李艾霖, 尚 婧, 云少君, 陳振家, 牛曉峰, 王 愈,*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 晉中 030801；2.山西省農(nóng)畜產(chǎn)品加工研究生教育創(chuàng)新中心， 山西 晉中 030801；3.太原六味齋實(shí)業(yè)有限公司， 山西 太原 030000)

響應(yīng)面法優(yōu)化豆渣擠壓膨化工藝條件研究

李艾霖1,2, 尚 婧1, 云少君1, 陳振家1,2, 牛曉峰2,3, 王 愈1,2,*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 晉中 030801；2.山西省農(nóng)畜產(chǎn)品加工研究生教育創(chuàng)新中心， 山西 晉中 030801；3.太原六味齋實(shí)業(yè)有限公司， 山西 太原 030000)

豆渣中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使其具有了很多保健功能，例如其中富含的膳食纖維可預(yù)防糖尿病、心血管疾病以及肥胖，還有氨基酸互補(bǔ)的功效。豆渣磨成粉后可以和面粉、玉米粉等按照一定比例混合應(yīng)用于焙烤食品中，豆渣焙烤食品的研發(fā)需要對(duì)豆渣進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理可以促進(jìn)人體對(duì)豆渣中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，提升其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。為了提升豆渣焙烤食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與口感，以豆腐生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)品豆渣為原料，采用擠壓膨化技術(shù)對(duì)豆渣的膨化度和可溶性膳食纖維進(jìn)行研究。結(jié)果表明：調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速360 r/min，對(duì)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%的物料在170 ℃的擠壓溫度下進(jìn)行擠壓膨化，得到的物質(zhì)膨化度良好，且疏松多孔，粉碎之后可作為焙烤食品的原材料。

豆渣； 擠壓膨化； 膨化度； 膳食纖維； 響應(yīng)面試驗(yàn)

大豆起源于中國(guó)，是中國(guó)重要的糧食作物之一，大豆及其制品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高，含有豐富的大豆膳食纖維、優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、大豆脂肪、礦物質(zhì)和維生素等。隨著生活水平的提高，我國(guó)居民對(duì)生活質(zhì)量的認(rèn)識(shí)也逐漸科學(xué)性，對(duì)大豆及其制品的食用越來(lái)越注重。豆渣是豆腐、豆奶、豆?jié){等豆制品加工過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，豆渣中除含有常見(jiàn)的營(yíng)養(yǎng)素之外，還包含一些微量物質(zhì)，比如鎂、鉀、鈣、磷、鐵以及黃酮等[1-2]。豆渣中的膳食纖維含量極其豐富，對(duì)人體的消化和排泄有著重要的促進(jìn)作用[3-4]，而且低糖、低脂、低熱、高膳食纖維，是理想的“三低一高”營(yíng)養(yǎng)食物[5]。

擠壓膨化是一種高溫、高壓、高剪切、短時(shí)加工的高新技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于食品加工行業(yè)[6-7]。豆渣系列食品在國(guó)外市場(chǎng)比較流行,例如日本[8-9];而在我國(guó)，豆渣基本是作為廢棄物或者動(dòng)物飼料來(lái)處理。文章主要在豆渣預(yù)處理中利用擠壓膨化技術(shù)，改變豆渣中膳食纖維的結(jié)構(gòu)，將不溶性膳食纖維變性成為可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber, SDF)，即增加豆渣中可溶性膳食纖維含量，降低不溶性膳食纖維的含量，使豆渣焙烤食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值更高，口感更加細(xì)膩滑潤(rùn)[10]，以期對(duì)豆渣焙烤系列食品的開(kāi)發(fā)提供一些有價(jià)值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原材料：濕豆渣、白面粉，均購(gòu)買(mǎi)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

試劑：體積分?jǐn)?shù)95%乙醇溶液(分析純)，北京華騰化工有限公司；丙酮(分析純)、重鉻酸鉀(分析純)，北京化工廠(chǎng)；耐高溫α-淀粉酶、胰蛋白酶，北京Solarbio科技有限公司；葡萄糖淀粉酶，上海江萊生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HM65- Ⅲ型雙螺桿擠壓膨化機(jī)，濟(jì)南漢美數(shù)控機(jī)械有限公司；MB23/MB25型水分分析儀，奧豪斯儀器(上海)有限公司；WX- 95型超微細(xì)粉碎機(jī)，中國(guó)人民解放軍第六九一三工廠(chǎng)；SHZ- D(Ⅲ)型循環(huán)水式多用真空泵，河南省予華儀器有限公司；SHZ- B型水浴恒溫振蕩器，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠(chǎng)；CP224C型電子天平，奧豪斯儀器(上海)有限公司；HPG- 9075型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京東聯(lián)哈爾儀器制造有限公司；DF- 101S- 60433型磁力攪拌器，北京中興偉業(yè)儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1指標(biāo)的測(cè)定

膨化度：擠壓膨化后產(chǎn)品的截面直徑平均值和膨化機(jī)模口的截面直徑的比例；通俗來(lái)講，膨化度就是產(chǎn)品膨化前后的體積比。可溶性膳食纖維：分別對(duì)擠壓膨化前后的豆渣參照GB/T 5009.88—2014進(jìn)行膳食纖維的測(cè)定[11]。

1.3.2擠壓膨化豆渣的工藝流程

進(jìn)料(濕豆渣、白面粉)→豆渣烘干→混合攪勻→擠壓膨化處理→超微粉碎→得到成品(豆渣粉)。

1.3.3豆渣擠壓膨化的操作要點(diǎn)

1)均勻混合：將白面粉和濕豆渣按4:1的比例混合倒入雙螺桿擠壓膨化機(jī)的攪拌裝置筒中[12]，開(kāi)機(jī)進(jìn)行混勻攪拌，混勻攪拌過(guò)程中蓋好蓋子，防止面粉和豆渣飄揚(yáng)。混合攪拌均勻之后，將混合物和事先稱(chēng)好的水倒進(jìn)喂料口中，使得豆渣和面粉的混合物w(水)在26%左右。

2)擠壓膨化：擠壓膨化參數(shù)參照文獻(xiàn)設(shè)定，調(diào)整雙螺桿擠壓膨化機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速350 r/min，擠壓溫度170 ℃，喂料速度17 Hz[13-14]。雙螺桿擠壓膨化機(jī)在實(shí)驗(yàn)前提前開(kāi)機(jī)預(yù)熱，等溫度升高到預(yù)設(shè)溫度之后，將已經(jīng)混合好的物料倒入機(jī)器中，操作臺(tái)調(diào)控?cái)D壓溫度為170 ℃，對(duì)豆渣和面粉的混合物進(jìn)行膨化，物料膨化后在出料口切割成型。

3)超微粉碎：膨化物粉碎1 min，超微粉碎機(jī)每工作5 min休息1次[15]。

1.3.4擠壓膨化單因素實(shí)驗(yàn)

1)螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)豆渣擠壓膨化的影響測(cè)定。分別設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為250，300，350，400，450 r/min；其他條件設(shè)定為擠壓溫度170℃，物料水質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2)擠壓溫度對(duì)豆渣擠壓膨化的影響測(cè)定。分別設(shè)定擠壓溫度為150，160，170，180，190 ℃；其他條件設(shè)定為螺桿轉(zhuǎn)速350 r/min，物料水質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3)w(水)對(duì)豆渣擠壓膨化的影響測(cè)定。分別設(shè)定物料w(水)為10%，15%，20%，25%，30%；其他條件設(shè)定為螺桿轉(zhuǎn)速350 r/min，擠壓溫度170 ℃，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3.5響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度和物料含水量為自變因素，采用響應(yīng)面法對(duì)豆渣擠壓膨化的條件進(jìn)行優(yōu)化，采用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠壓膨化的影響

豆渣的膨化度和w(SDF)隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加而增大，都是在350 r/min時(shí)達(dá)到最大值，從350 r/min開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，所以350 r/min左右為擠壓膨化的較優(yōu)螺桿轉(zhuǎn)速(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)膨化度的影響Fig.1 Influence of screw speed on expansion degree

2.2 擠壓溫度對(duì)擠壓膨化的影響

豆渣的膨化度隨著擠壓溫度的升高而增大，同時(shí)w(SDF)也隨著擠壓溫度的升高而增加，2條曲線(xiàn)在150～170 ℃為上升趨勢(shì)，溫度170 ℃時(shí)膨化度和w(SDF)都出現(xiàn)最高點(diǎn)，在170 ℃之后，豆渣膨化度和w(SDF)都有所降低(見(jiàn)圖3、圖4)。

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)SDF質(zhì)量比的影響Fig.2 Influence of screw rotation speed on soluble dietary fiber content

圖3 擠壓溫度對(duì)膨化度的影響Fig.3 Influence of extrusion temperature on expansion degree

圖4 擠壓溫度對(duì)SDF質(zhì)量比的影響Fig.4 Influence of extrusion temperature on soluble dietary fiber content

2.3 物料含水量對(duì)擠壓膨化的影響

物料w(水)在10%～20%時(shí)，豆渣擠壓膨化的膨化度逐漸增大，20%時(shí)膨化度達(dá)到最大值；在20%～30%，膨化度隨著w(水)的增加而逐漸減小(見(jiàn)圖5)。w(水)對(duì)于w(SDF)有較為明顯的影響，小于20%時(shí)，w(SDF)增加明顯，等于20%時(shí)，豆渣的w(SDF)達(dá)到了最大值，大于20%時(shí)，豆渣w(SDF)明顯降低(見(jiàn)圖6)。所以物料w(水)在20%左右為擠壓膨化的優(yōu)化值。

圖5 物料水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膨化度的影響Fig.5 Influence of water mass fraction on expansion degree

圖6 物料水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SDF質(zhì)量比的影響Fig.6 Influence of water mass fraction on soluble dietary fiber content

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.4.1響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平和結(jié)果

在豆渣擠壓膨化的單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)置螺桿轉(zhuǎn)速水平在300～400 r/min，擠壓溫度水平在160～180 ℃，物料w(水)為15%～25%，響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平和結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平和編碼

2.4.2螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度和物料含水量對(duì)膨化度的影響

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到二次多項(xiàng)回歸方程：膨化度=8.82+0.54A+0.022B+0.21C-0.14AB-0.067AC-0.29BC-1.17A2-0.20B2-0.58C2。模型的F值為146.67，p<0.000 1差異極顯著，而失擬項(xiàng)p>0.05不顯著，表明此模型是顯著的(見(jiàn)表3)。模型決定系數(shù)R2=0.994 7，而且AdjR2=0.9879能夠解釋實(shí)驗(yàn)98.79%的響應(yīng)值，與PredR2=0.916 5相差也不大，說(shuō)明此實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驼鎸?shí)數(shù)據(jù)有很好的擬合度，具有實(shí)踐指導(dǎo)的意義，可用來(lái)分析螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度和w(水)對(duì)膨化度影響的最佳工藝。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.4.3螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度和物料含水量對(duì)SDF質(zhì)量比的影響

利用Design Expert 8.0.6對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(見(jiàn)表4)，得到二次多項(xiàng)回歸方程：w(SDF)=2.80+0.11A+0.000B+0.096C+0.000AB-0.043AC-0.050BC-0.31A2-0.11B2-0.25C2。從表4中可以得到，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型的F值為20.44，p為0.000 3，小于0.01，說(shuō)明二次方程模型達(dá)到了顯著水平，且R2=0.9536,AdjR2=0.916 2能夠解釋實(shí)驗(yàn)91.62%的響應(yīng)值，與PredR2=0.9296相差也不大，說(shuō)明此實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合度較好。綜上所述，該模型有效，可用來(lái)分析螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓溫度和w(水)對(duì)w(SDF)影響的最佳工藝。

表3 膨化度回歸模型方差分析

*差異顯著，p<0.05；**差異極顯著，p<0.01。R2=0.994 7，AdjR2=0.987 9，PredR2=0.916 5。

2.4.4擠壓膨化各因素的響應(yīng)曲面分析

擠壓膨化工藝條件對(duì)膨化度的影響見(jiàn)圖7和圖8，從圖中可看出螺桿轉(zhuǎn)速和擠壓溫度以及擠壓溫度和w(水)對(duì)擠壓膨化的膨化度的交互作用顯著。當(dāng)固定螺桿轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著擠壓溫度的升高，擠壓膨化的膨化度呈先上升后下降的趨勢(shì)；同樣，當(dāng)擠壓溫度不變時(shí)，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加,擠壓膨化的膨化度也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為350 r/min，擠壓溫度為170 ℃時(shí)，膨化度達(dá)到最大值為8.8。擠壓溫度和物料w(水)對(duì)擠壓膨化的膨化度的影響也符合此規(guī)律，在擠壓溫度為170℃，w(水)為20%時(shí)，擠壓膨化的膨化度出現(xiàn)最大值，此時(shí)膨化度為8.8。

擠壓膨化工藝條件對(duì)膨化度對(duì)w(SDF)的影響見(jiàn)圖9、圖10。由圖可知，雖然每組變量間交互不顯著，但當(dāng)固定一個(gè)變量，豆渣w(SDF)會(huì)隨著另一個(gè)變量的增大先上升后下降。圖9可看出螺桿轉(zhuǎn)速為350 r/min時(shí)，w(SDF)達(dá)到最大值，大于350 r/min，w(SDF)開(kāi)始下降，此時(shí)當(dāng)w(水)為20%時(shí)，w(SDF)最大。由圖10可知，隨著擠壓溫度和w(水)2個(gè)因素的增大，w(SDF)有明顯增加，在擠壓溫度為170 ℃，w(水)為20%時(shí)，出現(xiàn)w(SDF)響應(yīng)面的最高點(diǎn)，為2.7 g/100 g。

表4 SDF質(zhì)量比回歸模型方差分析

*差異顯著，p<0.05； **差異極顯著，p<0.01。R2=0.9536，AdjR2=0.9162，PredR2=0.929 6。

圖7 螺桿轉(zhuǎn)速和擠壓溫度的交互作用對(duì)膨化度的影響Fig.7 Influence of interaction between screw speed and extrusion temperature on expansion degree

圖8 擠壓溫度和物料水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用對(duì)膨化度的影響Fig.8 Influence of interaction of extrusion temperature and water mass fraction on expasion degree

圖9 螺桿轉(zhuǎn)速和物料水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用對(duì)擠壓膨化的SDF質(zhì)量比的影響Fig.9 Influence of interaction of screw speed and water mass fraction on content of soluble dietary fiber

圖10 擠壓溫度和物料水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用對(duì)擠壓膨化的SDF質(zhì)量比的影響Fig.10 Influence of interaction of extrusion temperature and water mass fraction on content of soluble dietary fiber

2.4.5模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)際情況的可操作性，利用Design-Expert 8.0.6軟件得到優(yōu)化擠壓膨化的條件為在螺桿轉(zhuǎn)速360 r/min、擠壓溫度170℃時(shí)，對(duì)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)21%的物料進(jìn)行膨化，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，膨化出的物質(zhì)的膨化度為8.7，SDF質(zhì)量比為2.7 g/100 g，與理論值基本相符，所以該模型是有效可行的。

3 結(jié) 論

1)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合度較好，螺桿溫度和物料水質(zhì)量分?jǐn)?shù)均能極顯著影響擠壓膨化的膨化度和可溶性膳食纖維含量。擠壓膨化可提高豆渣面粉混合物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值并改善豆渣膨化物的口感，擠壓膨化后的物質(zhì)膨化度良好，經(jīng)粉碎后可作為焙烤食品的原材料。

2)根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)操作的可行性，由回歸方程得到擠壓膨化的優(yōu)化工藝為螺桿轉(zhuǎn)速360 r/min，擠壓溫度170 ℃，對(duì)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)21%的物料進(jìn)行擠壓膨化，此時(shí)膨化出的物質(zhì)蓬松多孔，且具有酥脆的性質(zhì)，符合擠壓膨化食品的特有性質(zhì)。

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StudyonOptimizationofExtrusionProcessingConditionsofSoybeanResiduebyResponseSurfaceMethod

LI Ailin1，2, SHANG Jing1, YUN Shaojun1, CHEN Zhenjia1，2, NIU Xiaofeng2,3， WANG Yu1,2，*

(1.CollegeofFoodScienceandEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,Jinzhong030801,China;2.StudyontheProcessingofAgriculturalandLivestockProductsinShanxiProvinceGraduateEducationInnovationCenter,Jinzhong030801,China; 3.TaiyuanLiuweizhaiIndustrialCoLtd,Taiyuan030000,China)

Soybean dregs contain rich nutrients and have a lot of bioactivities. The dietary fiber in bean dregs can prevent diabetes, bowel cancer, cardiovascular diseases, obesity, and increase defecation. Soybean dregs, mixed with wheat flour and corn flour, could be used as materials in baked food. The extrusion technology was applied to increase the quality of soybean dregs and the expansion degree and soluble dietary fiber content were investigated. The results showed that under the condition of the rotate speed of 360 r/min, extruded material water content of 21% and 170 ℃, the puffed material was loose and porous, and had the good expansion degree, which could be used as raw material for baking food.

soybean dregs; extrusion; expansion degree; dietary fiber; response surface method

張逸群)

10.3969/j.issn.2095-6002.2017.06.005

2095-6002(2017)06-0028-08

李艾霖， 尚婧， 云少君， 等. 響應(yīng)面法優(yōu)化豆渣擠壓膨化工藝條件研究[J]. 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2017,35(6):28-35.

LI Ailin, SHANG Jing, YUN Shaojun, et al. Study on optimization of extrusion processing conditions of soybean residue by response surface method[J]. Journal of Food Science and Technology, 2017,35(6):28-35.

TS214.2

A

2017-11-02

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0400200)。

李艾霖，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程；*王 愈，男，教授，博士，主要從事果蔬加工及其野生資源利用與開(kāi)發(fā)、貯藏保鮮新技術(shù)、傳統(tǒng)食品功能特性等方面的研究，通信作者。