擠壓制備方便米粉工藝優(yōu)化的研究

安紅周， 秦 玉， 黃世豪， 覃振華， 任傳順,2

(河南工業(yè)大學糧油食品學院1，鄭州 450001) (河南省谷物品質(zhì)分析與加工國際聯(lián)合實驗室2，鄭州 450001) (廣西柳州鼎蓉鮮食品生產(chǎn)有限公司3, 鄭州 3545000)

米粉是一種以大米為主要原料的米制品，也是我國米制品中的主要代表，是我國的傳統(tǒng)食品[1]。攤漿法生產(chǎn)傳統(tǒng)米粉需要大米浸泡、磨漿、攤漿、蒸粉、擠壓成塊、靜置老化、擠絲、復蒸、漂燙、裝袋、滅菌等工序，工藝繁瑣，耗水量大。另外，在浸泡、磨漿等加工過程中，大米中的營養(yǎng)物質(zhì)容易大量流失?？梢姡瑐鹘y(tǒng)米粉產(chǎn)品在加工和食用過程中還存在一定的局限性，需要尋求更高效、更安全的米粉生產(chǎn)方式。雙螺桿擠壓機具有高效和自潔能力強等優(yōu)勢，被廣泛應用于食品工業(yè)[2，3]。

Meuser等[4]提出了擠壓機系統(tǒng)分析模型，把擠壓加工參數(shù)分為操作參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)和產(chǎn)品參數(shù)三大類。其中，操作參數(shù)包括螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量、機筒溫度、喂料速度、螺桿構(gòu)型、二級擠壓溫度、?？壮叽缫约霸咸匦缘?，操作參數(shù)可以直接控制；系統(tǒng)參數(shù)是連接操作參數(shù)和目標參數(shù)的中間環(huán)節(jié)，受操作參數(shù)影響和控制，并最終影響目標參數(shù)。目前，該系統(tǒng)分析模型已被研究者用于大米、小麥、燕麥、玉米、大豆以及復配原料等食品的擠壓工藝研究[5-7]。

使用擠壓機干法制備米粉，大米粉在擠壓機高溫高壓的環(huán)境下，借螺桿的推動作用向前，大米粉受到混合、攪拌、摩擦、高溫以及剪切力作用后發(fā)生蛋白質(zhì)的變性、淀粉顆粒解體、淀粉糊化等化學和結(jié)構(gòu)的變化，形成熔融態(tài)物質(zhì)。物料從?？跀D出后，溫度和壓力驟降，導致物料發(fā)生一定程度的膨脹，形成米粉[8]。

已有研究表明米粉制作的過程為大米淀粉凝膠和老化形成彈性結(jié)構(gòu)的過程，米粉品質(zhì)與淀粉糊化后凝膠品質(zhì)有直接關(guān)系，米粉品質(zhì)柔韌性和彈性與淀粉形成的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有關(guān)[9]，充分使米淀粉糊化有利于形成較好的凝膠網(wǎng)絡。擠壓技術(shù)在食品生產(chǎn)中集混合、熟化、破碎、殺菌、預干燥、成型等工藝為一體，具有高效和經(jīng)濟適用的特點[10]。

本實驗用雙螺桿擠壓機制備米粉，研究Ⅵ區(qū)溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、進料水分、冷卻模頭溫度對米粉品質(zhì)的影響，確定擠壓機制備米粉的最佳工藝參數(shù)。

1 材料與設備

1.1 實驗材料與試劑

秈精米、α-淀粉酶(4 000 U/g)、糖化酶(100 000 U/g)、鹽酸(分析純)、硫酸(分析純)、氫氧化鈉(分析純)、硫代硫酸鈉(分析純)。

1.2 實驗設備

CLEXTRAL Ev025雙螺桿擠壓機，DT-100電子天平，BSA224S分析天平，TA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀，SMY-2000色差計。

2 實驗方法

2.1 工藝流程

大米→粉碎(過60目篩) →調(diào)質(zhì)、冷卻溫度、Ⅵ區(qū)溫度、轉(zhuǎn)速→擠壓熟化→冷卻及冷凍→真空冷凍干燥→密封保存

調(diào)質(zhì)：調(diào)節(jié)擠壓機的水分進量，使進入擠壓機的含水量分別占30%、35%、38%、40%、45%、50%。冷卻溫度：調(diào)節(jié)冷卻循環(huán)機的水溫分別為25、30、35、40、45、50 ℃。Ⅵ區(qū)溫度：調(diào)節(jié)擠壓機Ⅵ區(qū)溫度分別為80、90、100、110、120、130 ℃。轉(zhuǎn)速：調(diào)節(jié)擠壓機螺桿轉(zhuǎn)速分別為100、120、140、160、180、200 r/min。冷卻及冷凍：米粉溫度降至室溫后，放入-40 ℃的冰箱進行冷凍。

擠壓機直接擠壓制備米粉，研究物料含水量、Ⅵ區(qū)溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、冷卻模頭溫度等工藝參數(shù)對米粉品質(zhì)的影響。并通過單因素的方法確定使米粉品質(zhì)良好的擠壓水分、螺桿轉(zhuǎn)速、冷卻模頭溫度、擠壓機Ⅵ區(qū)溫度的水平。通過正交的方法對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，找出擠壓機制備米粉的最佳工藝參數(shù)，并進行實驗驗證。雙螺桿擠壓機螺桿直徑為 25 mm，長徑比 24， 主機功率 25 kW，筒體分為 6 個可單獨控制加熱溫度的區(qū)域。

2.2 產(chǎn)品品質(zhì)特性的測定

2.2.1 色差的測定

待測米粉置于烘箱內(nèi) 35 ℃放置 10 h，取出后用高速萬能粉碎機粉碎 20 s，過 60 目篩后使用色差計測色差。

2.2.2 TPA的測定

米粉用 100 ℃沸水煮 8 min，取出后靜置 2 min，用濾紙吸干表面水分。把 3 根米粉條平行置于載物臺上，米粉條之間留有一定的間隔。對每個試樣做 6 次平行實驗，得到3個參數(shù)，硬度、黏著性、咀嚼性。每個儀器參數(shù)處理采用去掉異常值，求平均值的方法。

物性儀探頭：Pasta Firmness/Stickiness Rig Code HDP/PFS。參數(shù)設定：測前速度2.00 mm/s，測試速度1.00 mm/s，測后速度1.00 mm/s，壓縮率70%，時間3.00 s，觸發(fā)力10.0 g。

2.2.3 糊化度的測定

參照寧正祥[11]的實驗方法測定。

2.2.4 蒸煮損失率的測定

取制備的米粉 15 g(每根約 10 cm)，放入盛有30倍質(zhì)量沸水的燒杯中，用秒表計時，同時加蓋鋁箔以降低水分散失，到復水時間時取出 1根放于2個玻璃片中擠壓，觀察有無硬心，然后每隔 30 s 取樣觀察一次直到無硬心時終止計時，此計時為最佳蒸煮時間。樣品撈出瀝水 5 min。然后將樣品在 105 ℃烘箱中烘至恒重(m2，g)。

蒸煮損失=(DM-m2)×100%/(DM)

式中：DM 代表米粉中干物質(zhì)的含量(預先在 105 ℃下測定水分質(zhì)量分數(shù))。

2.2.5 斷條率的測定

取直徑均勻的米線30根，放入30倍質(zhì)量的沸水中并用秒表計時，用鋁箔蓋住燒杯口靜置。計時到達蒸煮時間時，用筷子將米粉一根一根挑出，記錄米粉斷條的數(shù)量為n。

斷條率=n×100%/30

2.2.6 米粉感官品質(zhì)評價實驗

參考高曉旭等[12]實驗方法，并加以修改制定米粉感官評分細則如表1。感官評價由20名專業(yè)的感官評價人員進行品嘗打分，排除誤差較大的數(shù)據(jù)，以平均值作為感官評價值。

表1 米粉感官評分標準

續(xù)表1

2.2.7 實驗數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel和SPSS 20.0軟件處理。

3 結(jié)果與討論

3.1 擠壓機Ⅵ區(qū)機筒溫度對米粉品質(zhì)的影響

由圖1可知，機筒溫度高低直接影響物料組分在機筒內(nèi)熔融體狀態(tài)及流動性，對淀粉糊化度有很大影響。隨著Ⅵ區(qū)溫度的增長，蒸煮損失率、斷條率先減小后增大。是因為隨著溫度的升高，其米粉內(nèi)部的淀粉凝膠強度逐漸增大，米粉凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更緊密導致了米粉蒸煮損失率和斷條率的減小[13]。之后增大，是因為擠壓溫度過高導致米粉在擠壓過程中有膨化現(xiàn)象，粉體有膨化氣泡產(chǎn)生[14]。米粉表面不光滑不規(guī)則，導致了蒸煮損失率和斷條率的增加。套筒溫度同樣也是通過影響物料的糊化度進而影響米粉的產(chǎn)品品質(zhì)[15]。在實際應用中需選擇最佳的套筒溫度。若溫度過低，則物料糊化度不足，米粉凝膠品質(zhì)較差；若溫度過高，則物料糊化過度，米粉的色澤偏暗[16]。

注；同組標注不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。圖1 Ⅵ區(qū)溫度對蒸煮損失、斷條率、糊化度的影響

表2 Ⅵ區(qū)溫度對質(zhì)構(gòu)特性和色澤的影響

由表2可知，米粉的硬度、咀嚼性、黏著性隨著Ⅵ區(qū)溫度的增加先增大后減小。其中120 ℃以上的顯著減小是因為糊化度過高，米粉有明顯膨化變黃褐色的趨勢，米粉凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)被破壞，導致其咀嚼性明顯減小[17]。 Ⅵ區(qū)溫度對亮度系數(shù)L*和色差ΔE、黃藍系數(shù)b*有極顯著影響，隨著溫度升高亮度L*呈下降趨勢，已有研究表明升高溫度使淀粉、蛋白質(zhì)在高溫作用下裂解和變性，加速美拉德反應，從而使米粉顏色變暗(淺褐色)[18]。

由表2可知，米粉的硬度、咀嚼性、黏著性隨著Ⅵ區(qū)溫度的增加先增大后減小。其中120 ℃以上的顯著減小是因為糊化度過高，米粉有明顯膨化變黃褐色的趨勢，米粉凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)被破壞，導致其咀嚼性明顯減小[17]。 Ⅵ區(qū)溫度對亮度系數(shù)L*和色差ΔE、黃藍系數(shù)b*有極顯著影響，隨著溫度升高亮度L*呈下降趨勢，已有研究表明升高溫度使淀粉、蛋白質(zhì)在高溫作用下裂解和變性，加速美拉德反應，從而使米粉顏色變暗(淺褐色)[18]。從所測5個指標綜合分析，Ⅵ區(qū)溫度為90、100、110 ℃時，生產(chǎn)的米粉綜合品質(zhì)較好。

3.2 螺桿轉(zhuǎn)速對米粉品質(zhì)的影響

螺桿轉(zhuǎn)速影響物料在機筒內(nèi)停留的時間，從而影響物料在機筒內(nèi)的受熱時間。在螺桿轉(zhuǎn)速140～180 r/min條件下，擠壓米粉蒸煮損失率和斷條率沒有顯著差別，且在6個轉(zhuǎn)速梯度內(nèi)均較低。 由圖2知，隨著螺桿轉(zhuǎn)速增加，糊化度呈先增大后減小趨勢，在160 r/min時達到最大值。是因為在低螺桿轉(zhuǎn)速下物料在機筒內(nèi)受熱時間長，有利于淀粉糊化；提高螺桿轉(zhuǎn)速能夠增加螺桿的剪切作用從而使淀粉分解更有利于糊化，但在較高的轉(zhuǎn)速下極大的縮短了淀粉在機筒內(nèi)的停留時間，所以糊化度在高螺桿轉(zhuǎn)速下呈現(xiàn)下降趨勢[19]。

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速對蒸煮損失、斷條率、糊化度的影響

由表3可知，在擠壓過程中，高轉(zhuǎn)速下的硬度、黏著性和咀嚼性顯著減小，是因為在高轉(zhuǎn)速下極大的縮短了淀粉在機筒內(nèi)的停留時間，所以在高螺桿轉(zhuǎn)速下呈現(xiàn)下降趨勢。螺桿轉(zhuǎn)速對色澤的影響沒有顯著差別。但在較高轉(zhuǎn)速下的色澤指標與低轉(zhuǎn)速相比有顯著差異，是因為較高的轉(zhuǎn)速促進了美拉德反應的產(chǎn)生，使米粉顏色變暗(亮度系數(shù)L*減小)、變黃(黃藍系數(shù)b*增大)。從所測5個指標綜合分析，螺桿轉(zhuǎn)速為140、160、180 r/min時，生產(chǎn)的米粉綜合品質(zhì)較好。

3.3 進料水分對米粉品質(zhì)的影響

由圖3可知，在進料水分為30%的條件下，斷條率，蒸煮損失率，糊化度均達到了最高。這是因為在擠壓機Ⅵ區(qū)溫度為100 ℃的設置溫度下，30%的水分較低，沒有很好的形成熔融態(tài)流體，擠壓機內(nèi)部螺桿、物料、套筒之間的摩擦力、剪切力太大破壞了米粉內(nèi)部的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，并且使米粉膨化，表面不規(guī)則，不光滑[20]。

粉體過度膨化導致其內(nèi)部淀粉易溶出，使蒸煮損失率提高，蒸煮損失率過高導致米粉斷條率提升。水是一種高效增塑劑和潤滑劑,原料水分越高,物料與機筒、螺桿因摩擦而產(chǎn)生的熱量就越少,物料在機筒內(nèi)的滯留時間縮短,糊化度下降[21，22]。

表3 螺桿轉(zhuǎn)速對質(zhì)構(gòu)特性和色澤的影響

圖3 進料水分對蒸煮損失、斷條率、糊化度的影響

由表4可知，在水分逐漸升高的條件下，硬度、黏著性、咀嚼性呈顯著性降低的趨勢。在水分逐漸升高的條件下，色差ΔE顯著減小、黃藍系數(shù)b*減小。亮度系數(shù)L*顯著增大。在原料含水量較低時，機筒中物料熔融態(tài)膠體與機筒壁、螺桿之間摩擦力和剪切力較大，促使淀粉分解為小分子物質(zhì)，在摩擦剪切產(chǎn)熱和螺桿套筒加熱的高溫下促進美拉德反應的進行，使褐變程度增高，色差變大[23]。隨著原料含水量的增加，熔融態(tài)膠體的黏度減小，機筒內(nèi)的壓力減小，褐變程度隨之降低，色差變小。從這5個指標綜合分析，進料水分為38%、40%、42%時，生產(chǎn)的米粉綜合品質(zhì)較好。

3.4 冷卻模頭溫度對米粉品質(zhì)的影響

由圖4可知，在Ⅰ至Ⅵ區(qū)擠壓熟化的基礎上，冷卻模頭作用是促進米粉成型。冷卻模頭溫度是影響米粉成型的主要因素之一[24]。隨著冷卻模頭溫度的升高，米粉斷條率、蒸煮損失率變化趨勢相似，都在冷卻溫度40 ℃后升高，這是由于冷卻模頭溫度太低，米粉易老化導致斷條; 冷卻模頭溫度過高，會導致擠出米粉表面膨化，使米粉蒸煮損失率提高，進而影響斷條率上升。模頭溫度對糊化度的影響不顯著。

圖4 冷卻模頭溫度對蒸煮損失、斷條率、糊化度的影響

由表5可知，在冷卻模頭溫度逐漸升高的條件下，硬度、黏著性、咀嚼性呈顯著性降低的趨勢。原因是冷卻模頭溫度較低的情況下，米粉更易老化導致米粉硬度、咀嚼性較高。隨著冷卻模頭溫度的升高，會導致米粉膨化，表面不規(guī)則，因為蒸煮損失率的增大，米粉內(nèi)有較多可溶性物質(zhì)(和黏性物質(zhì))溶解到水中，也會使米粉硬度、咀嚼性、黏著性降低[25]。在冷卻模頭溫度逐漸升高的條件下，色差ΔE、黃藍系數(shù)b*、亮度系數(shù)L*沒有顯著性差別。從這5個指標綜合分析，冷卻模頭溫度為30、35、40 ℃時，生產(chǎn)的米粉綜合品質(zhì)較好。

表4 水分對質(zhì)構(gòu)特性和色澤的影響

表5 冷卻模頭溫度對質(zhì)構(gòu)特性和色澤的影響

3.5 影響米粉品質(zhì)參數(shù)的工藝優(yōu)化

在單因素實驗的基礎上，綜合考慮感官評分和蒸煮損失率這兩個指標，進料水分、螺桿轉(zhuǎn)速、冷卻模頭溫度，Ⅵ區(qū)溫度這4個因素與解決生產(chǎn)問題息息相關(guān)。因此選擇這4個因素進行正交實驗，從而確定擠壓生產(chǎn)米線的最佳工藝參數(shù)。分別以感官評價和蒸煮損失率為評價指標，對數(shù)據(jù)進行方差分析，見表6～表8。

從表7、表8可以看出，以感官評價為評價指標，進料水分、螺桿轉(zhuǎn)速、Ⅵ區(qū)溫度和冷卻模頭溫度這4個因素的影響主次順序為進料水分>冷卻模頭溫度>螺桿轉(zhuǎn)速>Ⅵ區(qū)溫度，即進料水分對感官評分的影響最為顯著，其后依次是冷卻模頭溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和Ⅵ區(qū)溫度。且方差分析結(jié)果顯示，螺桿轉(zhuǎn)速、進料水分、冷卻模頭溫度均對感官評分有極顯著影響，Ⅵ區(qū)溫度對感官評分沒有顯著影響。在9次實驗中，實驗號為8的實驗結(jié)果最佳，平均值為80.9，其工藝參數(shù)為A2B3C1D3，即水分40%、螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min、Ⅵ區(qū)溫度90 ℃、冷卻模頭溫度40 ℃。根據(jù)正交實驗極差分析結(jié)果，確定最佳工藝參數(shù)為A2B3C2D2，即水分40%、螺桿轉(zhuǎn)速為180 r/min、Ⅵ區(qū)溫度為100 ℃、冷卻模頭溫度為35 ℃。由于A2B3C2D2的組合不存在于9次實驗中，需對其進行驗證，米粉制備工藝參數(shù)采用A2B3C2D2組合擠壓米粉，其感官評分平均值為82.6，高于實驗8的平均實驗結(jié)果，因此以感官評分為評價指標，最終確定A2B3C2D2為最佳工藝參數(shù)，即水分40%、螺桿轉(zhuǎn)速為180 r/min、Ⅵ區(qū)溫度為100 ℃、冷卻模頭溫度為35 ℃。

表6 米粉制備工藝參數(shù)四因素三水平表

表7 以感官評分和蒸煮損失為評價指標的米粉制備 工藝參數(shù)正交實驗方差分析

表8 米粉制備工藝參數(shù)正交實驗結(jié)果及極差分析

由表7、表8可知，4個實驗因素對蒸煮損失率的影響從大到小為A>B>C>D，即進料水分>螺桿轉(zhuǎn)速>Ⅵ區(qū)溫度>冷卻模頭溫度，其中進料水分對蒸煮損失率影響最大。方差分析結(jié)果顯示，水分、螺桿轉(zhuǎn)速、Ⅵ區(qū)溫度對蒸煮損失率具有極顯著影響，而冷卻模頭溫度對蒸煮損失率有顯著影響。在9次實驗中，實驗號為8的實驗結(jié)果最佳，平均值為6.45%，其工藝參數(shù)為A2B3C1D3，即水分40%、螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min、Ⅵ區(qū)溫度90 ℃、冷卻模頭溫度40 ℃。

根據(jù)正交實驗極差分析結(jié)果，確定最佳工藝參數(shù)為A2B3C2D3，即進料水分40%、螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min、Ⅵ區(qū)溫度100 ℃、冷卻模頭溫度40 ℃。由于A2B3C2D3的組合不存在于9次實驗中，需對其進行驗證，米粉制備工藝參數(shù)采用A2B3C2D3組合擠壓米粉，其蒸煮損失率平均值為6.18%，低于實驗8結(jié)果的平均值，因此以蒸煮損失率為評價指標，最終確定最佳擠工藝參數(shù)為A2B3C2D3，即水分40%、螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min、Ⅵ區(qū)溫度100 ℃、冷卻模頭溫度40 ℃。比較A2B3C2D2和A2B3C2D3發(fā)現(xiàn)，影響米粉感官評價和蒸煮損失率兩個指標的工藝參數(shù)的水平大致相同，唯一不同的是2個組合的冷卻模頭溫度分別為35 ℃和40 ℃，冷卻模頭溫度對于感官評價的影響較大，對于蒸煮損失率的影響最小，因此選擇感官評價分值較高時的35 ℃冷卻模頭溫度較好。最終選定最佳工藝組合, 進料水分40%、螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min、VI區(qū)溫度100 ℃、冷卻模頭溫度35 ℃。

3.6 與市售米粉對比

選取3種市售米粉與最佳工藝條件下自制米粉做品質(zhì)對比，如表9所示。與市售的米粉對比，雙螺桿擠壓機制作的米粉糊化度達到了較高的水平。A和B的感官評分較低，一方面，因為咀嚼性較差，沒有較好的口感。另一方面，斷條率較高也在一定程度上導致了感官評分的降低。自制米粉的蒸煮損失率較高，說明自制米粉與市售米粉相比，仍然有較多的干物質(zhì)損失，與市售米粉相比仍稍微不如。自制米粉在糊化度、感官評分、斷條率方面達到市售米粉的平均水平，口感接近市售米粉，可以認為自制米粉食用品質(zhì)接近市售米粉。

表9 自制米粉與市售方便米粉品質(zhì)對比

4 結(jié)論

以感官評價為評價指標，進料水分、螺桿轉(zhuǎn)速、Ⅵ區(qū)溫度和冷卻溫度這4個因素的影響主次順序為進料水分>冷卻模頭溫度>螺桿轉(zhuǎn)速>Ⅵ區(qū)溫度。以蒸煮損失為評價指標，這4個因素影響從大到小為進料水分>螺桿轉(zhuǎn)速>Ⅵ區(qū)溫度>冷卻模頭溫度。用此雙螺桿擠壓機直接擠出制備米粉最佳工藝為Ⅵ區(qū)溫度100 ℃、進料水分40%、螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min、冷卻模頭溫度35 ℃，最佳條件下感官評分為82.9，糊化度為96.08%。本實驗在一定程度上對雙螺桿擠壓制作米粉提供了一些依據(jù)，但制作的米粉在蒸煮損失率和外觀上欠佳，有待于進一步進行配方研究。