响应面法优化挤压膨化芡实工艺及结构表征分析

陈坤林，张文莉,吴少福，蔡志鹏，卢玉萍,袁蒙,曹瑜,沈勇根*

(1.江西农业大学 食品科学与工程学院，南昌 330045;2.九江职业技术学院 经济管理学院，江西 九江 332007)

芡实为睡莲科水生草本植物芡(EuryaleferoxSalisb.)的干燥成熟种仁，在植物学上被称为欧洲黑麦草、狐狸坚果，又名鸡头米、鸡头子等[1]。始载于《神农本草经》，列为上品，性味甘平，具有补脾、止泻、除湿、益肾固精之功效，素有“水中桂圆”的称号。

芡实的产后加工与保鲜方法有干制、罐头加工、速冻保鲜以及其他以芡实为原料的食品加工[2]。目前,芡实资源的综合利用率低,精深加工产品较少,产品附加值低。国内芡实加工以干制品居多,罐藏和速冻保藏较少；初加工产品较多,深加工产品较少,产品附加值不高，芡实的大规模生产加工受到限制[3]。芡实原料本身的结构特征会影响芡实加工的最终产品性质，因此通过糊化方式改变芡实品质，从而提高芡实食品加工方式。淀粉的糊化方式有很多种，如常压蒸煮、焙烤、挤压膨化和酶解等，不同处理方式都会影响芡实的宏观与微观结构性质。其中挤压膨化技术因具有占地少、效率高、连续性强等优点，在我国得到迅速的发展与推广，并广泛运用于杂粮加工行业[4]。挤压膨化是一种新型的食品加工技术，集高压、高温和高剪切力于一体。原料在挤压机中处于高压下，并在通过模头排出时突然下降到正常压力。由于压力急剧下降，材料被膨化成多孔结构，有利于粉末快速吸收水分[5]。膨化挤压方式通过对植物性全粉晶型区域进行破坏，扩大了淀粉的非晶体区域从而改进淀粉的功能性，改善了粉体的冲调性能[6-7]。

膨化工艺日益成熟，膨化工艺作为现代化日趋完善的工艺加工方式，能够促进食物的改良变性[8]。对于芡实挤压膨化的加工工艺与结构表征方面鲜有报道。本文采用挤压膨化技术处理芡实粉，研究挤压处理对芡实粉的质构性质如糊化度、微观结构表征的影响，并对挤压芡实的感官进行评定，优化芡实的膨化工艺条件，改善芡实粉的冲调性能，为扩大芡实基础原料发展奠定了基础，也为未来对芡实相关产品附加值能得到较好提升铺平了道路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

芡实：江西余干芡实产业园。

高速粉碎机 永康市铂欧五金制品有限公司；电子天平 上海浦春计量仪器有限公司；电热鼓风干燥机 上海一恒科学仪器有限公司；DSE30实验型双螺杆挤压膨化机 山东力久特种电机股份有限公司；TA-XT Plus物性测试仪 英国Stable Micro System公司；FEI Quanta-250型扫描式电子显微镜(SEM) 美国FEI公司。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程

芡实→精选→清洗→干燥→粉碎→过筛→高温挤压膨化→磨粉→包装→成品。

1.2.2 注意事项

1.2.2.1 芡实的预处理

芡实应经过精选，精选过程中挑出坏粒；挑选过后放入超声清洗器中用清水洗涤2次，洗去灰尘以及杂质；干燥过程中，将洗净的芡实放入电热鼓风干燥机，温度为60 ℃，热风干燥2 h；干燥后的芡实经磨粉过筛。

1.2.2.2 膨化挤压参数的设定

挤压膨化是由物料吸收热量后的蛋白质变性和淀粉糊化完成，挤压膨化的热量来源于筒壁加热，挤压腔内的加热区域由Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区组成，经过预试验测定及参照李廷渲的试验方法，发现Ⅰ区、Ⅲ区对膨化芡实成型影响不大，由此设定膨化Ⅰ区、Ⅲ区温度分别为 70，150 ℃，喂料速度为10 Hz，膜孔直径为2.7 mm。

1.2.2.3 成型加工

成型后的芡实膨化颗粒经过磨粉过筛。

1.2.2.4 成品塑封

将调配好的芡实膨化粉放入保鲜包装袋中，用封口机密封保存。

1.3 芡实膨化制作工艺

1.3.1 膨化工艺单因素试验

以感官评分为指标，固定芡实目数100目、螺杆转速145 r/min、Ⅱ区挤压温度150 ℃、水分添加量14%，考察物料湿度(4%、6%、8%、10%、12%)对芡实粉感官品质的影响；以感官评分为指标，固定物料湿度8%、螺杆转速145 r/min、Ⅱ区挤压温度150 ℃、水分添加量14%，考察芡实目数(40，60，80，100，120目)对芡实粉感官品质的影响；以感官评分为指标，固定物料湿度8%、芡实目数100目、Ⅱ区挤压温度150 ℃、水分添加量14%，考察螺杆转速(135，140，145，150，155 r/min)对芡实粉感官品质的影响；以感官评分为指标，固定物料湿度8%、芡实目数100目、螺杆转速145 r/min、水分添加量14%，考察Ⅱ区挤压温度(130，135，140，145，155 ℃)对芡实粉感官品质的影响；以感官评分为指标，固定物料湿度8%、芡实目数100目、螺杆转速145 r/min、Ⅱ区挤压温度150 ℃，考察芡实水分含量(5%、8%、11%、14%、17%)对芡实粉感官品质的影响。

1.3.2 响应面优化试验

通过Box-Behnken试验设计确定最佳芡实代餐粉感官评价组合。在单因素试验的基础上，选择物料湿度(A)、螺杆转速(B)、挤压温度(C)、芡实目数(D)4个因素，采用响应面试验的方法优化芡实膨化粉工艺，以感官评分为响应值，Box-Behnken试验设计见表1。

表1 Box-Behnken试验因素与水平设计

1.4 评价方法

1.4.1 感官试验

感官人员选择：由10名食品专业学生组成感官评价小组，评价人员男女均占一半，各项感知能力均正常。感官评价因素：感官评分标准参考GB/T 10221-2012《感官分析 术语》[9]，确定从色泽、香味、口感、膨化程度、外观5个方面进行评分， 每项权重各占0.2，整体认可度为每项感官评分乘以权重后的加和，感官评分标准见表2。

表2 感官评分标准

1.4.2 糊化度

参照梁宝丹等[10]的试验方法进行测定。

1.5 结构表征分析

1.5.1 扫描电镜测定

对象 选取北京协和医院2016年6月至2018年5月符合以下标准的患者。纳入标准：(1)经临床及病理确诊为TIO的患者；(2)99mTc-HYNIC-TOC SPECT显像结果阴性。排除标准：具有低磷性骨软化症家族史；因原发性甲状旁腺功能亢进、肾小管酸中毒、长期阿德福韦酯药物使用史等其他可能原因致低磷骨软化患者。共纳入37例患者，其中男性22例、女性15例。平均年龄(44±13)岁(17～75岁)。本研究通过本院伦理委员会审查，所有患者检查前均签署知情同意书。

运用扫描电子显微镜(SEM)观察芡实膨化粉的表面和颗粒与颗粒之间间距及微观结构。将样品置于40 ℃干燥2 h，样品干燥后取出并密封于封口袋中。将样品用导电胶带固定在载体上，并且用洗耳球吹匀样品，为避免在电子束下充电，对样品表面进行喷金(10 nm)处理[11]，加速电压15 kV，用扫描电镜放大100，400,600倍条件下观察样品粉体表面分布及其颗粒之间的距离远近，颗粒大小均匀状态。

1.5.2 质构分析测定

将芡实膨化的球体直接放在物性测定仪上。测定物质结构，选取了P50柱形探头对膨化芡实球体的弹力、硬度、黏性等指标进行测定，参数设置为测试前速度5 mm/s，测试速度1 mm/s，测试后速度5 mm/s，往复进行2次测试，每个样品测试8次，取得8次的平均值[12]。

1.6 数据处理

使用Design Expert 11.0进行Box-Behnken试验设计及响应面试验数据优化，通过SPSS 20.0进行数据分析，Origin 2019进行绘图处理。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 物料湿度对芡实膨化感官品质的影响

由图1可知，随着物料湿度的增加，膨化后的芡实感官评分呈现先上升后下降的趋势，而糊化度呈现快速上升的趋势。物料湿度在6%～8%时，糊化度处于快速上升阶段，糊化度为67.2%～82.5%；感官评分为73.2～84.2分。物料湿度较低时，芡实粉团过于干燥导致进入膨化管腔中，水分含量相对较低时，在挤压过程中产生的水蒸气较少[13]，粉体过于干燥进而通过高温度区域时，挤压无法成型，容易焦糊或炭化造成堵塞；水分添加量过多时，大量水分进入到膨化管腔中，水分汽化过多，腔体内压力不稳，造成物料经过膨化后黏度过高，难以成型，故选取水添加量为8%。

图1 物料湿度对芡实膨化感官评分的影响

由图2可知，随着膨化芡实原料目数的增加，膨化后芡实的糊化度与感官评分迅速升高，芡实目数在80～100目时，膨化芡实的感官评分与糊化度较高，分别为81.4～86.9分和92.7%～94.4%，当达到100目时，膨化芡实的糊化度与感官评分达到最大值，继续提高目数，糊化度与感官评分略有下降。由此可知，当芡实目数过小时，颗粒过大造成膨化时容易堵塞壁腔，使芡实膨化的成型性不好，甚至无法成型，糊化不彻底。芡实目数过大，芡实颗粒过细碎，小颗粒聚集造成进入汽化室过多，则膨化的效果不佳。因此，当目数达到100目时，糊化充分，糊化度良好，黏度增加，膨化效果较好。

图2 目数对芡实膨化感官评分的影响

2.1.3 螺杆转速对芡实膨化感官品质的影响

由图3可知，随着螺杆转速增加，膨化后的芡实膨化度与感官评分呈现先上升后下降的趋势，螺杆转速在140～145 r/min时，膨化芡实的感官评分与糊化度较高，分别在80.1～84分和90.8%～92.4%。在螺杆转速达到145 r/min时，膨化度与感官评价都达到最佳水平。原因可能是螺杆转速过低，物料所承受的剪切力作用低，并且膨化受热时间较长，容易造成口感不佳。螺杆转速过高，物料与膨化管壁之间的摩檫力和剪切力增加，受热时间短，导致芡实膨化期间熟化不均匀[14]。所以，螺杆转速为145 r/min时膨化效果好。

图3 螺杆转速对芡实膨化感官评分的影响

2.1.4 Ⅱ区温度对芡实膨化感官品质的影响

由图4可知，芡实膨化的糊化度与感官评分随着Ⅱ区温度的升高先上升后下降，Ⅱ区温度在135～145 ℃时，膨化芡实的感官评分与糊化度较高，分别为79.2～84.4分和91.5%～94.4%。Ⅱ区温度在140 ℃时糊化度与感官评分最佳。由于淀粉糊化和蛋白变性需要适宜的温度，吸收足够的能量，才能完成淀粉糊化和蛋白质变性[15]。芡实Ⅱ区膨化温度过低，导致膨化过程中芡实粉受热不足，膨化程度过低，蓬松感不足。Ⅱ区温度过高，导致淀粉的分解程度大于淀粉的糊化程度，出现烧焦色度，颜色过黑，口感差[16]。因此，Ⅱ区温度选用140 ℃时芡实膨化效果极佳。

图4 Ⅱ区温度对芡实膨化感官评分的影响

2.1.5 芡实颗粒内部水分含量对芡实膨化感官品质的影响

由图5可知，芡实膨化的感官评分随着芡实中水分含量的升高先持续升高后下降，而糊化度一直处于上升趋势，芡实中的含水量在11%～17%时，膨化芡实的感官评分与糊化度较高，分别为81.2～82.4分和83.4%～90.8%。芡实中水分含量在14%时，感官评分最高。芡实中的水分含量过低，过于干燥，在进行调整物料湿度时，水分不好控制，导致膨化效果不理想。水分能调控筒壁间的摩檫力，起到润滑的功效，芡实中的水分含量过高，膨化过程中物料湿度调整会过高，导致膨化出的芡实黏度过高，气孔过多，亦难成型[17]。因此，在芡实中的水分含量为14%时，芡实膨化的感官评分较佳。

图5 水分含量对芡实膨化感官评分的影响

2.2 Box-Behnken 试验设计结果

根据单因素试验结果，以芡实膨化后的感官评分作为响应值[18]，考察物料湿度(A)、螺杆转速(B)、挤压温度(C)、芡实目数(D)这4个因素对芡实膨化感官评分(Y)的影响，得出最优的试验方法。Box-Behnken试验方案与结果见表3，方差分析结果见表4。

表3 Box-Behnken试验设计方案及结果

续 表

表4 Box-Behnken试验方差分析结果

由表3可知，运用响应面试验分析试验结果，得到膨化芡实的感官评分(Y)的回归方程为：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，该模型差异极显著(P<0.01)，决定系数R2为0.9053，说明模型拟合程度优良，能较为直观地拟合试验结果。失拟项不显著(P>0.05)，说明模型误差较小，校正决定系数 RAdj2为 0.8106，说明模型的相关性和解释度都很好，可以用此模型进行理论分析和预测。二次项A2、C2对芡实粉感官评分的影响极显著(P<0.01)，交互项CD和二次项 B2、D2影响显著(P<0.05)。4 个影响因素中，对芡实膨化粉感官评分影响最大的为芡实目数，其次为螺杆转速，而后为膨化温度，影响最小的为物料湿度。

2.3 各因素之间交互作用和响应面分析

由Design-Expert 12.0软件对试验结果进行响应面图的绘制，通过3D响应面图能较为直观地反映出各因素之间的交互作用对膨化芡实感官评分的影响，响应面分析结果见图6。

a.物料湿度与螺杆转速

通过该响应面3D图的形象直观表达[19]，由图6可知，BC、BD的曲面较为陡峭，芡实目数与螺杆转速的变化曲线比膨化温度的变化曲线更陡峭，表明芡实目数和螺杆转速比膨化温度的影响更为显著一些。AD、CD、AC的曲面陡峭，根据曲面陡峭程度可知芡实目数和物料湿度对芡实膨化感官评分的影响最大，其次为芡实目数与膨化温度，最后为膨化温度与添水量。AB的曲面较为平缓，其对芡实膨化的影响较小。由此可知，对芡实代餐粉感官评分影响最大的为芡实目数，其次为螺杆转速，而后为膨化温度，影响最小的为水添加量。

2.4 最佳工艺条件的确定及验证试验

Design-Expert 12.0软件对试验的优化结果为89.97分，该条件下的感官评价预测值为芡实目数92.3目、螺杆转速151.3 r/min、膨化温度140.5 ℃、水添加量8.07%。采用优化后的参数进行验证试验，为方便操作，条件参数设为芡实目数90目、螺杆转速150 r/min、膨化温度140 ℃、水添加量8%，该条件下重复试验3次，测得芡实膨化感官评分平均值为89.23分，与模型预测值无明显差异，说明该模型优化得到的芡实膨化工艺参数可靠。

2.5 扫描电镜测定芡实膨化粉结构性质结果

扫描电镜作为分析工具是研究代餐粉颗粒系统的手段，传统的显微镜(SEM)定位技术在食品结构研究中得到了样品结构的定性描述[20]。

由图7可知，芡实膨化粉在100倍下，颗粒均匀且紧密分布，流动性较好。其中，在400倍及600倍下，观察的颗粒分布性好，间隙紧密，流动性与整体性能相对增强[21]。通过图片可直观形象展示出工艺优化结构，通过膨化工艺的优化，芡实粉的各项物理性能有所提高。

a.芡实膨化粉100×

2.6 质构分析测定膨化芡实结果

由表5可知，经过挤压膨化后的芡实球体内部结构疏松多孔，组织化程度高，纤维结构良好；通过挤压膨化的芡实，膨化度良好，形状规则立体，弹性适度，磨粉后粉体流动性较好，并且口感提升不少。

表5 膨化芡实球体颗粒的质构分析结果

3 结论

芡实通过膨化挤压技术，在单因素试验的基础上进行响应面分析，从而获得最优工艺条件：当芡实目数为90目、螺杆转速为150 r/min、膨化温度为140 ℃、物料湿度为8%、芡实水分含量为14%时，膨化后芡实淀粉糊化彻底，糊化度良好，颗粒呈棕褐色，表面光滑，内部疏松多孔且具有芡实特有的香味。研磨成粉体后，冲调性得到较好改善，且无结块产生，口感顺滑，通过此工艺优化后，提升了芡实相关产品的特性及功能。