吳春艷，張 琪，李 想，張 亮，陳善峰

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049)

紅薯營養(yǎng)豐富，不僅含有賴氨酸、亞油酸、胡蘿卜素、鈣、磷、鐵等人體必需的營養(yǎng)成分及優(yōu)質(zhì)膳食纖維[1]，還具有一定的抗糖尿病、抗癌等保健功能[2]。因鮮薯不易運輸及儲藏會造成極大浪費，將鮮薯曬干制成紅薯全粉，并與碎米粉復(fù)配制成營養(yǎng)米，是能保證食用方便、營養(yǎng)豐富又不造成浪費的好方法。擠出工藝是一項高溫高壓瞬時加工工藝技術(shù)，其加工成本低、生產(chǎn)效率高，在食品工藝中運用越來越廣泛[3]，是一種生產(chǎn)復(fù)配營養(yǎng)米的有效手段。

擠壓工藝參數(shù)影響系統(tǒng)壓力和產(chǎn)品質(zhì)量。研究工藝參數(shù)對系統(tǒng)參數(shù)的影響對于指導(dǎo)生產(chǎn)，尤其是設(shè)備放大等方面具有非常重要的意義。因擠壓機腔體內(nèi)的黑箱特性及有限的在線檢測技術(shù)使系統(tǒng)參數(shù)很難得到，對其研究僅有少量報道，國內(nèi)外大部分學(xué)者也僅研究工藝參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，具有較大的局限性。

壓力在擠壓工藝中的作用十分重要，模頭壓力指模頭中心處流體對模頭內(nèi)壁產(chǎn)生的縱向壓力，是由擠壓機腔體中熔融體的黏滯阻力和?？谛螤睢⒋笮」餐瑳Q定的[4]。壓力能反映出物料的黏度，會影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，也是物料成分或含水率變化最快速的響應(yīng)指標，因此，壓力可以用于在線控制[4]。康立寧、王洪武等[5-6]研究了雙螺桿擠壓加工大豆組織蛋白工藝參數(shù)對系統(tǒng)參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特性的影響，結(jié)果表明，螺桿轉(zhuǎn)速、機筒溫度、喂料速度和物料水分含量等對系統(tǒng)壓力和產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)均有顯著影響。高揚等[7]研究了不同物料配比、水分含量和擠壓溫度條件下擠壓高水分植物組織化蛋白產(chǎn)品對擠壓輸出的系統(tǒng)參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特性和顏色特性的影響。米飯的質(zhì)構(gòu)特性被認為是大米食用品質(zhì)中最重要的因素，采用物性儀對米飯的質(zhì)構(gòu)特性進行分析，是一種簡便可行的評價方法[8]。咀嚼感是人們在食用米飯過程中影響其對米飯口感評價的一個很重要的質(zhì)構(gòu)特性，可作為紅薯米代表性品質(zhì)指標。

目前，關(guān)于擠壓工藝參數(shù)對系統(tǒng)參數(shù)影響的研究較少，雙螺桿擠壓米工藝參數(shù)對系統(tǒng)參數(shù)影響的研究更是少之。本文以碎米粉和紅薯全粉為原料，通過單因素實驗和正交實驗，研究不同螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓糊化溫度、水分含量對系統(tǒng)壓力的影響，并結(jié)合紅薯米質(zhì)構(gòu)中的咀嚼感優(yōu)化擠壓加工工藝，以期為豐富雙螺桿擠壓機用于擠壓復(fù)配紅薯米提供實驗數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

UVTE36-24雙螺桿擠壓機：長沙創(chuàng)享食品科技有限公司；質(zhì)構(gòu)儀：英國SMS公司；碎米粉：山東淄博市潘莊糧油市場購買，過100目篩備用，水分含量12.79%、淀粉含量74.10%、蛋白質(zhì)含量7.2%、直鏈淀粉含量9.30%；紅薯全粉：山東淄博市沂源縣農(nóng)田采購，由當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收集、切片、晾曬并于本實驗室粉碎過100目篩備用，水分含量9.45%、淀粉含量64.11%、蛋白質(zhì)含量2.5%、直鏈淀粉含量11.87%；單甘脂(分析純)：河南東順化工產(chǎn)品有限公司。

1.2 擠壓加工工藝參數(shù)及工藝流程

通過前期查閱文獻及預(yù)實驗，固定喂料速度為15 kg/h，紅薯全粉與碎米粉的比例為3∶7，單甘脂添加量為0.7%，擠壓機切刀轉(zhuǎn)速1 800 r/min，固定擠壓機腔體II區(qū)溫度60 ℃、III區(qū)溫度90 ℃、V區(qū)溫度50 ℃、VI區(qū)溫度50 ℃。以螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓糊化溫度(IV區(qū))、水分含量為自變量，進行單因素實驗和正交實驗。進行實驗前標定固、液體喂料器實際喂料量。

工藝流程：原料粉碎(過100目篩)→混料(加單甘脂)→擠壓糊化→剪切制?！稍铩鷶D壓紅薯米成品。

擠壓操作：混料由螺旋式計量加料器喂入，蒸餾水通過喂水裝置單獨喂入。機筒預(yù)熱到一定溫度后，開始緩慢喂料，并協(xié)同調(diào)整水分。待物料由模頭擠出后，逐漸調(diào)整喂料速度、機筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和物料水分到設(shè)定參數(shù)值，最后使整個擠壓操作過程維持穩(wěn)定，系統(tǒng)壓力值通過擠壓機內(nèi)部傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄，后期通過提取擠壓機操控面板數(shù)據(jù)文檔選取對應(yīng)的壓力值進行分析。

1.3 質(zhì)構(gòu)分析測試方法

稱取各樣品米10 g放入蒸飯小鋁盒中，并在每個小鋁盒中分別用移液管量取10 mL水加入，然后迅速攪拌，并放入已預(yù)熱的蒸鍋中蒸10 min，然后每個樣品分別選取3粒米呈等邊三角形放在質(zhì)構(gòu)儀載物臺上進行測定，每個樣品平行測定5次，去掉結(jié)果中的最大值和最小值，其余3個數(shù)值的平均值為最后結(jié)果。

使用質(zhì)構(gòu)分析儀利用TPA方法測定時具體參數(shù)設(shè)置如下：

測試前速度：1.00 mm/s；測試中速度：1.00 mm/s；測試后速度：10.00 mm/s；形變量：90%；時間：5.00 s；壓力：5.0 g[9]。

米飯的質(zhì)構(gòu)特性有很多，本文將影響人們對米飯食用口感評價比較重要的咀嚼感作為紅薯米品質(zhì)考察指標。

1.4數(shù)據(jù)處理方法

在Excel軟件上處理數(shù)據(jù)，在Origin軟件上繪制圖表。

2 實驗及結(jié)果分析

2.1 單因素實驗及結(jié)果分析

2.1.1 螺桿轉(zhuǎn)速對壓力和紅薯米咀嚼感的影響

固定擠壓糊化溫度(IV區(qū))為110 ℃，水分含量為31%，設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速分別為110 r/min、120 r/min、130 r/min、140 r/min、150 r/min，考察螺桿轉(zhuǎn)速對壓力和紅薯米咀嚼感的影響，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 螺桿轉(zhuǎn)速對壓力的影響

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速對咀嚼感的影響

從物料的流動模型分析，能夠增加物料流動動力或流動阻力的因素都將增加擠壓的壓力[10]。在一定范圍內(nèi)，增加螺桿轉(zhuǎn)速，會增加物料流動動力，使擠壓模頭壓力增大。由圖1可看出,當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速從110 r/min升至130 r/min時，壓力逐漸減小，這是因為當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較低時，影響物料流動阻力的因素占主導(dǎo)；隨著轉(zhuǎn)速升高，機筒填充程度減小，物料停留時間減少，停留時間分布范圍窄，反應(yīng)進行不徹底，致使到達?？诘奈锪橡ざ冉档?，?？趬毫σ搽S之降低。隨著螺桿轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，物料在擠壓機腔體內(nèi)的流動動力成為了主導(dǎo)因素，物料流動動力增大，致使模口壓力增大。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速由140 r/min升至150 r/min時，壓力值呈現(xiàn)小幅度降低，這是因為物料流動動力和物料在腔體內(nèi)淀粉糊化及蛋白質(zhì)變性反應(yīng)綜合作用的結(jié)果。

碎米粉、紅薯粉的主要成分是淀粉，在擠壓過程中，淀粉受到擠壓機腔體內(nèi)高溫高壓及強大的機械剪切力，其分子間的氫鍵極容易斷裂，使淀粉發(fā)生糊化反應(yīng)，最終對產(chǎn)品口感產(chǎn)生影響[11]。由圖2可看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速不斷升高，紅薯米咀嚼感呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在螺桿轉(zhuǎn)速為140 r/min達到最佳值。這是因為當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較低時，物料在腔體內(nèi)所受的剪切力強度是影響紅薯米品質(zhì)的重要原因。隨著轉(zhuǎn)速的增大，物料所受的剪切力越大，蛋白質(zhì)的變性程度越大，紅薯米的咀嚼感增大。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較高的時候，物料的停留時間成為了主導(dǎo)因素，由于物料停留時間的減小，淀粉糊化程度降低，蛋白質(zhì)變性不徹底，使得紅薯米的咀嚼感降低。

因為必須在?？趦?nèi)維持足夠的壓力才能使腔體內(nèi)融熔體均勻連續(xù)地通過?？诔尚?，故模頭壓力既不能太大也不能太小[12]，結(jié)合咀嚼感選擇螺桿轉(zhuǎn)速140 r/min左右為最佳。

2.1.2 擠壓糊化溫度對壓力和紅薯米咀嚼感的影響

固定螺桿轉(zhuǎn)速為130 r/min，水分含量為31 %，設(shè)定擠壓糊化溫度分別為90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃、130 ℃，考察擠壓糊化溫度對壓力和紅薯米咀嚼感的影響，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 擠壓糊化溫度對壓力的影響

紅薯粉和碎米粉的主要成分是淀粉，擠壓糊化溫度是對糊化程度影響最大的因素，能夠影響淀粉的糊化和蛋白質(zhì)的變性[13]。由圖3可以看出，隨著擠壓糊化溫度的升高，模頭壓力不斷增大，這是因為溫度較低時分子的熱運動強度不大，物料所受到的剪切力不大，而糊化需較大的剪切應(yīng)力，隨著溫度不斷升高，物料繼續(xù)在螺桿的推力作用下前進，摩擦力與剪切力增大，腔體內(nèi)溫度升高，壓力也逐漸增大，物料達到熔融狀態(tài)，使淀粉更徹底地糊化并使蛋白質(zhì)變性。事實上擠壓糊化溫度對壓力的影響受其它過程參數(shù)的交互作用較大，各參數(shù)不是孤立的，它們相互作用，如物料水分含量較高時，可以設(shè)置較低的螺桿轉(zhuǎn)速或較高的擠壓溫度；擠壓溫度較高時，可以設(shè)置較高的螺桿轉(zhuǎn)速。

圖4 擠壓糊化溫度對咀嚼感的影響

由圖4可以看出，隨著擠壓糊化溫度升高，紅薯米的咀嚼感呈現(xiàn)不斷升高的趨勢，這是因為隨著糊化溫度升高，物料中的淀粉糊化程度和蛋白質(zhì)變性程度均不斷增加，使得紅薯米的咀嚼感不斷升高。

綜合考慮上述分析，選擇擠壓糊化溫度120～130 ℃為最佳。

2.1.3 水分含量對壓力和紅薯米咀嚼感的影響

固定螺桿轉(zhuǎn)速為130 ℃，擠壓糊化溫度(IV區(qū))為110 ℃，設(shè)定水分含量分別為27%、29%、31%、33%、35%，考察水分含量對壓力和紅薯米咀嚼感的影響，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 水分含量對壓力的影響

由圖5可看出，隨著水分含量的不斷增加，壓力呈下降趨勢，這是因為水分含量是決定熔融體黏度的關(guān)鍵因素[14]，當(dāng)其它過程參數(shù)保持恒定時，隨著物料含水量的增加，熔融體黏度降低，壓力也減小。一方面水分也相當(dāng)于粘合劑使物料結(jié)合，水分含量過大，物料被潤滑，容易擠出，因此使壓力減小；另一方面腔體內(nèi)過多的水分會在模口處汽化而帶走大量熱量，機筒及?？谔帨囟认陆担瑢?dǎo)致在?？谔幒茈y形成高溫高壓環(huán)境。

圖6 水分含量對咀嚼感的影響

由圖6可看出，隨著物料水分含量從27%升至29%，紅薯米的咀嚼感顯著減小，隨著水分含量繼續(xù)增加，咀嚼感趨于平穩(wěn)。這是因為一方面隨著物料水分含量增大，淀粉在擠壓機內(nèi)所受的剪切強度降低，對破壞淀粉分子間氫鍵的作用減弱，糊化程度減?。涣硪环矫?，隨著水分含量增大，物料流動性增大，由于摩擦系數(shù)過小，在擠壓機中難以被螺桿推動，形成“打滑”，機筒內(nèi)壓力過小，影響物料糊化[15]，最終影響紅薯米的品質(zhì)，使咀嚼感減小。

綜合考慮上述分析，選擇水分含量27%～29%為最佳。

2.2 正交實驗及結(jié)果分析

由單因素實驗結(jié)果，選取三因素最佳范圍的3個水平，進行L9(33)正交實驗，對實驗結(jié)果進行極差分析，得到最佳的生產(chǎn)工藝參數(shù)。正交實驗因素水平表見表1，正交實驗結(jié)果和極差分析見表2。

由表2繪制正交試驗結(jié)果中因素與壓力和紅薯米咀嚼感的關(guān)系(如圖7和圖8所示)。由圖7可看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速和水分含量的升高，壓力呈現(xiàn)下降趨勢，與單因素趨勢吻合；隨著擠壓糊化溫度的升高，壓力先下降后上升，這可能是因為低水分物料的影響，使模頭壓力隨擠壓糊化溫度升高而降低的[16]。由圖8可看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速和水分含量的升高，紅薯米的咀嚼感呈現(xiàn)上升趨勢，與單因素趨勢吻合；隨著擠壓糊化溫度的升高，咀嚼感先上升后小幅度降低，與單因素基本吻合。綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性和紅薯米咀嚼感，即壓力越小，咀嚼感越大對應(yīng)的工藝參數(shù)為最佳，故選擇A3B2C3為最佳工藝參數(shù)。

表1 正交實驗因素水平表Tab.1 Factors and levels table for orthogonal test

水平因素螺桿轉(zhuǎn)速A /r·min-1擠壓糊化溫度B/℃水分含量C/%113512027214012528314513029

表2 正交實驗結(jié)果和極差分析Tab.2 Results and range analysis for orthogonal test

試驗號ABC壓力/MPa咀嚼感111111.001 319.6021229.481 449.8131339.101 472.95421210.001 608.6552238.842 322.67623110.771 788.1373138.832 306.3883219.582 171.8493329.752 613.40K129.584 242.3729.835 234.6431.355 279.58K229.615 719.4527.905 944.3329.235 671.87K328.167 091.6429.625 874.4926.776 102.01k19.861 414.129.941 744.8810.451 759.86k29.871 906.489.301 981.449.741 890.62k39.392 363.889.871 958.168.922 034.00R0.48949.750.64236.561.53274.14主次順序RC>RB>RARA>RC>RB最優(yōu)組合A3B2C3A3B2C3

圖7 正交實驗中因素與壓力的關(guān)系

圖8 正交實驗中因素與咀嚼感的關(guān)系

由表2極差分析可以看出，對于模頭壓力，RC>RB>RA，即3個因素對擠壓復(fù)配紅薯米系統(tǒng)模頭壓力影響的順序為：水分含量>擠壓糊化溫度>螺桿轉(zhuǎn)速；對于紅薯米咀嚼感，RA>RC>RB，即3個因素對擠壓復(fù)配紅薯米咀嚼感影響的順序為：螺桿轉(zhuǎn)速>水分含量>擠壓糊化溫度。由正交試驗結(jié)果可得，擠壓工藝各因素各水平最優(yōu)組合為A3B2C3。即紅薯米擠壓工藝的最佳條件為：擠壓機螺桿轉(zhuǎn)速145 r/min，擠壓糊化溫度125 ℃，水分含量29%。

3 結(jié)束語

本文通過單因素實驗和正交實驗，研究了雙螺桿擠壓機在擠壓紅薯全粉復(fù)配營養(yǎng)米過程中，操作工藝參數(shù)對系統(tǒng)壓力和紅薯米質(zhì)構(gòu)特性中咀嚼感的影響，并對實驗結(jié)果進行了分析。

擠壓工藝參數(shù)中，螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓糊化溫度、水分含量均對系統(tǒng)壓力和咀嚼感有較大影響，在本實驗參數(shù)條件下，系統(tǒng)壓力隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高先下降后升高復(fù)下降，隨著擠壓糊化溫度升高而升高，隨著水分含量升高而降低，系統(tǒng)壓力受各種參數(shù)及物料本身的綜合影響，作用較為復(fù)雜；紅薯米咀嚼感隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高先升高后降低，隨著擠壓糊化溫度的升高而上升，隨著水分含量的升高而下降。對于系統(tǒng)壓力，水分含量的影響最大，擠壓糊化溫度次之，螺桿轉(zhuǎn)速影響最??；對于紅薯米咀嚼感，螺桿轉(zhuǎn)速影響最大，水分含量次之，擠壓糊化溫度影響最小。

通過單因素實驗和正交實驗，優(yōu)選出最佳操作工藝參數(shù)為：擠壓機螺桿轉(zhuǎn)速145 r/min，擠壓糊化溫度125 ℃，水分含量29%，此工藝條件下營養(yǎng)米質(zhì)構(gòu)特性中咀嚼感最好，壓力也最小，該理論可用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。