黑米黑豆面条挤压工艺参数的优化

刘俊梅，王丹洋，吴世玉，顾瑾，郑常领，夏小勇，于寒松，隋晓楠

（1.吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林长春130118；2.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

随着人民生活水平的提高，营养保健已经成为人们生活中不可或缺的一部分，然而，黑色食品具有很好的营养保健功能，逐渐被大众认可，因此，国内外出现了一股黑色食品热。黑米、黑芝麻、黑豆、黑麦、黑木耳等日益受到人们的青睐。黑豆（又名稽豆、黑大豆），为豆科植物大豆的黑色种子[1-2]。黑豆中含有黑豆色素、黑豆多糖、异黄酮等生物活性物质[3]。具有补肾益脾、降低胆固醇、增强铁离子在人体中的吸收等作用。黑米，是由禾本科植物黑稻加工后的产品，属粳米类，是一种非糯性稻米[4-5]。黑米中含有丰富的蛋白质、维生素及黄酮类化合物[6-7]。具有清除自由基、维持血管渗透压、增强免疫力等功效[8-9]。

螺杆挤压技术是20世纪60年代后才兴起的一种新技术，物料经过螺杆挤压发生物理、化学变化，起到改善产品品质的作用[10]。具有操作简单、成本低、效率高等优点，因此，挤压加工技术作为一种经济实用型加工方法，广泛应用于食品工业中，并得到迅速发展，目前，物料挤压加工特性和挤压设备操作参数的研究已成为人们关注的两大热点[11]。本试验通过螺杆挤压技术，结合科学的组方，在保证营养成分的前提下，使产品外观平整、口感爽滑，降低断条率等优点，具有放大生产的可行性。

本研究通过前期试验基础，确定了以黑米、黑豆、谷朊粉、木薯淀粉、面碱、食盐为主要原辅料，通过螺杆挤压出的面条效果最佳。添加木薯淀粉，保证了面条口感更加爽滑，适口性增加。添加谷朊粉使谷朊粉中的麦醇溶蛋白和麦谷蛋白发生水合作用，使得面条形成更好的网络结构。食盐的添加保证面条的弹性。采用螺杆挤压技术研制杂粮面条，从调整物料含水量、螺杆转速、机筒温度分布三方面研究加工处理参数对挤压杂粮面条的感官评分、断条率等品质特性的影响，为杂粮面条的挤压生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

黑米、黑豆粕粉（油脂含量0.42%）：吉林公益源有限公司；谷朊粉、木薯淀粉、食盐：市售。

1.2 仪器与设备

Q-300B粉碎机：上海旗箭电器有限公司；AUY220电子天平：日本岛津公司；螺杆挤压机：山东誉亚大豆机械制造有限公司；101A-2鼓风干燥箱：上海试验仪器厂有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 制作工艺

1.3.2 操作要点

1.3.2.1 原辅料预处理

将黑米除杂后，低温粉碎微细化处理。

1.3.2.2 物料筛分

将粉碎后的原料粉过40目、60目筛子，收集40目～60目之间的原料粉，备用。

1.3.2.3 混合面条粉调配

称取一定量的黑米粉、黑豆粕粉、谷朊粉、木薯淀粉、食盐混合均匀，备用。

1.3.2.4 平衡水分

准确称取混合面条粉，加入纯净水，充分搅拌混合，密封，室温下放置20 min，使水分分布均匀平衡。

1.3.2.5 挤压、熟化、成型、干燥

上述混合物料填入到料斗中进行挤压、熟化、成型，分别切割成长度为20 cm的面条，冷却至常温，干燥至水分含量为10%，进行检测、包装，备用。

1.3.3 单因素试验

前期研究确定原料配比为：黑豆粕粉100 g、黑米粉21 g，木薯淀粉5 g，谷朊粉12 g，食盐2 g。通过单因素试验研究物料水分、螺杆转速、挤压温度对杂粮面条感官和断条率的影响。每次试验重复3次，结果取平均值。

1.3.3.1 螺杆转速

按指定配比称取一定量物料，加入到进料斗中，在挤压温度135℃，水分含量33%，螺杆转速分别为70、75、80、85、90 r/min 条件下进行挤压，将挤出的面条按照感官评分进行评定并测定断条率。

1.3.3.2 水分含量

按指定配比称取一定量物料，加入到进料斗中，在挤压温度135℃，螺杆转速80 r/min，水分含量分别为 27%、30%、33%、36%、39%条件下进行挤压，将挤出的面条按照感官评分进行评定并测定断条率。

1.3.3.3 挤压温度

按指定配比称取一定量物料，加入到进料斗中，在螺杆转速80 r/min，水分含量33%，挤压温度分别为130、135、140、145、150 ℃条件下进行挤压[12]，将挤出的面条按照感官评分进行评定并测定断条率。

1.3.4 响应面优化试验设计

根据单因素的试验结果，以感官评分为指标，采用Design expert软件中的响应面方法，选取螺杆转速、水分含量、挤压温度为3个因素，通过Box-Behnken设计三因素三水平的响应面优化试验。响应面试验因素与水平设计见表1。

表1 响应面试验因素与水平设计Table 1 Factor and level design of response surface test

1.4 黑米黑豆面条的感官评定

取同批制作的长20 cm的面条30根，放入刚煮沸的开水中进行煮制8 min，再放入冷水中10 s后捞出，放在评价盘中待评定小组进行打分评定。评定结果取小组成员评分的平均值。面条的感官评价标准见表2。

表2 面条品尝项目及评分标准Table 2 The sensory score standard of noodle

1.5 面条熟断条率的测定

将30根面条放入2000 mL沸水中煮至最佳蒸煮时间，并按公式计算其中断条数占30根面条的百分比即为面条的断条率[13]。

式中：S为30根熟面条中断条的根数。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 螺杆转速对面条品质的影响

螺杆转速对黑米黑豆挤压面条感官评分和断条率的影响结果见图1。

图1 螺杆转速对面条感官评分及断条率的影响Fig.1 The effect of screw speed on sensory score and broken rate of black rice black bean noodles

如图1所示，黑米黑豆挤压面条的感官评分随螺杆转速的增大呈先增大后减小的趋势，断条率随螺杆转速的增大呈先减小后增大的趋势。在螺杆转速为80 r/min时感官评分达到最大96.5，断条率最小为2.01%。这可能是由于螺杆转速过低时，物料在机筒内的停留时间过长，物料水分含量过低，不利于淀粉的糊化，从而使得面条的感官评分较低，断条率较高。而当螺杆转速过高时，物料在机筒内时间短，螺杆对其作用不充分，物料吸收热量不够且水分含量过高，在挤压过程中容易产生能量波动，导致挤出的面条感官品质降低[14]。

2.1.2 水分含量对面条品质的影响

水分含量对黑米黑豆挤压面条感官评分和断条率的影响结果见图2。

图2 水分含量对面条感官评分及断条率的影响Fig.2 The effect of moisture content on sensory score and broken rate of black rice black bean noodles

如图2所示，随加水量的增多，黑米黑豆挤压面条的感官评分呈先增大后减小的趋势，加水量为33%时，感官评分值最大96.7，这与段维等[15]得出的结论一致，Gimenez等[16]认为：物料水分含量较低时，淀粉颗粒之间的交联程度较低，导致面条断条率增加；当加水量过多时，过量的水分弱化了淀粉所受的剪切力和摩擦力，阻碍了淀粉网状结构的形成，从而降低了面条的感官品质。面条断条率则随水分含量的增多呈先降低后升高趋势，水分含量达到33%时，断条率最低为2.03%。水分含量增多导致淀粉黏度降低，淀粉在机筒内受到的剪切力及摩擦力减弱[17]，挤出过程物料经过模口时受到的瞬时压力降低，导致面条断条率增加。

2.1.3 挤压温度对面条品质的影响

挤压温度对黑米黑豆挤压面条感官评分和断条率的影响结果见图3。

图3 挤压温度对面条感官评分及断条率的影响Fig.3 The effect of screw temperature on sensory score and broken rate of black rice black bean noodles

机筒温度是挤压物料吸收热量的主要来源，直接影响物料在机筒内的变化，即物料在机筒内的流动性能和熔融体状态。挤压面条的最终感官品质受到影响。机筒温度对膨化杂粮感官各项指标的影响不完全相同。随着机筒温度的升高，黑米黑豆挤压面条感官评分呈现先增大后减小的趋势，黑米黑豆挤压面条感官评分在机筒温度为135℃时达到最大值，最大值为96.3，断条率最低，为2.04%。随着机筒温度的升高，黑米黑豆挤压面条色泽得分虽有所波动，呈不断加深趋势。黑米黑豆挤压面条风味得分随着机筒温度的升高呈先增大后减小趋势，是由于过高的温度使部分物料焦糊化，随着温度的不断升高风味得分变化幅度逐渐增大[18]。

2.2 黑米黑豆面条挤压最佳工艺参数响应面试验结果

响应面分析及结果见表3，感官评分回归方程的方差分析结果见表4，断条率回归方程的方差分析结果见表5。

表3 响应面分析及结果Table 3 Design and results of response surface experiments

表4 感官评分回归方程的方差分析结果Table 4 Analysis of variance for the regression model

表5 断条率回归方程的方差分析结果Table 5 Analysis of variance for the regression model

续表5 断条率回归方程的方差分析结果Continue table 5 Analysis of variance for the regression model

运用Design Expert 8.0.6软件对表3数据进行完全二次回归分析，得到黑米黑豆面条的感官评分对螺杆转速（X1）、水分含量（X2）、挤压温度（X3）的二次多项回归方程，表示如下：

断条率对螺杆转速（X1）、水分含量（X2）、挤压温度（X3）的二次多项回归方程，表示如下：

由表4对感官评分响应值的二次模型方差分析结果可以得出，R2=0.9978，表明自变量和响应值关系显著，模型 P＜0.0001，达到极显著；失拟项 P=0.1354＞0.05，不显著。方差分析还显示一次项（X1，X3）和二次项 （X12，X22，X32）均显著，X1X2、X1X3、X2X3交互作用显著，说明该模型拟合度较好，可以用此来模拟分析和预测挤压最佳工艺参数。

由表5对断条率响应值的二次模型方差分析结果可以得出，R2=0.9997，表明自变量和响应值关系显著，模型 P＜0.0001，达到极显著；失拟项 P=0.5916＞0.05，不显著。方差分析还显示一次项（X1，X2，X3）和二次项（X12，X22，X32）均显著，X1X3交互作用显著，X1X2、X2X3交互作用极显著，说明该模型拟合度较好，可以用此来模拟分析和预测挤压最佳工艺参数。

2.3 响应面交互作用结果

螺杆转速、水分含量和挤压温度对感官评分及断条率的影响见图4。

图4 螺杆转速、水分含量和挤压温度对感官评分及断条率的影响Fig.4 Response surface the effect of screw speed，moisture content and screw temperature on the sensory score and broken rate

由图4可知，3D图投射的等高线图的形状可以直观地反映两因素交互作用的强弱。图（A、B、C、D、E、F）均呈椭圆形说明螺杆转速、挤压温度与水分含量对感官评分及断条率的两两交互作用均显著。从图4（B、C、E）我们可以看出，挤压温度一侧更加陡峭，表明感官评分与断条率受挤压温度的影响较大。图（4A）中对应等高线可以看出，螺杆转速对面条感官评分的影响大于水分含量。

2.4 最佳配方确定

通过软件对黑米黑豆面条感官评分、断条率二次模拟回归分析，得到预测值为螺杆转速81.42 r/min、水分含量33.64%、挤压温度134.08℃，感官评分为96.87、断条率为1.90612%。从实际生产和经济效应方面考虑，将工艺参数修改为螺杆转速81 r/min、水分含量34%、挤压温度134℃。实测值感官评分为96，断条率为2%，实测值与预测值非常接近，表明该响应面法对面条的工艺参数优化可行。

3 结论

本研究旨在优化黑米黑豆面条挤压工艺参数，通过单因素试验和响应面试验对黑米黑豆面条挤压过程中的螺杆转速、水分含量、挤压温度3个因素进行优化，确定了黑米黑豆面条的挤压最佳工艺参数为螺杆转速81 r/min、水分含量34%、挤压温度134℃。实测值感官评分为96，断条率为2%，实测值与预测值非常接近，表明该响应面法对面条的工艺参数优化可行。

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