張根生 田陽 李思錦 韓冰 費英敏



DOI:10.3969/j.issn.1000-9973.2024.03.011
引文格式:張根生,田陽,李思錦,等.V區溫度及螺桿轉速對擠壓膨化牛肉制品理化性質的影響[J].中國調味品,2024,49(3):68-73,91.
ZHANG G S, TIAN Y, LI S J, et al. Effects of V-zone temperature and screw rotation speed on physicochemical properties of extruded beef products[J].China Condiment,2024,49(3):68-73,91.
摘要:利用擠壓膨化技術加工高粱-山藥-牛肉混合物料,以水溶性、吸水性、色差值、粒度、質構、膨化度、糊化度及紅外光譜各基團峰值為指標,分析V區溫度和螺桿轉速對擠壓膨化產品理化性質的影響。結果表明,提高V區溫度能夠提高產品的紅度值、黃度值、硬度、脆度和咀嚼度,吸水性、水溶性、粒度、膨化度、糊化度及紅外光譜各基團峰值呈先上升后下降的趨勢,亮度值顯著下降(P<0.05);同時,隨著螺桿轉速的提升,產品的紅度值、黃度值和糊化度顯著下降(P<0.05),吸水性、水溶性、粒度和膨化度呈先上升后下降的趨勢,硬度、脆度、咀嚼度及紅外光譜各基團峰值先下降后上升,亮度值顯著下降(P<0.05)。綜合理化指標確定V區溫度最佳值為150 ℃,螺桿轉速最佳值為160 r/min。
關鍵詞:擠壓膨化;理化性質;V區溫度;螺桿轉速
中圖分類號:TS251.52????? 文獻標志碼:A????? 文章編號:1000-9973(2024)03-0068-06
Effects of V-Zone Temperature and Screw Rotation Speed on
Physicochemical Properties of Extruded Beef Products
ZHANG Gen-sheng1, TIAN Yang1, LI Si-jin1, HAN Bing1, FEI Ying-min2*
(1.College of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China;
2.Heilongjiang Minzu College, Harbin 150066, China)
Abstract: Extrusion technology is used to process mixed materials of sorghum, yam and beef. With water solubility, water absorption, color difference, particle size, texture, expansion degree, gelatinization degree and the peak values of various infrared spectra functional groups as the indexes, the effects of V-zone temperature and screw rotation speed on the physicochemical properties of extruded products are analyzed. The results show that increasing the V-zone temperature could enhance the redness value, yellowness value, hardness, brittleness and chewiness of the products. Water absorption, water solubility, particle size, expansion degree, gelatinization degree and the peak values of various infrared spectra functional groups firstly increase and then decrease, and the brightness value significantly decreases (P<0.05). Meanwhile, with the increase of screw rotation speed, the redness value, yellowness value and gelatinization degree of the products significantly decrease (P<0.05), while water absorption, water solubility, particle size and expansion degree firstly increase and then decrease. Hardness, brittleness, chewiness and the peak values of various infrared spectra functional groups firstly decrease and then increase, and the brightness value significantly decreases (P<0.05). In terms of these physicochemical indexes, the optimal V-zone temperature is determined to be 150 ℃, and the optimal screw rotation speed is 160 r/min.
Key words: extrusion; physicochemical properties; V-zone temperature; screw rotation speed
收稿日期:2023-11-16
基金項目:黑龍江省“百千萬”工程科技重大專項(2019ZX07B03-3)
作者簡介:張根生(1964—),男,教授,碩士,研究方向:畜產品研究與綜合利用。
*通信作者:費英敏(1973—),女,副教授,碩士,研究方向:農產品加工及貯藏工程。
擠壓膨化技術是一種應用于食品加工的新型生產技術,其加工過程集物料攪拌、輸送、擠壓、加熱及塑形膨化于一體,相較于傳統食品加工技術具有生產效率高、操作簡便、時間短、成本低、集成性高等特點[1-2]。擠壓膨化加工過程中的高溫、高壓、高剪切力作用不僅會使物料發生膨化形變,而且具有能夠破壞物料中的抗營養因子、鈍化引起不良風味的分解酶活性、殺滅有害細菌、提高蛋白質消化率及膳食纖維溶解性等優點[3]。所以,對于物料在擠壓膨化加工過程中理化性質變化的研究越來越受到重視。
目前,主流的擠壓膨化設備主要為雙螺桿擠壓機,同時擠壓膨化加工技術多應用于純谷物類食品的開發,對物料在擠壓膨化過程中理化性質變化的研究也主要集中在谷物類食品[4]。然而隨著擠壓膨化食品研究的深入,學者們逐漸認識到單一的谷物食品并不能完全滿足人體的營養需求,如谷物缺乏肉類中含有的豐富蛋白質以及人體所必需的賴氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸等營養物質[5],所以已有部分學者開始嘗試將動物性食品與谷物相結合,生產新型擠壓膨化休閑食品,包括以豬肉[6]、牛肉[7]、雞肉[8]、魚肉[9]、蝦肉[10]為部分原料,同時混以大米粉、小麥粉等谷物進行混合擠壓[11]。但主要研究方向集中在產品開發,對于肉類物料在擠壓膨化過程中理化性質變化的研究相對較少,因此,本研究著重探究擠壓膨化過程中工藝參數(包括V區溫度和螺桿轉速)對肉類擠壓膨化產品理化性質的影響,并對其變化機理進行分析,旨在為開發肉類擠壓膨化產品提供科學依據和技術指導,以促進更多高質量動物性擠壓膨化食品的創新和生產。
1? 材料與方法
1.1? 主要材料
牛后腿肉、高粱:購自大潤發超市;山藥:產自河南省焦作市溫縣;調味料:購自本地超市。
1.2? 主要設備儀器
DSE-25型雙螺桿擠壓膨化機? 德國布拉本德公司;Zetasizer Nano 90型粒度儀? 英國馬爾文儀器有限公司;Spectrum Two型傅里葉紅外光譜儀、DSC 4000型差示掃描量熱儀? 珀金埃爾默股份有限公司;S-3400N型掃描電子顯微鏡? 日本日立高新技術公司;TG16-WS型離心機? 黑龍江嘉禾廣博進出口有限公司;AE523型分析天平? 上海舜宇恒平科學儀器有限公司;ALC-2100.2型電子天平? 賽多利斯科學儀器有限公司;TA-XT2i型質構儀? 英國Stable Micro Systems公司;DHG-9030型電熱鼓風干燥箱? 上海一恒科學儀器有限公司;HCB-1800H型潔凈工作臺? 深圳科力易翔儀器設備有限公司;CS-800型分光系列色差儀? 杭州彩譜科技有限公司。
1.3? 實驗方法
1.3.1? 牛肉-山藥-高粱混合物料的制備
1.3.1.1? 原料的制備
牛肉粉:將解凍后的純瘦牛肉利用絞肉機絞碎,絞碎后將牛肉糜均勻平鋪于托盤內,放入65 ℃干燥箱中干燥48 h,干燥后的牛肉利用粉碎機再次粉碎后過60目篩備用。
高粱、山藥粉:將從超市購買的原料過20目篩去除雜質,用粉碎機粉碎后過60目篩備用。
1.3.1.2? 配方
每500 g原料中高粱粉48.9%、山藥粉39.2%、牛肉粉10%、調味料1.9%(鹽1%、糖0.8%、白胡椒粉0.1%)。
1.3.1.3? 工藝流程
牛肉、山藥、高粱的制備→過篩(60目)→混合→調味→調節水分含量→擠壓膨化→冷卻→包裝。
1.3.2? 單因素實驗設計
本實驗以V區溫度和螺桿轉速為因素分析擠壓膨化產品理化性質的變化。
1.3.2.1? V區溫度單因素實驗
固定物料水分含量為20%,螺桿轉速為160 r/min,喂料速度為30 r/min,V區溫度分別設定為120,130,140,150,160 ℃。
1.3.2.2? 螺桿轉速單因素實驗
固定物料水分含量為20%,V區溫度為150 ℃,喂料速度為30 r/min,螺桿轉速分別設定為130,140,150,160,170 r/min。
1.3.3? 水溶性指數(WSI)及吸水性指數(WAI)的測定
稱取2 mg過60目篩的成品粉末(W0),放入已稱重的離心管(W1)中,加入蒸餾水25 mL并振蕩均勻,置于水浴鍋中30 ℃下水浴30 min,每10 min攪拌一次,水浴后置于離心機中以4 000 r/min 離心15 min,取上清液倒入燒杯(W2)中,烘干至恒重(W3),并稱量離心管和沉淀物的質量(W4),各樣品平行測定3次取平均值。
水溶性指數(WSI)=W2-W3W0×100%。
吸水性指數(WAI)=W4-W1W0×100%。
1.3.4? 色差值的測定
參考Martínez等[12]的方法并略作修改,將粉碎并過60目篩后的物料置于已經校準過的全自動色差儀出光口,并完全覆蓋,測定樣品的L*值(亮度)、a*值(紅綠度)和b*值(黃藍度),各樣品平行測定5次后取平均值作為測定結果。
1.3.5? 粒度值的測定
參考Ikram等[13]、李鑫宇[14]的方法并略作修改,稱取10 mg經粉碎并過100目篩的成品放入15 mL離心管中,加入10 mL蒸餾水混合后進行超聲波振蕩30 min,振蕩后置于離心機中在8 000 r/min條件下離心20 min,取上清液過0.45 μm濾膜后使用粒度儀進行測定,各樣品平行測定3次取平均值。
1.3.6? 質構的測定
參考楊震等[15]的方法并略作修改,每個條件下產品截取4 cm進行質構測試,采用P50探頭在壓縮模式下測試。設置參數:測試前探頭下降速度為2.0 mm/s;測試中探頭速度為1.0 mm/s;測試后探頭下降速度為1.0 mm/s;觸發點負載5.0 g;兩次壓縮循環間隔5 s;每個樣品平行測定3次取平均值。
咀嚼度=硬度×彈性×內聚性。
1.3.7? 膨化度與糊化度的測定
膨化度:截取擠壓膨化所得產品,每段長10 cm,每組隨機抽取多個樣品,以游標卡尺測定其截面,去掉最大值和最小值,以平均值表示每組直徑。膨化度按下式計算:
膨化度(%)=dD×100%。
式中:d為樣品橫截面直徑,mm;D為模口直徑,2 mm。
糊化度:參考趙嘉祺等[16]的方法,取膨化前后物料粉碎后過60目篩。稱取0.2 g樣品粉末于98 mL蒸餾水中,加入2 mL 10 mol/L的KOH溶液,在磁力攪拌器中攪拌5 min,將懸濁液以4 500 r/min離心10 min,再取1 mL上清液,加入0.5 mol/L的HCl溶液0.4 mL,加入蒸餾水10 mL,最后加入0.2 mL碘液(1 g碘和4 g碘化鉀溶于100 mL蒸餾水中),混合均勻,于600 nm處測得吸光度A1 。另取0.2 g樣品懸浮于95 mL蒸餾水中,加入5 mL 10 mol/L的KOH溶液,磁力攪拌5 min,以4 500 r/min離心10 min,取1 mL上清液,加入0.5 mol/L HCl溶液1 mL,余下步驟同上,測得吸光度A2。糊化度按下式計算:
糊化度(%)=A1A2×100%。
1.3.8? 傅里葉紅外光譜測定
將粉碎凍干后的樣品進一步研磨均勻后過100目篩,各樣品取2 mg備用。采用傅里葉紅外光譜儀進行基底掃描后將樣品置于測試臺,在45 N壓力下掃描,掃描波長范圍為4 000~500 cm-1,分辨率為8 cm-1,掃描64次[17-18]。
1.3.9? 數據分析
采用Excel軟件進行實驗數據計算,采用SPSS 19.0軟件進行數據分析,顯著性水平選取α=0.05,采用Origin 2016軟件繪圖,實驗數據平行測定3次取平均值。
2? 結果與分析
2.1? V區溫度和螺桿轉速對產品水溶性指數和吸水性指數的影響
擠壓膨化中吸水性指數與物料中的淀粉和蛋白質分子的親水性有關,吸水性指數越高,證明淀粉和蛋白質分子的親水性越好,而擠壓膨化過程會導致蛋白質變性以及淀粉顆粒被破壞,也會引起吸水性指數增高[19-20]。水溶性指數可以反映物料中淀粉的降解程度以及可溶性物質的含量,擠壓膨化過程會改變物料中淀粉的降解度以及可溶性物質的溶解性指數[21]。
由圖1中A可知,相較于未擠壓物料,經擠壓膨化后的物料水溶性指數和吸水性指數均明顯提高,在V區溫度達到140 ℃和150 ℃時吸水性指數和水溶性指數分別達到最大值。隨著V區溫度的升高,物料受到剪切力作用增強,膨化度提高,內部結構膨脹均勻,結合水的表面積增大[22],從而吸水性提高,同時淀粉在高溫、高壓、高剪切力作用下糊化和裂解程度逐漸升高,直鏈淀粉轉化支鏈淀粉增多,低分子可溶性化合物增多,導致水溶性指數升高。當V區溫度過高時,致使物料的糊化度過高,從而發生焦糊、結塊及變硬,不利于水分子滲透及可溶性物質析出,從而導致水溶性指數和吸水性指數下降。
由圖1中B可知,當螺桿轉速達到150 r/min和160 r/min時,吸水性指數和水溶性指數分別達到最大值,且總體呈現先上升后下降的趨勢。在低螺桿轉速條件下,隨著螺桿轉速加快,物料受到剪切力作用增強,淀粉、蛋白質和纖維素等物質結構受破壞程度提高并發生裂解,淀粉分子氫鍵和支鏈都發生斷裂,分子間作用力逐漸削弱,從而導致小分子水溶性物質增多,使得成品物料的水溶性指數和吸水性指數升高。當螺桿轉速過高時,物料在機筒內的停留時間過短,吸收能量及承受壓力不足,導致膨化不徹底,物料結構不夠松散且水溶性物質析出減少,從而導致吸水性指數和水溶性指數下降。
2.2? V區溫度和螺桿轉速對產品色差的影響
顏色在一定程度上可以反映物料在擠壓組織化過程中化學反應和營養的變化程度[23-24],同時也是影響產品外觀和感官接受度的重要因素之一。由表1可知,相較于對照組,經擠壓膨化加工后的產品L*值總體呈下降趨勢,a*值和b*值總體呈上升趨勢,分析原因是美拉德反應導致亮度值下降,紅黃度值上升。隨著V區溫度的升高,產品的亮度值下降,紅黃度值上升,但在低溫時產品的色澤變化幅度較小。已有研究證明,擠壓膨化中的高溫、高壓、高剪切力作用會使物料中的淀粉顆粒發生降解,生成部分小分子還原糖,溫度在100 ℃以上發生美拉德反應,使得產品的色澤發生變化,但在溫度較低時,只有部分淀粉降解產生少量還原糖,因此在一定溫度內色澤變化不大[25],而溫度過高時,物料糊化,色澤過深,150 ℃時產品的色澤最佳。
由表2可知,隨著螺桿轉速的升高,產品的亮度值變化不大。紅黃度值略有升高,但在160~170 r/min范圍內有所下降,這是由于過高的螺桿轉速使得物料被快速排出模口,在機筒內停留時間過短,吸收能量不足,美拉德反應不徹底,導致顏色有所下降,所以在螺桿轉速為160 r/min時物料美拉德反應程度最佳。
2.3? V區溫度和螺桿轉速對產品粒度的影響
由圖2可知,相較于未擠壓物料,經擠壓膨化后的物料粒度明顯下降,這是因為物料中淀粉顆粒經高壓、高剪切力作用后多糖糖苷鍵裂解,產生小分子的可溶性聚合物,從而使物料粒度減小,齊惠[26]也得到相似的結論。由圖2中A可知,物料經擠壓膨化后粒度相較于對照組顯著下降,隨著V區溫度的升高,在130~150 ℃內,物料的粒度呈上升趨勢,當V區溫度達到150 ℃時粒度達到最大值,超過150 ℃時粒度明顯下降。這是因為當溫度較低時,物料中淀粉顆粒不能吸收足夠能量,導致膨化不徹底,當溫度過高時,物料在機筒內產生焦糊、結塊現象,導致物料粒度減小,影響膨化效果。
由圖2中B可知,隨著螺桿轉速的升高,物料粒度呈現先上升后下降的趨勢,這是由于在較低螺桿轉速下,物料所受剪切力和摩擦力較小,物料不能充分膨化,粒度較小,隨著螺桿轉速的加快,物料受到剪切力和摩擦力加劇,使物料逐漸膨化充分,在螺桿轉速達到160 r/min時膨化度最高,粒度最大。當螺桿轉速過高時,物料在機筒內停留時間過短,導致物料未吸收足夠能量就被擠出模口,使得膨化效果下降,粒度減小。
2.4? V區溫度和螺桿轉速對產品質構的影響
質構可直接反映擠壓產物的質地和適口性,其中硬度指第一次壓縮時的最大壓力值,脆度指產品在塑形和斷裂過程中吸收能量的能力,咀嚼度指咀嚼樣品所需的能量,反映樣品對咀嚼力的抵抗能力[27]。膨化食品要求硬度不宜過高,脆度與咀嚼度并非越大或越小越好,需綜合考量感官評價來確定最佳值。
由圖3中A可知,隨著V區溫度的升高,產品的硬度持續上升,且低溫時上升幅度大,這是因為低溫時隨著溫度升高,水分蒸發比例大,物料迅速變硬。在140 ℃內,產品的脆度上升,140~160 ℃時脆度先明顯下降后繼續上升,這可能是由于過高的溫度導致水分蒸發過度,同時使物料中淀粉糊化加劇,發生焦糊現象,直鏈與支鏈淀粉過度伸展分離產生結晶,導致產品的硬度過高[28]。咀嚼度與硬度呈正相關,硬度的升高會提升咀嚼度,過高的溫度導致蛋白質形成熔融體,也使得產品的咀嚼度升高[29]。
螺桿轉速主要控制著物料的混合程度、在機筒內的停留時間及受剪切力的大小[30-31]。由圖3中B 可知,隨著螺桿轉速的升高,膨化產品的硬度和脆度呈先下降后上升的趨勢,咀嚼度在螺桿轉速為160 r/min時達到最高。在低螺桿轉速時,物料在機筒內受剪切力小,停留時間過長,受熱時間過長,部分物料糊化過度,焦糊結塊,使得產品的硬度、咀嚼度和脆度都較高。當螺桿轉速過高時,物料受剪切力加大,但在機筒內停留時間過短,物料未膨化徹底就被擠出擠壓機,此時產品內部結構不夠松散,沒有產生良好的組織化結構,因此產品的硬度和脆度又有所升高。
2.5? V區溫度和螺桿轉速對產品膨化度和糊化度的影響
膨化度與糊化度是評價擠壓膨化食品品質的重要指標。由圖4中A可知,隨著V區溫度的升高,產品的膨化度和糊化度均呈現先上升后下降的趨勢,150 ℃時產品的膨化度和糊化度均達到最大值,在低溫區(低于150 ℃)時,物料中水分不能及時蒸發,殘留的水分導致產品的黏度較高,膨化度較低,同時隨著溫度的升高,淀粉顆粒吸收能量,導致發生氫鍵斷裂進而提升了產品的糊化度,當溫度過高(高于150 ℃)時,物料碳化,并且淀粉顆粒發生美拉德反應和過度降解,降低了可糊化淀粉的含量,從而膨化度和糊化度都顯著降低。
由圖4中B可知,隨著螺桿轉速的升高,產品的膨化度先上升后下降,在160 r/min時達到最大值,糊化度總體呈下降趨勢且在螺桿轉速較低和較高時下降幅度最大。這是由于在螺桿轉速較低時物料在機筒內停留時間過長,導致物料在長時間高溫下碳化變硬,甚至堵塞模口,從而膨化度較低,而此時的高溫條件為淀粉顆粒氫鍵斷裂提供了能量,使得糊化度較高。隨著螺桿轉速的升高,物料在機筒內停留時間逐漸減少,在150~160 r/min時產品的膨化度和糊化度趨于穩定,當螺桿轉速過高時,物料在機筒內停留時間過短,物料未吸收足夠能量就被排出模口,產品不能充分膨化,從而導致膨化度和糊化度均明顯下降。
2.6? V區溫度和螺桿轉速對產品紅外光譜的影響
通過傅里葉紅外光譜圖可以分析產品官能團和化學鍵的信息。由圖5可知,相較于未擠壓物料,經擠壓膨化后的產品吸收峰的位置大致相同,但峰強度有明顯提高。由圖5中A可知,隨著V區溫度的升高,產品中各基團峰強度先上升后下降,在150 ℃時各峰值達到最高,其中3 287 cm-1處的吸收峰為羥基O-H的伸縮振動,說明經擠壓膨化加工后物料中糖苷鍵斷裂產生更多氫鍵,2 923,2 855 cm-1處的吸收峰為亞甲基(C-H)的反對稱和對稱伸縮振動,2 318 cm-1處的吸收峰為空氣中CO2的反對稱伸縮振動,1 746 cm-1處的吸收峰為酯基(COOR)的伸縮振動,1 637 cm-1處的吸收峰為酰胺Ⅰ帶CO的伸縮振動,證明了蛋白質受熱后結構展開,部分氫鍵斷裂,導致峰高增大,1 369 cm-1處的吸收峰為硝基的反對稱伸縮振動,1 150~1 000 cm-1處的吸收峰為醇C-O和醚C-O-C的伸縮振動,其中928,853,763 cm-1處的吸收峰為吡喃糖環1,2,3型振動,這是α-D-吡喃糖環的特殊振動,587 cm-1處的峰為β-吡喃糖 C-H 變角振動的特征吸收峰,表明纖維素降解為可溶性的吡喃糖,且淀粉在V區溫度150 ℃時降解為糖基化合物程度最佳。
由圖5中B可知,產品官能團變化與圖5中A大致相同,總體上螺桿轉速從150 r/min升高到160 r/min過程中,峰強度呈先上升后下降的趨勢,特殊變化出現在3 287 cm-1處,螺桿轉速為170 r/min時峰值高于160 r/min時,這可能是由于物料在機筒內停留時間過短,導致水分子過多殘留而使得作為氫鍵締合的O-H峰顯著增強,其他各峰在160 r/min處達到最大值,表明在此螺桿轉速下產品的膨化效果最佳,蛋白質變性及淀粉分子解鏈程度最佳。
3? 結論
通過對擠壓膨化工藝中最重要的工藝參數V區溫度和螺桿轉速的研究,發現在其他條件不變的情況下,V區溫度達到150 ℃時產品的綜合理化指標較好,溫度過低時物料吸收溫度不足,膨化不徹底,溫度過高時物料過度糊化以致焦糊甚至造成模口堵塞,使得產品理化指標下降;螺桿轉速為160 r/min時產品的綜合理化指標較好,螺桿轉速較低時物料在機筒內停留時間過長,糊化過度,產品品質不佳,螺桿轉速過高時物料受剪切力變小,且在未吸收足夠熱能時便被擠出模口,導致產品的膨化效果不佳,理化指標下降。由此可以看出,V區溫度和螺桿轉速的變化對膨化產品的理化性質影響顯著,因此在未來更多的肉類擠壓膨化休閑食品研究中,需重點考慮V區溫度和螺桿轉速兩個參數。
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