韋鴻鈺 駱少明 朱立學(xué) 周玉梅

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東 廣州 510225)

線性插值優(yōu)化多指標(biāo)蘆薈—玉米粉擠壓膨化工藝

韋鴻鈺 駱少明 朱立學(xué) 周玉梅

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東 廣州 510225)

針對(duì)蘆薈加工過程副產(chǎn)物利用率較低的問題，提出將蘆薈葉皮干燥制粉后，加入玉米粉中進(jìn)行擠壓膨化試驗(yàn)，制備蘆薈—玉米功能膨化食品。采用單因素及五因素四水平正交試驗(yàn)方法，研究了蘆薈添加量、物料含水率、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度以及膨化溫度等工藝參數(shù)對(duì)膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響規(guī)律；采用線性插值法對(duì)蘆薈—玉米粉擠壓膨化產(chǎn)品指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出添加蘆薈超微粉體后的混合物料擠壓膨化最優(yōu)工藝參數(shù)為：喂料速度30 r/min，螺桿轉(zhuǎn)速115 r/min，水分含量14%，蘆薈含量4%，膨化溫度150℃。

蘆薈；玉米；擠壓膨化

蘆薈是藥食兩用植物，其富含多種生物活性成分，具有殺菌消炎、增強(qiáng)免疫功能等多種功效[1-2]。美國(guó)、日本、韓國(guó)等開發(fā)了多種蘆薈產(chǎn)品，中國(guó)蘆薈的開發(fā)利用起步較晚，利用率較低，主要是將果肉制成飲料等產(chǎn)品[3-5]。然而，蘆薈葉皮層中蘆薈苷、大黃素等蒽醌類活性成分的含量比葉肉組織還要高[6]，但現(xiàn)有蘆薈加工企業(yè)將蘆薈葉皮丟棄，造成大量浪費(fèi)。

擠壓膨化是食品行業(yè)常用的加工技術(shù)，隨著人們對(duì)健康營(yíng)養(yǎng)的關(guān)注，各種功能食品不斷出現(xiàn)，將功能原料添加至膨化食品中，增強(qiáng)其保健作用具有較好的應(yīng)用價(jià)值[7-10]。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]報(bào)道，膨化原料的組成及粉末粒徑對(duì)食品的口感、加工工藝及有效成分的釋放影響顯著。顆粒越小，其口感越好、原料有效成分的生物利用度越高，因而超微粉體原料被廣泛應(yīng)用于食品藥品行業(yè)。然而這種粉體由于其粒徑的減小和比表面積的增大，使其在很多方面的理化性質(zhì)都有別于傳統(tǒng)粉體[14-19]，其擠壓膨化工藝與一般粉體亦有顯著區(qū)別[20-22]?，F(xiàn)有的擠壓膨化過程研究均是針對(duì)傳統(tǒng)物料進(jìn)行的工藝優(yōu)化，而對(duì)添加蘆薈超微粉體的擠壓膨化過程研究尚屬空白，本研究為解決蘆薈加工過程中副產(chǎn)物浪費(fèi)問題，提出將其干燥制粉，添加至膨化原料中，優(yōu)化其擠壓膨化工藝，制成蘆薈功能膨化食品，旨在推動(dòng)蘆薈現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

玉米粉：市售；

庫(kù)拉索蘆薈鮮葉：廣州健橋蘆薈農(nóng)業(yè)有限公司。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

電子天平：UTP313型，上?；ǔ彪娖饔邢薰?；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：GZX-9070 MBE型，上海鴻訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；

粉碎機(jī)：GY-FS-06型，江西贛云食品機(jī)械有限公司；

球磨機(jī)：QM-3SP2型，上海新諾儀器設(shè)備有限公司；

激光粒度檢測(cè)儀：Mastersizer 2000型，英國(guó)馬爾文儀器有限公司；

雙螺桿膨化機(jī)：SYSLG30-IV型，濟(jì)南賽百諾科技開發(fā)有限公司；

食品物性分析儀：TMS-Pro型，美國(guó)FTC公司；

通用色差計(jì)：HP-200型，上海漢普光電科技有限公司。

1.2 樣品制備及檢測(cè)方法

1.2.1 蘆薈超微粉制備 將庫(kù)拉索蘆薈鮮葉皮剝下洗凈，采用微波低火干燥，每隔5 min取出稱重，直至含水率低于5%。烘干后的蘆薈干葉皮經(jīng)粉碎機(jī)初級(jí)粉碎后，置于球磨機(jī)中[23-24]。根據(jù)前期正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)置轉(zhuǎn)速為504 r/min、球料比為8.62、加工時(shí)間為3 h，獲得蘆薈超微粉平均粒徑D50為2.241 22 μm。

1.2.2 蘆薈—玉米粉擠壓膨化 稱取一定量的干燥蘆薈粉和玉米粉，按照1.3中試驗(yàn)設(shè)計(jì)比例混合，加水至其含水率為試驗(yàn)設(shè)定值，采用電動(dòng)攪拌器混合均勻后備用。按照試驗(yàn)方案設(shè)定加工工藝參數(shù)，將原料喂入雙螺桿擠壓膨化機(jī)中，進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.3 產(chǎn)品特性檢測(cè)方法 為減小試驗(yàn)誤差，每個(gè)工藝參數(shù)下各取10段試驗(yàn)樣品，每段8 cm進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試指標(biāo)為膨化率、色差及硬度。

(1) 膨化率：用游標(biāo)卡尺測(cè)出樣品中間段的直徑。膨化率按式(1)計(jì)算。

σ=S模口/S樣品，

(1)

式中：

σ——膨化率，數(shù)值越小膨化度越高；

S模口——?？诮孛娣e，mm2；

S樣品——樣品截面積，mm2。

(2) 色差：采用L*a*b*色空間法，借助色差計(jì)測(cè)定粉碎后樣品的三維顏色坐標(biāo)，并按式(2)計(jì)算其與標(biāo)準(zhǔn)白色瓷板(L*=75.85,a*=-2.57,b*=-3.61)的總色差ΔE。

ΔE=[(ΔL)2+(Δa)2+(Δb)2]/2，

(2)

式中：

ΔE——色差，ΔE值越大表示與白色瓷板差別越大；

ΔL——黑白差異；

Δa——紅綠差異；

Δb——黃藍(lán)差異。

(3) 硬度：采用食品物性分析儀測(cè)量樣品硬度，設(shè)定測(cè)試速度為100mm/min，穿刺距離為8mm，其值為曲線中力的峰值，值越大表示產(chǎn)品越硬。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 單因素試驗(yàn) 固定蘆薈添加量、物料含水率、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度以及膨化溫度中的任意四個(gè)，讓另一個(gè)因素變動(dòng)，分別測(cè)定擠壓膨化產(chǎn)品的膨化率、色差、硬度，探索各因素對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，確定各參數(shù)取值范圍。各試驗(yàn)參數(shù)具體設(shè)計(jì)：

(1) 固定蘆薈添加量為3%、物料含水率為14%、螺桿轉(zhuǎn)速為144r/min、喂料速度為30r/min，設(shè)定擠壓膨化溫度分別為150，155，160，165，170℃進(jìn)行擠壓膨化試驗(yàn)，測(cè)定膨化產(chǎn)品各指標(biāo)特性，研究膨化溫度對(duì)各指標(biāo)的影響。

(2) 固定蘆薈添加量為3%、物料含水率為14%、喂料速度為30r/min、膨化溫度為150℃，設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速分別為115，130，144，158，173r/min進(jìn)行擠壓膨化試驗(yàn)，測(cè)定膨化產(chǎn)品各指標(biāo)特性，研究螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)各指標(biāo)的影響。

(3) 固定蘆薈添加量為3%、物料含水率為14%、螺桿轉(zhuǎn)速為144r/min、膨化溫度為150℃，設(shè)定喂料速度分別為23，27，30，33，36r/min進(jìn)行擠壓膨化試驗(yàn)，測(cè)定膨化產(chǎn)品各指標(biāo)特性，研究喂料速度對(duì)各指標(biāo)的影響。

(4) 固定蘆薈添加量為3%、螺桿轉(zhuǎn)速為144r/min、喂料速度為30r/min、膨化溫度為150℃，設(shè)定物料含水率分別為12%，14%，16%，18%，20%進(jìn)行擠壓膨化試驗(yàn)，測(cè)定膨化產(chǎn)品各指標(biāo)特性，研究物料含水率對(duì)各指標(biāo)的影響。

(5) 固定物料含水率為14%、螺桿轉(zhuǎn)速為144r/min、喂料速度為30r/min、膨化溫度為150℃，設(shè)定蘆薈添加量為分別為1%，2%，3%，4%，5%進(jìn)行擠壓膨化試驗(yàn)，測(cè)定膨化產(chǎn)品各指標(biāo)特性，研究蘆薈添加量對(duì)各指標(biāo)的影響。

1.3.2 正交試驗(yàn) 選取蘆薈添加量、物料含水率、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度以及膨化溫度為主要影響因素，以產(chǎn)品膨化率、色差以及硬度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行五因素四水平L16(45)正交試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)一次。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 膨化溫度對(duì)各指標(biāo)的影響 由圖1可知，隨著溫度的升高，膨化產(chǎn)品的硬度不斷減小，當(dāng)溫度達(dá)165℃時(shí)，硬度值為5.75N，產(chǎn)品口感很酥脆，溫度繼續(xù)升高后產(chǎn)品的硬度變化不大。膨化產(chǎn)品的色差隨著溫度的升高不斷減小。隨著溫度的升高，產(chǎn)品的膨化率不斷減小，膨化度越來越高，當(dāng)膨化溫度達(dá)160℃時(shí)，產(chǎn)品的膨化度最高，而隨著溫度的繼續(xù)升高，膨化率的數(shù)值開始增大，其膨化程度降低?？梢?，溫度的升高使水分子獲得更多的能量，擠壓過程產(chǎn)品的流動(dòng)性好，在擠壓腔內(nèi)停留的時(shí)間短，物料的褐變程度小，當(dāng)產(chǎn)品擠出?？跁r(shí)，水分子氣化逃逸的更多，因而口感酥脆、膨化率高。綜合考慮，確定膨化溫度為150～165℃。

2.1.2 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)各指標(biāo)的影響 由圖2可知，隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加，膨化產(chǎn)品的硬度不斷減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速為158r/min時(shí)，硬度值最小，產(chǎn)品口感較酥脆，轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高后產(chǎn)品的硬度增大。產(chǎn)品的膨化率也呈現(xiàn)類似的趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)速158r/min時(shí)膨化率最小，產(chǎn)品的膨化度最好。產(chǎn)品的色差隨著螺桿轉(zhuǎn)速變化上下波動(dòng)，無明顯上升或下降趨勢(shì)，這可能是由隨機(jī)誤差引起的?？梢?，螺桿轉(zhuǎn)速增加對(duì)物料的剪切力增大，物料中水分獲得的能量增多，因而膨化后逃逸的水氣增多，膨化度增高，口感酥脆，但若轉(zhuǎn)速過快容易導(dǎo)致擠壓過程不穩(wěn)定，因此綜合考慮，確定螺桿轉(zhuǎn)速為115～158r/min。

圖1 膨化溫度對(duì)各指標(biāo)的影響Figure 1 Effect of extrusion temperature on characteristicsof the extruded products

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)各指標(biāo)的影響Figure 2 Effect of screw speed on characteristicsof the extruded products

2.1.3 喂料速度對(duì)各指標(biāo)的影響 由圖3可知，隨喂料轉(zhuǎn)速的增加，膨化產(chǎn)品的硬度先減小后增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為30r/min時(shí)，硬度值較小，產(chǎn)品口感酥脆。產(chǎn)品的膨化率也呈現(xiàn)類似的趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)速30r/min時(shí)膨化率最小，產(chǎn)品的膨化程度最好。產(chǎn)品的色差隨著喂料速度的增加而增大。上述結(jié)果說明喂料速度具有最優(yōu)值，若喂料速度太小，物料在擠壓腔內(nèi)受擠壓不充分，而喂料速度過大則會(huì)導(dǎo)致膨化度降低，口感差。綜合考慮，確定喂料速度為27～36r/min。

圖3 喂料速度對(duì)各指標(biāo)的影響Figure 3 Effect of feeding rate on characteristicsof the extruded products

2.1.4 物料含水率對(duì)各指標(biāo)的影響 由圖4可知，隨物料水分的增加，膨化產(chǎn)品的硬度和膨化率均隨著物料水分的增加先減小后增大，當(dāng)物料含水率為16%時(shí)，硬度值最小，膨化率最低，此時(shí)產(chǎn)品的口感較好。這說明水分過低對(duì)物料的結(jié)合不利，因而膨化效果不佳，但水分超過一定量后，會(huì)使得物料的擠壓剪切效果變差，同樣會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品的色差則隨著物料含水率的增大而降低，含水率低使得物料的黏度增大，物料與機(jī)筒、物料與螺桿的摩擦力大，剪切作用強(qiáng)，因而褐變程度高色差大。綜合考慮，確定物料含水率為12%～18%。

2.1.5 蘆薈添加量對(duì)各指標(biāo)的影響 由圖5可知，隨蘆薈粉添加量的增多，膨化產(chǎn)品的硬度、膨化率及色差均呈增大趨勢(shì)，這是由于產(chǎn)品的膨化效果主要與物料中的淀粉含量有關(guān)，隨著蘆薈粉量的增加，物料中淀粉含量減少，因此膨化效果不佳，硬度大，膨化度低。又由于蘆薈干粉本身呈現(xiàn)咖啡色，因此會(huì)導(dǎo)致色差明顯增大。綜合考慮，確定蘆薈添加量為2%～5%。

圖4 物料含水率對(duì)各指標(biāo)的影響Figure 4 Effect of water content on characteristicsof the extruded products

圖5 蘆薈添加量對(duì)各指標(biāo)的影響Figure 5 Effect of aloe content on characteristicsof product

2.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)上述單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)見表1。按照1.2.3中方法測(cè)量各評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果見表2。

2.2.1 各參數(shù)對(duì)產(chǎn)品硬度影響方差分析 對(duì)硬度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果(見表3)表明，5個(gè)因素對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品硬度的影響都極顯著。各因素對(duì)硬度影響的主次順序?yàn)椋号蚧瘻囟?水分含量>喂料速度>螺桿轉(zhuǎn)速>蘆薈粉含量。

2.2.2 各參數(shù)對(duì)膨化率影響方差分析 對(duì)膨化率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果(見表4)表明，5個(gè)因素對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品的膨化率影響都極顯著。各因素對(duì)膨化率影響的主次順序?yàn)椋何沽纤俣?水分含量>蘆薈粉含量>螺桿轉(zhuǎn)速>膨化溫度。

表1 試驗(yàn)因素水平表Table 1 Experimental variables & levels

表2 正交方案及結(jié)果Table 2 Experimental plan & results

表3 硬度方差分析結(jié)果?Table 3 Variance analysis of hardness

表4 膨化率方差分析結(jié)果?Table 4 Variance analysis of expansion ratio

2.2.3 各參數(shù)對(duì)色差影響方差分析 對(duì)色差測(cè)量結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果(見表5)表明，5個(gè)因素中膨化溫度、喂料速度、蘆薈粉含量、水分含量對(duì)色差影響極顯著，螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)色差無顯著影響。各因素對(duì)色差影響的主次順序?yàn)椋号蚧瘻囟?喂料速度>蘆薈粉含量>水分含量>螺桿轉(zhuǎn)速。

由上述分析結(jié)果可知，若想要得到某單個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)值，在選擇最優(yōu)加工參數(shù)時(shí)，只考慮顯著因素，且要根據(jù)各因素的影響順序來調(diào)整參數(shù)。

2.3 綜合評(píng)價(jià)

上述分析僅僅考慮了某一單方面指標(biāo)，某些參數(shù)對(duì)某一個(gè)指標(biāo)較好，但對(duì)于其他指標(biāo)表現(xiàn)不佳。為了綜合評(píng)價(jià)各參數(shù)對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品特性的影響，采用線性插值法將各指標(biāo)轉(zhuǎn)化為評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，設(shè)定硬度最小值為100分，最大值為0分；膨化率最大值為0分，最小值為100分；色差最大值為0分，最小值為100分。按式(3)計(jì)算：

表5 色差方差分析結(jié)果?Table 5 Variance analysis of chromatic aberration

Ci=100-100×(Xi-Xi100)/(Xi100-Xi0)，

(3)

式中：

Ci——i指標(biāo)評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)；

Xi——i指標(biāo)值；

Xi100——100分所對(duì)應(yīng)i指標(biāo)值；

Xi0——0分所對(duì)應(yīng)i指標(biāo)值。

綜合評(píng)分則為各指標(biāo)加權(quán)得分之和，綜合評(píng)分按式(4)計(jì)算：

C綜合=0.4×C硬度+0.4×C膨化率+0.2×C色差，

(4)

式中：

C綜合——綜合評(píng)分；

C硬度——硬度評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)；

C膨化率——膨化率評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)；

C色差——色差評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。

上述正交試驗(yàn)各指標(biāo)經(jīng)線性插值后的綜合評(píng)分結(jié)果見表2，對(duì)綜合評(píng)分結(jié)果進(jìn)行直觀分析可知，膨化溫度對(duì)產(chǎn)品綜合評(píng)分影響最大，螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)產(chǎn)品綜合評(píng)分影響最小。在喂料速度為30r/min，螺桿轉(zhuǎn)速為115r/min，水分含量為14%，蘆薈含量為4%，膨化溫度為150℃時(shí)綜合膨化效果最好。

3 結(jié)論

(1) 根據(jù)試驗(yàn)得出，除螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)色差無顯著影響外，各因素對(duì)3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)均有特別顯著影響。對(duì)硬度影響的排序?yàn)椋号蚧瘻囟?水分含量>喂料速度>螺桿轉(zhuǎn)速>蘆薈粉含量；對(duì)膨化率影響的排序?yàn)椋何沽纤俣?水分含量>蘆薈粉含量>螺桿轉(zhuǎn)速>膨化溫度；對(duì)色差影響的排序?yàn)椋号蚧瘻囟?喂料速度>蘆薈粉含量>水分含量>螺桿轉(zhuǎn)速。

(2) 綜合考慮產(chǎn)品硬度、膨化率和色差3個(gè)指標(biāo)，添加蘆薈超微粉體的物料在喂料速度為30r/min，螺桿轉(zhuǎn)速為115r/min，水分含量為14%，蘆薈含量為4%，膨化溫度為150℃ 時(shí)膨化效果最好。

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Optimization on extrusion process ofaloe-maize blend by linear interpolation method

WEI Hong-yuLUOShao-mingZHULi-xueZHOUYu-mei

(ZhongkaiUniversityofAgricultureandEngineering,Guangzhou,Guangdong510225,China)

Aiming at the problem of low efficiency of by-product in aloe processing, the aloe leaves were dried，crushed and mixed with maize flour, and then were extruded to make aloe-maize health food. Single factor and five factors four levels orthogonal test were used to study the influence of process parameters on characteristics of the extruded products. Linear interpolation method was used to evaluate the products characteristics, and the process parameters were optimized: the feeding rate is 30 r/min, the screw speed is 115 r/min, the water content is 14%, the aloe content is 4% and the extrusion temperature is 150℃

aloe; maize; extrusion

廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：S3020012890)；廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目(編號(hào)：KA1548817)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：201604020060)

韋鴻鈺，女，仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院副教授，博士。

駱少明(1966-)，男，仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院教授，博士。 E-mail: smluo@gdut.edu.cn

2016-11-08

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.040