響應面法優化菊芋粉擠出改性工藝

劉靜雪，高婷婷，李鳳林，謝天，姜麗冬，曾英男

1. 吉林農業科技學院食品工程學院（吉林 132101）；2. 吉林省釀造技術科技創新中心（吉林 132101）；3. 農業農村部國家糖料加工技術研發分中心（吉林 132101）

菊芋（Helianthus tuberosus）為菊科向日葵屬，又名鬼子姜或洋姜[1-2]。菊芋果實中含有18%～20%的碳水化合物，其中有80%的碳水化合物為果聚糖。菊芋是一種多功能植物，具有廣泛的開發價值和市場空間。目前國內外關于菊芋的研究主要集中于菊芋種植條件的研究及應用現代生產技術對菊芋進行深加工兩個方面[3]。前者主要是研究菊芋在鹽堿地和沙漠等較艱苦環境下的種植，后者主要研究菊芋用于生產菊粉、乙醇等[4]。雙螺桿擠出改性技術被廣泛應用于食品加工及開發行業。在擠出過程中，物料在擠壓腔內經過高溫高壓高剪切力的作用，物理化學性質發生一系列改變，經過擠出改性的食品具有營養成分損失較少，利于消化吸收等優點[5-7]。雙螺桿擠出改性工藝相對于其他改性工藝具有生產效率高、占地面積小、勞動力大大減少等優點[8]。研究以菊芋粉為原料，采用雙螺桿擠出機進行擠出改性，研究擠出改性工藝對菊芋粉可溶性膳食纖維含量的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菊芋（金川縣綠生食品有限責任公司）；α-淀粉酶（南寧龐博生物工程有限公司）；蛋白酶（山東信源生物科技有限公司）；葡萄糖苷酶（上海金穗生物科技有限公司）；乙醇（四川金山制藥有限公司）。

1.2 儀器與設備

SLG-30型雙螺桿擠出機（濟南賽百諾機械設備有限公司）；BZF-50型真空干燥箱（上海鼎科科學儀器有限公司）；FA-2204C型分析天平（上海佑科儀器有限公司）；MB-45型快速水分測定儀（美國奧豪斯儀器有限公司）；篩子（紹興市上虞張興紗篩廠）；LK1000A型粉碎機（上海隆拓儀器設備有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 菊芋粉的制備

（1）預處理。將菊芋洗凈，切成薄厚均勻的薄片，放入真空干燥箱內烘干，直至菊芋片內水分降至8%以下，將其取出，冷卻備用。

（2）粉碎和篩分。將上述烘干后的菊芋片稱重，分成5份，用粉碎機分別粉碎，分別過孔徑為100，120，140，160和180 μm的篩子，取篩下物備用。

（3）菊芋粉的調配。取上述制備好的菊芋粉，分別加入適量水至水分含量在22%～30%之間，備用。

1.3.2 菊芋粉擠出改性工藝流程

1.3.3 菊芋改性粉單因素試驗

1.3.3.1 菊芋粉粒度對菊芋改性粉SDF含量的影響

在水分添加量26%、擠出溫度160 ℃、螺桿轉速20 Hz的條件下，設置菊芋粉粒度，分別為100，120，140，160和180 μm，以菊芋改性粉SDF含量為考核指標，考察菊芋粉粒度對菊芋改性粉SDF含量的影響。

1.3.3.2 水分添加量對菊芋改性粉SDF含量的影響

在擠出溫度160 ℃、菊芋粉粒度140 μm、螺桿轉速20 Hz的條件下，設置水分添加量，分別為22%，24%，26%，28%和30%，以菊芋改性粉SDF含量為考核指標，考察水分添加量對菊芋改性粉SDF含量的影響。

1.3.3.3 螺桿轉速對菊芋改性粉SDF含量的影響

在水分添加量26%、擠出溫度160 ℃、菊芋粉粒度140 μm的條件下，設置螺桿轉速，分別為16，18，20，22和24 Hz，以菊芋改性粉SDF含量為考核指標，考察螺桿轉速對菊芋改性粉SDF含量的影響。

1.3.3.4 擠出溫度對菊芋改性粉SDF含量的影響

在水分添加量26%、菊芋粉粒度140 μm，螺桿轉速20 Hz的條件下，設置擠出溫度，分別為150，155，160，165和170 ℃，以菊芋改性粉SDF含量為考核指標，考察溫度對菊芋改性粉SDF含量的影響。

1.4 菊芋改性粉生產工藝參數優化

根據單因素試驗結果，為進一步確定工藝參數，以菊芋粉粒度、水分添加量、螺桿轉速、擠出溫度作為因素，每1個因素選擇3個水平進行試驗，并且以菊芋改性粉SDF含量作為試驗的考核指標，利用響應面軟件設計四因素三水平試驗，并進行數據的處理及分析，從而確定最佳工藝參數。試驗因素及水平見表1。

1.5 菊芋改性粉SDF含量測定

采用酶解-重量法測定菊芋改性粉的SDF含量，首先用α-淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖苷酶進行酶解，過濾，濾液用一倍體積乙醇進行沉淀過濾，干燥，即可得到可溶性膳食纖維殘渣，再按式（1）計算出菊芋改性粉SDF含量。

式中：y為SDF含量，%，m1為SDF質量，mg；r1為纖維的含水率，%；m2為菊芋改性粉質量，mg；r2為菊芋改性粉含水率，%。

2 結果與分析

2.1 菊芋改性粉單因素試驗

2.1.1 菊芋粉粒度對菊芋改性粉SDF含量的影響

由圖1可以看出，隨著菊芋粉粒度的增加，菊芋改性粉SDF含量先增大后減小。當菊芋粉粒度為120 μm時，菊芋改性粉的SDF含量較低；當菊芋粉粒度達到140 μm時，菊芋改性粉的SDF含量最高，為39.33%。出現菊芋改性粉SDF含量較低的原因可能是菊芋粉粒度較小時，菊芋粉微粒之間的空隙較小，空氣和水分的空間較小，菊芋粉和水分之間沒有完全均勻分布，改性程度較低，使菊芋改性粉SDF含量較低；菊芋粉粒度較大時，菊芋粉由于粒度較大，改性程度小，造成SDF含量太低。因此，最適宜的菊芋粉粒度為140 μm。

2.1.2 水分添加量對菊芋改性粉SDF含量的影響

由圖2可以看出，隨著水分含量的增加，菊芋改性粉的SDF含量先增大后減小，當水分添加量為26%時，SDF含量為39.21%，效果最好。原因可能是水分過低時，熱量全部被菊芋粉吸收。部分原料發生焦糊，部分焦糊原料影響到最終產品的SDF含量；水分過高時，菊芋粉的水分含量太大，會嚴重影響菊芋粉的組織狀態，過多的水分在擠出腔有限的長度內得不到有效蒸發，最終會影響菊芋改性粉SDF含量。因此，根據試驗研究，在菊芋改性粉SDF含量最大時候的原料水分添加量為26%。

圖2 水分添加量對SDF含量的影響

2.1.3 螺桿轉速對菊芋改性粉SDF含量的影響

由圖3可以看出，隨著擠出機螺桿轉速的增加，菊芋改性粉的SDF含量先增大再減小。當螺桿轉速為20 Hz時，菊芋改性粉SDF含量為38.85%，效果最好。原因是擠出機螺桿轉速太低時，擠出腔內的壓力較小，水蒸和空氣在到達擠出機擠出口的時候壓力變化不夠大，改性效果差。因此，確定螺桿轉速為20 Hz。

2.1.4 擠出溫度對菊芋改性粉SDF含量的影響

由圖4可以看出，隨著擠出溫度的增加，菊芋改性粉的SDF含量出現先增大后減小的現象。當擠出溫度為150 ℃時，菊芋改性粉的SDF含量較低，當擠出溫度達到160 ℃時菊芋改性粉的SDF含量最高，為39.25%。出現菊芋改性粉SDF含量較低的原因可能是在其他條件一定的情況下，當使用較低的擠出溫度時，淀粉糊化不徹底。當擠出溫度較高時，菊芋粉改性過度、出現氣泡，影響產品品質。因此，適宜的擠出溫度為160 ℃。

圖3 螺桿轉速對SDF含量的影響

圖4 擠出溫度對SDF含量的影響

2.2 菊芋改性粉生產工藝參數優化

根據單因素試驗結果，運用Box-Behnken試驗設計原理，以擠出溫度（A）、水分添加量（B）、螺桿轉速（C）、菊芋粉粒度（D）作為響應因素，以菊芋改性粉SDF含量（Y）為響應值設計試驗，試驗方案見表1，試驗結果見表2。

采用Design-Expert 8.0.6軟件對表2進行多元回歸擬合、方差分析及顯著性檢驗，得到以菊芋改性粉SDF含量Y為目標函數，關于各條件編碼值的二次回歸方程為：

Y=39.41+1.10A-0.33B+0.20C+0.22D+0.38AB-0.29AC-0.30AD-0.49BC-0.30BD-0.29CD-2.53A2-0.98B2-0.46C2-0.37D2

對該模型進行顯著性檢驗，方差分析見表3，模型的可信度分析見表4。由表3和表4可知，該模型p小于0.000 1，遠小于0.01，說明該模型極顯著，回歸模型與實際測定數值具有很好的擬合性，試驗誤差較小。綜上所述，該回歸方程可用于代替試驗真實值進行結果分析，其中R2=98.63%，預測值與實測值之間具有高度的相關性，顯示該方程具有較高可靠定。在回歸模型中，C、AC、AD、BD對響應值影響為顯著，A、B、D、AB、BC、A2、B2、C2、D2對響應值影響為極顯著。影響菊芋改性粉SDF含量的因素按照影響程度由大到小依次為：擠出溫度＞水分添加量＞螺桿轉速＞菊芋粉粒度。

表2 Box-Behnken中心組合試驗設計及結果

表3 菊芋改性粉工藝優化回歸方程方差分析表

表4 菊芋改性粉工藝優化回歸模型的可信度分析

2.3 優化菊芋改性粉擠出工藝參數

為進一步確定最佳參數，對擬合的回歸方程求分別一階偏導數，并令其為0，得到四元一次方程如下：

求解得：A=0.175、B=-0.223、C=0.204、D=0.236。即最佳工藝參數為擠出溫度160.88 ℃、水分添加量25.55%，螺桿轉速20.41 Hz，菊芋粉粒度144.7 μm。在此條件下菊芋改性粉SDF含量為39.59%。為了方便現實中的操作，將參數修正為擠出溫度161 ℃、水分添加量25%、螺桿轉速20 Hz、菊芋粉粒度145 μm。采用修正后的工藝參數進行3次驗證試驗，菊芋改性粉SDF含量為39.58%。

3 結論

菊芋改性粉的最佳工藝參數為菊芋粉粒度145 μm、水分添加量25%、螺桿轉速20 Hz、擠出溫度161℃。在此條件下，菊芋改性粉的SDF含量為39.58%。影響菊芋改性粉SDF含量的因素按照影響程度由大到小依次為擠出溫度＞水分添加量＞螺桿轉速＞菊芋粉粒度，菊芋粉經擠出改性處理后，SDF含量大大提高，為菊芋粉應用到健康食品提供參考。