擠壓參數對釀造醬油原料糊化度的影響

曹燕飛，張天語，張鳳婕，任妍妍，李宏軍*

（山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049）

醬油是富含氨基酸、酯類、維生素、磷等多種營養成分的調味品[1]，傳統的醬油是以大豆或豆粕等為原料，以麩皮、面粉等為輔料，經過蒸煮處理后進行制曲、發酵、過濾、滅菌等過程釀制而成。近幾年來，由于大豆或豆粕的價格隨著市場的需求量日益上漲[2]，因此，釀造醬油需要找到新的蛋白質原料。芝麻粕是生產芝麻油后的副產物，其中蛋白質含量＞40%，代謝能低于花生、大豆餅粕，約為9.0 mJ/kg[3]，還含有豐富的必需氨基酸、木酚素、維生素E、B族維生素以及部分礦物質等[4]。將芝麻粕作為釀造醬油的原料，不僅可以開發新的蛋白質資源，而且可以開發新型醬油。

擠壓加工是混合物經攪拌、加熱、殺菌、膨化等過程的技術，在水分、壓力、溫度及剪切力的聯合作用下[5]，物料的蛋白質、淀粉等成分發生了變化，蛋白質在擠壓過程中發生降解，溶解出一些小分子變性蛋白質，更易被蛋白酶所消化[6]。淀粉在溫度與水分作用下發生糊化，分解成還原糖和糊精[5]，并在淀粉顆粒上形成片層狀的疏松海綿體結構，體積會膨大幾倍至幾十倍，從而有利于微生物的生長繁殖，縮短發酵周期[7-8]。采用擠壓技術處理釀造醬油的原料，可以使蛋白質適度變性、淀粉糊化，同時起到殺菌作用。與傳統蒸煮法相比，可以簡化工藝，節省勞動力[9]，同時賦予醬油特有的香氣。

利用擠壓膨化技術對芝麻粕、面粉混合物進行預處理，以擠出物糊化度為考察指標，采用SAS9.1軟件對試驗數據進行分析，利用Box-Behnken試驗研究擠壓溫度、螺桿轉速、面粉含量、含水量4個擠壓參數對擠出物糊化度的影響規律，通過回歸尋優獲得最優的擠壓工藝參數，為擠壓技術運用于醬油釀造提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

芝麻粕：淄博十里香食品有限公司；面粉：淄博云海面粉廠。

1.2 儀器與設備

單螺桿擠壓機：山東理工大學食品加工實驗室自制；GSP-9160MB電熱恒溫培養箱：上海博迅實業有限公司；AUY-220型電子分析天平：日本島津公司；DL-1型萬用電爐：北京市永光明醫療儀器廠；FZ102型小型植物粉碎機：天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 擠壓膨化的工藝流程

芝麻粕→粉碎（過60目篩）→面粉混合均勻，并調節含水量→擠壓膨化→冷卻→密封儲存

1.3.2 擠壓參數優化單因素試驗

分別考察擠壓溫度、螺桿轉速、面粉含量、含水量對擠出物糊化度的影響。

擠壓溫度對擠出物糊化度的影響：固定螺桿轉速為200 r/min、面粉含量為26%、含水量為21%，分別考察擠壓溫度（70℃、80℃、90℃、100℃、110℃）對擠出物糊化度的影響。

螺桿轉速對擠出物糊化度的影響：固定擠壓溫度為90℃、面粉含量為26%、含水量為21%，分別考察螺桿轉速（140 r/min、160 r/min、180 r/min、200 r/min、220 r/min）對擠出物糊化度的影響。

面粉含量對擠出物糊化度的影響：固定擠壓溫度為90℃、螺桿轉速為200 r/min、含水量為21%，分別考察面粉含量（20%、23%、26%、29%、32%）對擠出物糊化度的影響。

含水量對擠出物糊化度的影響：固定擠壓溫度為90℃、螺桿轉速為200 r/min、面粉含量為26%，分別考察含水量（15%、18%、21%、24%、27%）對擠出物糊化度的影響。

1.3.3 擠壓參數優化響應面試驗設計

根據單因素的試驗結果，以擠出物糊化度（Y）為考察指標，選擇擠壓溫度（A）、螺桿轉速（B）、面粉含量（C）、含水量（D）為擠壓參數，利用Design-Expert8.05b中的Box-Behnken進行響應面試驗設計，響應面試驗因素與水平見表1。

表1 芝麻粕釀造醬油擠壓參數優化響應面試驗因素與水平Table1 Factors and levels of response surface tests for the optimization of extrusion parameters in soy sauce production with sesame meal

1.3.4 測定方法

采用糖化酶法測定擠出物糊化度[10-11]。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 擠壓溫度對擠出物糊化度的影響

圖1 擠壓溫度對擠出物糊化度的影響Fig.1 Effect of extrusion temperature on gelatinization degree of extrudate

由圖1可知，擠出物的糊化度隨著擠壓溫度的升高呈現先快速增加后趨于平緩的趨勢，可能是因為增加機筒溫度會提高物料的能量以及促進淀粉糊化，所以擠出物的糊化度增加[12]；擠壓溫度為90℃時，淀粉糊化度達到最高，為88.17%；當擠壓溫度超過90℃時，隨著溫度的增加擠出物糊化度增加速度變得緩慢，這是因為部分淀粉在過高的溫度下會分解，形成不被檢測的水溶性碳水化合物，所以導致糊化度增加速度下降[13]。因此，選擇擠壓溫度為90℃適宜。

2.1.2 螺桿轉速對擠出物糊化度的影響

圖2 螺桿轉速對擠出物糊化度的影響Fig.2 Effect of screw speed on gelatinization degree of extrudate

由圖2可知，擠出物的糊化度隨著螺桿轉速的增加呈現出先增加后減少的趨勢，螺桿轉速在200 r/min時糊化度達到最高，為88.46%。原因可能是隨著螺桿轉速加快，物料受到的剪切力增大，導致淀粉顆粒破損程度增大，加速了淀粉顆粒的分解，從而增加糊化度；當螺桿轉速較大時，物料在擠壓腔內滯留時間縮短，導致糊化不完全，使擠出物糊化度下降。因此，選擇螺桿轉速為200 r/min。

2.1.3 面粉含量對擠出物糊化度的影響

由圖3可知，擠出物的糊化度隨著面粉含量的增加呈先增加后減少的趨勢，面粉含量為20%和32%時，擠出物糊化度都比較低，說明過多或過少的面粉都會使糊化度下降。面粉含量為26%時，擠出物糊化度達到最高，為85.52%。可能是因為面粉比例過低時，吸收的能量少使得淀粉糊化度不高，面粉比例過高時，部分淀粉與蛋白質發生反應導致淀粉損失，使得淀粉糊化度降低。因此，選擇面粉含量為26%。

圖3 面粉含量對擠出物糊化度的影響Fig.3 Effect of flour content on gelatinization degree of extrudate

2.1.4 含水量對擠出物糊化度的影響

圖4 含水量對擠出物糊化度的影響Fig.4 Effect of moisture on gelatinization degree of extrudate

由圖4可知，擠出物的糊化度隨含水量的增加呈先增加后減少的趨勢，含水量為21%時，擠出物的糊化度達到最高，為90%；含水量＞21%之后，擠出物的糊化度呈現出下降的趨勢，原因可能是當物料的水分含量較高時會增加物料濕度，減少物料與擠壓機的摩擦力，降低機筒內物料黏度，導致其在擠壓機內停留的時間減少，使物料在進入模口處時，無法達到高溫高壓的合適狀態，從而降低了糊化度[14-15]，故選擇物料含水量21%為宜。

2.2 擠壓參數優化響應面試驗

將表2中擠出物糊化度的試驗結果運用Design-Expert 8.05b軟件進行擬合分析，獲得回歸方程如下：

表2 芝麻粕釀造醬油擠壓參數優化響應面試驗設計與結果Table2 Design and results of response surface tests for the optimization of extrusion parameters in soy sauce production with extruded sesame meal

由表3可看出，影響擠出物糊化度的因素按照主次順序為D＞C＞A＞B。回歸方程模型P＜0.000 1，說明該模型極顯著，失擬項P=0.078 9＞0.05，不顯著，表明回歸方程合理可行。其中因素D、交互項AB、AC及BD均對結果影響顯著（P＜0.05），交互項BC、二次項A2、B2、C2、D2均對結果影響極顯著（P＜0.01）。此模型的決定系數R2=0.953 5，表明擠出物糊化度的實際值與預測值擬合度。綜上所述，可以說明所建立的芝麻粕擠出物糊化度的數據與模型相吻合，可以預測分析各因素對擠出物糊化度的影響。

表3 擠出物糊化度的回歸模型方差分析Table3 Variance analysis of regression model for gelatinization degree of extrudate

根據回歸方程繪制響應面分析圖，以確定擠壓溫度、螺桿轉速、面粉含量、含水量對擠出物糊化度的影響，響應曲面和等高線見圖5。

由圖5可知，當擠壓溫度保持不變時，擠出物糊化度隨面粉含量的增加先增加后減小；而當面粉含量保持不變時，擠出物糊化度隨擠壓溫度增加逐漸增加，在溫度為90℃左右時達到最高值，超過該溫度后隨著擠壓溫度的升高擠出物糊化度逐漸降低。原因是擠壓溫度太高時發生美拉德反應，同時導致部分淀粉焦糊化，芝麻粕等混合物中水分較早就會蒸發，使淀粉糊化度降低，該結果和王慶等[16]的研究結果趨勢相似。當擠壓溫度保持不變時，擠出物糊化度隨著含水量的增加先增加后減少，原因是含水量低時，增加水分會促進淀粉的糊化程度，但隨著含水量的增多，物料在擠壓機內的停留時間因摩擦產生少量的熱而縮短，導致擠出物糊化度減少[17-18]；當含水量一定時，隨著擠壓溫度上升使擠出物糊化度達到最大值后逐漸減少。當擠壓溫度一定時，擠出物糊化度隨著螺桿轉速的增加而不斷上升，達到最高后又開始減少。這是由于物料與擠壓機筒以及螺桿之間的剪切和摩擦作用會隨著螺桿轉速的增加而增強，使淀粉顆粒能夠充分的分解和糊化，但螺桿轉速超過一定范圍后會使物料在擠壓機內的停留時間短而從機筒壁吸收較少的熱量，導致擠出物膨化物中淀粉糊化度降低[19]。當螺桿轉速保持不變時，隨著擠壓溫度的增加，糊化度先增加后減少。當含水量固定在一定水平時，擠出物糊化度隨面粉含量的增加而增加，當面粉含量增加到26%時達到最大值，之后隨面粉含量的增加而下降；這是因為物料在擠壓機內的停留時間和填充程度會受面粉含量的影響，進而影響擠出物糊化度[20]。當含水量一定時，擠出物糊化度隨面粉含量的增加呈現拱形趨勢。

圖5 擠壓溫度、螺桿轉速、面粉含量、含水量交互作用對擠出物糊化度影響的響應曲面與等高線Fig.5 Response surface plots and contour line of effects of interaction between extrusion temperature,screw speed,flour content and moisture on gelatinization degree of extrudate

根據Design-Expert8.05b軟件分析，最佳擠壓參數為擠壓溫度為90℃、螺桿轉速200 r/min、面粉含量26%、含水量21%，此條件下糊化度的理論值為92.05%。

2.3 驗證試驗

在最優擠壓條件下進行驗證試驗，通過3次平行試驗，測得實際的擠出物糊化度平均值為91.23%，與預測值92.05%接近，誤差＜5%，因此，建立的回歸模型是合理有效的，具有實際應用價值。

3 結論

利用擠壓膨化技術對芝麻粕、面粉混合物進行處理，以擠出物糊化度為考察指標，以擠壓溫度、螺桿轉速、面粉含量、含水量為擠壓參數，運用Box-Behnken試驗設計原理對擠壓芝麻粕釀造醬油中擠壓參數進行優化，建立了二次多項式模型，并證明了該模型具有可靠性。確定最佳擠壓工藝參數：擠壓溫度為90℃，螺桿轉速為200 r/min，面粉含量為26%，含水量為21%。在此優化條件下，擠出物的糊化度為91.23%。