響應面法優化擠壓膨化芡實工藝及結構表征分析

陳坤林，張文莉,吳少福，蔡志鵬，盧玉萍,袁蒙,曹瑜,沈勇根*

(1.江西農業大學 食品科學與工程學院，南昌 330045;2.九江職業技術學院 經濟管理學院，江西 九江 332007)

芡實為睡蓮科水生草本植物芡(EuryaleferoxSalisb.)的干燥成熟種仁，在植物學上被稱為歐洲黑麥草、狐貍堅果，又名雞頭米、雞頭子等[1]。始載于《神農本草經》，列為上品，性味甘平，具有補脾、止瀉、除濕、益腎固精之功效，素有“水中桂圓”的稱號。

芡實的產后加工與保鮮方法有干制、罐頭加工、速凍保鮮以及其他以芡實為原料的食品加工[2]。目前,芡實資源的綜合利用率低,精深加工產品較少,產品附加值低。國內芡實加工以干制品居多,罐藏和速凍保藏較少；初加工產品較多,深加工產品較少,產品附加值不高，芡實的大規模生產加工受到限制[3]。芡實原料本身的結構特征會影響芡實加工的最終產品性質，因此通過糊化方式改變芡實品質，從而提高芡實食品加工方式。淀粉的糊化方式有很多種，如常壓蒸煮、焙烤、擠壓膨化和酶解等，不同處理方式都會影響芡實的宏觀與微觀結構性質。其中擠壓膨化技術因具有占地少、效率高、連續性強等優點，在我國得到迅速的發展與推廣，并廣泛運用于雜糧加工行業[4]。擠壓膨化是一種新型的食品加工技術，集高壓、高溫和高剪切力于一體。原料在擠壓機中處于高壓下，并在通過模頭排出時突然下降到正常壓力。由于壓力急劇下降，材料被膨化成多孔結構，有利于粉末快速吸收水分[5]。膨化擠壓方式通過對植物性全粉晶型區域進行破壞，擴大了淀粉的非晶體區域從而改進淀粉的功能性，改善了粉體的沖調性能[6-7]。

膨化工藝日益成熟，膨化工藝作為現代化日趨完善的工藝加工方式，能夠促進食物的改良變性[8]。對于芡實擠壓膨化的加工工藝與結構表征方面鮮有報道。本文采用擠壓膨化技術處理芡實粉，研究擠壓處理對芡實粉的質構性質如糊化度、微觀結構表征的影響，并對擠壓芡實的感官進行評定，優化芡實的膨化工藝條件，改善芡實粉的沖調性能，為擴大芡實基礎原料發展奠定了基礎，也為未來對芡實相關產品附加值能得到較好提升鋪平了道路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

芡實：江西余干芡實產業園。

高速粉碎機 永康市鉑歐五金制品有限公司；電子天平 上海浦春計量儀器有限公司；電熱鼓風干燥機 上海一恒科學儀器有限公司；DSE30實驗型雙螺桿擠壓膨化機 山東力久特種電機股份有限公司；TA-XT Plus物性測試儀 英國Stable Micro System公司；FEI Quanta-250型掃描式電子顯微鏡(SEM) 美國FEI公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

芡實→精選→清洗→干燥→粉碎→過篩→高溫擠壓膨化→磨粉→包裝→成品。

1.2.2 注意事項

1.2.2.1 芡實的預處理

芡實應經過精選，精選過程中挑出壞粒；挑選過后放入超聲清洗器中用清水洗滌2次，洗去灰塵以及雜質；干燥過程中，將洗凈的芡實放入電熱鼓風干燥機，溫度為60 ℃，熱風干燥2 h；干燥后的芡實經磨粉過篩。

1.2.2.2 膨化擠壓參數的設定

擠壓膨化是由物料吸收熱量后的蛋白質變性和淀粉糊化完成，擠壓膨化的熱量來源于筒壁加熱，擠壓腔內的加熱區域由Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅲ區組成，經過預試驗測定及參照李廷渲的試驗方法，發現Ⅰ區、Ⅲ區對膨化芡實成型影響不大，由此設定膨化Ⅰ區、Ⅲ區溫度分別為 70，150 ℃，喂料速度為10 Hz，膜孔直徑為2.7 mm。

1.2.2.3 成型加工

成型后的芡實膨化顆粒經過磨粉過篩。

1.2.2.4 成品塑封

將調配好的芡實膨化粉放入保鮮包裝袋中，用封口機密封保存。

1.3 芡實膨化制作工藝

1.3.1 膨化工藝單因素試驗

以感官評分為指標，固定芡實目數100目、螺桿轉速145 r/min、Ⅱ區擠壓溫度150 ℃、水分添加量14%，考察物料濕度(4%、6%、8%、10%、12%)對芡實粉感官品質的影響；以感官評分為指標，固定物料濕度8%、螺桿轉速145 r/min、Ⅱ區擠壓溫度150 ℃、水分添加量14%，考察芡實目數(40，60，80，100，120目)對芡實粉感官品質的影響；以感官評分為指標，固定物料濕度8%、芡實目數100目、Ⅱ區擠壓溫度150 ℃、水分添加量14%，考察螺桿轉速(135，140，145，150，155 r/min)對芡實粉感官品質的影響；以感官評分為指標，固定物料濕度8%、芡實目數100目、螺桿轉速145 r/min、水分添加量14%，考察Ⅱ區擠壓溫度(130，135，140，145，155 ℃)對芡實粉感官品質的影響；以感官評分為指標，固定物料濕度8%、芡實目數100目、螺桿轉速145 r/min、Ⅱ區擠壓溫度150 ℃，考察芡實水分含量(5%、8%、11%、14%、17%)對芡實粉感官品質的影響。

1.3.2 響應面優化試驗

通過Box-Behnken試驗設計確定最佳芡實代餐粉感官評價組合。在單因素試驗的基礎上，選擇物料濕度(A)、螺桿轉速(B)、擠壓溫度(C)、芡實目數(D)4個因素，采用響應面試驗的方法優化芡實膨化粉工藝，以感官評分為響應值，Box-Behnken試驗設計見表1。

表1 Box-Behnken試驗因素與水平設計

1.4 評價方法

1.4.1 感官試驗

感官人員選擇：由10名食品專業學生組成感官評價小組，評價人員男女均占一半，各項感知能力均正常。感官評價因素：感官評分標準參考GB/T 10221-2012《感官分析 術語》[9]，確定從色澤、香味、口感、膨化程度、外觀5個方面進行評分， 每項權重各占0.2，整體認可度為每項感官評分乘以權重后的加和，感官評分標準見表2。

表2 感官評分標準

1.4.2 糊化度

參照梁寶丹等[10]的試驗方法進行測定。

1.5 結構表征分析

1.5.1 掃描電鏡測定

對象 選取北京協和醫院2016年6月至2018年5月符合以下標準的患者。納入標準：(1)經臨床及病理確診為TIO的患者；(2)99mTc-HYNIC-TOC SPECT顯像結果陰性。排除標準：具有低磷性骨軟化癥家族史；因原發性甲狀旁腺功能亢進、腎小管酸中毒、長期阿德福韋酯藥物使用史等其他可能原因致低磷骨軟化患者。共納入37例患者，其中男性22例、女性15例。平均年齡(44±13)歲(17～75歲)。本研究通過本院倫理委員會審查，所有患者檢查前均簽署知情同意書。

運用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察芡實膨化粉的表面和顆粒與顆粒之間間距及微觀結構。將樣品置于40 ℃干燥2 h，樣品干燥后取出并密封于封口袋中。將樣品用導電膠帶固定在載體上，并且用洗耳球吹勻樣品，為避免在電子束下充電，對樣品表面進行噴金(10 nm)處理[11]，加速電壓15 kV，用掃描電鏡放大100，400,600倍條件下觀察樣品粉體表面分布及其顆粒之間的距離遠近，顆粒大小均勻狀態。

1.5.2 質構分析測定

將芡實膨化的球體直接放在物性測定儀上。測定物質結構，選取了P50柱形探頭對膨化芡實球體的彈力、硬度、黏性等指標進行測定，參數設置為測試前速度5 mm/s，測試速度1 mm/s，測試后速度5 mm/s，往復進行2次測試，每個樣品測試8次，取得8次的平均值[12]。

1.6 數據處理

使用Design Expert 11.0進行Box-Behnken試驗設計及響應面試驗數據優化，通過SPSS 20.0進行數據分析，Origin 2019進行繪圖處理。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 物料濕度對芡實膨化感官品質的影響

由圖1可知，隨著物料濕度的增加，膨化后的芡實感官評分呈現先上升后下降的趨勢，而糊化度呈現快速上升的趨勢。物料濕度在6%～8%時，糊化度處于快速上升階段，糊化度為67.2%～82.5%；感官評分為73.2～84.2分。物料濕度較低時，芡實粉團過于干燥導致進入膨化管腔中，水分含量相對較低時，在擠壓過程中產生的水蒸氣較少[13]，粉體過于干燥進而通過高溫度區域時，擠壓無法成型，容易焦糊或炭化造成堵塞；水分添加量過多時，大量水分進入到膨化管腔中，水分汽化過多，腔體內壓力不穩，造成物料經過膨化后黏度過高，難以成型，故選取水添加量為8%。

圖1 物料濕度對芡實膨化感官評分的影響

由圖2可知，隨著膨化芡實原料目數的增加，膨化后芡實的糊化度與感官評分迅速升高，芡實目數在80～100目時，膨化芡實的感官評分與糊化度較高，分別為81.4～86.9分和92.7%～94.4%，當達到100目時，膨化芡實的糊化度與感官評分達到最大值，繼續提高目數，糊化度與感官評分略有下降。由此可知，當芡實目數過小時，顆粒過大造成膨化時容易堵塞壁腔，使芡實膨化的成型性不好，甚至無法成型，糊化不徹底。芡實目數過大，芡實顆粒過細碎，小顆粒聚集造成進入汽化室過多，則膨化的效果不佳。因此，當目數達到100目時，糊化充分，糊化度良好，黏度增加，膨化效果較好。

圖2 目數對芡實膨化感官評分的影響

2.1.3 螺桿轉速對芡實膨化感官品質的影響

由圖3可知，隨著螺桿轉速增加，膨化后的芡實膨化度與感官評分呈現先上升后下降的趨勢，螺桿轉速在140～145 r/min時，膨化芡實的感官評分與糊化度較高，分別在80.1～84分和90.8%～92.4%。在螺桿轉速達到145 r/min時，膨化度與感官評價都達到最佳水平。原因可能是螺桿轉速過低，物料所承受的剪切力作用低，并且膨化受熱時間較長，容易造成口感不佳。螺桿轉速過高，物料與膨化管壁之間的摩檫力和剪切力增加，受熱時間短，導致芡實膨化期間熟化不均勻[14]。所以，螺桿轉速為145 r/min時膨化效果好。

圖3 螺桿轉速對芡實膨化感官評分的影響

2.1.4 Ⅱ區溫度對芡實膨化感官品質的影響

由圖4可知，芡實膨化的糊化度與感官評分隨著Ⅱ區溫度的升高先上升后下降，Ⅱ區溫度在135～145 ℃時，膨化芡實的感官評分與糊化度較高，分別為79.2～84.4分和91.5%～94.4%。Ⅱ區溫度在140 ℃時糊化度與感官評分最佳。由于淀粉糊化和蛋白變性需要適宜的溫度，吸收足夠的能量，才能完成淀粉糊化和蛋白質變性[15]。芡實Ⅱ區膨化溫度過低，導致膨化過程中芡實粉受熱不足，膨化程度過低，蓬松感不足。Ⅱ區溫度過高，導致淀粉的分解程度大于淀粉的糊化程度，出現燒焦色度，顏色過黑，口感差[16]。因此，Ⅱ區溫度選用140 ℃時芡實膨化效果極佳。

圖4 Ⅱ區溫度對芡實膨化感官評分的影響

2.1.5 芡實顆粒內部水分含量對芡實膨化感官品質的影響

由圖5可知，芡實膨化的感官評分隨著芡實中水分含量的升高先持續升高后下降，而糊化度一直處于上升趨勢，芡實中的含水量在11%～17%時，膨化芡實的感官評分與糊化度較高，分別為81.2～82.4分和83.4%～90.8%。芡實中水分含量在14%時，感官評分最高。芡實中的水分含量過低，過于干燥，在進行調整物料濕度時，水分不好控制，導致膨化效果不理想。水分能調控筒壁間的摩檫力，起到潤滑的功效，芡實中的水分含量過高，膨化過程中物料濕度調整會過高，導致膨化出的芡實黏度過高，氣孔過多，亦難成型[17]。因此，在芡實中的水分含量為14%時，芡實膨化的感官評分較佳。

圖5 水分含量對芡實膨化感官評分的影響

2.2 Box-Behnken 試驗設計結果

根據單因素試驗結果，以芡實膨化后的感官評分作為響應值[18]，考察物料濕度(A)、螺桿轉速(B)、擠壓溫度(C)、芡實目數(D)這4個因素對芡實膨化感官評分(Y)的影響，得出最優的試驗方法。Box-Behnken試驗方案與結果見表3，方差分析結果見表4。

表3 Box-Behnken試驗設計方案及結果

續 表

表4 Box-Behnken試驗方差分析結果

由表3可知，運用響應面試驗分析試驗結果，得到膨化芡實的感官評分(Y)的回歸方程為：Y=89.67+0.2542A+0.875B+0.3617C-0.9075D+0.405AB-0.2325AC+0.425AD-0.3325BC-0.5475BD-2.04CD-2.61A2-1.9B2-4.82C2-1.83D2。

由表4可知，該模型差異極顯著(P<0.01)，決定系數R2為0.9053，說明模型擬合程度優良，能較為直觀地擬合試驗結果。失擬項不顯著(P>0.05)，說明模型誤差較小，校正決定系數 RAdj2為 0.8106，說明模型的相關性和解釋度都很好，可以用此模型進行理論分析和預測。二次項A2、C2對芡實粉感官評分的影響極顯著(P<0.01)，交互項CD和二次項 B2、D2影響顯著(P<0.05)。4 個影響因素中，對芡實膨化粉感官評分影響最大的為芡實目數，其次為螺桿轉速，而后為膨化溫度，影響最小的為物料濕度。

2.3 各因素之間交互作用和響應面分析

由Design-Expert 12.0軟件對試驗結果進行響應面圖的繪制，通過3D響應面圖能較為直觀地反映出各因素之間的交互作用對膨化芡實感官評分的影響，響應面分析結果見圖6。

a.物料濕度與螺桿轉速

通過該響應面3D圖的形象直觀表達[19]，由圖6可知，BC、BD的曲面較為陡峭，芡實目數與螺桿轉速的變化曲線比膨化溫度的變化曲線更陡峭，表明芡實目數和螺桿轉速比膨化溫度的影響更為顯著一些。AD、CD、AC的曲面陡峭，根據曲面陡峭程度可知芡實目數和物料濕度對芡實膨化感官評分的影響最大，其次為芡實目數與膨化溫度，最后為膨化溫度與添水量。AB的曲面較為平緩，其對芡實膨化的影響較小。由此可知，對芡實代餐粉感官評分影響最大的為芡實目數，其次為螺桿轉速，而后為膨化溫度，影響最小的為水添加量。

2.4 最佳工藝條件的確定及驗證試驗

Design-Expert 12.0軟件對試驗的優化結果為89.97分，該條件下的感官評價預測值為芡實目數92.3目、螺桿轉速151.3 r/min、膨化溫度140.5 ℃、水添加量8.07%。采用優化后的參數進行驗證試驗，為方便操作，條件參數設為芡實目數90目、螺桿轉速150 r/min、膨化溫度140 ℃、水添加量8%，該條件下重復試驗3次，測得芡實膨化感官評分平均值為89.23分，與模型預測值無明顯差異，說明該模型優化得到的芡實膨化工藝參數可靠。

2.5 掃描電鏡測定芡實膨化粉結構性質結果

掃描電鏡作為分析工具是研究代餐粉顆粒系統的手段，傳統的顯微鏡(SEM)定位技術在食品結構研究中得到了樣品結構的定性描述[20]。

由圖7可知，芡實膨化粉在100倍下，顆粒均勻且緊密分布，流動性較好。其中，在400倍及600倍下，觀察的顆粒分布性好，間隙緊密，流動性與整體性能相對增強[21]。通過圖片可直觀形象展示出工藝優化結構，通過膨化工藝的優化，芡實粉的各項物理性能有所提高。

a.芡實膨化粉100×

2.6 質構分析測定膨化芡實結果

由表5可知，經過擠壓膨化后的芡實球體內部結構疏松多孔，組織化程度高，纖維結構良好；通過擠壓膨化的芡實，膨化度良好，形狀規則立體，彈性適度，磨粉后粉體流動性較好，并且口感提升不少。

表5 膨化芡實球體顆粒的質構分析結果

3 結論

芡實通過膨化擠壓技術，在單因素試驗的基礎上進行響應面分析，從而獲得最優工藝條件：當芡實目數為90目、螺桿轉速為150 r/min、膨化溫度為140 ℃、物料濕度為8%、芡實水分含量為14%時，膨化后芡實淀粉糊化徹底，糊化度良好，顆粒呈棕褐色，表面光滑，內部疏松多孔且具有芡實特有的香味。研磨成粉體后，沖調性得到較好改善，且無結塊產生，口感順滑，通過此工藝優化后，提升了芡實相關產品的特性及功能。