響應面法優(yōu)化豆渣擠壓膨化工藝條件研究

李艾霖, 尚 婧, 云少君, 陳振家, 牛曉峰, 王 愈,*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 食品科學與工程學院， 山西 晉中 030801；2.山西省農(nóng)畜產(chǎn)品加工研究生教育創(chuàng)新中心， 山西 晉中 030801；3.太原六味齋實業(yè)有限公司， 山西 太原 030000)

響應面法優(yōu)化豆渣擠壓膨化工藝條件研究

李艾霖1,2, 尚 婧1, 云少君1, 陳振家1,2, 牛曉峰2,3, 王 愈1,2,*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 食品科學與工程學院， 山西 晉中 030801；2.山西省農(nóng)畜產(chǎn)品加工研究生教育創(chuàng)新中心， 山西 晉中 030801；3.太原六味齋實業(yè)有限公司， 山西 太原 030000)

豆渣中含有豐富的營養(yǎng)物質，使其具有了很多保健功能，例如其中富含的膳食纖維可預防糖尿病、心血管疾病以及肥胖，還有氨基酸互補的功效。豆渣磨成粉后可以和面粉、玉米粉等按照一定比例混合應用于焙烤食品中，豆渣焙烤食品的研發(fā)需要對豆渣進行預處理，預處理可以促進人體對豆渣中營養(yǎng)物質的吸收，提升其營養(yǎng)價值。為了提升豆渣焙烤食品的營養(yǎng)價值與口感，以豆腐生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品豆渣為原料，采用擠壓膨化技術對豆渣的膨化度和可溶性膳食纖維進行研究。結果表明：調整螺桿轉速360 r/min，對水質量分數(shù)為21%的物料在170 ℃的擠壓溫度下進行擠壓膨化，得到的物質膨化度良好，且疏松多孔，粉碎之后可作為焙烤食品的原材料。

豆渣； 擠壓膨化； 膨化度； 膳食纖維； 響應面試驗

大豆起源于中國，是中國重要的糧食作物之一，大豆及其制品營養(yǎng)價值很高，含有豐富的大豆膳食纖維、優(yōu)質蛋白質、大豆脂肪、礦物質和維生素等。隨著生活水平的提高，我國居民對生活質量的認識也逐漸科學性，對大豆及其制品的食用越來越注重。豆渣是豆腐、豆奶、豆?jié){等豆制品加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，豆渣中除含有常見的營養(yǎng)素之外，還包含一些微量物質，比如鎂、鉀、鈣、磷、鐵以及黃酮等[1-2]。豆渣中的膳食纖維含量極其豐富，對人體的消化和排泄有著重要的促進作用[3-4]，而且低糖、低脂、低熱、高膳食纖維，是理想的“三低一高”營養(yǎng)食物[5]。

擠壓膨化是一種高溫、高壓、高剪切、短時加工的高新技術，已廣泛應用于食品加工行業(yè)[6-7]。豆渣系列食品在國外市場比較流行,例如日本[8-9];而在我國，豆渣基本是作為廢棄物或者動物飼料來處理。文章主要在豆渣預處理中利用擠壓膨化技術，改變豆渣中膳食纖維的結構，將不溶性膳食纖維變性成為可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber, SDF)，即增加豆渣中可溶性膳食纖維含量，降低不溶性膳食纖維的含量，使豆渣焙烤食品的營養(yǎng)價值更高，口感更加細膩滑潤[10]，以期對豆渣焙烤系列食品的開發(fā)提供一些有價值的基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原材料：濕豆渣、白面粉，均購買于當?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場。

試劑：體積分數(shù)95%乙醇溶液(分析純)，北京華騰化工有限公司；丙酮(分析純)、重鉻酸鉀(分析純)，北京化工廠；耐高溫α-淀粉酶、胰蛋白酶，北京Solarbio科技有限公司；葡萄糖淀粉酶，上海江萊生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

HM65- Ⅲ型雙螺桿擠壓膨化機，濟南漢美數(shù)控機械有限公司；MB23/MB25型水分分析儀，奧豪斯儀器(上海)有限公司；WX- 95型超微細粉碎機，中國人民解放軍第六九一三工廠；SHZ- D(Ⅲ)型循環(huán)水式多用真空泵，河南省予華儀器有限公司；SHZ- B型水浴恒溫振蕩器，上海躍進醫(yī)療器械廠；CP224C型電子天平，奧豪斯儀器(上海)有限公司；HPG- 9075型電熱鼓風干燥箱，北京東聯(lián)哈爾儀器制造有限公司；DF- 101S- 60433型磁力攪拌器，北京中興偉業(yè)儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1指標的測定

膨化度：擠壓膨化后產(chǎn)品的截面直徑平均值和膨化機?？诘慕孛嬷睆降谋壤煌ㄋ讈碇v，膨化度就是產(chǎn)品膨化前后的體積比?？扇苄陨攀忱w維：分別對擠壓膨化前后的豆渣參照GB/T 5009.88—2014進行膳食纖維的測定[11]。

1.3.2擠壓膨化豆渣的工藝流程

進料(濕豆渣、白面粉)→豆渣烘干→混合攪勻→擠壓膨化處理→超微粉碎→得到成品(豆渣粉)。

1.3.3豆渣擠壓膨化的操作要點

1)均勻混合：將白面粉和濕豆渣按4:1的比例混合倒入雙螺桿擠壓膨化機的攪拌裝置筒中[12]，開機進行混勻攪拌，混勻攪拌過程中蓋好蓋子，防止面粉和豆渣飄揚?；旌蠑嚢杈鶆蛑?，將混合物和事先稱好的水倒進喂料口中，使得豆渣和面粉的混合物w(水)在26%左右。

2)擠壓膨化：擠壓膨化參數(shù)參照文獻設定，調整雙螺桿擠壓膨化機螺桿轉速350 r/min，擠壓溫度170 ℃，喂料速度17 Hz[13-14]。雙螺桿擠壓膨化機在實驗前提前開機預熱，等溫度升高到預設溫度之后，將已經(jīng)混合好的物料倒入機器中，操作臺調控擠壓溫度為170 ℃，對豆渣和面粉的混合物進行膨化，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，超微粉碎機每工作5 min休息1次[15]。

1.3.4擠壓膨化單因素實驗

1)螺桿轉速對豆渣擠壓膨化的影響測定。分別設定螺桿轉速為250，300，350，400，450 r/min；其他條件設定為擠壓溫度170℃，物料水質量分數(shù)20%，進行實驗。

2)擠壓溫度對豆渣擠壓膨化的影響測定。分別設定擠壓溫度為150，160，170，180，190 ℃；其他條件設定為螺桿轉速350 r/min，物料水質量分數(shù)20%，進行實驗。

3)w(水)對豆渣擠壓膨化的影響測定。分別設定物料w(水)為10%，15%，20%，25%，30%；其他條件設定為螺桿轉速350 r/min，擠壓溫度170 ℃，進行實驗。

1.3.5響應面優(yōu)化試驗設計

以螺桿轉速、擠壓溫度和物料含水量為自變因素，采用響應面法對豆渣擠壓膨化的條件進行優(yōu)化，采用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應面試驗設計和數(shù)據(jù)分析。

2 結果與分析

2.1 螺桿轉速對擠壓膨化的影響

豆渣的膨化度和w(SDF)隨著螺桿轉速的增加而增大，都是在350 r/min時達到最大值，從350 r/min開始呈下降趨勢，所以350 r/min左右為擠壓膨化的較優(yōu)螺桿轉速(見圖1、圖2)。

圖1 螺桿轉速對膨化度的影響Fig.1 Influence of screw speed on expansion degree

2.2 擠壓溫度對擠壓膨化的影響

豆渣的膨化度隨著擠壓溫度的升高而增大，同時w(SDF)也隨著擠壓溫度的升高而增加，2條曲線在150～170 ℃為上升趨勢，溫度170 ℃時膨化度和w(SDF)都出現(xiàn)最高點，在170 ℃之后，豆渣膨化度和w(SDF)都有所降低(見圖3、圖4)。

圖2 螺桿轉速對SDF質量比的影響Fig.2 Influence of screw rotation speed on soluble dietary fiber content

圖3 擠壓溫度對膨化度的影響Fig.3 Influence of extrusion temperature on expansion degree

圖4 擠壓溫度對SDF質量比的影響Fig.4 Influence of extrusion temperature on soluble dietary fiber content

2.3 物料含水量對擠壓膨化的影響

物料w(水)在10%～20%時，豆渣擠壓膨化的膨化度逐漸增大，20%時膨化度達到最大值；在20%～30%，膨化度隨著w(水)的增加而逐漸減小(見圖5)。w(水)對于w(SDF)有較為明顯的影響，小于20%時，w(SDF)增加明顯，等于20%時，豆渣的w(SDF)達到了最大值，大于20%時，豆渣w(SDF)明顯降低(見圖6)。所以物料w(水)在20%左右為擠壓膨化的優(yōu)化值。

圖5 物料水質量分數(shù)對膨化度的影響Fig.5 Influence of water mass fraction on expansion degree

圖6 物料水質量分數(shù)對SDF質量比的影響Fig.6 Influence of water mass fraction on soluble dietary fiber content

2.4 響應面試驗結果與分析

2.4.1響應面試驗因素水平和結果

在豆渣擠壓膨化的單因素實驗的基礎上，設置螺桿轉速水平在300～400 r/min，擠壓溫度水平在160～180 ℃，物料w(水)為15%～25%，響應面試驗因素水平和結果見表1、表2。

表1 響應面試驗因素水平和編碼

2.4.2螺桿轉速、擠壓溫度和物料含水量對膨化度的影響

利用Design-Expert 8.0.6軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析，得到二次多項回歸方程：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值為146.67，p<0.000 1差異極顯著，而失擬項p>0.05不顯著，表明此模型是顯著的(見表3)。模型決定系數(shù)R2=0.994 7，而且AdjR2=0.9879能夠解釋實驗98.79%的響應值，與PredR2=0.916 5相差也不大，說明此實驗模型和真實數(shù)據(jù)有很好的擬合度，具有實踐指導的意義，可用來分析螺桿轉速、擠壓溫度和w(水)對膨化度影響的最佳工藝。

表2 實驗設計與結果

2.4.3螺桿轉速、擠壓溫度和物料含水量對SDF質量比的影響

利用Design Expert 8.0.6對數(shù)據(jù)進行分析(見表4)，得到二次多項回歸方程：w(SDF)=2.80+0.11A+0.000B+0.096C+0.000AB-0.043AC-0.050BC-0.31A2-0.11B2-0.25C2。從表4中可以得到，實驗設計模型的F值為20.44，p為0.000 3，小于0.01，說明二次方程模型達到了顯著水平，且R2=0.9536,AdjR2=0.916 2能夠解釋實驗91.62%的響應值，與PredR2=0.9296相差也不大，說明此實驗模型的擬合度較好。綜上所述，該模型有效，可用來分析螺桿轉速、擠壓溫度和w(水)對w(SDF)影響的最佳工藝。

表3 膨化度回歸模型方差分析

*差異顯著，p<0.05；**差異極顯著，p<0.01。R2=0.994 7，AdjR2=0.987 9，PredR2=0.916 5。

2.4.4擠壓膨化各因素的響應曲面分析

擠壓膨化工藝條件對膨化度的影響見圖7和圖8，從圖中可看出螺桿轉速和擠壓溫度以及擠壓溫度和w(水)對擠壓膨化的膨化度的交互作用顯著。當固定螺桿轉速時，隨著擠壓溫度的升高，擠壓膨化的膨化度呈先上升后下降的趨勢；同樣，當擠壓溫度不變時，隨著螺桿轉速的增加,擠壓膨化的膨化度也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當螺桿轉速為350 r/min，擠壓溫度為170 ℃時，膨化度達到最大值為8.8。擠壓溫度和物料w(水)對擠壓膨化的膨化度的影響也符合此規(guī)律，在擠壓溫度為170℃，w(水)為20%時，擠壓膨化的膨化度出現(xiàn)最大值，此時膨化度為8.8。

擠壓膨化工藝條件對膨化度對w(SDF)的影響見圖9、圖10。由圖可知，雖然每組變量間交互不顯著，但當固定一個變量，豆渣w(SDF)會隨著另一個變量的增大先上升后下降。圖9可看出螺桿轉速為350 r/min時，w(SDF)達到最大值，大于350 r/min，w(SDF)開始下降，此時當w(水)為20%時，w(SDF)最大。由圖10可知，隨著擠壓溫度和w(水)2個因素的增大，w(SDF)有明顯增加，在擠壓溫度為170 ℃，w(水)為20%時，出現(xiàn)w(SDF)響應面的最高點，為2.7 g/100 g。

表4 SDF質量比回歸模型方差分析

*差異顯著，p<0.05； **差異極顯著，p<0.01。R2=0.9536，AdjR2=0.9162，PredR2=0.929 6。

圖7 螺桿轉速和擠壓溫度的交互作用對膨化度的影響Fig.7 Influence of interaction between screw speed and extrusion temperature on expansion degree

圖8 擠壓溫度和物料水質量分數(shù)的交互作用對膨化度的影響Fig.8 Influence of interaction of extrusion temperature and water mass fraction on expasion degree

圖9 螺桿轉速和物料水質量分數(shù)的交互作用對擠壓膨化的SDF質量比的影響Fig.9 Influence of interaction of screw speed and water mass fraction on content of soluble dietary fiber

圖10 擠壓溫度和物料水質量分數(shù)的交互作用對擠壓膨化的SDF質量比的影響Fig.10 Influence of interaction of extrusion temperature and water mass fraction on content of soluble dietary fiber

2.4.5模型驗證實驗結果分析

根據(jù)實際情況的可操作性，利用Design-Expert 8.0.6軟件得到優(yōu)化擠壓膨化的條件為在螺桿轉速360 r/min、擠壓溫度170℃時，對水質量分數(shù)21%的物料進行膨化，經(jīng)過驗證，膨化出的物質的膨化度為8.7，SDF質量比為2.7 g/100 g，與理論值基本相符，所以該模型是有效可行的。

3 結 論

1)實驗模型擬合度較好，螺桿溫度和物料水質量分數(shù)均能極顯著影響擠壓膨化的膨化度和可溶性膳食纖維含量。擠壓膨化可提高豆渣面粉混合物的營養(yǎng)價值并改善豆渣膨化物的口感，擠壓膨化后的物質膨化度良好，經(jīng)粉碎后可作為焙烤食品的原材料。

2)根據(jù)實際情況和實驗操作的可行性，由回歸方程得到擠壓膨化的優(yōu)化工藝為螺桿轉速360 r/min，擠壓溫度170 ℃，對水質量分數(shù)21%的物料進行擠壓膨化，此時膨化出的物質蓬松多孔，且具有酥脆的性質，符合擠壓膨化食品的特有性質。

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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

張逸群)

10.3969/j.issn.2095-6002.2017.06.005

2095-6002(2017)06-0028-08

李艾霖， 尚婧， 云少君， 等. 響應面法優(yōu)化豆渣擠壓膨化工藝條件研究[J]. 食品科學技術學報，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

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0400200)。

李艾霖，男，碩士研究生，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程；*王 愈，男，教授，博士，主要從事果蔬加工及其野生資源利用與開發(fā)、貯藏保鮮新技術、傳統(tǒng)食品功能特性等方面的研究，通信作者。