響應面法優(yōu)化糯米糊化工藝

王大為，張　旭，馬巖石，張艷榮*

（吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，吉林 長春　130118）

響應面法優(yōu)化糯米糊化工藝

王大為，張旭，馬巖石，張艷榮*

（吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，吉林 長春130118）

利用單螺桿擠出機對糯米進行糊化處理，以糊化度為考察指標，采用響應面法，在單因素試驗基礎上研究物料含水量、擠出溫度及物料粒度對糯米糊化度的影響。結果表明：物料粒度100 目（0.147 mm）、擠出溫度155 ℃、物料含水量31%時，糊化效果達到最佳，糊化度為95.15%。通過高效液相色譜分析，擠出糊化糯米含木糖17.21 mg/g、葡萄糖99.99 mg/g、蔗糖48.64 mg/g、麥芽糖42.35 mg/g、麥芽三糖18.96 mg/g。研究表明：單螺桿擠出法可有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)蒸煮法進行糯米糊化處理。

糯米；擠出；糊化

目前，市場中大部分米酒類產(chǎn)品均由糯米蒸煮糊化，再經(jīng)糖化、發(fā)酵而制成[1]。米酒屬低酒度發(fā)酵酒，酒體呈乳白色或淡黃色，酒性柔順，酒體豐滿，酒味醇厚[2-3]，并以其獨特的滋味著稱于世[4]。在米酒釀造過程中，糊化是糖化及主發(fā)酵過程的必要前提，同時糊化是否完全直接影響到酒的品質(zhì)。傳統(tǒng)的糊化過程采用蒸煮糊化法，此方法存在不能連續(xù)工作、耗時長、耗水耗能高等弊端。本研究采用單螺桿擠出技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)蒸煮糊化法，即可解決傳統(tǒng)蒸煮法不能連續(xù)工作且耗水耗能高的問題，又能減少米酒浸米污水的產(chǎn)生，充分實現(xiàn)了清潔化生產(chǎn)[5-7]。

單螺桿擠出技術是現(xiàn)代食品工程領域中實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水生產(chǎn)的高新技術[8]。它以其獨特加工方式，簡單而高效地制造出各種優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，被公認是現(xiàn)代世界食品工業(yè)的主要加工手段之一[9-10]。谷物在高溫高壓擠出過程中可達到較高的糊化效果，也可使物料中的大分子物質(zhì)得到降解，從而使糖化及發(fā)酵工序更好更快地完成。目前，國外已有關于小麥、玉米、大米及其他谷物擠出特性的相關研究[11-12]，但對糯米擠出特性的相關研究文獻較少。本研究利用單螺桿擠出機對糯米粉進行擠出糊化處理，并與傳統(tǒng)蒸煮法進行糊化度、可溶性糖含量及能源消耗的對比，為糯米糊化尋求一種更高效節(jié)能的處理方法。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

糯米長春市上禾有機食品有限公司；水符合GB 5749—2006《生活飲用水標準》要求；氫氧化鈉、硫代硫酸鈉、鹽酸、硫酸（均為分析純）北京化工廠；碘（分析純）中國醫(yī)藥集團上海化學試劑公司；可溶性淀粉（分析純）天津市北方天醫(yī)化學試劑廠。

1.2儀器及設備

600高效液相色譜儀美國Waters公司；JC60單螺桿擠壓機長春盛達食品工業(yè)研究所；JS14S 振蕩篩浙江正泰電器股份有限公司；101A-2E電熱鼓風干燥箱上海實驗儀器廠有限公司；SF-130C萬能粉碎機吉首市中誠制藥機械廠；HZSHA恒溫水浴振蕩器中國哈爾濱市東聯(lián)電子技術開發(fā)有限公司；Q-250A3高速多功能粉碎機上海冰都電器有限公司。

1.3方法

1.3.1原料預處理

篩選無蟲蝕，無霉變，顆粒飽滿的糯米，除去其中不可食用的雜質(zhì)。將挑選出的糯米粉碎得0.425 mm（40 目）、0.246 mm（60 目）、0.175 mm（80 目）、0.147 mm（100 目）和0.125 mm（120 目）5 種不同粒度的糯米粉。

1.3.2單螺桿擠出單因素試驗

1.3.2.1物料粒度對糯米糊化度的影響

在保持物料含水量30%、擠出溫度150 ℃不變的條件下，分別以40、60、80、100、120 目的粒度進行單螺桿擠出試驗，每個試驗重復3 次。并以糯米糊化度為考核指標，考察物料粒度對糯米粉糊化程度的影響。

1.3.2.2物料含水量對糯米糊化度的影響

在保持擠出溫度150 ℃、粒度0.175 mm不變的條件下，物料含水量為20%、25%、30%、35%、40%時，以糯米糊化度為考核指標，考察物料含水量對糯米糊化程度的影響。

1.3.2.3擠出溫度對糯米糊化度的影響

在保持物料粒度0.175 mm、物料含水量30%不變的條件下，分別以120、130、140、150、160 ℃的不同擠出溫度進行單螺桿擠出試驗，每個試驗重復3 次。并以糯米糊化度為考核指標，考察擠出溫度對糯米糊化程度的影響。

1.3.3Box-Behnken試驗設計

表1　擠出試驗響應面分析因素和水平Table 1　Factors and levels used in response surface analysis

根據(jù)單因素試驗結果，采用三因素三水平響應面分析法，選取物料粒度（X1）、擠出溫度（X2）、物料含水量（X3）為響應因素，以糯米糊化度（Y）為響應值。根據(jù)Box-Behnken試驗設計原理[13]，對自變量進行編碼，確定最佳糯米糊化擠出工藝。試驗設計與統(tǒng)計分析軟件為Design-Expert 8.0.6。試驗因素及水平見表1。

1.3.4糯米糊化度的計算

采用酶水解法測定糯米粉糊化度[14]。

1.3.5糯米傳統(tǒng)蒸煮處理

篩選無蟲蝕、無霉變、顆粒飽滿糯米500 g，淘洗后加入3 倍米質(zhì)量的水[15]，在25 ℃條件下浸泡48 h，米浸泡到碾之即碎, 不能出現(xiàn)浸爛或白心（硬心）為宜。將浸泡好的米撈出用清水洗凈，置于蒸煮器中在常壓下蒸煮30 min，蒸煮后要求米粒熟而不爛、軟而不黏[16]。將糯米平鋪于食品盤中，自然冷卻后放入烘箱中40 ℃烘干，用高速多功能粉碎機粉碎，測定糊化度平均值為91.42%。

1.3.6高效液相色譜法測定最佳擠出樣品及蒸煮法樣品可溶性糖的組分

1.3.6.1色譜條件

色譜柱為二醇基柱（Unrtary Dioi，5 nm，100 ?，4.6 mm×250 mm）；檢測器：2000 ES蒸發(fā)光檢測器；柱溫85 ℃；流動相為乙腈-水（90∶10，V/V）；流速1.0 mL/min；進樣量10 μL。

1.3.6.2標準品溶液配制及標準曲線制作

單糖標準液：用超純水配制質(zhì)量濃度為5.0 mg/ mL的阿拉伯糖、果糖、甘露糖、乳糖、半乳糖、鼠李糖、木糖、蔗糖、葡萄糖、麥芽糖及麥芽三糖各1 mL。

混糖標準液：準確取葡萄糖2.5 mg、木糖1 mg、蔗糖1 mg、麥芽糖1 mg及麥芽三糖1 mg溶解于10 mL超純水中，配制成含木糖0.1 mg/mL、蔗糖0.1 mg/mL、麥芽糖0.1 mg/mL、麥芽三糖0.1 mg/mL、葡萄糖0.25 mg/mL的混糖標準液，備用。

標準曲線的制作：混糖標準溶液分5、10、15、20、25 μL五次進樣，以混糖標準溶液中每種糖組分含量的對數(shù)值為橫坐標，以相應峰面積的對數(shù)值為縱坐標，制作標準曲線。利用Origin.7軟件分析得五種糖類的線性方程及相關系數(shù)見表2。

表2　5種糖類線性方程及相關系數(shù)Table 2　Linear equations and correlation coefficients of five sugars

1.3.6.3樣品處理

稱取10 g樣品，加入90 mL超純水，25 ℃、65 r/min水浴振蕩6 h。取出浸泡過夜后于80 ℃水浴20 min。5 000 r/min離心20 min，取上清液重復離心2 次。移取上清液1 mL用超純水將其稀釋10 倍，并將得到樣品通過0.22 μm的有機濾膜后備用[17]。

2　結果與分析

2.1單因素試驗結果與分析

2.1.1擠出溫度對糯米糊化度的影響

圖1　擠出溫度對糊化度的影響Fig.1　Effect of extrusion temperature on the degree of gelatinization

由圖1可以看出，在保持物料含水量和物料粒度一定的條件下，擠出溫度對糯米糊化度影響顯著。擠出溫度在120～150 ℃范圍內(nèi)隨著擠出溫度的升高糊化度表現(xiàn)出上升趨勢。擠出溫度為150 ℃時，糯米糊化度達到最高。當擠出溫度達到160 ℃時，由于擠出溫度過高，物料出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，造成糊化度下降[18]。因此，選取擠出溫度140、150、160 ℃為響應面因素研究水平。

2.1.2物料含水量對糯米糊化度的影響

圖2　物料含水量對糊化度的影響Fig.2　Effect of the water content of material on the degree of gelatinization

由圖2可知，糯米糊化程度隨物料含水量的增加表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。在物料含水量為30%時，糯米糊程度最大；在物料含水量低于30%時，物料在擠出腔內(nèi)不能得到充分漲潤，物料輸送困難，使糯米糊化度較低。在物料含水量高于30%時，物料水分含量過高，使擠出腔內(nèi)溫度顯著降低，同時對物料剪切能力下降，不利于擠出過程的正常進行[19-20]。因此，選取物料含水量25%、30%、35%為響應面因素研究水平。

2.1.3物料粒度對糯米糊化度的影響

圖3　物料粒度對糊化度的影響Fig.3　Effect of the particle size of material on the degree of gelatinization

由圖3可知，在擠出溫度和物料含水量不變的條件下，當物料粒度在40～100 目時，糯米糊化度隨物料目數(shù)的增大表現(xiàn)出上升趨勢。物料粒度為100 目時，糯米糊化度達到最大；當物料粒度達到120 目時，糊化度降低。原因可能是物料顆目數(shù)過大，導致物料與螺桿之間的摩擦力小，易發(fā)生打滑現(xiàn)象，使糯米不能充分被糊化。在保持物料含水量不變的條件下，這種現(xiàn)象隨物料的目數(shù)的增加而表現(xiàn)越明顯[21]。因此，選取物料粒度80、100、120 目為響應面因素研究水平。

2.2糯米擠出工藝的優(yōu)化

2.2.1數(shù)學模型的建立及顯著性檢驗

在單因素試驗基礎上，采用Design-Expert 8.0.6軟件及Box-Behnken設計原理設計響應面試驗，選擇物料含水量、物料粒度和擠出溫度3 個因素所確定的水平范圍，以糊化度為響應值，進行三因素三水平、共17 個試驗的響應面分析，結果見表3，試驗以隨機次序進行，各因素經(jīng)二次多項回歸擬合后，得到二次多項回歸方程為：

表3　響應面分析試驗設計及結果Table 3　Experimental design and results for response surface analysis

表4　響應面試驗方差分析Table 4　Analysis of variance for the response surface regression model

表5　回歸模型的可信度分析Table 5　Analysis of reliability for the regression model

對回歸模型進行顯著性檢驗，由方差分析表4和模型的可信度分析表5可知，該模型回歸顯著（P＜0.000 1），回歸模型的R2=0.990 9、R2Adj=0.979 3，均說明模型中自變量與響應值之間線性關系顯著，方程可靠性[22-23]。模型中失擬項的F=3.80，P=0.115 0＞0.05，表明模型失擬項不顯著。綜上可知：回歸模型與實際試驗擬合較好，試驗誤差小。該回歸方程可用于單螺桿擠出糯米糊化試驗的理論預測及結果分析，該回歸方程能充分反映實際情況。回歸模型中，一次項X2、X3，交互項X1X2、X1X3，二次項X12、X22、X32均表現(xiàn)出顯著水平。根據(jù)響應面數(shù)據(jù)分析得到3 個因素對糯米糊化度的影響主次排序為：擠出溫度＞物料含水量＞物料粒度。

2.2.2因素間交互作用對糯米糊化度的影響

由Design-Expert 8.0.6軟件對回歸方程進行統(tǒng)計分析，在保持其他因素不變的條件下，將回歸模型進行降維處理分析，以考察因素間的交互作用對糯米糊化度的影響。

圖4　兩因素交互作用對糯米糊化度影響的響應面圖Fig.4　Response surface plots for the interactive effects of extrusion parameters on the gelatinization of glutinous rice

響應面圖形可直觀地反映出兩因素之間交互作用對糯米糊化度的影響[24]。由圖4可知：物料含水量與擠出溫度之間的等高線幾乎表現(xiàn)為圓形，說明物料含水量與擠出溫度之間的交互作用不顯著；物料粒度與物料含水量之間等高線及物料粒度與擠出溫度之間等高線表現(xiàn)為橢圓形，說明兩因素間的交互作用顯著。

2.2.3擠出最佳工藝條件的確定

為確定最佳擠出工藝條件，將擬合的回歸方程兩邊分別對X1、X2、X3求一階偏導數(shù)，并設其值為0，得到三元一次方程組：

求解得：X1=0.105、X2=0.475、X3=0.215，即最佳參數(shù)為物料粒度102.10目、擠出溫度154.75 ℃、物料含水量31.08%。在此條件下糯米糊化度高達95.254 2%。考慮實際條件及可操作性，修定最優(yōu)擠出條件為物料粒度100 目、擠出溫度155 ℃、物料含水量31%。采用修正后的工藝參數(shù)進行3 次重復驗證實驗，得到糯米糊化度均數(shù)為95.15%，與理論預測值較為接近，表明數(shù)學模型可行。

2.3高效液相色譜對可溶性糖組分的測定

圖5　混糖標準液相色譜圖Fig.5　Liquid chromatogram of mixed sugar standards

圖6　最佳擠出糯米中可溶性糖色譜圖Fig.6　Chromatogram of soluble sugars in glutinous rice extruded under optimized conditions

圖7　蒸煮法糯米中可溶性糖色譜圖Fig.7　Chromatogram of soluble sugars in cooked glutinous rice

表6　高效液相色譜測定可溶性糖含量結果Table 6　Monosaccharide composition of cooked and extruded glutinous　riiccee

混糖標準液相色譜圖如圖5所示。利用高效液相色譜對最佳擠出處理糯米及傳統(tǒng)蒸煮法處理糯米進行可溶性糖分的測定[25]，見圖6、7。

根據(jù)標準溶液回歸方程計算分析得，擠出糊化糯米粉與傳統(tǒng)蒸煮糯米粉相比可溶性糖種類及糖含量發(fā)生了明顯變化（表6）。其中，擠出糯米相比蒸煮糯米葡萄糖高出97.2 mg/g、蔗糖高出35.11 mg/g、麥芽糖高出27.88 mg/g，還生成木糖、麥芽三糖兩種糖類。這是由于糯米在高溫高壓作用下，淀粉鏈糖苷鍵發(fā)生變形斷裂，生成了小分子碳水化合物。糯米的主要成分為淀粉，其降解產(chǎn)物主要是葡萄糖及以葡萄糖為單元的聚合糖，但擠出糊化糯米蔗糖含量的增加，可能是因為淀粉鏈糖苷鍵在高溫高壓下發(fā)生變形斷裂分子結構變形幅度較大，羥基發(fā)生了重組、變位異構化生產(chǎn)了蔗糖。具體原因有待于進一步研究。實驗表明：擠出處理可有效提高糊化糯米中的可溶性糖成分及營養(yǎng)價值，使其更好的被人體所吸收，為糖化的進行提供了有力的條件，為酒發(fā)酵過程提供了豐富的碳源，有利于微生物的生長繁殖及酒的形成，同時也提高了酒的品質(zhì)及營養(yǎng)價值。

3　結 論

采用單螺桿擠出法對糯米進行糊化處理，所得糊化糯米粉糊化度高，與傳統(tǒng)蒸煮法處理相比，勞動強度及能耗低。最佳條件為物料粒度100 目、擠出溫度155 ℃、物料含水量31%，糊化效果達到最佳，糊化度為95.15%。通過高效液相色譜法對最佳擠出條件下的糊化糯米粉進行可溶性糖成分檢測，實驗表明：樣品主要所含可溶性糖成分及含量為木糖17.21 mg/g、葡萄糖99.99 mg/g、蔗糖48.64 mg/g、麥芽糖42.35 mg/g、麥芽三糖18.96 mg/g，比蒸煮法葡萄糖增加97.2 mg/g、蔗糖增加35.11 mg/g、麥芽糖增加27.88 mg/g，還生成木糖、麥芽三糖。研究表明：單螺桿擠出法可有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)蒸煮法進行糯米糊化處理。

[1]張?zhí)m威. 發(fā)酵食品工藝學[M]. 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 2011: 130-145.

[2]蔡浚澤, 張?zhí)m威, 付春梅, 等. 傳統(tǒng)米酒中產(chǎn)酸菌的分離篩選及其發(fā)酵性能的研究[J]. 中國釀造, 2007, 26(10): 23-26.

[3]郭健, 許劍秋, 江賢君. 糯米稠酒最佳糖化工藝條件研究[J]. 糧食與飼料工業(yè), 2000(7): 48-50.

[4]聞峰. 中國新型米酒產(chǎn)品的研究與開發(fā)現(xiàn)狀[J]. 食品工程, 2007, 2(6): 16-17.

[5]葛向陽, 田煥章, 梁運祥. 釀造學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005: 240-242.

[6]孫俊良, 梁新紅, 李蘭, 等. 糯米酒最佳糖化工藝條件的研究[J]. 釀酒科技, 1999(1): 63-64.

[7]丁立孝, 趙金海. 釀造酒技術[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2008: 150-159.

[8]何紅, 金志明. 螺桿擠出[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2005: 67-77.

[9]張燕萍. 食品加工技術[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2006: 54-55.

[10] NORMELL J D M, ALAVI S, GWIRTZ J. Extrusion-enzyme liquefaction as a method for producing sorghum protein concentrates[J]. Journal of Food Engineering, 2012, 108(2): 365-375.

[11] DING Q B, AINSWORTH P, PLUNKETT A, et al. The effect of extrusion conditions on the functional and physical properties of wheat-based expanded snacks[J]. Journal of Food Engineering, 2006, 73(2): 142-148.

[12] LI Hongyan, JIN Zhengyu, XU Xueming. Design and optimization of an efficient enzymatic extrusion pretreatment for Chinese rice wine fermentation[J]. Food Control, 2013, 32(2): 563-568.

[13] FERREIRA S L C, BRUNS R E, FERREIRA H S, et al. Box-Behnken design: an alternative for the optimization of analytical methods[J]. Analytical Chimica Acta, 2007, 597(2): 179-186.

[14] 沈建福. 糧油食品工藝學[M]. 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 2002: 501-502.

[15] 金鳳燮, 安家彥. 釀酒工藝學與設備選用手冊[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2003: 30-40.

[16] 王大為, 孫麗琴, 吳麗娟, 等. 擠出處理對碎米粉中可溶性固形物及可溶性糖含量的影響[J]. 食品科學, 2011, 32(20): 21-25.

[17] 郭振楚. 糖類化學[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2005: 59-69.

[18] LI Hongyan, WEI Benxi, WU Chunsen, et al. Modelling and optimisation of enzymatic extrusion pretreatment of broken rice for rice wine manufacture[J]. Food Chemistry, 2014, 150: 94-98.

[19] SEKERA M, HANNAB M A. Cross-linking starch at various moisture contents by phosphate substitution in an extruder[J]. Carbohydrate Polymers, 2005, 59(4): 541-544.

[20] STOJCESKA V, AINSWORTH P, PLUNKETT A, et al. The effect of extrusion cooking using different water feed rates on the quality of ready-to-eat snacks made from food by products[J]. Food Chemistry, 2009, 114(1): 226-232.

[21] 章克昌. 酒精與蒸餾酒工藝學[M]. 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 2005: 41-50.

[22] 徐向宏. 試驗設計與Design-Expert、SPSS應用[M]. 北京: 科學出版社, 2010: 13-158.

[23] 李云雁, 胡傳榮. 試驗設計與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2008: 196-200.

[24] 趙選民. 試驗設計方法[M]. 北京: 科學出版社, 2006: 191-200.

[25] 賈春曉. 現(xiàn)代儀器分析技術及其在食品中的應用[M]. 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 2005: 247-253.

Optimization of Extrusion Parameters for Gelatinization of Glutinous Rice by Response Surface Methodology

WANG Da-wei, ZHANG Xu, MA Yan-shi, ZHANG Yan-rong*
(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun130118, China)

Glutinous rice was extruded by a single screw extruder for gelatinization. The degree of gelatinization (DG) was investigated with respect to three extrusion parameters including the moisture content and particle size of the raw material as well as extrusion temperature, and maximized by optimizing these three parameters using response surface methodology. The glutinous rice flour with a particle size of 100 mesh (0.147 mm) and a 31% moisture content exhibited the highest value of DG after extrusion at 155 ℃. High performance liquid chromatography (HPLC) analysis showed that the glutinous rice extruded under optimal conditions contained 17.21 mg/g xylose, 99.99 mg/g glucose, 48.64 mg/g sucrose, 42.35 mg/g maltose and 18.96 mg/g maltotriose. Therefore, single screw extruder can be a promising alternative to traditional cooking for glutinous rice gelatinization.

glutinous rice; extrusion; gelatinization

TS210.4

A

1002-6630（2014）14-0024-06

10.7506/spkx1002-6630-201414005

2014-03-24

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2013BAD16B08；2012BAD34B07）

王大為（1960—），男，教授，博士，研究方向為糧油植物蛋白工程與功能食品。E-mail：xcpyfzx@163.com

*通信作者：張艷榮（1965—），女，教授，博士，研究方向為糧油植物蛋白工程與菌類作物。E-mail：xcpyfzx@163.com