張星燦，劉 建，楊 健，華苗苗，任元元，吳 淼，鄒 育，康建平?

（1. 四川省食品發(fā)酵工業(yè)研究設(shè)計院，四川 成都 611130；2. 四川東方主食產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，四川 成都 611130）

米粉以大米為主要原料，經(jīng)由浸泡、粉碎或磨漿、糊化、擠絲（或切條）等一系列工序制成的細(xì)條狀或扁寬狀米制品，在我國米制品中占有重要的地位[1]；方便米粉作為米粉的重要衍生產(chǎn)品是指經(jīng)過干燥能夠長期保存的開袋復(fù)水3～5 min即可食用的米粉，是米粉發(fā)展的一種趨勢[2]。

目前方便米粉的研究多集中于原料特性與加工適應(yīng)性[3-7]、原料制粉工藝[8]、成型工藝[9-10]、干燥工藝[11-13]以及方便米粉品質(zhì)[14-15]等的研究。方便米粉的生產(chǎn)工藝多采用傳統(tǒng)濕法自熟擠絲方式生產(chǎn)，該工藝存在老化時間長、不穩(wěn)定、自動化程度較低、環(huán)境差、干燥定型難等問題。本研究吸收了非油炸方便面生產(chǎn)在熟化與成型方面的優(yōu)勢，將二級擠壓工藝應(yīng)用于方便米粉加工，系統(tǒng)的研究方便米粉品質(zhì)與二級擠壓工藝關(guān)鍵參數(shù)之間的相關(guān)性。

本實驗主要從一級/二級擠壓機(jī)筒溫度、一級/二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、模板孔徑等二級擠壓工藝關(guān)鍵參數(shù)對方便米粉產(chǎn)品的蒸煮品質(zhì)、感官評分的影響，并結(jié)合響應(yīng)面模型設(shè)計對方便米粉品質(zhì)和二級擠壓工藝關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行擬合并優(yōu)化，以期對后續(xù)方便米粉加工工藝的研究以及方便米粉工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要原輔料

陳米（3年）：綿陽仙特米業(yè)有限公司；玉米淀粉：市場采購。

1.2 實驗儀器

方便米粉二級擠壓生產(chǎn)線：圣昌達(dá)機(jī)械（天津）有限公司；質(zhì)構(gòu)儀：上海騰拔儀器科技有限公司。

1.3 實驗工藝與設(shè)計

1.3.1 方便米粉制作工藝

以陳米（3年，蛋白質(zhì)含量8.67%，直鏈淀粉含量22.56%）為主要原料，經(jīng)粉碎（80目篩）后，與玉米淀粉按 9:1混合、調(diào)濕，在高溫條件下進(jìn)行一級熟化，再經(jīng)由低溫條件下進(jìn)行二級成型，后經(jīng)過波紋成型、冷卻、定量切分、蒸煮、熱風(fēng)干燥（50 ℃，1 h，干燥后樣品水分含量8.4%）、包裝等工序完成樣品制備。具體工藝如下：

大米→粉碎→和料→一級擠出熟化→二級擠出成型→波紋成型→冷風(fēng)冷卻→定量切分→蒸煮→熱風(fēng)干燥→包裝→成品入庫

1.3.2 實驗設(shè)計

1.3.2.1 一級擠壓機(jī)筒溫度的單因素實驗 在前期預(yù)實驗的基礎(chǔ)上，設(shè)定二級擠壓機(jī)筒溫度40 ℃，一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速30 Hz（設(shè)備最大轉(zhuǎn)速970 r/min，最大頻率50 Hz），二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速20 Hz（設(shè)備最大轉(zhuǎn)速970 r/min，最大頻率50 Hz），喂料速度12 Hz（最大喂料速度150 kg/h，最大頻率50 Hz），模板孔徑0.7 mm的基礎(chǔ)上，改變一級擠壓機(jī)筒溫度為160、165、170、175、180 ℃進(jìn)行單因素實驗。

1.3.2.2 二級擠壓機(jī)筒溫度的單因素實驗 在1.3.2.1的基礎(chǔ)上，維持一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速30 Hz，二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速20 Hz，喂料速度12 Hz，模板孔徑0.7 mm不變，調(diào)整一級擠壓機(jī)筒溫度為175 ℃，改變二級擠壓機(jī)筒溫度為30、35、40、45、50 ℃進(jìn)行單因素實驗。

1.3.2.3 一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速的單因素實驗 在1.3.2.2的基礎(chǔ)上，維持一級擠壓機(jī)筒溫度為175 ℃，二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速20 Hz，喂料速度12 Hz，模板孔徑0.7 mm不變，調(diào)整二級擠壓機(jī)筒溫度為40 ℃，改變一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速為24、26、28、30、32 Hz進(jìn)行單因素實驗。

1.3.2.4 二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速的單因素實驗 在1.3.2.3的基礎(chǔ)上，維持一級擠壓機(jī)筒溫度為175 ℃，二級擠壓機(jī)筒溫度40 ℃，喂料速度12 Hz，模板孔徑0.7 mm不變，調(diào)整一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速為30 Hz，改變二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速為16、18、20、22、24 Hz進(jìn)行單因素實驗。

1.3.2.5 喂料速度的單因素實驗 在1.3.2.4的基礎(chǔ)上，維持一級擠壓機(jī)筒溫度為175 ℃，二級擠壓機(jī)筒溫度40 ℃，一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速30 Hz，模板孔徑 0.7 mm不變，調(diào)整二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速為20 Hz，改變喂料速度為 8、10、12、14、16 Hz進(jìn)行單因素實驗。

1.3.2.6 模板孔徑的單因素實驗 在1.3.2.5的基礎(chǔ)上，維持一級擠壓機(jī)筒溫度為175 ℃，二級擠壓機(jī)筒溫度40 ℃，一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速30 Hz，二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速為20 Hz不變，調(diào)整喂料速度為12 Hz，改變模板孔徑為 0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm進(jìn)行單因素實驗。

1.3.2.7 響應(yīng)面實驗設(shè)計 在單因素實驗的基礎(chǔ)上，選取合適范圍的一級擠壓機(jī)筒溫度、二級擠壓機(jī)筒溫度、一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速、二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、模板孔徑為自變量，每個變量3個水平，通過 Box-Behnken實驗設(shè)計，建立方便米粉二級擠壓工藝參數(shù)對方便米粉感官評價影響的數(shù)學(xué)模型，確定方便米粉最佳二級擠壓工藝參數(shù)，Box-Behnken實驗變量設(shè)計如表1所示。

表1 Box-Behnken實驗變量設(shè)計表Table 1 Box-Behnken experimental variable design table

1.4 實驗方法

1.4.1 方便米粉蒸煮品質(zhì)測定

1.4.1.1 復(fù)水時間測定 取10 cm長的方面米粉絲約20 g，加入到600 mL的煮沸蒸餾水中，保持微沸狀態(tài)，觀察方便米粉復(fù)水狀態(tài)，在米粉快完全復(fù)水時每隔10 s取一段米粉夾在兩塊透明的玻璃塊中間進(jìn)行輕輕按壓，當(dāng)米粉硬芯或白芯消失米粉軟化后認(rèn)為方便米粉已完全復(fù)水，記錄時間t[16-17]。

1.4.1.2 斷條率的測定 選擇20根約20 cm長的方便米粉，在500 mL沸水中蒸煮方法1.4.1.1中所測方便米粉樣品對應(yīng)復(fù)水時間t，然后將米粉樣品撈起淋水、瀝水，記錄10 cm以上的米粉條數(shù)（x1），按公式進(jìn)行斷條率的計算[18]：

式中：x1：完全復(fù)水以后 10 cm以上的米粉條數(shù)。

1.4.1.3 蒸煮損失率測定 將20 cm長的方便米粉m1(約10 g)，用150 mL沸水中蒸煮方法1.4.1.1中所測方便米粉樣品對應(yīng)復(fù)水時間t，撈出，用50 mL蒸餾水淋洗30 s，將洗液一并轉(zhuǎn)入燒杯，放在電爐上將大部分水煮干后，于105 ℃烘箱中烘干至恒重，稱量得到水中固形物質(zhì)量m2，按照下式計算方便米粉蒸煮損失率[19]。

式中：R：蒸煮損失率，%；M：方便米粉含水量，%；m1：20 cm長方便米粉質(zhì)量，g；m2：方便米粉溶入水中固形物質(zhì)量，g。

1.4.2 方便米粉感官評價

采用15人盲評法，由15名經(jīng)過訓(xùn)練對感官評價有經(jīng)驗的人員組成評價小組，根據(jù)表2對本實驗方便米粉進(jìn)行評分。

1.4.3 方便米粉質(zhì)構(gòu)特性測定

方便米粉 TPA測定方法[21]：取面條樣品20～30根，放入盛有500 mL蒸餾水沸水的燒杯中，加蓋靜置方法1.4.1.1中所測方便米粉樣品對應(yīng)復(fù)水時間t，立即將面條撈出，瀝干水分后進(jìn)行質(zhì)構(gòu)特性測定。測定方法按TPA實驗法進(jìn)行，測定參數(shù)見表 3，測定指標(biāo)為：硬度、彈性、回復(fù)性、咀嚼性；測量在10 min內(nèi)完成，每個樣品重復(fù)6次平行實驗。

方便米粉拉伸實驗[22]：采用的質(zhì)構(gòu)儀探頭P/SPR面條拉伸裝置，參數(shù)設(shè)定如下：測前速度1 mm/s；測試速度3.0 mm/s；測后速度5 mm/s；引發(fā)力5 g；拉伸距離15 mm。

表2 感官評分指標(biāo)[20]Table 2 sensory score index [20]

表3 質(zhì)構(gòu)儀操作參數(shù)Table 3 Operating parameters of texture analyzer

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用統(tǒng)計軟件 Excel2016、SPSS20.0軟件、Design-expert8.0.6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 一級擠壓機(jī)筒溫度對方便米粉品質(zhì)的影響在本實驗所采用的方便米粉擠壓工藝中，一級擠壓機(jī)主要作用是物料熟化，而一級擠壓機(jī)筒的溫度則是控制物料熟化的主要因素。由圖1可知，米粉蒸煮損失率隨著一級擠壓機(jī)筒溫度升高而逐漸降低；斷條率則隨一級擠壓機(jī)筒溫度升高先降低再上升，峰值出現(xiàn)在175 ℃，此時感官評分也較高。機(jī)筒溫度的高低直接影響淀粉的糊化效果，溫度較低會導(dǎo)致淀粉糊化不完全，米粉凝膠網(wǎng)絡(luò)形成效果差，易斷條[16]；而溫度升高，雖然能提高米粉的糊化效果，但過高的溫度則會使物料在過度熟化的同時伴隨水分的大量汽化，導(dǎo)致在米粉擠出時，隨著壓力變化而膨化，米粉絲含有大量氣孔，導(dǎo)致方便米粉極易斷條。

圖1 一級擠壓機(jī)筒溫度對方便米粉品質(zhì)的影響Fig. 1 Effect of temperature of the first stage extruder barrel temperature on the quality of instant rice noodles

2.1.2 二級擠壓機(jī)筒溫度對方便米粉品質(zhì)的影響

二級擠壓機(jī)的主要作用是在一級擠壓機(jī)熟化的基礎(chǔ)上讓米粉成型，其中機(jī)筒溫度同樣是影響米粉成型的主要因素之一。由圖2可知，隨著二級機(jī)筒溫度的升高，米粉斷條率、蒸煮損失率先降低后呈上升趨勢，二級擠壓機(jī)筒溫度太低，米粉易老化導(dǎo)致斷條，使蒸煮損失率升高；溫度過高，則影響一級擠出物料降溫效果，導(dǎo)致擠出成型米粉發(fā)生膨化，使米粉蒸煮損失率、斷條率的升高。感官評分峰值出現(xiàn)在二級機(jī)筒溫度40 ℃，此時米粉品質(zhì)相對較好。

圖2 二級擠壓機(jī)筒溫度對方便米粉品質(zhì)的影響Fig. 2 Effect of temperature of the second stage extruder barrel temperature on instant rice noodle quality

2.1.3 一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速對方便米粉品質(zhì)的影響

擠壓機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)動可傳輸物料，為物料提供攪拌、混合和剪切等動力，使物料在各種外力作用下摩擦生熱，進(jìn)而糊化。由圖3可知，隨著一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速的加快，米粉的蒸煮損失率、斷條率均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，感官評分峰值出現(xiàn)在一級螺桿轉(zhuǎn)速為30 Hz時。擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速的快慢直接影響物料在擠壓機(jī)筒內(nèi)的停留時間，進(jìn)而影響物料的熟化程度。在合適的溫度條件下，過快的轉(zhuǎn)速，使物料停留時間短而不能充分糊化，導(dǎo)致產(chǎn)品夾生不能成型，易斷條；螺桿轉(zhuǎn)速過慢，物料停留時間增加，充分糊化后的物料在出料時，因溫度和壓力驟變，而發(fā)生過度膨化，使物料中出現(xiàn)大量氣孔，也會導(dǎo)致米粉極易斷條。

圖3 一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速對方便米粉品質(zhì)的影響Fig. 3 Effect of the first stage extruder screw speed on the quality of instant rice noodles

2.1.4 二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速對方便米粉品質(zhì)的影響

二級擠壓機(jī)主要用于方便米粉的成型，不同于一級擠壓螺桿，二級擠壓螺桿前段擁有約 2/3的螺紋加密區(qū)，能提供更強(qiáng)的攪拌、混合和剪切等動力，進(jìn)—步均化物料以及排出物料在一級擠壓機(jī)熟化過程中產(chǎn)生的氣體，最后定量、定壓地由機(jī)頭模板通道均勻擠出，使米粉成型。由圖 4可知，同一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速相同，伴隨著二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速的提高，方便米粉的斷條率和蒸煮損失率先減小后增大，感官評分的變化趨勢則相反，峰值出現(xiàn)在二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速20 Hz處。

圖4 二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速對方便米粉品質(zhì)的影響Fig. 4 Effect of the second stage extruder screw speed on the quality of instant rice noodles

2.1.5 喂料速度對方便米粉品質(zhì)的影響

喂料速度決定粉料在擠壓腔內(nèi)的充實程度，進(jìn)而影響物料在擠壓腔中受到擠壓摩擦力、升溫速率、擠壓壓力、剪切力等，最終影響米粉的凝膠效果及生產(chǎn)速率[23]，同時喂料速度也決定一級、二級兩級擠壓腔之間的給料連續(xù)程度。由圖5可知，隨著喂料速度的增加，米粉斷條率先減小后增大，米粉蒸煮損失率亦然，而感官評分的變化則相反，峰值均出現(xiàn)在喂料速度12 Hz處。喂料速度的增加，初始能逐漸讓擠壓腔內(nèi)的物料隨著螺桿轉(zhuǎn)動產(chǎn)生更佳的擠壓摩擦力、升溫速率、擠壓壓力、剪切力等，有利于物料凝膠以及提高生產(chǎn)速率；但隨著喂料速度的持續(xù)上漲，在同等的螺桿轉(zhuǎn)速下物料增多，會加速物料的擠出而在擠壓腔中停留時間減少，導(dǎo)致米粉糊化度不夠，物料團(tuán)松散，最終會導(dǎo)致物料在擠壓腔內(nèi)無法充分糊化而流動性下降，進(jìn)而造成物料的大量堆積而堵塞擠壓腔。

圖5 喂料速度對方便米粉品質(zhì)的影響Fig. 5 Effect of feeding speed on the quality of instant rice noodles

2.1.6 模板孔徑對方便米粉品質(zhì)的影響

模板孔徑直接影響米粉的成型效果與復(fù)水性。由圖6可知，模板孔徑對蒸煮損失率幾乎沒有影響；模板孔徑太小（0.6 mm），米粉太細(xì)擠出成型后失水過快，會增加米粉的斷條率，而模板孔徑太大（1.0 mm）擠出米粉過粗，中心復(fù)水不足而斷條，也會影響方便米粉的最終復(fù)水時間。感官評分的峰值出現(xiàn)在模板孔徑0.7 mm處，此時米粉的斷條率和蒸煮損失率均處于一個較低的水平，對米粉的食用品質(zhì)影響最低。

圖6 模板孔徑對方便米粉品質(zhì)的影響Fig. 6 Effect of template aperture on the quality of instant rice noodles

2.2 二級擠壓工藝響應(yīng)面優(yōu)化實驗

2.2.1 實驗回歸模型

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，采用6因素3水平進(jìn)行Box-Behnken實驗設(shè)計（因素水平見表1），得到54個實驗組合點(diǎn)，實驗方案與結(jié)果見表4。

應(yīng)用Design-Expert8.0.7軟件對表4實驗結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，可得到感官評價（Y）與各因素A、B、C、D、E、F之間的二次多項模型：

回歸方程方差分析結(jié)果見表5。

由表5可知，根據(jù)F值和P值，因素對產(chǎn)品感官評分（Y）的影響依次為

A2>A>E2>F2>E>D2>C2>B2>CE>C>AE>BC>DF>B>CD>EF>AF>DE>CF>AD>F>AB>BE>BD>BF>D>AC，其中因素A、E、A2、B2、C2、D2、E2和F2影響極顯著（P<0.01），C、AE、CE影響顯著（P<0.05），其余因素影響不顯著（P>0.05）。該回歸模型P<0.01，表明該方程模型極顯著；模型失擬項不顯著（P=0.098 2>0.05），即該方程擬合較好；信噪比RSN=14.649 2大于4，說明模型設(shè)計合理，可用于預(yù)測。

表5 回歸模型方差分析及顯著性檢驗Table 5 Analysis of variance and significance test of regression model

2.2.2 交互作用對感官評價的影響

根據(jù)回歸分析的結(jié)果和已建立的數(shù)學(xué)模型，繪制影響顯著因素的響應(yīng)面和等高線圖。

圖 7～8響應(yīng)面（RSN）分析是方便米粉感官評價對應(yīng)選取合適范圍的一級擠壓機(jī)筒溫度A（℃）、一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速B（Hz）、喂料速度E（Hz）為自變量構(gòu)成的響應(yīng)面曲面圖，可以直觀的反映各自變量對方便米粉感官評價的影響。由圖可知AE交互作用中一級擠壓機(jī)筒溫度的作用大于喂料速度；CE交互作用中喂料速度的作用大于一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速。

2.2.3 最適擠壓工藝參數(shù)及驗證實驗

圖7 AE交互作用響應(yīng)面和等高線Fig. 7 AE interaction response surface and contour

圖8 CE 交互作用響應(yīng)面和等高線Fig. 8 CE interaction response surface and contour

對Design-Expert分析得到的優(yōu)化回歸方程求解極大值，結(jié)果表明，當(dāng)擠壓工藝參數(shù)為一級擠壓機(jī)筒溫度172.55 ℃、二級擠壓機(jī)筒溫度39.13 ℃、一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速 30.35 Hz、二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速19.96 Hz、喂料速度11.80 Hz，模板孔徑0.7 mm，得到感官評價為90.53分。

為驗證方案的有效性，結(jié)合實際情況，在擠壓工藝參數(shù)為一級擠壓機(jī)筒溫度為173 ℃、二級擠壓機(jī)筒溫度39 ℃、一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速30 Hz、二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速20 Hz、喂料速度11.8 Hz，模板孔徑0.7 mm的條件下進(jìn)行3次重復(fù)驗證實驗，感官評價為 91.04分，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.46，在模型標(biāo)準(zhǔn)誤差1.45允許范圍內(nèi)，采用響應(yīng)面Box-Behnken優(yōu)化獲得的方便米粉擠壓工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，對工業(yè)化生產(chǎn)具有實際的指導(dǎo)意義。

2.3 二級擠壓方便米粉的品質(zhì)分析

采用響應(yīng)面優(yōu)化實驗得到的最佳工藝條件制備方便米粉樣品，與選取的市售暢銷品牌方便米粉樣品進(jìn)行食用品質(zhì)與質(zhì)構(gòu)特性的對比。實驗方便米粉樣品與市售方便米粉樣品按測試要求沖泡后，分別測試其斷條率、蒸煮損失率、感官評價等食用品質(zhì)與硬度、咀嚼性、彈性、回復(fù)性等質(zhì)構(gòu)特性，并進(jìn)行對比分析，結(jié)果如下表。

由表 6可知，在方便米粉實驗樣品與市售樣品品質(zhì)對比分析中，在同等實驗條件下，實驗樣品的斷條率、蒸煮損失率低于2種市售樣品；咀嚼性、回復(fù)性高于2種市售樣品，彈性、硬度、復(fù)水時間以及感官評分均介于 2種市售樣品之間，與市售樣相差不大。所以，本工藝加工的方便米粉綜合品質(zhì)良好，滿足上市的要求。

表6 實驗樣品與市售方便米粉樣品品質(zhì)對比Table 6 Comparison of quality between experimental samples and commercial rice flour samples

3 結(jié)論

通過單因素及響應(yīng)面優(yōu)化實驗設(shè)計，系統(tǒng)研究方便米粉二級擠壓工藝關(guān)鍵參數(shù)一級/二級擠壓機(jī)筒溫度、一級/二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度、模板孔徑對方便米粉品質(zhì)的影響，結(jié)果表明：

工藝參數(shù)的優(yōu)化能在一定范圍內(nèi)提升方便米粉的品質(zhì)，其中一級擠壓機(jī)筒溫度、一級擠壓轉(zhuǎn)速、喂料速度對方便米粉斷條率、蒸煮損失率、感官評分等食用品質(zhì)影響顯著。

方便米粉二級擠壓最優(yōu)工藝為一級擠壓機(jī)筒溫度173 ℃、二級擠壓機(jī)筒溫度39 ℃、一級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速30 Hz、二級擠壓螺桿轉(zhuǎn)速20 Hz、喂料速度11.8 Hz，模板孔徑0.7 mm。加工的方便米粉感官評分93.31，斷條率3.09%，蒸煮損失率3.11%，復(fù)水時間350 s，綜合品質(zhì)良好，達(dá)到市售產(chǎn)品品質(zhì)，可為方便米粉工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)提供參考。