黑米黑豆面條擠壓工藝參數的優化

劉俊梅，王丹洋，吳世玉，顧瑾，鄭常領，夏小勇，于寒松，隋曉楠

（1.吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林長春130118；2.東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

隨著人民生活水平的提高，營養保健已經成為人們生活中不可或缺的一部分，然而，黑色食品具有很好的營養保健功能，逐漸被大眾認可，因此，國內外出現了一股黑色食品熱。黑米、黑芝麻、黑豆、黑麥、黑木耳等日益受到人們的青睞。黑豆（又名稽豆、黑大豆），為豆科植物大豆的黑色種子[1-2]。黑豆中含有黑豆色素、黑豆多糖、異黃酮等生物活性物質[3]。具有補腎益脾、降低膽固醇、增強鐵離子在人體中的吸收等作用。黑米，是由禾本科植物黑稻加工后的產品，屬粳米類，是一種非糯性稻米[4-5]。黑米中含有豐富的蛋白質、維生素及黃酮類化合物[6-7]。具有清除自由基、維持血管滲透壓、增強免疫力等功效[8-9]。

螺桿擠壓技術是20世紀60年代后才興起的一種新技術，物料經過螺桿擠壓發生物理、化學變化，起到改善產品品質的作用[10]。具有操作簡單、成本低、效率高等優點，因此，擠壓加工技術作為一種經濟實用型加工方法，廣泛應用于食品工業中，并得到迅速發展，目前，物料擠壓加工特性和擠壓設備操作參數的研究已成為人們關注的兩大熱點[11]。本試驗通過螺桿擠壓技術，結合科學的組方，在保證營養成分的前提下，使產品外觀平整、口感爽滑，降低斷條率等優點，具有放大生產的可行性。

本研究通過前期試驗基礎，確定了以黑米、黑豆、谷朊粉、木薯淀粉、面堿、食鹽為主要原輔料，通過螺桿擠壓出的面條效果最佳。添加木薯淀粉，保證了面條口感更加爽滑，適口性增加。添加谷朊粉使谷朊粉中的麥醇溶蛋白和麥谷蛋白發生水合作用，使得面條形成更好的網絡結構。食鹽的添加保證面條的彈性。采用螺桿擠壓技術研制雜糧面條，從調整物料含水量、螺桿轉速、機筒溫度分布三方面研究加工處理參數對擠壓雜糧面條的感官評分、斷條率等品質特性的影響，為雜糧面條的擠壓生產提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

黑米、黑豆粕粉（油脂含量0.42%）：吉林公益源有限公司；谷朊粉、木薯淀粉、食鹽：市售。

1.2 儀器與設備

Q-300B粉碎機：上海旗箭電器有限公司；AUY220電子天平：日本島津公司；螺桿擠壓機：山東譽亞大豆機械制造有限公司；101A-2鼓風干燥箱：上海試驗儀器廠有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 制作工藝

1.3.2 操作要點

1.3.2.1 原輔料預處理

將黑米除雜后，低溫粉碎微細化處理。

1.3.2.2 物料篩分

將粉碎后的原料粉過40目、60目篩子，收集40目～60目之間的原料粉，備用。

1.3.2.3 混合面條粉調配

稱取一定量的黑米粉、黑豆粕粉、谷朊粉、木薯淀粉、食鹽混合均勻，備用。

1.3.2.4 平衡水分

準確稱取混合面條粉，加入純凈水，充分攪拌混合，密封，室溫下放置20 min，使水分分布均勻平衡。

1.3.2.5 擠壓、熟化、成型、干燥

上述混合物料填入到料斗中進行擠壓、熟化、成型，分別切割成長度為20 cm的面條，冷卻至常溫，干燥至水分含量為10%，進行檢測、包裝，備用。

1.3.3 單因素試驗

前期研究確定原料配比為：黑豆粕粉100 g、黑米粉21 g，木薯淀粉5 g，谷朊粉12 g，食鹽2 g。通過單因素試驗研究物料水分、螺桿轉速、擠壓溫度對雜糧面條感官和斷條率的影響。每次試驗重復3次，結果取平均值。

1.3.3.1 螺桿轉速

按指定配比稱取一定量物料，加入到進料斗中，在擠壓溫度135℃，水分含量33%，螺桿轉速分別為70、75、80、85、90 r/min 條件下進行擠壓，將擠出的面條按照感官評分進行評定并測定斷條率。

1.3.3.2 水分含量

按指定配比稱取一定量物料，加入到進料斗中，在擠壓溫度135℃，螺桿轉速80 r/min，水分含量分別為 27%、30%、33%、36%、39%條件下進行擠壓，將擠出的面條按照感官評分進行評定并測定斷條率。

1.3.3.3 擠壓溫度

按指定配比稱取一定量物料，加入到進料斗中，在螺桿轉速80 r/min，水分含量33%，擠壓溫度分別為130、135、140、145、150 ℃條件下進行擠壓[12]，將擠出的面條按照感官評分進行評定并測定斷條率。

1.3.4 響應面優化試驗設計

根據單因素的試驗結果，以感官評分為指標，采用Design expert軟件中的響應面方法，選取螺桿轉速、水分含量、擠壓溫度為3個因素，通過Box-Behnken設計三因素三水平的響應面優化試驗。響應面試驗因素與水平設計見表1。

表1 響應面試驗因素與水平設計Table 1 Factor and level design of response surface test

1.4 黑米黑豆面條的感官評定

取同批制作的長20 cm的面條30根，放入剛煮沸的開水中進行煮制8 min，再放入冷水中10 s后撈出，放在評價盤中待評定小組進行打分評定。評定結果取小組成員評分的平均值。面條的感官評價標準見表2。

表2 面條品嘗項目及評分標準Table 2 The sensory score standard of noodle

1.5 面條熟斷條率的測定

將30根面條放入2000 mL沸水中煮至最佳蒸煮時間，并按公式計算其中斷條數占30根面條的百分比即為面條的斷條率[13]。

式中：S為30根熟面條中斷條的根數。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 螺桿轉速對面條品質的影響

螺桿轉速對黑米黑豆擠壓面條感官評分和斷條率的影響結果見圖1。

圖1 螺桿轉速對面條感官評分及斷條率的影響Fig.1 The effect of screw speed on sensory score and broken rate of black rice black bean noodles

如圖1所示，黑米黑豆擠壓面條的感官評分隨螺桿轉速的增大呈先增大后減小的趨勢，斷條率隨螺桿轉速的增大呈先減小后增大的趨勢。在螺桿轉速為80 r/min時感官評分達到最大96.5，斷條率最小為2.01%。這可能是由于螺桿轉速過低時，物料在機筒內的停留時間過長，物料水分含量過低，不利于淀粉的糊化，從而使得面條的感官評分較低，斷條率較高。而當螺桿轉速過高時，物料在機筒內時間短，螺桿對其作用不充分，物料吸收熱量不夠且水分含量過高，在擠壓過程中容易產生能量波動，導致擠出的面條感官品質降低[14]。

2.1.2 水分含量對面條品質的影響

水分含量對黑米黑豆擠壓面條感官評分和斷條率的影響結果見圖2。

圖2 水分含量對面條感官評分及斷條率的影響Fig.2 The effect of moisture content on sensory score and broken rate of black rice black bean noodles

如圖2所示，隨加水量的增多，黑米黑豆擠壓面條的感官評分呈先增大后減小的趨勢，加水量為33%時，感官評分值最大96.7，這與段維等[15]得出的結論一致，Gimenez等[16]認為：物料水分含量較低時，淀粉顆粒之間的交聯程度較低，導致面條斷條率增加；當加水量過多時，過量的水分弱化了淀粉所受的剪切力和摩擦力，阻礙了淀粉網狀結構的形成，從而降低了面條的感官品質。面條斷條率則隨水分含量的增多呈先降低后升高趨勢，水分含量達到33%時，斷條率最低為2.03%。水分含量增多導致淀粉黏度降低，淀粉在機筒內受到的剪切力及摩擦力減弱[17]，擠出過程物料經過模口時受到的瞬時壓力降低，導致面條斷條率增加。

2.1.3 擠壓溫度對面條品質的影響

擠壓溫度對黑米黑豆擠壓面條感官評分和斷條率的影響結果見圖3。

圖3 擠壓溫度對面條感官評分及斷條率的影響Fig.3 The effect of screw temperature on sensory score and broken rate of black rice black bean noodles

機筒溫度是擠壓物料吸收熱量的主要來源，直接影響物料在機筒內的變化，即物料在機筒內的流動性能和熔融體狀態。擠壓面條的最終感官品質受到影響。機筒溫度對膨化雜糧感官各項指標的影響不完全相同。隨著機筒溫度的升高，黑米黑豆擠壓面條感官評分呈現先增大后減小的趨勢，黑米黑豆擠壓面條感官評分在機筒溫度為135℃時達到最大值，最大值為96.3，斷條率最低，為2.04%。隨著機筒溫度的升高，黑米黑豆擠壓面條色澤得分雖有所波動，呈不斷加深趨勢。黑米黑豆擠壓面條風味得分隨著機筒溫度的升高呈先增大后減小趨勢，是由于過高的溫度使部分物料焦糊化，隨著溫度的不斷升高風味得分變化幅度逐漸增大[18]。

2.2 黑米黑豆面條擠壓最佳工藝參數響應面試驗結果

響應面分析及結果見表3，感官評分回歸方程的方差分析結果見表4，斷條率回歸方程的方差分析結果見表5。

表3 響應面分析及結果Table 3 Design and results of response surface experiments

表4 感官評分回歸方程的方差分析結果Table 4 Analysis of variance for the regression model

表5 斷條率回歸方程的方差分析結果Table 5 Analysis of variance for the regression model

續表5 斷條率回歸方程的方差分析結果Continue table 5 Analysis of variance for the regression model

運用Design Expert 8.0.6軟件對表3數據進行完全二次回歸分析，得到黑米黑豆面條的感官評分對螺桿轉速（X1）、水分含量（X2）、擠壓溫度（X3）的二次多項回歸方程，表示如下：

斷條率對螺桿轉速（X1）、水分含量（X2）、擠壓溫度（X3）的二次多項回歸方程，表示如下：

由表4對感官評分響應值的二次模型方差分析結果可以得出，R2=0.9978，表明自變量和響應值關系顯著，模型 P＜0.0001，達到極顯著；失擬項 P=0.1354＞0.05，不顯著。方差分析還顯示一次項（X1，X3）和二次項 （X12，X22，X32）均顯著，X1X2、X1X3、X2X3交互作用顯著，說明該模型擬合度較好，可以用此來模擬分析和預測擠壓最佳工藝參數。

由表5對斷條率響應值的二次模型方差分析結果可以得出，R2=0.9997，表明自變量和響應值關系顯著，模型 P＜0.0001，達到極顯著；失擬項 P=0.5916＞0.05，不顯著。方差分析還顯示一次項（X1，X2，X3）和二次項（X12，X22，X32）均顯著，X1X3交互作用顯著，X1X2、X2X3交互作用極顯著，說明該模型擬合度較好，可以用此來模擬分析和預測擠壓最佳工藝參數。

2.3 響應面交互作用結果

螺桿轉速、水分含量和擠壓溫度對感官評分及斷條率的影響見圖4。

圖4 螺桿轉速、水分含量和擠壓溫度對感官評分及斷條率的影響Fig.4 Response surface the effect of screw speed，moisture content and screw temperature on the sensory score and broken rate

由圖4可知，3D圖投射的等高線圖的形狀可以直觀地反映兩因素交互作用的強弱。圖（A、B、C、D、E、F）均呈橢圓形說明螺桿轉速、擠壓溫度與水分含量對感官評分及斷條率的兩兩交互作用均顯著。從圖4（B、C、E）我們可以看出，擠壓溫度一側更加陡峭，表明感官評分與斷條率受擠壓溫度的影響較大。圖（4A）中對應等高線可以看出，螺桿轉速對面條感官評分的影響大于水分含量。

2.4 最佳配方確定

通過軟件對黑米黑豆面條感官評分、斷條率二次模擬回歸分析，得到預測值為螺桿轉速81.42 r/min、水分含量33.64%、擠壓溫度134.08℃，感官評分為96.87、斷條率為1.90612%。從實際生產和經濟效應方面考慮，將工藝參數修改為螺桿轉速81 r/min、水分含量34%、擠壓溫度134℃。實測值感官評分為96，斷條率為2%，實測值與預測值非常接近，表明該響應面法對面條的工藝參數優化可行。

3 結論

本研究旨在優化黑米黑豆面條擠壓工藝參數，通過單因素試驗和響應面試驗對黑米黑豆面條擠壓過程中的螺桿轉速、水分含量、擠壓溫度3個因素進行優化，確定了黑米黑豆面條的擠壓最佳工藝參數為螺桿轉速81 r/min、水分含量34%、擠壓溫度134℃。實測值感官評分為96，斷條率為2%，實測值與預測值非常接近，表明該響應面法對面條的工藝參數優化可行。

[1] 秦琦,張英蕾,張守文.黑豆的營養保健價值及研究進展[J].中國食品添加劑,2015(7):145-150

[2] 黃龍安,張宏康.黑豆面條的研制[J].農業機械,2012(14):83-86

[3] 趙璇,金素娟,牛寧,等.黑豆的利用價值與開發前景[J].河北農業科學,2015(1):99-101

[4]馬先紅,許海俠,劉洋.黑米發酵食品研究進展[J].食品工業,2016(10):233-236

[5]MAU J L,LEE C C,CHEN Y P,et al.Physicochemical,antioxidant and sensory characteristics of chiffon cake prepared with black rice as replacement for wheat flour[J].LWT-Food Science and Technology,2017,75(1):434-439

[6]AN J S,BAE I Y,HAN S I,et al.Invitro potential of phenolic phytochemicals from black rice on starch digestibility and rheological behaviors[J].Journal of Cereal Science,2016,70(2)14-20

[7] 權美平,王硯.黑米營養成分及藥用生理作用的研究現狀[J].價值工程,2011,30(18):326-326

[8] 王大一,溫紀平,張慧,等.黑米和燕麥同步熟化工藝研究[J].食品研究與開發,2015(11):98-101

[9]NORKAEW O,BOONTAKHAM P,DUMRI K,et al.Effect of postharvest treatment on bioactive phytochemicals of Thai black rice[J].Food Chemistry,2017,217:98

[10]魏安池,代紅麗,谷文英.響應面分析法優化紅花黃色素提取工藝條件[J].食品與機械,2006,22(2):11-13

[11]王會然,李宗軍.響應面試驗優化擠壓米生產工藝[J].食品科學,2013,34(8):113-117

[12]韓冉,孔宇,王汝華,等.擠壓法生產大豆面條的工藝研究[J].食品研究與開發,2016,37(21):63-70

[13]楊玉民,王大為.高纖維玉米掛面生產技術[J].食品科學,2010,31(20):509-512

[14]徐穎.擠壓玉米面條的研究[D].武漢:武漢工業學院,2009

[15]段維,王立,錢海峰,等.糙米意大利面的制備[J].食品與發酵工業,2015,41(8):84-89

[16]GIM NEZ M A,GONZ LEZ R J,WAGNER J,et al.Effect of extrusion conditions on physicochemical and sensorial properties of corn-broad beans(Vicia faba)spaghetti type pasta[J].Food Chemistry,2013,136(2):538

[17]徐朝陽,劉雪源,張連雪,等.響應曲面法優化谷物復合擠壓膨化最佳工藝參數的研究[J].食品研究與開發,2014(13):83-86

[18]李倩,劉麗娜,杜方嶺,等.低蛋白面條擠壓熟化加工技術研究[J].食品研究與開發,2017,38(8):75-81