挤压膨化法生产碎米米粉的工艺条件优化

迟吉捷

(辽宁省农业科学院食品与加工研究所，辽宁 沈阳 110161)

大米在加工时被碾碎的部分，称为碎米，其营养成分与大米相近，但其价格仅为大米的30%～50%，如何积极开展碎米资源的利用，实现物尽其用是我国稻米加工行业共同关心的问题。 尽管国内对碎米加工技术研究的方法很多，但真正能转化为产品的项目并不是很多，适合中小型企业生产的产品很少，因此，研制出一种适合中小型企业生产的碎米加工产品很有必要。 随着碾米业的发展，我国碎米资源将极为丰富，合理利用碎米资源，提高碎米的经济价值是我国碾米行业共同关注的问题。 以碎米为原料加工食品的研究生产尚处于起步阶段。 多年来碎米的使用、食用方法比较单一，随着人们生活水平的提高，传统碎米的加工、使用已满足不了现代快节奏生活的需求。 因此，在不减少碎米营养成分损失、加工成本又比较低廉的前提下，对碎米的功能性质进行改善，必将对拓宽碎米的使用范围具有十分重要的现实意义。 本试验着重对碎米的挤压膨化工艺条件进行了研究，以期获得更好的加工方法及产品参数配比，来体现膨化米糊的优越性，改善碎米粉的功能特性，扩大其应用范围，为碎米的深度开发提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

碎米(粳米)，盘锦晶泽米业有限公司提供。

1. 2 主要试验设备

双螺杆挤压膨化机，济南天时信机械有限公司；WF 万能粉碎机，江苏科力机械设备有限公司；LXJ-IIB 型低速大容量多管离心机，上海安亭公司；HH.S21-NI8 型电热恒温水浴锅，北京三二八科学仪器有限公司；DFT-10000 高速粉碎机，温岭市大德机械有限公司；TA-XT2i 型质构仪，英国Stable Micro Systems 仪器公司；756 型紫外分光光度计，上海尤尼柯有限公司；分析天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司；E-52 型旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；SHB-B95 型循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；101A-3 型数显电热鼓风干燥箱，上海锦屏仪表有限公司通州分公司。

1. 3 试验方法及挤压膨化试验设计

以碎米为原料，通过单因素试验，获得较为理想的挤压膨化操作工艺参数。 本试验采用设备为双螺杆挤压机，分三区加热，(Ⅰ(80 ℃)、Ⅱ(100 ℃)区主要作用为原料均匀预热和混合物料作用，对试验结果起辅助作用，III 区机筒温度120～130 ℃，物料水分含量18%～24%，螺杆转速210～230 r/min 时，喂料速度固定在400 g/min 时，产品达到适宜的膨化效果(质地酥脆)。 机筒温度、物料水分、螺杆转速对膨化产品特性影响显著，本试验选取机筒温度(A)、物料水分含量(B)、螺杆转速(C)3 个因子，采用三因素3 水平正交实验表，通过碎米膨化试验分析研究操作参数对产品参数的影响规律，最终得出理想的工艺参数。

表 1 挤压膨化优化实验的正交试验设计

2 挤压膨化试验

由于原料实际水分有一定差异，试验前测定碎米的水分。 喂料速度以及螺杆转速决定产品生产能力，确定喂料速度以及螺杆转速，使产品生产达到一个稳定数值。 试验前根据表2 中物料水分要求计算出需补加的水量，加入需要补充的水分，在混料器中混匀。 原料由螺旋式计量加料器喂入。 挤压膨化机一般经过10 min 预热后即可达到稳定状态，试验开始缓慢喂料，当挤出物挤出速度以及色泽稳定时开始记录试验数值。

2. 1 挤压膨化样品的预处理

根据试验要求，将膨化机挤出样品置于50 ℃烘箱干燥24 h，使产品测定数值不受环境影响，取出部分干燥样品用于测出产品硬度、脆度等参数；取部分样品粉碎后过100 目筛，测出产品水分含量置于4 ℃封闭保存，用于产品吸水性、水溶性指数的测定。

2. 2 挤压膨化产品特性的分析

2. 2. 1挤压膨化产品吸水性、水溶性指数的测定

挤压膨化参数对膨化粉吸水性有很大影响，测定方法参照文献方法[2]。

吸水性=上清干重/样品干重

水溶性=沉淀中水的重量/干重

2. 2. 2挤压膨化产品硬度和脆度的测定

采用质构仪在压缩模式下(HDP/VB)对碎米挤压膨化产品进行样品硬度和脆性测定。

测定硬度值即样品断裂所需要的最大力，硬度值等于曲线中力的峰值，以“g”为单位，数值越大，膨化物越硬；测定脆度值所产生的峰数个数越多，脆度越好，生产实践中，酥脆度差的产品粉碎效果相对较差。 将每个样品测量10 次，取平均值即为产品硬度值。

2. 3 数据分析

所有数据均是重复3 次所得平均值，以均值±标准偏差表示，用SPSS 24 软件进行统计分析。

3 结果与分析

3. 1 挤压工艺参数对产品吸水性及水溶性的影响

机筒温度是影响产品膨化的一个重要因素，在一定范围内，机筒温度越高产品膨化的越完全，温度超过200 ℃时，淀粉含量较高的产品甚至会发生焦化，同时也极易产生有毒物质丙烯酰胺，能源消耗也增大；温度低时，由于物料在机筒内无法得到足够的能量，无法完全达到熔融状态，因此，产品膨化效果差，不够酥脆，色泽暗淡，且孔隙度大小不一。 由表2 和表3 可以看出，机筒温度对产品的吸水性值、水溶性值影响比较明显。 实践生产中，由于温度升高，产品色泽会发生一定变化，温度高于170 ℃时，产品颜色变深，因此，生产中操作温度不易过高。

物料中的水分在膨化过程中起到润滑作用，水分过小，机筒内蒸汽压不足，膨化过程中容易造成膨化机内部堵塞，造成当机现象，严重影响生产效率，且膨化机内部温度升高过快，导致膨化过程无法在稳定的温度中进行；水分过大时，原料膨化不完全，产品水分也会随之增加，由于水分过大，也会导致膨化机提供的能量不足，造成机筒无法在设定温度下进行，从而导致产品膨化不完全。由表2 和表3 可以看出物料水分含量的增加对产品的吸水性增加并不显著，但产品的水溶性变化较大。

螺杆转速决定了产品加工的效率，但螺杆转速过慢容易导致机筒堵塞，快速降低机筒温度，导致产品膨化度降低，螺杆转速过快，由于摩擦生热，机筒温度也会迅速升高，产品稳定性降低，螺杆转速在250 r/min 时，在实际生产中加工效率低，能耗增加，不利于生产，230 r/min 时，机筒温度比较稳定，几乎不发生变化，生产效率提高，降低了能耗，膨化机稳定生产，产品品质也很好；螺杆转速210 r/min 时，由于无法及时挤出机筒内的原料，可能导致膨化机当机，容易造成生产效率降低。 由表2 和表3 可以看出随着螺杆转速的增加对产品的吸水性有很大影响，水溶性影响不大。

由表中的R 值可看出，螺杆转速和机筒温度是影响产品吸水性值的主要因素；而物料水分含量是影响产品水溶性值的主要因素。

表 2 挤压工艺参数对产品吸水性的影响

表 3 挤压工艺参数对产品水溶性的影响

3. 2 挤压膨化工艺条件对硬度和脆性的影响

由表4 和表5 可以看出影响挤压工艺条件的3 个参数相互关联、相互制约，螺杆转速和物料水分影响不稳定可能与实验参数未达到临界值有关。 实践证明，在破坏性试验中，螺杆转速和物料水分对脆度和硬度影响也很明显，螺杆转速过快、物料水分过大，物料不能完全膨化，导致硬度和脆度都降低很多。 由表中R 值可知，机筒温度对产品硬度和脆度影响最大，机筒温度恒定的情况下、物料水分越大，产品的硬度和脆性越小，反之亦然。

表 4 挤压工艺条件对产品硬度的影响

表 5 挤压工艺条件对产品脆度的影响

3. 3 产品的综合评价与操作参数的优化

由于评价指标的不同，得到优化工艺参数也有一定差异。 利用常见的多指标综合评价方法，可大大减少试验次数，降低试验成本。 对于由多指标构成的某问题可试图用最少个数的公共因子的线性函数与特殊因子之和来表示每一个分量，并且要求各因子之间相互独立。 这样不仅消除了指标间信息重叠，而且还起到降维的作用，便于抓住事物的主要矛盾。

根据因子载荷矩阵和公式，通过计算得到各个样本的因子得分。 针对每一个样本所对应的因子进行加权求和即可得到各样本的综合评分，在综合得分的基础上进行正交分析。

机筒温度的增加，产品的综合得分也随之逐渐增加，这说明在产品膨化过程中，膨化温度起着决定性作用；由表8 可以看出物料水分的增加，产品的综合得分增加很平缓；螺杆转速的加快，综合得分增减并不明显。 所以，选取的最优组合为A2B2C2，此参数产品得分最高，产品品质也最好，即在喂料速度固定为400 g/min 条件下，机筒温度为130 ℃， 物 料 水 分 为21%， 螺 杆 转 速 为230 r/min。 在此条件下进行验证试验，得到综合评分为0.95，与模型预测值较为吻合。 在此操作参数下，产品膨化达到理想效果，适宜粉碎，色泽淡黄，米香气十足，产品孔隙度均匀一致。

表 6 目标相关矩阵参数

表 7 方差极大因子矩阵

表 8 目标因子正交分析

3 结论

机筒温度、螺杆转速、物料水分呈动态平衡，相互制约。 本试验结果表明，在喂料速度固定为400 g/min 条件下，机筒温度为130 ℃，物料水分为21%，螺杆转速为230 r/min 的操作参数下，产品膨化达到理想效果，适宜粉碎，色泽淡黄，米香气十足，产品孔隙度均匀一致。 本试验为利用挤压膨化技术提高碎米食用品质生产健康、营养、美味的即食米糊食品提供了理论依据。