响应面法优化豆渣挤压膨化工艺条件研究

李艾霖, 尚 婧, 云少君, 陈振家, 牛晓峰, 王 愈,*

(1.山西农业大学 食品科学与工程学院， 山西 晋中 030801；2.山西省农畜产品加工研究生教育创新中心， 山西 晋中 030801；3.太原六味斋实业有限公司， 山西 太原 030000)

响应面法优化豆渣挤压膨化工艺条件研究

李艾霖1,2, 尚 婧1, 云少君1, 陈振家1,2, 牛晓峰2,3, 王 愈1,2,*

(1.山西农业大学 食品科学与工程学院， 山西 晋中 030801；2.山西省农畜产品加工研究生教育创新中心， 山西 晋中 030801；3.太原六味斋实业有限公司， 山西 太原 030000)

豆渣中含有丰富的营养物质，使其具有了很多保健功能，例如其中富含的膳食纤维可预防糖尿病、心血管疾病以及肥胖，还有氨基酸互补的功效。豆渣磨成粉后可以和面粉、玉米粉等按照一定比例混合应用于焙烤食品中，豆渣焙烤食品的研发需要对豆渣进行预处理，预处理可以促进人体对豆渣中营养物质的吸收，提升其营养价值。为了提升豆渣焙烤食品的营养价值与口感，以豆腐生产过程中的副产品豆渣为原料，采用挤压膨化技术对豆渣的膨化度和可溶性膳食纤维进行研究。结果表明：调整螺杆转速360 r/min，对水质量分数为21%的物料在170 ℃的挤压温度下进行挤压膨化，得到的物质膨化度良好，且疏松多孔，粉碎之后可作为焙烤食品的原材料。

豆渣； 挤压膨化； 膨化度； 膳食纤维； 响应面试验

大豆起源于中国，是中国重要的粮食作物之一，大豆及其制品营养价值很高，含有丰富的大豆膳食纤维、优质蛋白质、大豆脂肪、矿物质和维生素等。随着生活水平的提高，我国居民对生活质量的认识也逐渐科学性，对大豆及其制品的食用越来越注重。豆渣是豆腐、豆奶、豆浆等豆制品加工过程中产生的副产品，豆渣中除含有常见的营养素之外，还包含一些微量物质，比如镁、钾、钙、磷、铁以及黄酮等[1-2]。豆渣中的膳食纤维含量极其丰富，对人体的消化和排泄有着重要的促进作用[3-4]，而且低糖、低脂、低热、高膳食纤维，是理想的“三低一高”营养食物[5]。

挤压膨化是一种高温、高压、高剪切、短时加工的高新技术，已广泛应用于食品加工行业[6-7]。豆渣系列食品在国外市场比较流行,例如日本[8-9];而在我国，豆渣基本是作为废弃物或者动物饲料来处理。文章主要在豆渣预处理中利用挤压膨化技术，改变豆渣中膳食纤维的结构，将不溶性膳食纤维变性成为可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber, SDF)，即增加豆渣中可溶性膳食纤维含量，降低不溶性膳食纤维的含量，使豆渣焙烤食品的营养价值更高，口感更加细腻滑润[10]，以期对豆渣焙烤系列食品的开发提供一些有价值的基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

原材料：湿豆渣、白面粉，均购买于当地农贸市场。

试剂：体积分数95%乙醇溶液(分析纯)，北京华腾化工有限公司；丙酮(分析纯)、重铬酸钾(分析纯)，北京化工厂；耐高温α-淀粉酶、胰蛋白酶，北京Solarbio科技有限公司；葡萄糖淀粉酶，上海江莱生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

HM65- Ⅲ型双螺杆挤压膨化机，济南汉美数控机械有限公司；MB23/MB25型水分分析仪，奥豪斯仪器(上海)有限公司；WX- 95型超微细粉碎机，中国人民解放军第六九一三工厂；SHZ- D(Ⅲ)型循环水式多用真空泵，河南省予华仪器有限公司；SHZ- B型水浴恒温振荡器，上海跃进医疗器械厂；CP224C型电子天平，奥豪斯仪器(上海)有限公司；HPG- 9075型电热鼓风干燥箱，北京东联哈尔仪器制造有限公司；DF- 101S- 60433型磁力搅拌器，北京中兴伟业仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1指标的测定

膨化度：挤压膨化后产品的截面直径平均值和膨化机模口的截面直径的比例；通俗来讲，膨化度就是产品膨化前后的体积比。可溶性膳食纤维：分别对挤压膨化前后的豆渣参照GB/T 5009.88—2014进行膳食纤维的测定[11]。

1.3.2挤压膨化豆渣的工艺流程

进料(湿豆渣、白面粉)→豆渣烘干→混合搅匀→挤压膨化处理→超微粉碎→得到成品(豆渣粉)。

1.3.3豆渣挤压膨化的操作要点

1)均匀混合：将白面粉和湿豆渣按4:1的比例混合倒入双螺杆挤压膨化机的搅拌装置筒中[12]，开机进行混匀搅拌，混匀搅拌过程中盖好盖子，防止面粉和豆渣飘扬。混合搅拌均匀之后，将混合物和事先称好的水倒进喂料口中，使得豆渣和面粉的混合物w(水)在26%左右。

2)挤压膨化：挤压膨化参数参照文献设定，调整双螺杆挤压膨化机螺杆转速350 r/min，挤压温度170 ℃，喂料速度17 Hz[13-14]。双螺杆挤压膨化机在实验前提前开机预热，等温度升高到预设温度之后，将已经混合好的物料倒入机器中，操作台调控挤压温度为170 ℃，对豆渣和面粉的混合物进行膨化，物料膨化后在出料口切割成型。

3)超微粉碎：膨化物粉碎1 min，超微粉碎机每工作5 min休息1次[15]。

1.3.4挤压膨化单因素实验

1)螺杆转速对豆渣挤压膨化的影响测定。分别设定螺杆转速为250，300，350，400，450 r/min；其他条件设定为挤压温度170℃，物料水质量分数20%，进行实验。

2)挤压温度对豆渣挤压膨化的影响测定。分别设定挤压温度为150，160，170，180，190 ℃；其他条件设定为螺杆转速350 r/min，物料水质量分数20%，进行实验。

3)w(水)对豆渣挤压膨化的影响测定。分别设定物料w(水)为10%，15%，20%，25%，30%；其他条件设定为螺杆转速350 r/min，挤压温度170 ℃，进行实验。

1.3.5响应面优化试验设计

以螺杆转速、挤压温度和物料含水量为自变因素，采用响应面法对豆渣挤压膨化的条件进行优化，采用Design-Expert 8.0.6软件进行响应面试验设计和数据分析。

2 结果与分析

2.1 螺杆转速对挤压膨化的影响

豆渣的膨化度和w(SDF)随着螺杆转速的增加而增大，都是在350 r/min时达到最大值，从350 r/min开始呈下降趋势，所以350 r/min左右为挤压膨化的较优螺杆转速(见图1、图2)。

图1 螺杆转速对膨化度的影响Fig.1 Influence of screw speed on expansion degree

2.2 挤压温度对挤压膨化的影响

豆渣的膨化度随着挤压温度的升高而增大，同时w(SDF)也随着挤压温度的升高而增加，2条曲线在150～170 ℃为上升趋势，温度170 ℃时膨化度和w(SDF)都出现最高点，在170 ℃之后，豆渣膨化度和w(SDF)都有所降低(见图3、图4)。

图2 螺杆转速对SDF质量比的影响Fig.2 Influence of screw rotation speed on soluble dietary fiber content

图3 挤压温度对膨化度的影响Fig.3 Influence of extrusion temperature on expansion degree

图4 挤压温度对SDF质量比的影响Fig.4 Influence of extrusion temperature on soluble dietary fiber content

2.3 物料含水量对挤压膨化的影响

物料w(水)在10%～20%时，豆渣挤压膨化的膨化度逐渐增大，20%时膨化度达到最大值；在20%～30%，膨化度随着w(水)的增加而逐渐减小(见图5)。w(水)对于w(SDF)有较为明显的影响，小于20%时，w(SDF)增加明显，等于20%时，豆渣的w(SDF)达到了最大值，大于20%时，豆渣w(SDF)明显降低(见图6)。所以物料w(水)在20%左右为挤压膨化的优化值。

图5 物料水质量分数对膨化度的影响Fig.5 Influence of water mass fraction on expansion degree

图6 物料水质量分数对SDF质量比的影响Fig.6 Influence of water mass fraction on soluble dietary fiber content

2.4 响应面试验结果与分析

2.4.1响应面试验因素水平和结果

在豆渣挤压膨化的单因素实验的基础上，设置螺杆转速水平在300～400 r/min，挤压温度水平在160～180 ℃，物料w(水)为15%～25%，响应面试验因素水平和结果见表1、表2。

表1 响应面试验因素水平和编码

2.4.2螺杆转速、挤压温度和物料含水量对膨化度的影响

利用Design-Expert 8.0.6软件对实验数据进行分析，得到二次多项回归方程：膨化度=8.82+0.54A+0.022B+0.21C-0.14AB-0.067AC-0.29BC-1.17A2-0.20B2-0.58C2。模型的F值为146.67，p<0.000 1差异极显著，而失拟项p>0.05不显著，表明此模型是显著的(见表3)。模型决定系数R2=0.994 7，而且AdjR2=0.9879能够解释实验98.79%的响应值，与PredR2=0.916 5相差也不大，说明此实验模型和真实数据有很好的拟合度，具有实践指导的意义，可用来分析螺杆转速、挤压温度和w(水)对膨化度影响的最佳工艺。

表2 实验设计与结果

2.4.3螺杆转速、挤压温度和物料含水量对SDF质量比的影响

利用Design Expert 8.0.6对数据进行分析(见表4)，得到二次多项回归方程：w(SDF)=2.80+0.11A+0.000B+0.096C+0.000AB-0.043AC-0.050BC-0.31A2-0.11B2-0.25C2。从表4中可以得到，实验设计模型的F值为20.44，p为0.000 3，小于0.01，说明二次方程模型达到了显著水平，且R2=0.9536,AdjR2=0.916 2能够解释实验91.62%的响应值，与PredR2=0.9296相差也不大，说明此实验模型的拟合度较好。综上所述，该模型有效，可用来分析螺杆转速、挤压温度和w(水)对w(SDF)影响的最佳工艺。

表3 膨化度回归模型方差分析

*差异显著，p<0.05；**差异极显著，p<0.01。R2=0.994 7，AdjR2=0.987 9，PredR2=0.916 5。

2.4.4挤压膨化各因素的响应曲面分析

挤压膨化工艺条件对膨化度的影响见图7和图8，从图中可看出螺杆转速和挤压温度以及挤压温度和w(水)对挤压膨化的膨化度的交互作用显著。当固定螺杆转速时，随着挤压温度的升高，挤压膨化的膨化度呈先上升后下降的趋势；同样，当挤压温度不变时，随着螺杆转速的增加,挤压膨化的膨化度也呈现先上升后下降的趋势。当螺杆转速为350 r/min，挤压温度为170 ℃时，膨化度达到最大值为8.8。挤压温度和物料w(水)对挤压膨化的膨化度的影响也符合此规律，在挤压温度为170℃，w(水)为20%时，挤压膨化的膨化度出现最大值，此时膨化度为8.8。

挤压膨化工艺条件对膨化度对w(SDF)的影响见图9、图10。由图可知，虽然每组变量间交互不显著，但当固定一个变量，豆渣w(SDF)会随着另一个变量的增大先上升后下降。图9可看出螺杆转速为350 r/min时，w(SDF)达到最大值，大于350 r/min，w(SDF)开始下降，此时当w(水)为20%时，w(SDF)最大。由图10可知，随着挤压温度和w(水)2个因素的增大，w(SDF)有明显增加，在挤压温度为170 ℃，w(水)为20%时，出现w(SDF)响应面的最高点，为2.7 g/100 g。

表4 SDF质量比回归模型方差分析

*差异显著，p<0.05； **差异极显著，p<0.01。R2=0.9536，AdjR2=0.9162，PredR2=0.929 6。

图7 螺杆转速和挤压温度的交互作用对膨化度的影响Fig.7 Influence of interaction between screw speed and extrusion temperature on expansion degree

图8 挤压温度和物料水质量分数的交互作用对膨化度的影响Fig.8 Influence of interaction of extrusion temperature and water mass fraction on expasion degree

图9 螺杆转速和物料水质量分数的交互作用对挤压膨化的SDF质量比的影响Fig.9 Influence of interaction of screw speed and water mass fraction on content of soluble dietary fiber

图10 挤压温度和物料水质量分数的交互作用对挤压膨化的SDF质量比的影响Fig.10 Influence of interaction of extrusion temperature and water mass fraction on content of soluble dietary fiber

2.4.5模型验证实验结果分析

根据实际情况的可操作性，利用Design-Expert 8.0.6软件得到优化挤压膨化的条件为在螺杆转速360 r/min、挤压温度170℃时，对水质量分数21%的物料进行膨化，经过验证，膨化出的物质的膨化度为8.7，SDF质量比为2.7 g/100 g，与理论值基本相符，所以该模型是有效可行的。

3 结 论

1)实验模型拟合度较好，螺杆温度和物料水质量分数均能极显著影响挤压膨化的膨化度和可溶性膳食纤维含量。挤压膨化可提高豆渣面粉混合物的营养价值并改善豆渣膨化物的口感，挤压膨化后的物质膨化度良好，经粉碎后可作为焙烤食品的原材料。

2)根据实际情况和实验操作的可行性，由回归方程得到挤压膨化的优化工艺为螺杆转速360 r/min，挤压温度170 ℃，对水质量分数21%的物料进行挤压膨化，此时膨化出的物质蓬松多孔，且具有酥脆的性质，符合挤压膨化食品的特有性质。

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StudyonOptimizationofExtrusionProcessingConditionsofSoybeanResiduebyResponseSurfaceMethod

LI Ailin1，2, SHANG Jing1, YUN Shaojun1, CHEN Zhenjia1，2, NIU Xiaofeng2,3， WANG Yu1,2，*

(1.CollegeofFoodScienceandEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,Jinzhong030801,China;2.StudyontheProcessingofAgriculturalandLivestockProductsinShanxiProvinceGraduateEducationInnovationCenter,Jinzhong030801,China; 3.TaiyuanLiuweizhaiIndustrialCoLtd,Taiyuan030000,China)

Soybean dregs contain rich nutrients and have a lot of bioactivities. The dietary fiber in bean dregs can prevent diabetes, bowel cancer, cardiovascular diseases, obesity, and increase defecation. Soybean dregs, mixed with wheat flour and corn flour, could be used as materials in baked food. The extrusion technology was applied to increase the quality of soybean dregs and the expansion degree and soluble dietary fiber content were investigated. The results showed that under the condition of the rotate speed of 360 r/min, extruded material water content of 21% and 170 ℃, the puffed material was loose and porous, and had the good expansion degree, which could be used as raw material for baking food.

soybean dregs; extrusion; expansion degree; dietary fiber; response surface method

张逸群)

10.3969/j.issn.2095-6002.2017.06.005

2095-6002(2017)06-0028-08

李艾霖， 尚婧， 云少君， 等. 响应面法优化豆渣挤压膨化工艺条件研究[J]. 食品科学技术学报，2017,35(6):28-35.

LI Ailin, SHANG Jing, YUN Shaojun, et al. Study on optimization of extrusion processing conditions of soybean residue by response surface method[J]. Journal of Food Science and Technology, 2017,35(6):28-35.

TS214.2

A

2017-11-02

国家重点研发计划项目(2017YFD0400200)。

李艾霖，男，硕士研究生，研究方向为农产品加工及贮藏工程；*王 愈，男，教授，博士，主要从事果蔬加工及其野生资源利用与开发、贮藏保鲜新技术、传统食品功能特性等方面的研究，通信作者。