二級擠壓工藝對方便米粉品質的影響

張星燦，劉 建，楊 健，華苗苗，任元元，吳 淼，鄒 育，康建平?

（1. 四川省食品發酵工業研究設計院，四川 成都 611130；2. 四川東方主食產業技術研究院，四川 成都 611130）

米粉以大米為主要原料，經由浸泡、粉碎或磨漿、糊化、擠絲（或切條）等一系列工序制成的細條狀或扁寬狀米制品，在我國米制品中占有重要的地位[1]；方便米粉作為米粉的重要衍生產品是指經過干燥能夠長期保存的開袋復水3～5 min即可食用的米粉，是米粉發展的一種趨勢[2]。

目前方便米粉的研究多集中于原料特性與加工適應性[3-7]、原料制粉工藝[8]、成型工藝[9-10]、干燥工藝[11-13]以及方便米粉品質[14-15]等的研究。方便米粉的生產工藝多采用傳統濕法自熟擠絲方式生產，該工藝存在老化時間長、不穩定、自動化程度較低、環境差、干燥定型難等問題。本研究吸收了非油炸方便面生產在熟化與成型方面的優勢，將二級擠壓工藝應用于方便米粉加工，系統的研究方便米粉品質與二級擠壓工藝關鍵參數之間的相關性。

本實驗主要從一級/二級擠壓機筒溫度、一級/二級擠壓螺桿轉速、喂料速度、模板孔徑等二級擠壓工藝關鍵參數對方便米粉產品的蒸煮品質、感官評分的影響，并結合響應面模型設計對方便米粉品質和二級擠壓工藝關鍵參數進行擬合并優化，以期對后續方便米粉加工工藝的研究以及方便米粉工業化連續生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要原輔料

陳米（3年）：綿陽仙特米業有限公司；玉米淀粉：市場采購。

1.2 實驗儀器

方便米粉二級擠壓生產線：圣昌達機械（天津）有限公司；質構儀：上海騰拔儀器科技有限公司。

1.3 實驗工藝與設計

1.3.1 方便米粉制作工藝

以陳米（3年，蛋白質含量8.67%，直鏈淀粉含量22.56%）為主要原料，經粉碎（80目篩）后，與玉米淀粉按 9:1混合、調濕，在高溫條件下進行一級熟化，再經由低溫條件下進行二級成型，后經過波紋成型、冷卻、定量切分、蒸煮、熱風干燥（50 ℃，1 h，干燥后樣品水分含量8.4%）、包裝等工序完成樣品制備。具體工藝如下：

大米→粉碎→和料→一級擠出熟化→二級擠出成型→波紋成型→冷風冷卻→定量切分→蒸煮→熱風干燥→包裝→成品入庫

1.3.2 實驗設計

1.3.2.1 一級擠壓機筒溫度的單因素實驗 在前期預實驗的基礎上，設定二級擠壓機筒溫度40 ℃，一級擠壓螺桿轉速30 Hz（設備最大轉速970 r/min，最大頻率50 Hz），二級擠壓螺桿轉速20 Hz（設備最大轉速970 r/min，最大頻率50 Hz），喂料速度12 Hz（最大喂料速度150 kg/h，最大頻率50 Hz），模板孔徑0.7 mm的基礎上，改變一級擠壓機筒溫度為160、165、170、175、180 ℃進行單因素實驗。

1.3.2.2 二級擠壓機筒溫度的單因素實驗 在1.3.2.1的基礎上，維持一級擠壓螺桿轉速30 Hz，二級擠壓螺桿轉速20 Hz，喂料速度12 Hz，模板孔徑0.7 mm不變，調整一級擠壓機筒溫度為175 ℃，改變二級擠壓機筒溫度為30、35、40、45、50 ℃進行單因素實驗。

1.3.2.3 一級擠壓螺桿轉速的單因素實驗 在1.3.2.2的基礎上，維持一級擠壓機筒溫度為175 ℃，二級擠壓螺桿轉速20 Hz，喂料速度12 Hz，模板孔徑0.7 mm不變，調整二級擠壓機筒溫度為40 ℃，改變一級擠壓螺桿轉速為24、26、28、30、32 Hz進行單因素實驗。

1.3.2.4 二級擠壓螺桿轉速的單因素實驗 在1.3.2.3的基礎上，維持一級擠壓機筒溫度為175 ℃，二級擠壓機筒溫度40 ℃，喂料速度12 Hz，模板孔徑0.7 mm不變，調整一級擠壓螺桿轉速為30 Hz，改變二級擠壓螺桿轉速為16、18、20、22、24 Hz進行單因素實驗。

1.3.2.5 喂料速度的單因素實驗 在1.3.2.4的基礎上，維持一級擠壓機筒溫度為175 ℃，二級擠壓機筒溫度40 ℃，一級擠壓螺桿轉速30 Hz，模板孔徑 0.7 mm不變，調整二級擠壓螺桿轉速為20 Hz，改變喂料速度為 8、10、12、14、16 Hz進行單因素實驗。

1.3.2.6 模板孔徑的單因素實驗 在1.3.2.5的基礎上，維持一級擠壓機筒溫度為175 ℃，二級擠壓機筒溫度40 ℃，一級擠壓螺桿轉速30 Hz，二級擠壓螺桿轉速為20 Hz不變，調整喂料速度為12 Hz，改變模板孔徑為 0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm進行單因素實驗。

1.3.2.7 響應面實驗設計 在單因素實驗的基礎上，選取合適范圍的一級擠壓機筒溫度、二級擠壓機筒溫度、一級擠壓螺桿轉速、二級擠壓螺桿轉速、喂料速度、模板孔徑為自變量，每個變量3個水平，通過 Box-Behnken實驗設計，建立方便米粉二級擠壓工藝參數對方便米粉感官評價影響的數學模型，確定方便米粉最佳二級擠壓工藝參數，Box-Behnken實驗變量設計如表1所示。

表1 Box-Behnken實驗變量設計表Table 1 Box-Behnken experimental variable design table

1.4 實驗方法

1.4.1 方便米粉蒸煮品質測定

1.4.1.1 復水時間測定 取10 cm長的方面米粉絲約20 g，加入到600 mL的煮沸蒸餾水中，保持微沸狀態，觀察方便米粉復水狀態，在米粉快完全復水時每隔10 s取一段米粉夾在兩塊透明的玻璃塊中間進行輕輕按壓，當米粉硬芯或白芯消失米粉軟化后認為方便米粉已完全復水，記錄時間t[16-17]。

1.4.1.2 斷條率的測定 選擇20根約20 cm長的方便米粉，在500 mL沸水中蒸煮方法1.4.1.1中所測方便米粉樣品對應復水時間t，然后將米粉樣品撈起淋水、瀝水，記錄10 cm以上的米粉條數（x1），按公式進行斷條率的計算[18]：

式中：x1：完全復水以后 10 cm以上的米粉條數。

1.4.1.3 蒸煮損失率測定 將20 cm長的方便米粉m1(約10 g)，用150 mL沸水中蒸煮方法1.4.1.1中所測方便米粉樣品對應復水時間t，撈出，用50 mL蒸餾水淋洗30 s，將洗液一并轉入燒杯，放在電爐上將大部分水煮干后，于105 ℃烘箱中烘干至恒重，稱量得到水中固形物質量m2，按照下式計算方便米粉蒸煮損失率[19]。

式中：R：蒸煮損失率，%；M：方便米粉含水量，%；m1：20 cm長方便米粉質量，g；m2：方便米粉溶入水中固形物質量，g。

1.4.2 方便米粉感官評價

采用15人盲評法，由15名經過訓練對感官評價有經驗的人員組成評價小組，根據表2對本實驗方便米粉進行評分。

1.4.3 方便米粉質構特性測定

方便米粉 TPA測定方法[21]：取面條樣品20～30根，放入盛有500 mL蒸餾水沸水的燒杯中，加蓋靜置方法1.4.1.1中所測方便米粉樣品對應復水時間t，立即將面條撈出，瀝干水分后進行質構特性測定。測定方法按TPA實驗法進行，測定參數見表 3，測定指標為：硬度、彈性、回復性、咀嚼性；測量在10 min內完成，每個樣品重復6次平行實驗。

方便米粉拉伸實驗[22]：采用的質構儀探頭P/SPR面條拉伸裝置，參數設定如下：測前速度1 mm/s；測試速度3.0 mm/s；測后速度5 mm/s；引發力5 g；拉伸距離15 mm。

表2 感官評分指標[20]Table 2 sensory score index [20]

表3 質構儀操作參數Table 3 Operating parameters of texture analyzer

1.5 數據分析

采用統計軟件 Excel2016、SPSS20.0軟件、Design-expert8.0.6進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 一級擠壓機筒溫度對方便米粉品質的影響在本實驗所采用的方便米粉擠壓工藝中，一級擠壓機主要作用是物料熟化，而一級擠壓機筒的溫度則是控制物料熟化的主要因素。由圖1可知，米粉蒸煮損失率隨著一級擠壓機筒溫度升高而逐漸降低；斷條率則隨一級擠壓機筒溫度升高先降低再上升，峰值出現在175 ℃，此時感官評分也較高。機筒溫度的高低直接影響淀粉的糊化效果，溫度較低會導致淀粉糊化不完全，米粉凝膠網絡形成效果差，易斷條[16]；而溫度升高，雖然能提高米粉的糊化效果，但過高的溫度則會使物料在過度熟化的同時伴隨水分的大量汽化，導致在米粉擠出時，隨著壓力變化而膨化，米粉絲含有大量氣孔，導致方便米粉極易斷條。

圖1 一級擠壓機筒溫度對方便米粉品質的影響Fig. 1 Effect of temperature of the first stage extruder barrel temperature on the quality of instant rice noodles

2.1.2 二級擠壓機筒溫度對方便米粉品質的影響

二級擠壓機的主要作用是在一級擠壓機熟化的基礎上讓米粉成型，其中機筒溫度同樣是影響米粉成型的主要因素之一。由圖2可知，隨著二級機筒溫度的升高，米粉斷條率、蒸煮損失率先降低后呈上升趨勢，二級擠壓機筒溫度太低，米粉易老化導致斷條，使蒸煮損失率升高；溫度過高，則影響一級擠出物料降溫效果，導致擠出成型米粉發生膨化，使米粉蒸煮損失率、斷條率的升高。感官評分峰值出現在二級機筒溫度40 ℃，此時米粉品質相對較好。

圖2 二級擠壓機筒溫度對方便米粉品質的影響Fig. 2 Effect of temperature of the second stage extruder barrel temperature on instant rice noodle quality

2.1.3 一級擠壓螺桿轉速對方便米粉品質的影響

擠壓機螺桿的轉動可傳輸物料，為物料提供攪拌、混合和剪切等動力，使物料在各種外力作用下摩擦生熱，進而糊化。由圖3可知，隨著一級擠壓螺桿轉速的加快，米粉的蒸煮損失率、斷條率均呈現先降低后升高的趨勢，感官評分峰值出現在一級螺桿轉速為30 Hz時。擠壓機螺桿轉速的快慢直接影響物料在擠壓機筒內的停留時間，進而影響物料的熟化程度。在合適的溫度條件下，過快的轉速，使物料停留時間短而不能充分糊化，導致產品夾生不能成型，易斷條；螺桿轉速過慢，物料停留時間增加，充分糊化后的物料在出料時，因溫度和壓力驟變，而發生過度膨化，使物料中出現大量氣孔，也會導致米粉極易斷條。

圖3 一級擠壓螺桿轉速對方便米粉品質的影響Fig. 3 Effect of the first stage extruder screw speed on the quality of instant rice noodles

2.1.4 二級擠壓螺桿轉速對方便米粉品質的影響

二級擠壓機主要用于方便米粉的成型，不同于一級擠壓螺桿，二級擠壓螺桿前段擁有約 2/3的螺紋加密區，能提供更強的攪拌、混合和剪切等動力，進—步均化物料以及排出物料在一級擠壓機熟化過程中產生的氣體，最后定量、定壓地由機頭模板通道均勻擠出，使米粉成型。由圖 4可知，同一級擠壓螺桿轉速相同，伴隨著二級擠壓螺桿轉速的提高，方便米粉的斷條率和蒸煮損失率先減小后增大，感官評分的變化趨勢則相反，峰值出現在二級擠壓螺桿轉速20 Hz處。

圖4 二級擠壓螺桿轉速對方便米粉品質的影響Fig. 4 Effect of the second stage extruder screw speed on the quality of instant rice noodles

2.1.5 喂料速度對方便米粉品質的影響

喂料速度決定粉料在擠壓腔內的充實程度，進而影響物料在擠壓腔中受到擠壓摩擦力、升溫速率、擠壓壓力、剪切力等，最終影響米粉的凝膠效果及生產速率[23]，同時喂料速度也決定一級、二級兩級擠壓腔之間的給料連續程度。由圖5可知，隨著喂料速度的增加，米粉斷條率先減小后增大，米粉蒸煮損失率亦然，而感官評分的變化則相反，峰值均出現在喂料速度12 Hz處。喂料速度的增加，初始能逐漸讓擠壓腔內的物料隨著螺桿轉動產生更佳的擠壓摩擦力、升溫速率、擠壓壓力、剪切力等，有利于物料凝膠以及提高生產速率；但隨著喂料速度的持續上漲，在同等的螺桿轉速下物料增多，會加速物料的擠出而在擠壓腔中停留時間減少，導致米粉糊化度不夠，物料團松散，最終會導致物料在擠壓腔內無法充分糊化而流動性下降，進而造成物料的大量堆積而堵塞擠壓腔。

圖5 喂料速度對方便米粉品質的影響Fig. 5 Effect of feeding speed on the quality of instant rice noodles

2.1.6 模板孔徑對方便米粉品質的影響

模板孔徑直接影響米粉的成型效果與復水性。由圖6可知，模板孔徑對蒸煮損失率幾乎沒有影響；模板孔徑太小（0.6 mm），米粉太細擠出成型后失水過快，會增加米粉的斷條率，而模板孔徑太大（1.0 mm）擠出米粉過粗，中心復水不足而斷條，也會影響方便米粉的最終復水時間。感官評分的峰值出現在模板孔徑0.7 mm處，此時米粉的斷條率和蒸煮損失率均處于一個較低的水平，對米粉的食用品質影響最低。

圖6 模板孔徑對方便米粉品質的影響Fig. 6 Effect of template aperture on the quality of instant rice noodles

2.2 二級擠壓工藝響應面優化實驗

2.2.1 實驗回歸模型

根據單因素實驗結果，采用6因素3水平進行Box-Behnken實驗設計（因素水平見表1），得到54個實驗組合點，實驗方案與結果見表4。

應用Design-Expert8.0.7軟件對表4實驗結果進行多元回歸擬合分析，可得到感官評價（Y）與各因素A、B、C、D、E、F之間的二次多項模型：

回歸方程方差分析結果見表5。

由表5可知，根據F值和P值，因素對產品感官評分（Y）的影響依次為

A2>A>E2>F2>E>D2>C2>B2>CE>C>AE>BC>DF>B>CD>EF>AF>DE>CF>AD>F>AB>BE>BD>BF>D>AC，其中因素A、E、A2、B2、C2、D2、E2和F2影響極顯著（P<0.01），C、AE、CE影響顯著（P<0.05），其余因素影響不顯著（P>0.05）。該回歸模型P<0.01，表明該方程模型極顯著；模型失擬項不顯著（P=0.098 2>0.05），即該方程擬合較好；信噪比RSN=14.649 2大于4，說明模型設計合理，可用于預測。

表5 回歸模型方差分析及顯著性檢驗Table 5 Analysis of variance and significance test of regression model

2.2.2 交互作用對感官評價的影響

根據回歸分析的結果和已建立的數學模型，繪制影響顯著因素的響應面和等高線圖。

圖 7～8響應面（RSN）分析是方便米粉感官評價對應選取合適范圍的一級擠壓機筒溫度A（℃）、一級擠壓螺桿轉速B（Hz）、喂料速度E（Hz）為自變量構成的響應面曲面圖，可以直觀的反映各自變量對方便米粉感官評價的影響。由圖可知AE交互作用中一級擠壓機筒溫度的作用大于喂料速度；CE交互作用中喂料速度的作用大于一級擠壓螺桿轉速。

2.2.3 最適擠壓工藝參數及驗證實驗

圖7 AE交互作用響應面和等高線Fig. 7 AE interaction response surface and contour

圖8 CE 交互作用響應面和等高線Fig. 8 CE interaction response surface and contour

對Design-Expert分析得到的優化回歸方程求解極大值，結果表明，當擠壓工藝參數為一級擠壓機筒溫度172.55 ℃、二級擠壓機筒溫度39.13 ℃、一級擠壓螺桿轉速 30.35 Hz、二級擠壓螺桿轉速19.96 Hz、喂料速度11.80 Hz，模板孔徑0.7 mm，得到感官評價為90.53分。

為驗證方案的有效性，結合實際情況，在擠壓工藝參數為一級擠壓機筒溫度為173 ℃、二級擠壓機筒溫度39 ℃、一級擠壓螺桿轉速30 Hz、二級擠壓螺桿轉速20 Hz、喂料速度11.8 Hz，模板孔徑0.7 mm的條件下進行3次重復驗證實驗，感官評價為 91.04分，標準偏差為 0.46，在模型標準誤差1.45允許范圍內，采用響應面Box-Behnken優化獲得的方便米粉擠壓工藝參數準確可靠，對工業化生產具有實際的指導意義。

2.3 二級擠壓方便米粉的品質分析

采用響應面優化實驗得到的最佳工藝條件制備方便米粉樣品，與選取的市售暢銷品牌方便米粉樣品進行食用品質與質構特性的對比。實驗方便米粉樣品與市售方便米粉樣品按測試要求沖泡后，分別測試其斷條率、蒸煮損失率、感官評價等食用品質與硬度、咀嚼性、彈性、回復性等質構特性，并進行對比分析，結果如下表。

由表 6可知，在方便米粉實驗樣品與市售樣品品質對比分析中，在同等實驗條件下，實驗樣品的斷條率、蒸煮損失率低于2種市售樣品；咀嚼性、回復性高于2種市售樣品，彈性、硬度、復水時間以及感官評分均介于 2種市售樣品之間，與市售樣相差不大。所以，本工藝加工的方便米粉綜合品質良好，滿足上市的要求。

表6 實驗樣品與市售方便米粉樣品品質對比Table 6 Comparison of quality between experimental samples and commercial rice flour samples

3 結論

通過單因素及響應面優化實驗設計，系統研究方便米粉二級擠壓工藝關鍵參數一級/二級擠壓機筒溫度、一級/二級擠壓螺桿轉速、喂料速度、模板孔徑對方便米粉品質的影響，結果表明：

工藝參數的優化能在一定范圍內提升方便米粉的品質，其中一級擠壓機筒溫度、一級擠壓轉速、喂料速度對方便米粉斷條率、蒸煮損失率、感官評分等食用品質影響顯著。

方便米粉二級擠壓最優工藝為一級擠壓機筒溫度173 ℃、二級擠壓機筒溫度39 ℃、一級擠壓螺桿轉速30 Hz、二級擠壓螺桿轉速20 Hz、喂料速度11.8 Hz，模板孔徑0.7 mm。加工的方便米粉感官評分93.31，斷條率3.09%，蒸煮損失率3.11%，復水時間350 s，綜合品質良好，達到市售產品品質，可為方便米粉工業化連續生產提供參考。