■ 陸 靜 宇光海 黃繼紅，2，3* 段海濤

（1.河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，小麥生物加工與營養(yǎng)功能河南省重點實驗室，河南鄭州 450001；2.河南大學(xué)農(nóng)學(xué)院，作物逆境適應(yīng)與改良國家重點實驗室，河南開封 475004；3.許昌學(xué)院食品與藥學(xué)院，河南許昌 461000；4.河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院動物科技學(xué)院，河南鄭州 450046）

麩皮為小麥加工副產(chǎn)物，作為畜牧業(yè)人工養(yǎng)殖過程中常用飼料原料，除含有一定數(shù)量的淀粉、粗纖維、脂肪外，還含有大約12%的粗蛋白，是一種物美價廉的植物蛋白質(zhì)資源[1-2]。目前，麩皮相關(guān)研究主要集中于低聚糖、膳食纖維等方面[3-6]，深度開發(fā)利用麩皮中粗蛋白的相關(guān)研究較少，高效利用麩皮中的蛋白質(zhì)則能夠有效緩解蛋白資源短缺問題，提高小麥加工附加值。

擠壓膨化工藝是原料加工過程中重要的技術(shù)手段，通過膨化機螺桿的擠壓旋轉(zhuǎn)，使得物料性質(zhì)及結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變[7]。通過擠壓膨化工藝使得麩皮品質(zhì)得到改善，蛋白質(zhì)、膳食纖維等營養(yǎng)物質(zhì)含量明顯提高[8-9]。王金華等[10]研究發(fā)現(xiàn)，擠壓膨化工藝影響大麥麩皮中的β-葡聚糖化物特性，水溶性提高，當膨化溫度過高時反而引起葡聚糖水溶性下降，同時，膨化前水分含量對葡聚糖水溶性也有較大影響。

目前，麩皮膨化研究主要側(cè)重于膳食纖維等方面，而對麩皮膨化工藝參數(shù)的優(yōu)化及加工后氨基酸的變化較少關(guān)注[11]。因此，本試驗擬采用Box-Behnken設(shè)計，以麩皮膨化后賴氨酸、精氨酸為評價指標，探究麩皮擠壓膨化工藝的最佳條件，為相關(guān)原料加工企業(yè)提供技術(shù)支持。

1 材料及方法

1.1 原料

麩皮樣品，購自駐馬店市確山縣金山面業(yè)有限公司。

1.2 主要設(shè)備

膨化機（河北誠翔機械廠），螺桿直徑40 mm；長度為380 mm；模板孔徑為2.0 mm。

1.3 單因素試驗

試驗以膨化機為處理設(shè)備，經(jīng)前期試驗摸索，設(shè)水分梯度為20%、25%、30%、35%、40%，喂料速度為10、15、20、25 kg/h 及30 kg/h，模頭出口溫度為80、90、100、110 ℃及120 ℃，單因素試驗每個試驗點重復(fù)4次。

1.4 Box-Behnken響應(yīng)面試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，利用Design Expert 軟件，以水分、喂料速度及模頭溫度為3 個因素為自變量，以樣品中賴氨酸、精氨酸為響應(yīng)值，按照3因素3水平進行Box-Behnken 響應(yīng)面試驗，確定麩皮膨化加工的最佳工藝條件。

1.5 氨基酸含量測定

參照GB/T 18246—2019《飼料中氨基酸的測定》測定麩皮中氨基酸含量。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18 對試驗結(jié)果進行均值差異顯著性檢驗（P<0.05）。采用Design-Expert 10.0.4 對試驗結(jié)果進行分析，建立以賴氨酸、精氨酸為響應(yīng)值的評價體系，設(shè)計三因素三水平的二次回歸方程，擬合自變量與響應(yīng)值的函數(shù)關(guān)系。將得到的兩個回歸方程聯(lián)立共解，以獲得同時滿足賴氨酸、精氨酸的最小損失加工參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 水分對麩皮氨基酸含量的影響

水分梯度為20%、25%、30%、35%、40%，喂料速度20 kg/h，模頭溫度110 ℃，研究原料水分對麩皮中氨基酸含量的影響。試驗結(jié)果見圖1，當水分為30%時，賴氨酸及精氨酸的損失率均出現(xiàn)拐點（P<0.05）。綜上，選擇原料膨化前水分30%作為響應(yīng)面的中心點。

圖1 水分對氨基酸損失率的影響

2.1.2 喂料速度對麩皮氨基酸含量的影響

喂料速度分別為10、15、20、25、30 kg/h，水分為30%，模頭溫度為110 ℃，研究喂料速度對麩皮中氨基酸含量的影響。試驗結(jié)果見圖2，當喂料速度為20 kg/h時，賴氨酸及精氨酸的損失率均出現(xiàn)拐點，且最低（P<0.05），呈先降低后升高趨勢。綜上，選擇原料喂料速度20 kg/h作為響應(yīng)面的中心點。

圖2 喂料速度對氨基酸損失率的影響

2.1.3 模頭溫度對麩皮氨基酸含量的影響

模頭出口溫度設(shè)置為80、90、100、110、120 ℃，水分為30%，喂料速度20 kg/h，研究模頭溫度對麩皮的氨基酸含量的影響。試驗結(jié)果見圖3，當模頭溫度為110 ℃時，賴氨酸及精氨酸的損失率均出現(xiàn)拐點（P<0.05）。綜上，選擇膨化機模頭溫度110 ℃作為響應(yīng)面的中心點。

圖3 溫度對氨基酸損失率的影響

2.2 Box-Behnken設(shè)計

在單因素試驗基礎(chǔ)上，得到水分（A）、喂料速度（B）、模頭溫度（C）的拐點數(shù)據(jù)，作為編碼值的0 點數(shù)據(jù)，因素水平參考表1。

表1 響應(yīng)面法試驗因素與水平

依據(jù)單因素預(yù)試驗結(jié)果，得到水分（A）、喂料速度（B）、模頭溫度（C）中的合理條件進行三因素三水平的Box-Behnken 響應(yīng)面分析試驗。根據(jù)Box-Behnken響應(yīng)面試驗設(shè)計見表2。

表2 Box-Behnken試驗設(shè)計實際值及結(jié)果

利用Design Expert 10.0.4 軟件進行回歸模型方差分析和顯著性檢驗，分別得到賴氨酸（Y1）和精氨酸（Y2）與三個因素水分（A）、喂料速度（B）、模頭溫度（C）的三元二次多項式回歸方程。

由表3 和表4 可以看出，兩個回歸模型都達到了顯著的水平（P<0.05），同時失擬檢驗不顯著（P>0.05），說明模型與實際結(jié)果擬合良好。

表3 賴氨酸含量回歸模型方差分析

表4 精氨酸含量回歸模型方差分析

2.3 響應(yīng)面試驗中各個因素的交互效應(yīng)分析

利用Design Expert 10.0.4 軟件，根據(jù)得到的回歸方程，對表3 的數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，繪制不同影響因素對響應(yīng)值的三維曲線圖，響應(yīng)面的陡峭程度表明各個自變量對于賴氨酸及精氨酸損失率的影響情況。等高線的密集程度可表示因素的變化對賴氨酸及精氨酸損失率的影響程度。

由圖4及表3可知，在等高線的中心區(qū)域，賴氨酸損失率最低，由中心向邊緣逐漸升高。在三個因素中，水分及模頭溫度對賴氨酸損失率影響極顯著（P<0.01），水分及模頭溫度的交互作用對賴氨酸損失率的影響顯著（P<0.05），等高線密集程度及響應(yīng)面的陡峭程度表明，模頭溫度（C）對賴氨酸損失率（Y1）的影響最大，高于水分（A）。

圖4 各因素對賴氨酸的影響響應(yīng)面

由圖5及表4可知，在等高線的中心區(qū)域，精氨酸損失率最低，由中心向邊緣逐漸升高。三因素中，模頭溫度對精氨酸損失率的影響不顯著（P=0.087 0），喂料速度及模頭溫度交互作用對精氨酸損失率的影響顯著（P<0.05）。等高線密集程度及響應(yīng)面的陡峭程度表明，對精氨酸損失率（Y2）影響最大的是模頭溫度（C），其次是喂料速度（B）及水分（A）。

圖5 各因素對精氨酸的影響響應(yīng)面

將回歸方程（1）和（2）聯(lián)立求解，對各自變量求導(dǎo)，得到賴氨酸及精氨酸最佳加工參數(shù)條件：水分為30%，喂料速度為20 kg/h，模頭溫度為110 ℃。此時回歸模型預(yù)測賴氨酸及精氨酸損失率分別為43.80%和48.40%。為驗證試驗結(jié)果的可靠性，用試驗得到的最佳加工條件對麩皮進行膨化加工，共重復(fù)3次作為平行試驗，測定賴氨酸及精氨酸損失率，取平均值，最終得到的實測結(jié)果，賴氨酸損失率為42.91%，精氨酸損失率為47.84%。實測值與預(yù)測值接近，吻合良好，說明模型準確可靠，能較好地預(yù)測麩皮膨化加工過程中氨基酸的損失情況。

3 討論

3.1 水分對麩皮膨化過程中氨基酸損失率的影響

膨化前原料水分含量對膨化后物料結(jié)構(gòu)及成分至關(guān)重要。水分過低，麩皮出?？姿查g不能形成良好“閃蒸”效果，水分過高，水的“閃蒸”效果變?nèi)?，主要起潤滑作用。Cruz-Suárez等[12]的研究表明，當配方中含有木薯粉時，水分含量從15%增加到25%，導(dǎo)致物料膨化率提高，這與本研究的結(jié)果一致，Kannadhason 等[13]的研究表明，加工含有木薯粉的配方時，隨著物料水分含量從15%增加到25%，物料單位密度下降了18.3%。隨著物料水分含量的升高，顆粒的膨化程度呈下降的趨勢[14-16]。在本試驗中麩皮進膨化機前水分范圍為20%～40%，發(fā)現(xiàn)氨基酸損失率呈下降趨勢，原因是水分低于20%，物料在膨化腔內(nèi)部停留時間長，揉搓強度增大，損失率升高，當水分超過30%時，水分含量過高，則起到潤滑作用，加工強度不夠，損失率不高。由Box-Behnken 試驗結(jié)果可知，物料最佳水分含量為30%。

3.2 喂料速度對麩皮膨化過程中氨基酸損失率的影響

喂料速度決定原料停留于膨化腔內(nèi)的時間，有文獻報道，在固定螺桿轉(zhuǎn)速的條件下增加喂料速度會導(dǎo)致物料在膨化機內(nèi)的停留時間下降[17]，從而對膨化效果產(chǎn)生影響。螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度會影響物料的氨基酸損失率，但是在正常的操作區(qū)間內(nèi)，喂料速度對停留時間的影響比螺桿轉(zhuǎn)速對停留時間的影響更明顯。Tomschik 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，喂料速度的適當增加會使填充度增大，剪切作用加強，促進飼料熟化，但超過某一限度后，由于物料的停留時間減少，熟化度反而會降低。在本試驗中，氨基酸損失率隨喂料速度的升高呈先降低后升高趨勢，與前人研究結(jié)果一致，經(jīng)Box-Behnken 試驗設(shè)計研究發(fā)現(xiàn)，最佳喂料速度為20 kg/h。

3.3 模頭溫度對麩皮膨化過程中氨基酸損失率的影響

物料經(jīng)過膨化機出口，溫度需大于100 ℃才能保證水分閃蒸和物料膨化的發(fā)生。隨著模頭溫度的升高，模頭壓力升高使顆粒的膨化度更好，加工強度更高。Cruz-Suárez 等[12]的研究表明，模頭溫度從100 ℃升高到140 ℃導(dǎo)致物料膨化率提高。Gomez 等[19]和Paton 等[20]的研究表明，溫度與膨化度直接相關(guān)。在較高的溫度范圍內(nèi)，更多淀粉分子之間的化學(xué)鍵斷裂，淀粉分子分解，因此抗展性下降，從而導(dǎo)致更好的膨化，膨化度升高[21]。在本試驗中，麩皮氨基酸損失率隨著模頭溫度的升高呈升高趨勢，與前人研究結(jié)果一致，模頭溫度越高，物料加工強度越大，且模頭溫度與物料水分含量交互作用對氨基酸損失率呈顯著影響，經(jīng)Box-Behnken 試驗設(shè)計研究發(fā)現(xiàn)，最佳模頭溫度為110 ℃。

4 結(jié)論

本試驗探究膨化工藝參數(shù)對麩皮氨基酸損失率的影響，確定膨化加工過程中最佳工藝參數(shù)。通過單因素試驗和響應(yīng)面回歸設(shè)計進行優(yōu)化，得到的響應(yīng)面模型效果顯著，由回歸方程確定的最佳工藝條件為：水分30%，喂料速度20 kg/h，模頭溫度110 ℃。此時回歸模型預(yù)測賴氨酸及精氨酸損失率分別為43.80%和48.40%。通過驗證，模型準確可靠，與試驗擬合良好。本試驗為麩皮膨化加工參數(shù)研究提供理論支撐，可為提取加工企業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。