響應面設計分析法優化擠壓干式粥的生產工藝

馬喜山 ，劉士偉 ，王成祥，趙鑫燕，孫鋒鋒，段盛林 *

1. 中國食品發酵工業研究院有限公司（北京 100015）；2. 功能主食創制與慢病營養干預北京市重點實驗室（北京 100015）；3. 河北同福健康產業有限公司（石家莊 051430）

粥作為我國的傳統食品，千百年來始終備受青睞。無論古今，粥以其平淡綿長、不溫不火、營養養生的特點始終在中國人心目中存有美好形象，經歷了生活觀念、飲食特色的千回百換，在快節奏的吃吃喝喝中，喝粥不僅久立不倒，而且歷久彌新，經受住時間、觀念的考證，以絕對優勢重新勝出于飲食舞臺。

但是，由于人們生活節奏的加快及其工作環境的改變，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，快節奏與宅生活也推進了“方便食品”產品種類的需求。目前，方便面是上班族們喜歡的一種食品，它既可以當點心、宵夜，又可以當正餐，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]。據中國食品科學技術學會面制品分會統計，2011年方便面行業總產量為483.83億包，銷售額達到557.76億元，中國已成為世界方便面第一大國[2]。目前很多消費者已經認識到方便面給人們帶來的健康隱患。這時，帶著中國粥文化氣息的干式粥就可以踏上歷史舞臺，作為市場的新寵，其代表了最平民化的健康速食產品。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足人們一般飲食的營養需求，這使得干式營養粥既可縮短消費者的食用時間，實現快節奏生活，又能夠滿足消費者的正常飲食需求，另外還提高了農副產品的綜合利用率。

目前，對于市場上可購買的方便粥產品，部分是以普通大米為原料，經過熬煮、干燥，或直接膨化，不需要米粒成型工序，其產品的復水性不好。其他多數產品則采用擠壓成型技術將米粉等原輔料擠壓為米粒狀態，進一步經過膨化處理[3]，生產出沖泡性相對較好的粥體，但由于后期的膨化工藝的原因，產品的口感和風味不好。此試驗是以米粉為原料，主要考察物料水分添加量、擠壓機螺桿轉速和擠壓機模頭溫度單個因素對干式粥品質的影響[4]，通過響應面試驗設計和分析得出最佳的生產工藝。

1 材料與方法

1.1 材料及設備

大米（湖北新美香食品有限公司）；GY-06A粉碎機（贛云江西贛云食品機械廠）；MA150水分測定儀（德國Sartorius公司）；80目標準分選篩（約0.180 mm孔徑，上海豐行篩網制造有限公司）；CY-II拌粉機（濟南晨陽科技有限公司）；CY65-II雙螺桿擠壓機（濟南晨陽科技有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 擠壓方法

利用雙螺桿擠壓機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進行粉碎，使用0.250 mm分選篩進行分選，取大于0.250 mm的米粉備用[5]；（2）按照設計好的試驗加水量，在米粉進行攪拌過程中進行添加，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）使用喂料機向擠壓機腔體內進行喂料，并同時進行擠壓；（4）試驗階段，擠壓出的干式粥可以采用自然晾干的方式進行干燥，水分控制在5%以下[8]。

1.2.2 水分測定

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定儀進行測定。

1.2.3 干式粥的評分方法

選定10人進行品嘗評定，為了折中南北方人的生活飲食習慣，所選的人中有北方人5名，有南方人5名。使用不小于80 ℃的開水浸泡試驗所得的干式粥10 min，每人按照干式粥感官評定方法（見表1）進行打分，結果取10人所打分數的平均分為產品最終得分，并作為試驗結果的參考[9]。

表1 干式粥感官評定方法 單位：分

1.2.4 單因素試驗

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

1.2.5 響應面試驗設計及分析

通過分析單因素試驗結果，選取水分添加量（水/干重）、模頭溫度、螺桿轉速三個因素，品評得分為因變量，按照Box-Behnken模型，利用統計軟件Design-Expert進行三因素三水平的響應面試驗設計。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 物料水分添加量（水/干重）對干式粥品質的影響

如圖1所示：不同水分添加量對干式粥品質的影響較大，在水分添加量較低時，即在5%～9%范圍內，隨著水分添加量的不斷增加，干式粥的品質也越來越好，但是當水分添加量超過9%以后，干式粥的品質越來越差并呈現出較快的下降。這可能與在擠壓過程中，水分含量過高影響淀粉的糊化及熔融程度，并降低擠壓腔體內外的溫差而抑制干式粥被擠出瞬間時的膨化有關系。由此可見，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）對干式粥品質的影響

2.1.2 擠壓機螺桿轉速對干式粥品質的影響

如圖2所示：不同螺桿轉速對干式粥品質也有著不同的影響，但是沒有水分添加量的變化對干式粥品質的影響明顯。當螺桿轉速較低時，即在160～180 r/min范圍內，隨著螺桿轉速的增加，干式粥品質越來越好且變化較為明顯，但是當螺桿轉速繼續增加時，干式粥品質的變化變得較為緩慢，在達到200 r/min后，干式粥品質開始變差并較為緩慢。這可能與起始階段主機轉速較低時，沒有達到物料在腔體中熔融所需要的能量有關。而主機轉速增加到一定數值時，能量滿足了物料在腔體內熔融的條件，同時由于受到螺桿前端溫度及增壓組件使用與否的影響，即使繼續增加螺桿轉速，在一定范圍內，其對產品品質的影響也較小，從而得出最佳的螺桿轉速為200 r/min。

圖2 螺桿轉速對干式粥品質的影響

2.1.3 模頭溫度對干式粥品質的影響

如圖3所示：不同模頭溫度對干式粥品質的影響較大，在模頭溫度較低時，即在75～95 ℃范圍內，隨著模頭溫度的增加，干式粥品質越來越好，但是當模頭溫度達到95 ℃后，品質呈現出緩慢的下降。這可能與在物料被擠出的過程中，較低的模頭溫度使擠壓腔體內外壓差變小，能量出現一定程度的迫降有關系，而較高的溫度可能會使得物料具有較高的能量而膨化過度，這也會使得干式粥的品質下降，進而得出最佳的模頭溫度為95 ℃。

圖3 模頭溫度對干式粥品質的影響

2.2 響應面試驗設計及結果

2.2.1 響應面試驗設計及結果分析

按照Box-Behnken模型，利用統計軟件Design-Expert. V8.0.6進行的三因素三水平響應面試驗設計方案，結果見表2，其中試驗點17個，分析因點12個，考慮到試驗的準確性，零點試驗設計進行5次。

表2 試驗設計方案與結果

運用Design-Expert. V8.0.6軟件對表2中的響應面試驗結果進行二次回歸分析，擬合得到回歸方程：

為了檢驗方程的顯著性，對干式粥生產工藝的數學模型進行方差分析，分析結果見表3，模型系數顯著性檢驗見表4。

表3 二次響應面回歸模型方差分析表

表4 二次響應面回歸模型系數顯著性檢驗結果

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。回歸方程的失擬項的檢驗P=0.338 5＞0.05，不顯著，這表明未知因素對試驗結果干擾很小，同時回歸方程的復相關系數R2=0.989 7，這說明了因變量與所有自變量之間的回歸關系顯著，表明該回歸方程與實際情況擬合得很好。這較好地反映了干式粥的品質與水分添加量、螺桿轉速及模頭溫度的關系，因此可以說該回歸方程能較好地預測干式粥的品質隨這三個影響因素的變化規律。

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

2.2.2 響應曲面的分析與優化

為了更直觀地看出所有因素中的兩個因素同時對干式粥品質的影響，可設除了要觀察的兩項外的其他因素水平值為0，這樣可以得到兩個因素的交互影響的效果圖，經過對得到的二元二次方程的分析，可以繪制出相應的等高線圖和響應面圖。

如圖4所示：該響應面開口向下，干式粥的品質先是隨著水分添加量和螺桿轉速的增加而變好，二者有著一定的交互作用，但不是很明顯。從整個曲面來看，干式粥的品質隨著水分添加量的變化而呈現的曲線較陡，而隨著螺桿轉速的變化呈現的曲線較為平緩。這說明水分添加量的變化相對于螺桿轉速的變化來講，其對干式粥品質的影響較為明顯。

圖4 水分添加量和螺桿轉速的交互作用對得分影響的等高圖和響應面圖

如圖5所示：該響應面開口向下，干式粥的品質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。從整個曲面來看，干式粥的品質隨著水分添加量的變化而呈現的曲線較陡，而隨著模頭溫度的變化呈現的曲線變化不是很明顯，這可能與模頭溫度的選取變化較小有一定的關系。總體上，水分添加量的變化相對于模頭溫度的變化來講，其對干式粥品質的影響更為明顯。

圖5 水分添加量和模頭溫度的交互作用對得分影響的等高圖和響應面圖

如圖6所示：該響應面開口向下，干式粥的品質隨著主機螺桿轉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。從整個曲面來看，干式粥的品質隨著主機螺桿轉速的增加和模頭溫度的升高而呈現的曲線都較緩，主機轉速在升高到一定程度后又呈現出了下降趨勢，而隨著模頭溫度的變化呈現的曲線變化基本是一直在增加。總之，在該水平條件下，二個因素對干式粥品質的影響都不大。

圖6 螺桿轉速和模頭溫度的交互作用對得分影響的等高圖和響應面圖

2.2.3 干式粥生產工藝條件的優化和驗證

采用Box-Behnken模型進行響應面設計得到回歸方程，再對該模型進行二次回歸分析，各因素對品質得分的影響大小順序為A＞C＞B，即水分添加量＞模頭溫度＞螺桿轉速。由回歸方程計算得出生產干式粥的最佳工藝條件：水分添加量（水/干重）為8.54%，螺桿轉速為197.01 r/min，模頭溫度為95.37 ℃，理論得分為9.489 93分。

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

3 結論

此試驗利用響應面設計分析法對干式粥的生產工藝條件進行優化，得到了實際生產的操作參數，即水分添加量（水/干重）為8.5%，螺桿轉速為197 r/min，模頭溫度為95 ℃。另外，在生產過程中，對干式粥品質的影響因素還有很多，如物料粉碎細度、物料純度、拌粉均勻度、喂料速度及擠壓機的配置等。所以，此試驗所得到的操作參數應該還會得到更好的優化，進而進一步提升干式粥的品質，使得該產品一進入市場即會擁有較好的市場認可度。