轉(zhuǎn)速及模頭溫度的關(guān)系，因此可以說(shuō)該回歸方程能較好地預(yù)測(cè)干式粥的品質(zhì)隨這三個(gè)影響因素的變化規(guī)律。

由表4可知：模型一次項(xiàng)A和二次項(xiàng)A2影響極顯著（P＜0.01）；二次項(xiàng)B2影響顯著（P＜0.05）；一次項(xiàng)B、C與交互項(xiàng) AB、AC、BC和二次項(xiàng)C2影響均不顯著。即：物料水分的添加量對(duì)干式粥品質(zhì)的影響極顯著；螺桿轉(zhuǎn)速的二次項(xiàng)對(duì)干式粥品質(zhì)的影響顯著；三個(gè)因素的交互項(xiàng)及模頭溫度的二次項(xiàng)對(duì)干式粥品質(zhì)的影響不顯著。

2.2.2 響應(yīng)曲面的分析與優(yōu)化

為了更直觀地看出所有因素中的兩個(gè)因素同時(shí)對(duì)干式粥品質(zhì)的影響，可設(shè)除了要觀察的兩項(xiàng)外的其他因素水平值為0，這樣可以得到兩個(gè)因素的交互影響的效果圖，經(jīng)過(guò)對(duì)得到的二元二次方程的分析，可以繪制出相應(yīng)的等高線(xiàn)圖和響應(yīng)面圖。

如圖4所示：該響應(yīng)面開(kāi)口向下，干式粥的品質(zhì)先是隨著水分添加量和螺桿轉(zhuǎn)速的增加而變好，二者有著一定的交互作用，但不是很明顯。從整個(gè)曲面來(lái)看，干式粥的品質(zhì)隨著水分添加量的變化而呈現(xiàn)的曲線(xiàn)較陡，而隨著螺桿轉(zhuǎn)速的變化呈現(xiàn)的曲線(xiàn)較為平緩。這說(shuō)明水分添加量的變化相對(duì)于螺桿轉(zhuǎn)速的變化來(lái)講，其對(duì)干式粥品質(zhì)的影響較為明顯。

圖4 水分添加量和螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)得分影響的等高圖和響應(yīng)面圖

如圖5所示：該響應(yīng)面開(kāi)口向下，干式粥的品質(zhì)隨著水分添加量的增加而變好，但隨著模頭溫度的升高變化不明顯。另外，二者的交互作用較差。從整個(gè)曲面來(lái)看，干式粥的品質(zhì)隨著水分添加量的變化而呈現(xiàn)的曲線(xiàn)較陡，而隨著模頭溫度的變化呈現(xiàn)的曲線(xiàn)變化不是很明顯，這可能與模頭溫度的選取變化較小有一定的關(guān)系?？傮w上，水分添加量的變化相對(duì)于模頭溫度的變化來(lái)講，其對(duì)干式粥品質(zhì)的影響更為明顯。

圖5 水分添加量和模頭溫度的交互作用對(duì)得分影響的等高圖和響應(yīng)面圖

如圖6所示：該響應(yīng)面開(kāi)口向下，干式粥的品質(zhì)隨著主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速的增加和模頭溫度的升高而變好，二者有著一定的交互作用。從整個(gè)曲面來(lái)看，干式粥的品質(zhì)隨著主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速的增加和模頭溫度的升高而呈現(xiàn)的曲線(xiàn)都較緩，主機(jī)轉(zhuǎn)速在升高到一定程度后又呈現(xiàn)出了下降趨勢(shì)，而隨著模頭溫度的變化呈現(xiàn)的曲線(xiàn)變化基本是一直在增加。總之，在該水平條件下，二個(gè)因素對(duì)干式粥品質(zhì)的影響都不大。

圖6 螺桿轉(zhuǎn)速和模頭溫度的交互作用對(duì)得分影響的等高圖和響應(yīng)面圖

2.2.3 干式粥生產(chǎn)工藝條件的優(yōu)化和驗(yàn)證

采用Box-Behnken模型進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)得到回歸方程，再對(duì)該模型進(jìn)行二次回歸分析，各因素對(duì)品質(zhì)得分的影響大小順序?yàn)锳＞C＞B，即水分添加量＞模頭溫度＞螺桿轉(zhuǎn)速。由回歸方程計(jì)算得出生產(chǎn)干式粥的最佳工藝條件：水分添加量（水/干重）為8.54%，螺桿轉(zhuǎn)速為197.01 r/min，模頭溫度為95.37 ℃，理論得分為9.489 93分。

根據(jù)得到的最佳工藝條件數(shù)值進(jìn)行取整處理，即水分添加量（水/干重）為8.5%，螺桿轉(zhuǎn)速為197 r/min，模頭溫度為95 ℃。按照調(diào)整后的工藝條件進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，實(shí)際得分為9.6分，比理論分值高約1.2%，說(shuō)明該回歸模型具有較好的可靠性。

3 結(jié)論

此試驗(yàn)利用響應(yīng)面設(shè)計(jì)分析法對(duì)干式粥的生產(chǎn)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，得到了實(shí)際生產(chǎn)的操作參數(shù)，即水分添加量（水/干重）為8.5%，螺桿轉(zhuǎn)速為197 r/min，模頭溫度為95 ℃。另外，在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)干式粥品質(zhì)的影響因素還有很多，如物料粉碎細(xì)度、物料純度、拌粉均勻度、喂料速度及擠壓機(jī)的配置等。所以，此試驗(yàn)所得到的操作參數(shù)應(yīng)該還會(huì)得到更好的優(yōu)化，進(jìn)而進(jìn)一步提升干式粥的品質(zhì)，使得該產(chǎn)品一進(jìn)入市場(chǎng)即會(huì)擁有較好的市場(chǎng)認(rèn)可度。