馬鈴薯擠壓米工藝參數(shù)優(yōu)化

張琪，吳春艷，李想，張亮，陳善峰，2，*

（1.山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東淄博255049；2.樂陵希森馬鈴薯產(chǎn)業(yè)集團有限公司，山東樂陵253600）

馬鈴薯擠壓米，是以米粉、馬鈴薯粉為主原料，通過擠壓技術(shù)制備而成的米，又稱馬鈴薯擠壓重組米、馬鈴薯復配米[1]。隨著生活水平的不斷提高，人們對米的精細要求也越來越高，這就導致稻谷在研磨過程中產(chǎn)生大量碎米，造成了大米資源的浪費，而碎米富含營養(yǎng)物質(zhì)[2]，卻通常用作飼料[3]，故碎米再利用顯得尤為重要。據(jù)聯(lián)合國糧食和農(nóng)業(yè)組織預測，到2050年世界人口將接近90億[4]，而近兩年國際糧油問題也日益凸顯，所以，無論從發(fā)展中國家還是從發(fā)達國家的角度來看，全球人口都需要替代性食物來源[5]，我國也就此提出了一項重要發(fā)展戰(zhàn)略——馬鈴薯主食產(chǎn)業(yè)化。自該戰(zhàn)略提出以來，不少學者開發(fā)出一系列諸如馬鈴薯饅頭[6]、面條[7]、米粉[8]等主糧和馬鈴薯餅干[9]、面包[10]、月餅[11]等副食食品，但對馬鈴薯擠壓米的研究卻為數(shù)不多，且多集中于方便米飯的開發(fā)工藝[12]和品質(zhì)改良劑優(yōu)化[13]，對于不同因素對擠壓米品質(zhì)的影響，多偏向于蒸煮、感官等品評[1]，物理性質(zhì)相對較少。

本試驗通過考察螺桿轉(zhuǎn)速、機筒溫度、水分含量對馬鈴薯擠壓米質(zhì)構(gòu)、感官等品質(zhì)特性的影響，以確定最佳工藝參數(shù)，為馬鈴薯擠壓米的生產(chǎn)工藝提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

馬鈴薯雪花全粉（水分7.13%，淀粉67.49%，直鏈淀粉16.41%）：內(nèi)蒙古希森馬鈴薯全粉醫(yī)療儀器有限公司；碎米（水分12.79%，淀粉74.10%，直鏈淀粉9.30%）：淄博佩正糧行；單甘酯：山東優(yōu)索化工科技有限公司。

101型電熱鼓風干燥箱、電熱恒溫水浴鍋：北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；DL-5-B離心機：上海安亭科學儀器廠；B15三功能攪拌機：廣東力豐機械制造有限公司；UVTE36-24雙螺桿擠壓機：長沙創(chuàng)享食品科技有限公司；ME204/02分析天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；YTDG-2100型多功能電熱鍋：淄博市周村宇泰電器廠；XA.XT plus質(zhì)構(gòu)儀：英國Stable Micro System公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 馬鈴薯擠壓米生產(chǎn)工藝流程及操作要點

工藝流程：馬鈴薯雪花全粉、碎米→粉碎過篩→加單甘酯→混勻→擠壓成形→干燥成品。

操作要點：1）馬鈴薯雪花全粉、碎米送淄博佩正糧行粉碎后過100目篩；2）將馬鈴薯全粉、碎米粉、單甘酯用攪拌機混合3 min，其中，馬鈴薯全粉與碎米粉質(zhì)量比為3∶7（前期預試驗確定了馬鈴薯全粉最佳添加量為30%），單甘酯添加量為混合粉總質(zhì)量的0.7%；3）擠壓過程中，固體喂料速度 15 kg/h，II、III、V、VI區(qū)溫度分別為60、90、70、70℃，模頭孔數(shù)為3，長徑比2.65，切刀轉(zhuǎn)速 1 800 r/min；4）在陰涼通風的室內(nèi)（溫度30℃）干燥24 h至成品水分含量在14%以下，裝入自封袋，備用。

1.2.2 單因素試驗

設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速130 r/min、IV區(qū)溫度110℃、水分含量30%，固定固體喂料速度及 II、III、V、VI區(qū)溫度，考察螺桿轉(zhuǎn)速（110、120、130、140、150 r/min）、IV 區(qū)溫度（90、100、110、120、130 ℃）、水分含量（26%、28%、30%、32%、34%）對產(chǎn)品米湯固形物、質(zhì)構(gòu)品質(zhì)、感官評分、吸水指數(shù)和水溶性指數(shù)的影響。

1.2.3 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取螺桿轉(zhuǎn)速、IV區(qū)溫度、水分含量3個因素，分別取3個水平，進行L9（33）正交試驗，試驗設(shè)計如表1所示。

表1 正交試驗設(shè)計表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3 指標測定方法

1.3.1 米湯固形物的測定[14]

稱取4 g馬鈴薯擠壓米于錐形瓶中，加入80 mL蒸餾水后，放于100℃水浴鍋中煮28 min。網(wǎng)篩過濾，棄去米粒，收集米湯，定容至100 mL，用移液槍取10 mL到已烘至恒重的鋁盒中，烘干稱重。平行測定3次，取平均值作為米湯固形物（solid substance of rice soup，SSRS）的最終結(jié)果。

式中：M2為米湯烘干后的質(zhì)量，g；M1為馬鈴薯擠壓米的質(zhì)量，g。

1.3.2 質(zhì)構(gòu)評分

多功能電熱鍋中倒入1 000 mL蒸餾水，開三檔預熱，稱取10 g馬鈴薯擠壓米放入鋁盒中，倒入10 mL蒸餾水，將鋁盒放在電熱鍋籠屜上蒸14 min。每個樣品取3粒米以環(huán)狀方式排列置于質(zhì)構(gòu)儀測試平臺上，選擇TPA模式，選用P/36R圓柱探頭，以測前速度1 mm/s、測中速度0.5 mm/s、側(cè)后速度10 mm/s、形變量90%、觸發(fā)力5.0 g為參數(shù)運行質(zhì)構(gòu)儀，每個樣品做5次平行測定，去掉最大、最小值后，取平均值作為最終結(jié)果。質(zhì)構(gòu)評分（texture score，TES）參考王會然等[15]的方法并做適當修改：質(zhì)構(gòu)評分（100分）=硬度（50分）+黏聚性（50分）+彈性（50分）+咀嚼性（50分）。

1.3.3 感官評分

感官評分在光線較好的實驗室內(nèi)進行，結(jié)合馬鈴薯擠壓米自身特點，參考GB/T 15682-2008《糧油檢驗稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評價方法》及熊小青等[16]的方法并稍作修改，感官評分標準如表2所示。邀請10位有經(jīng)驗的評價員，稱取10 g米樣于已編號小碗中，按1.3.2中方式制備后，對米飯進行感官評分（sensory score，SES），去掉最高、最低分后，取平均值作為最終結(jié)果。

表2 感官評分標準Table 2 The quality scoring standards of extruded potato rice

1.3.4 吸水指數(shù)與水溶性指數(shù)的測定

參考Ranjbar等[17]的方法并稍作修改，粉碎成品米后過篩，取介于60目～80目的成品米粉2 g，倒入已知質(zhì)量的離心管中，加入25 mL蒸餾水，于30℃回旋振蕩20 min后，4 000 r/min離心20 min。上清液轉(zhuǎn)入已烘至恒重的稱量瓶中，烘干稱重，同時測定沉淀質(zhì)量，計算吸水指數(shù)（water absorption index，WAI）與水溶性指數(shù)（water solubility index，WSI）。

式中：W1為沉淀的質(zhì)量，g；W2為上清液烘干后的質(zhì)量，g；M 為樣品的質(zhì)量，g。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用Excel2007軟件處理數(shù)據(jù)，Origin2015作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 螺桿轉(zhuǎn)速對馬鈴薯擠壓米品質(zhì)的影響

螺桿轉(zhuǎn)速對馬鈴薯擠壓米的米湯固形物、質(zhì)構(gòu)評分、感官評分的影響和對吸水指數(shù)、水溶性指數(shù)的影響分別如圖1、圖2所示。

圖1 螺桿轉(zhuǎn)速對馬鈴薯擠壓米SSRS、TES和SES的影響Fig.1 Effect of screw speed on SSRS，TES and SES of potato extruded rice

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速對馬鈴薯擠壓米WAI和WSI的影響Fig.2 Effect of screw speed on WAI and WSI of potato extruded rice

圖1、圖2表明，馬鈴薯擠壓米的各品質(zhì)隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加，均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并在140 r/min時達到最高點。造成這種現(xiàn)象的原因可能是：在IV區(qū)溫度、水分含量一定的條件下，低轉(zhuǎn)速致使擠壓物料在機筒內(nèi)滯留時間過長，所受剪切作用較小[18]，淀粉糊化程度偏低[19]，黏聚性增加，馬鈴薯擠壓米咀嚼性增大，口感較差，評分較低。而高轉(zhuǎn)速時，物料在機筒內(nèi)停留時間過短，不利于水分進入物料內(nèi)部進行淀粉的水合作用[20]，無法達到完全糊化，淀粉糊化交聯(lián)程度降低，米粒耐煮性差[21]，米湯固形物含量降低，吸水指數(shù)相應(yīng)下降[22]；物料吸熱量不足，水分含量過高，米粒不易成形，剪切后米粒有黏連現(xiàn)象，外觀與普通米有些許差異，評分下降。所以，正交試驗中螺桿轉(zhuǎn)速應(yīng)選擇135、140、145 r/min這 3個水平。

2.1.2 IV區(qū)溫度對馬鈴薯擠壓米品質(zhì)的影響

IV區(qū)溫度對馬鈴薯擠壓米的米湯固形物、質(zhì)構(gòu)評分、感官評分的影響和對吸水指數(shù)、水溶性指數(shù)的影響分別如圖3、圖4所示。

圖3 IV區(qū)溫度對馬鈴薯擠壓米SSRS、TES和SES的影響Fig.3 Effect of IV area temperature on SSRS，TES and SES of potato extruded rice

圖4 IV區(qū)溫度對馬鈴薯擠壓米WAI和WSI的影響Fig.4 Effect of IV area temperature on WAI and WSI of potato extruded rice

在螺桿轉(zhuǎn)速、水分含量一定的條件下，較低的擠壓溫度無法促使物料中的水分子劇烈運動，雙螺桿擠壓機筒內(nèi)的高溫、高壓、高剪切作用不易滲透到淀粉內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)，淀粉顆粒不易膨脹，導致可溶性營養(yǎng)物質(zhì)外滲流入米湯中[23]，米湯固形物較低；低溫下物料無法達到徹底糊化的效果，致使擠壓米水溶性指數(shù)較低[24]，擠壓米米粒較干，略呈粉狀[25]，口感不佳，導致感官、質(zhì)構(gòu)評分較低[16]。而過高的擠壓溫度使擠壓米膨化過度，易堵塞機器，切粒成形不夠理想[22]，影響最終評分；高溫減少了可糊化淀粉含量，降低糊化程度[26]，吸水指數(shù)、水溶性指數(shù)下降。因TES和WSI在110℃時達到最大值，而SSRS、SES和WAI在120℃時最佳，綜合考慮，溫度應(yīng)控制在110℃到120℃之間，正交試驗中IV區(qū)溫度應(yīng)選擇110、115、120℃這3個水平。

2.1.3 水分含量對馬鈴薯擠壓米品質(zhì)的影響

水分含量對馬鈴薯擠壓米的米湯固形物、質(zhì)構(gòu)評分、感官評分的影響和對吸水指數(shù)、水溶性指數(shù)的影響分別如圖5、圖6所示。

圖5 水分含量對馬鈴薯擠壓米SSRS、TES和SES的影響Fig.5 Effect of water content on SSRS，TES and SES of potato extruded rice

圖6 水分含量對馬鈴薯擠壓米WAI和WSI的影響Fig.6 Effect of water content on WAI and WSI of potato extruded rice

吸水指數(shù)是糊化度的間接體現(xiàn)，分子的降解程度用 WSI評價[27]，二者均與糊化度呈正相關(guān)[22，28]，且 WAI與WSI的變化與水分含量密切相關(guān)。由圖5、圖6可以看出，在螺桿轉(zhuǎn)速、IV區(qū)溫度一定的條件下，水分含量過高或過低都會對擠壓米品質(zhì)產(chǎn)生較大影響。水分含量過低，使得原本不易溶于水的淀粉更難完成轉(zhuǎn)化，吸水指數(shù)急劇降低，淀粉的水合作用不完全，口感略粗糙，高濃度淀粉不利于糊化[20]，致使感官、質(zhì)構(gòu)分數(shù)較低。而水分含量過高，降低了物料與螺桿、機筒內(nèi)壁的摩擦力、剪切力[29]，導致淀粉降解度降低，可溶性分子減小，固形物含量降低，無法達到完全糊化，米粒耐煮性下降[16]，質(zhì)構(gòu)評分下降。因SSRS和SES在28%時最優(yōu)，而TES、WAI和WSI在水分含量30%時最佳，綜合考慮，正交試驗中水分含量應(yīng)選擇28%、29%、30%這3個水平。

2.2 正交試驗結(jié)果

正交試驗結(jié)果見表3。

表3 正交試驗結(jié)果Table 3 Results of orthogonal experiment

由表3可以看出，最佳工藝參數(shù)為A2B2C2，即螺桿轉(zhuǎn)速140 r/min，IV區(qū)溫度115℃、水分含量29%。針對不同的考察目標，影響馬鈴薯擠壓米品質(zhì)的因素主次各不相同。對米湯固形物而言，螺桿轉(zhuǎn)速是首要影響因素；IV區(qū)溫度是影響感官評分和質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的首要因素；而對吸水指數(shù)和水溶性指數(shù)來說，首要因素是水分含量。

2.3 驗證試驗

采用正交試驗的最佳參數(shù)擠壓所得馬鈴薯米的米湯固形物、質(zhì)構(gòu)評分、感官評分、吸水指數(shù)和水溶性指數(shù)分別為 314.75 mg/g、79.31、86.98、5.99 g/g、2.05%，均高于正交9組值，驗證了正交試驗正確性。

3 結(jié)論

馬鈴薯淀粉因含有較多磷酸基團，可使大米糊漿黏度升高，透明度增加[30]。馬鈴薯粉的添加增加了大米的營養(yǎng)和風味，擠壓過程中，糊化度的提高改善了馬鈴薯擠壓米的黏彈性[31]與嚼性的不足。馬鈴薯擠壓米的吸水性、水溶性高于普通米，與Wang Ning等[32]所得結(jié)果一致。本試驗得到馬鈴薯擠壓米的最佳工藝參數(shù)為：螺桿轉(zhuǎn)速140 r/min，IV區(qū)溫度115℃、水分含量29%，此條件下擠壓得出的馬鈴薯米口感醇香。但擠壓過程不可避免伴有營養(yǎng)的損失，還需日后更加深入的研究。