擠壓復配紅薯米工藝參數對壓力的影響

吳春艷，張 琪，李 想，張 亮，陳善峰

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049)

紅薯營養豐富，不僅含有賴氨酸、亞油酸、胡蘿卜素、鈣、磷、鐵等人體必需的營養成分及優質膳食纖維[1]，還具有一定的抗糖尿病、抗癌等保健功能[2]。因鮮薯不易運輸及儲藏會造成極大浪費，將鮮薯曬干制成紅薯全粉，并與碎米粉復配制成營養米，是能保證食用方便、營養豐富又不造成浪費的好方法。擠出工藝是一項高溫高壓瞬時加工工藝技術，其加工成本低、生產效率高，在食品工藝中運用越來越廣泛[3]，是一種生產復配營養米的有效手段。

擠壓工藝參數影響系統壓力和產品質量。研究工藝參數對系統參數的影響對于指導生產，尤其是設備放大等方面具有非常重要的意義。因擠壓機腔體內的黑箱特性及有限的在線檢測技術使系統參數很難得到，對其研究僅有少量報道，國內外大部分學者也僅研究工藝參數對產品質量的影響，具有較大的局限性。

壓力在擠壓工藝中的作用十分重要，模頭壓力指模頭中心處流體對模頭內壁產生的縱向壓力，是由擠壓機腔體中熔融體的黏滯阻力和模口形狀、大小共同決定的[4]。壓力能反映出物料的黏度，會影響最終產品的質量，也是物料成分或含水率變化最快速的響應指標，因此，壓力可以用于在線控制[4]。康立寧、王洪武等[5-6]研究了雙螺桿擠壓加工大豆組織蛋白工藝參數對系統參數和產品質構特性的影響，結果表明，螺桿轉速、機筒溫度、喂料速度和物料水分含量等對系統壓力和產品質構均有顯著影響。高揚等[7]研究了不同物料配比、水分含量和擠壓溫度條件下擠壓高水分植物組織化蛋白產品對擠壓輸出的系統參數、產品質構特性和顏色特性的影響。米飯的質構特性被認為是大米食用品質中最重要的因素，采用物性儀對米飯的質構特性進行分析，是一種簡便可行的評價方法[8]。咀嚼感是人們在食用米飯過程中影響其對米飯口感評價的一個很重要的質構特性，可作為紅薯米代表性品質指標。

目前，關于擠壓工藝參數對系統參數影響的研究較少，雙螺桿擠壓米工藝參數對系統參數影響的研究更是少之。本文以碎米粉和紅薯全粉為原料，通過單因素實驗和正交實驗，研究不同螺桿轉速、擠壓糊化溫度、水分含量對系統壓力的影響，并結合紅薯米質構中的咀嚼感優化擠壓加工工藝，以期為豐富雙螺桿擠壓機用于擠壓復配紅薯米提供實驗數據和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

UVTE36-24雙螺桿擠壓機：長沙創享食品科技有限公司；質構儀：英國SMS公司；碎米粉：山東淄博市潘莊糧油市場購買，過100目篩備用，水分含量12.79%、淀粉含量74.10%、蛋白質含量7.2%、直鏈淀粉含量9.30%；紅薯全粉：山東淄博市沂源縣農田采購，由當地農民收集、切片、晾曬并于本實驗室粉碎過100目篩備用，水分含量9.45%、淀粉含量64.11%、蛋白質含量2.5%、直鏈淀粉含量11.87%；單甘脂(分析純)：河南東順化工產品有限公司。

1.2 擠壓加工工藝參數及工藝流程

通過前期查閱文獻及預實驗，固定喂料速度為15 kg/h，紅薯全粉與碎米粉的比例為3∶7，單甘脂添加量為0.7%，擠壓機切刀轉速1 800 r/min，固定擠壓機腔體II區溫度60 ℃、III區溫度90 ℃、V區溫度50 ℃、VI區溫度50 ℃。以螺桿轉速、擠壓糊化溫度(IV區)、水分含量為自變量，進行單因素實驗和正交實驗。進行實驗前標定固、液體喂料器實際喂料量。

工藝流程：原料粉碎(過100目篩)→混料(加單甘脂)→擠壓糊化→剪切制粒→干燥→擠壓紅薯米成品。

擠壓操作：混料由螺旋式計量加料器喂入，蒸餾水通過喂水裝置單獨喂入。機筒預熱到一定溫度后，開始緩慢喂料，并協同調整水分。待物料由模頭擠出后，逐漸調整喂料速度、機筒溫度、螺桿轉速和物料水分到設定參數值，最后使整個擠壓操作過程維持穩定，系統壓力值通過擠壓機內部傳感器和數據采集系統自動記錄，后期通過提取擠壓機操控面板數據文檔選取對應的壓力值進行分析。

1.3 質構分析測試方法

稱取各樣品米10 g放入蒸飯小鋁盒中，并在每個小鋁盒中分別用移液管量取10 mL水加入，然后迅速攪拌，并放入已預熱的蒸鍋中蒸10 min，然后每個樣品分別選取3粒米呈等邊三角形放在質構儀載物臺上進行測定，每個樣品平行測定5次，去掉結果中的最大值和最小值，其余3個數值的平均值為最后結果。

使用質構分析儀利用TPA方法測定時具體參數設置如下：

測試前速度：1.00 mm/s；測試中速度：1.00 mm/s；測試后速度：10.00 mm/s；形變量：90%；時間：5.00 s；壓力：5.0 g[9]。

米飯的質構特性有很多，本文將影響人們對米飯食用口感評價比較重要的咀嚼感作為紅薯米品質考察指標。

1.4數據處理方法

在Excel軟件上處理數據，在Origin軟件上繪制圖表。

2 實驗及結果分析

2.1 單因素實驗及結果分析

2.1.1 螺桿轉速對壓力和紅薯米咀嚼感的影響

固定擠壓糊化溫度(IV區)為110 ℃，水分含量為31%，設定螺桿轉速分別為110 r/min、120 r/min、130 r/min、140 r/min、150 r/min，考察螺桿轉速對壓力和紅薯米咀嚼感的影響，結果如圖1和圖2所示。

圖1 螺桿轉速對壓力的影響

圖2 螺桿轉速對咀嚼感的影響

從物料的流動模型分析，能夠增加物料流動動力或流動阻力的因素都將增加擠壓的壓力[10]。在一定范圍內，增加螺桿轉速，會增加物料流動動力，使擠壓模頭壓力增大。由圖1可看出,當螺桿轉速從110 r/min升至130 r/min時，壓力逐漸減小，這是因為當螺桿轉速較低時，影響物料流動阻力的因素占主導；隨著轉速升高，機筒填充程度減小，物料停留時間減少，停留時間分布范圍窄，反應進行不徹底，致使到達模口的物料黏度降低，模口壓力也隨之降低。隨著螺桿轉速繼續升高，物料在擠壓機腔體內的流動動力成為了主導因素，物料流動動力增大，致使模口壓力增大。當螺桿轉速由140 r/min升至150 r/min時，壓力值呈現小幅度降低，這是因為物料流動動力和物料在腔體內淀粉糊化及蛋白質變性反應綜合作用的結果。

碎米粉、紅薯粉的主要成分是淀粉，在擠壓過程中，淀粉受到擠壓機腔體內高溫高壓及強大的機械剪切力，其分子間的氫鍵極容易斷裂，使淀粉發生糊化反應，最終對產品口感產生影響[11]。由圖2可看出，隨著螺桿轉速不斷升高，紅薯米咀嚼感呈現先增大后減小的趨勢，在螺桿轉速為140 r/min達到最佳值。這是因為當螺桿轉速較低時，物料在腔體內所受的剪切力強度是影響紅薯米品質的重要原因。隨著轉速的增大，物料所受的剪切力越大，蛋白質的變性程度越大，紅薯米的咀嚼感增大。當螺桿轉速較高的時候，物料的停留時間成為了主導因素，由于物料停留時間的減小，淀粉糊化程度降低，蛋白質變性不徹底，使得紅薯米的咀嚼感降低。

因為必須在模口內維持足夠的壓力才能使腔體內融熔體均勻連續地通過模口成型，故模頭壓力既不能太大也不能太小[12]，結合咀嚼感選擇螺桿轉速140 r/min左右為最佳。

2.1.2 擠壓糊化溫度對壓力和紅薯米咀嚼感的影響

固定螺桿轉速為130 r/min，水分含量為31 %，設定擠壓糊化溫度分別為90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃、130 ℃，考察擠壓糊化溫度對壓力和紅薯米咀嚼感的影響，結果如圖3和圖4所示。

圖3 擠壓糊化溫度對壓力的影響

紅薯粉和碎米粉的主要成分是淀粉，擠壓糊化溫度是對糊化程度影響最大的因素，能夠影響淀粉的糊化和蛋白質的變性[13]。由圖3可以看出，隨著擠壓糊化溫度的升高，模頭壓力不斷增大，這是因為溫度較低時分子的熱運動強度不大，物料所受到的剪切力不大，而糊化需較大的剪切應力，隨著溫度不斷升高，物料繼續在螺桿的推力作用下前進，摩擦力與剪切力增大，腔體內溫度升高，壓力也逐漸增大，物料達到熔融狀態，使淀粉更徹底地糊化并使蛋白質變性。事實上擠壓糊化溫度對壓力的影響受其它過程參數的交互作用較大，各參數不是孤立的，它們相互作用，如物料水分含量較高時，可以設置較低的螺桿轉速或較高的擠壓溫度；擠壓溫度較高時，可以設置較高的螺桿轉速。

圖4 擠壓糊化溫度對咀嚼感的影響

由圖4可以看出，隨著擠壓糊化溫度升高，紅薯米的咀嚼感呈現不斷升高的趨勢，這是因為隨著糊化溫度升高，物料中的淀粉糊化程度和蛋白質變性程度均不斷增加，使得紅薯米的咀嚼感不斷升高。

綜合考慮上述分析，選擇擠壓糊化溫度120～130 ℃為最佳。

2.1.3 水分含量對壓力和紅薯米咀嚼感的影響

固定螺桿轉速為130 ℃，擠壓糊化溫度(IV區)為110 ℃，設定水分含量分別為27%、29%、31%、33%、35%，考察水分含量對壓力和紅薯米咀嚼感的影響，結果如圖5和圖6所示。

圖5 水分含量對壓力的影響

由圖5可看出，隨著水分含量的不斷增加，壓力呈下降趨勢，這是因為水分含量是決定熔融體黏度的關鍵因素[14]，當其它過程參數保持恒定時，隨著物料含水量的增加，熔融體黏度降低，壓力也減小。一方面水分也相當于粘合劑使物料結合，水分含量過大，物料被潤滑，容易擠出，因此使壓力減小；另一方面腔體內過多的水分會在模口處汽化而帶走大量熱量，機筒及模口處溫度下降，導致在模口處很難形成高溫高壓環境。

圖6 水分含量對咀嚼感的影響

由圖6可看出，隨著物料水分含量從27%升至29%，紅薯米的咀嚼感顯著減小，隨著水分含量繼續增加，咀嚼感趨于平穩。這是因為一方面隨著物料水分含量增大，淀粉在擠壓機內所受的剪切強度降低，對破壞淀粉分子間氫鍵的作用減弱，糊化程度減小；另一方面，隨著水分含量增大，物料流動性增大，由于摩擦系數過小，在擠壓機中難以被螺桿推動，形成“打滑”，機筒內壓力過小，影響物料糊化[15]，最終影響紅薯米的品質，使咀嚼感減小。

綜合考慮上述分析，選擇水分含量27%～29%為最佳。

2.2 正交實驗及結果分析

由單因素實驗結果，選取三因素最佳范圍的3個水平，進行L9(33)正交實驗，對實驗結果進行極差分析，得到最佳的生產工藝參數。正交實驗因素水平表見表1，正交實驗結果和極差分析見表2。

由表2繪制正交試驗結果中因素與壓力和紅薯米咀嚼感的關系(如圖7和圖8所示)。由圖7可看出，隨著螺桿轉速和水分含量的升高，壓力呈現下降趨勢，與單因素趨勢吻合；隨著擠壓糊化溫度的升高，壓力先下降后上升，這可能是因為低水分物料的影響，使模頭壓力隨擠壓糊化溫度升高而降低的[16]。由圖8可看出，隨著螺桿轉速和水分含量的升高，紅薯米的咀嚼感呈現上升趨勢，與單因素趨勢吻合；隨著擠壓糊化溫度的升高，咀嚼感先上升后小幅度降低，與單因素基本吻合。綜合考慮系統穩定性和紅薯米咀嚼感，即壓力越小，咀嚼感越大對應的工藝參數為最佳，故選擇A3B2C3為最佳工藝參數。

表1 正交實驗因素水平表Tab.1 Factors and levels table for orthogonal test

水平因素螺桿轉速A /r·min-1擠壓糊化溫度B/℃水分含量C/%113512027214012528314513029

表2 正交實驗結果和極差分析Tab.2 Results and range analysis for orthogonal test

試驗號ABC壓力/MPa咀嚼感111111.001 319.6021229.481 449.8131339.101 472.95421210.001 608.6552238.842 322.67623110.771 788.1373138.832 306.3883219.582 171.8493329.752 613.40K129.584 242.3729.835 234.6431.355 279.58K229.615 719.4527.905 944.3329.235 671.87K328.167 091.6429.625 874.4926.776 102.01k19.861 414.129.941 744.8810.451 759.86k29.871 906.489.301 981.449.741 890.62k39.392 363.889.871 958.168.922 034.00R0.48949.750.64236.561.53274.14主次順序RC>RB>RARA>RC>RB最優組合A3B2C3A3B2C3

圖7 正交實驗中因素與壓力的關系

圖8 正交實驗中因素與咀嚼感的關系

由表2極差分析可以看出，對于模頭壓力，RC>RB>RA，即3個因素對擠壓復配紅薯米系統模頭壓力影響的順序為：水分含量>擠壓糊化溫度>螺桿轉速；對于紅薯米咀嚼感，RA>RC>RB，即3個因素對擠壓復配紅薯米咀嚼感影響的順序為：螺桿轉速>水分含量>擠壓糊化溫度。由正交試驗結果可得，擠壓工藝各因素各水平最優組合為A3B2C3。即紅薯米擠壓工藝的最佳條件為：擠壓機螺桿轉速145 r/min，擠壓糊化溫度125 ℃，水分含量29%。

3 結束語

本文通過單因素實驗和正交實驗，研究了雙螺桿擠壓機在擠壓紅薯全粉復配營養米過程中，操作工藝參數對系統壓力和紅薯米質構特性中咀嚼感的影響，并對實驗結果進行了分析。

擠壓工藝參數中，螺桿轉速、擠壓糊化溫度、水分含量均對系統壓力和咀嚼感有較大影響，在本實驗參數條件下，系統壓力隨著螺桿轉速的升高先下降后升高復下降，隨著擠壓糊化溫度升高而升高，隨著水分含量升高而降低，系統壓力受各種參數及物料本身的綜合影響，作用較為復雜；紅薯米咀嚼感隨著螺桿轉速的升高先升高后降低，隨著擠壓糊化溫度的升高而上升，隨著水分含量的升高而下降。對于系統壓力，水分含量的影響最大，擠壓糊化溫度次之，螺桿轉速影響最小；對于紅薯米咀嚼感，螺桿轉速影響最大，水分含量次之，擠壓糊化溫度影響最小。

通過單因素實驗和正交實驗，優選出最佳操作工藝參數為：擠壓機螺桿轉速145 r/min，擠壓糊化溫度125 ℃，水分含量29%，此工藝條件下營養米質構特性中咀嚼感最好，壓力也最小，該理論可用于指導生產實踐。