單螺桿擠壓機生產微量營養素強化大米成形工藝研究

李亞男 王 韌， 周 星 陳正行，

（江南大學糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室1，無錫 214122）（江南大學食品學院2，無錫 214122）

單螺桿擠壓機生產微量營養素強化大米成形工藝研究

李亞男1王 韌1，2周 星2陳正行1，2

（江南大學糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室1，無錫 214122）（江南大學食品學院2，無錫 214122）

本研究以產品成品率和維生素A保留率為指標，考察了套筒溫度、螺桿轉速、物料水分含量和乳化劑（單甘酯）用量對微量營養素強化大米單螺桿擠壓生產成形品質的影響。試驗結果表明：產品成品率與淀粉糊化度密切相關，淀粉糊化度過高或者過低均不利于擠壓成形；隨著淀粉糊化度的增大，強化大米產品的維生素A保留率總體呈現降低趨勢；通過正交試驗，確定了微量營養素強化大米單螺桿擠壓生產的最佳工藝條件為：套筒溫度20℃、物料水分質量分數36%、螺桿轉速100 r／min、單甘酯用量0.6%（w／w）；在此條件下，產品成品率和維生素A保留率分別為93.5%和88.0%。本研究為碎米的綜合利用以及主食營養強化提供了一條合理簡便的途徑。

強化大米 微量營養素 擠壓 糊化度

大米是我國人民的主食和重要的營養來源。但是稻米加工企業為了迎合消費者對感官的要求，普遍采用“多道碾白＋拋光”的加工工藝，加工精度越高，大米中的微量營養素（維生素、鉀、鐵、鈣等）流失越多，嚴重影響了大米的營養價值［1］，這是營養學界常說的“白米飯白吃飯”的依據，也是以淀粉類食物為主食的居民易患微量營養素缺乏癥的主要原因。我國第三次營養調查結果顯示，我國人民人均維生素A、維生素B1、維生素B2、鈣、鐵、鋅等微量營養素的攝入量均存在明顯不足。

稻米是保障我國糧食安全的主要糧食品種，年產量已超2億t。然而，我國稻米加工業的主要副產品—碎米，年產量達4 000萬t以上，目前尚未得到充分的開發利用。微量營養素強化大米擠壓生產技術不僅可以為低值的碎米提供一條綠色的深加工途徑，而且還具有工藝簡單、產品儲藏穩定性好、可塑性強等特點，因此成為近年來的研究熱點［2－7］。但是目前的研究主要集中在雙螺桿擠壓機上，較少采用單螺桿擠壓機。與雙螺桿擠壓機相比，單螺桿擠壓機具有結構簡單、價格低廉、生產效率高等特點［8］。本研究以碎米和脂溶性維生素A為原材料，旨在優化微量營養素強化大米單螺桿擠壓生產的成形工藝條件，從而為我國微量營養素強化大米的生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

米粉：市售，除雜后使用粉碎機對其進行粉碎，得到試驗用米粉原料（化學成分組成如表1所示），粉碎機的篩網為200目；維生素A醋酸酯（Type 250 CWS／A）：羅氏（上海）維生素有限公司；單硬脂酸甘油酯（單甘酯）：上海恒信化學試劑有限公司；TaKa淀粉酶：美國Sigma－aldrich公司。

表1 原料米粉的化學成分組成／%

1.2 儀器與設備

PSPH－80型單螺桿擠壓機：無錫中亞糧機廠制造，處理量為80～120 kg／h，機筒直徑為80 mm，長徑比為10.5∶1，機筒配有夾套，可通入蒸汽或冷卻水進行加熱或冷卻處理，并通過熱電偶溫度計進行溫度測量；模頭：自主設計，?？诪?.5 mm×1.2 mm（長軸×短軸）的橢圓形孔，?？讛禐?個，總開口面積為33.93 mm2，平均分布在模板直徑為5.6 cm的圓上；XHF－1高速分散器：上海金達生化儀器廠；SM50面粉攪拌機：新麥機械（無錫）有限公司；JSFD－2分級篩：上海嘉定糧油檢測儀器廠；FW80型微型高速萬能試樣粉碎機：天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 微量營養素強化大米的生產工藝

如圖1所示，原材料經混合、調質后進料擠壓，擠壓過程中切刀轉速固定為570 r／min；將收集到的擠出物放置在45℃的鼓風干燥箱內干燥24 h，再使用分級篩對其進行篩選，篩除偏小的碎米顆粒和粘連的結塊米，即可得到微量營養素強化大米成品。

圖1 微量營養素強化大米的生產工藝流程

1.3.2 單因素試驗

在單因素試驗中，固定物料水分質量分數為36%、螺桿轉速為100 r／min、單甘酯用量為0.5%，考察不同套筒溫度對擠壓成形工藝的影響；固定套筒溫度為20℃、物料水分質量分數為36%、單甘酯用量為0.5%，考察不同螺桿轉速對擠壓成形工藝的影響；固定套筒溫度為20℃、螺桿轉速為100 r／min、單甘酯用量為0.5%，考察不同物料水分含量對擠壓成形工藝的影響；固定套筒溫度為20℃、螺桿轉速為100 r／min、物料水分質量分數為36%，考察不同乳化劑用量對擠壓成形工藝的影響；評價指標包括產品糊化度、成品率和維生素A保留率。

1.3.3 正交試驗

在單因素試驗的基礎上，選取螺桿轉速、物料水分含量和單甘酯用量3個主要影響因素，設計正交試驗。表2是正交試驗的因素水平安排表。

表2 擠壓成形工藝正交試驗因素水平安排表

1.4 分析方法

1.4.1 產品成品率的測定

參照 GB／T 5503—2009《糧油檢驗 碎米檢驗法》，并針對本研究中擠壓成形大米易粘連結塊并且碎米多為片狀的實際情況，以長篩替代圓孔篩，確定了產品成品率的測定方法：準確稱量干燥后的待篩選強化大米樣品并記錄其質量M；將2.5、2.4、2.0、1.8 mm的4種長篩從上往下依次疊好，加入樣品后將其固定在分級篩上篩選3 min；篩選完畢后，以留存在2.5 mm長篩上的大米樣品作為結塊米，以通過2.0 mm長篩后留存在1.8 mm長篩上的碎粒作為大碎米，以通過1.8 mm長篩的碎粒作為小碎米；使用天平準確稱量結塊米和碎米的總質量m；產品成品率可以根據下式進行計算：

1.4.2 淀粉糊化度的測定

淀粉糊化度的測定采用TaKa淀粉酶法［9］。

1.4.3 維生素A的測定

維生素A的測定采用紫外分光光度法［10］。

1.4.4 數據分析

數據分析采用Origin8.0軟件中的單因素方差分析（ANOVA），并按照 Duncan's法進行檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 套筒溫度對擠壓成形工藝的影響

套筒溫度是影響米粉擠壓成形的一個關鍵參數，由圖2可見，隨著套筒溫度的升高，產品的淀粉糊化度逐漸升高，而成品率則逐漸下降。擠壓成形過程中，物料中的淀粉顆粒在高溫、高壓、高剪切力的作用下吸水受熱膨脹，直鏈淀粉向顆粒外擴散，隨著時間的延長，淀粉分子間的氫鍵斷裂，原來的有序結構遭到破壞，呈現出松散無序結構，即發生糊化。套筒溫度的升高有利于物料溫度的上升，從而促進淀粉糊化［11］。但是淀粉糊化度增加，卻使擠出物的黏性增大，造成物料在切割過程中容易發生米粒粘連的現象，結塊米的數量增加，產品成品率降低。從表3可以發現，當套筒溫度低于40℃時，產品的維生素A保留率基本維持不變；隨著套筒溫度的升高，維生素A保留率呈現出明顯降低的趨勢。綜合考慮，套筒溫度選擇為20℃。

圖2 套筒溫度對微量營養素強化大米產品成品率及淀粉糊化度的影響

表3 套筒溫度對維生素A保留率的影響

2.1.2 螺桿轉速對擠壓成形工藝的影響

由圖3可見，隨著螺桿轉速的加快，產品的淀粉糊化度逐漸升高，而成品率則逐漸下降。螺桿轉速是擠壓成形工藝中極為重要的一個參數，隨著螺桿轉速的加快，物料受到的剪切力增大，與機筒之間的摩擦生熱也隨之增加，可以有效促進淀粉糊化；但是提高螺桿轉速同時也會縮短物料在機筒內的滯留時間，從而降低淀粉的糊化度。因此，在不同的擠壓條件下，研究者們可以得出完全不同的結論。安紅周［12］在使用單螺桿擠壓機制備復合營養方便米的研究中發現：當進料量固定不變時，含水34%（w／w）的物料在較低的套筒溫度條件下（60℃）受剪切應力的影響較小，所以螺桿轉速的提高導致淀粉糊化度下降。Cai等［13］使用雙螺桿擠壓機研究擠壓對小麥淀粉糊化度的影響時發現：雖然螺桿轉速的提高縮短了物料的滯留時間，但是由于低水分物料（25%，w／w）的黏度較高，導致擠壓過程中剪切應力的大幅度增加，因此淀粉的糊化度反而呈上升趨勢。在本研究中，淀粉糊化度與螺桿轉速呈顯著正相關，這主要是因為：套筒溫度被固定在20℃，因此物料在機筒內的滯留時間對淀粉糊化度的影響不大，螺桿的剪切強度也就成為影響淀粉糊化度的主要因素。由表4可見，隨著螺桿轉速的加快，產品的維生素A保留率總體呈下降趨勢。這主要是因為螺桿轉速的提高使物料受到的剪切力增大，與機筒之間的摩擦生熱也隨之增加，從而造成更多的維生素A醋酸酯被破壞。綜合考慮，螺桿轉速選擇為 100 r／min。

圖3 螺桿轉速對微量營養素強化大米產品成品率及淀粉糊化度的影響

表4 螺桿轉速對維生素A保留率的影響

2.1.3 物料水分含量對擠壓成形工藝的影響

由圖4可見，隨著物料水分含量的升高，產品的淀粉糊化度逐漸降低，但是成品率卻呈現出先升后降的趨勢，峰值出現在水分質量分數36%處。淀粉能夠在低水分條件下發生糊化是擠壓技術最重要的特征之一，擠壓過程中淀粉的糊化有別于傳統蒸煮過程中的淀粉糊化，淀粉顆粒在擠壓機內的糊化不僅受到水分、溫度、處理時間的影響，而且還受到擠壓剪切力和壓力的共同作用［14］。物料水分質量分數增加，一方面會導致物料與機筒、螺桿之間的摩擦生熱降低，剪切應力下降，從而淀粉糊化度降低；但是另一方面，高水分含量可以提高物料的傳熱性能，尤其是當套筒溫度較高時，能夠使物料在機筒內得到充分的混合與加熱，從而促進淀粉糊化。因此，在不同的擠壓條件下得出的結論也不同。Iwe等［15］在使用單螺桿擠壓機處理紅薯粉與大豆粉的混合物時（擠壓機溫度設定為100℃、物料水分質量分數18%～30%）發現，降低水分含量能夠提高淀粉糊化度。然而，Lee等［16］使用雙螺桿擠壓機處理玉米粉，擠壓機溫度設定為70～110℃，結果顯示：水分質量分數為53%的原料，其擠出物的淀粉糊化度要明顯高于水分質量分數42%的原料。在本研究中，由于套筒溫度被固定在20℃，所以水分在擠壓成形過程中主要起到增塑劑和潤滑劑的作用，增加水分含量必然會導致淀粉糊化度降低。然而當物料水分質量分數過高時（＞36%），擠出物的糊化度過低，物料柔軟松散，在切割過程中容易碎裂或受力變形生成片狀顆粒（篩選過程中易被當作大碎米篩出），碎米數量增多，同樣會降低產品成品率，而且糊化度過低的強化大米產品色澤發白、表面粗糙。由表5可見，隨著物料水分含量的增加，產品的維生素A保留率呈現出先上升后穩定的趨勢。綜合考慮，物料水分質量分數選擇為36%。

圖4 物料水分含量對微量營養素強化大米產品成品率及淀粉糊化度的影響

表5 物料水分含量對維生素A保留率的影響

2.1.4 乳化劑用量對擠壓成形工藝的影響

乳化劑的添加能夠對擠壓產品的質量以及成形工藝產生顯著的影響。一方面，乳化劑能與直鏈淀粉結合生成復合物，從而防止儲藏過程中淀粉回生；另一方面，乳化劑在擠壓成形過程中能夠起到潤滑作用，降低物料黏度，從而有利于產品成形和分散，提高產品成品率及外觀品質。本研究選用了在方便米飯和面制品生產中普遍使用的食品乳化劑—單甘酯，圖5給出了單甘酯用量對微量營養素強化大米產品成品率及淀粉糊化度的影響，從中可以發現，隨著單甘酯用量的增加，強化大米產品的淀粉糊化度開始呈明顯下降趨勢，但是當單甘酯用量高于0.5%以后，淀粉糊化度無顯著變化；產品成品率的增加趨勢與之相似，開始明顯得到提高，至0.5%后無顯著變化?？梢?，在一定用量范圍內，單甘酯的添加能有效改善物料的流動性，減小擠壓過程中的摩擦生熱，降低淀粉糊化度，從而提高產品成品率。但是，當單甘酯的用量超出一定范圍后，繼續增加其用量并不能獲得更好的效果。由表6可見，單甘酯的用量從0.1%增加到0.3%能有效提高產品的維生素A保留率，但當單甘酯的用量超過0.3%后，維生素A保留率無顯著變化。綜合考慮，單甘酯添加量選擇為0.5%。

圖5 單甘酯用量對微量營養素強化大米產品成品率及淀粉糊化度的影響

表6 單甘酯用量對維生素A保留率的影響

2.2 正交試驗

單因素試驗結果表明降低套筒溫度能有效提高產品成品率，同時，由于套筒溫度是一個不易穩定控制的變量，因此在正交試驗中不再考察套筒溫度的影響（固定在20℃），只選取了螺桿轉速、物料水分含量和單甘酯用量3個影響因素來設計正交試驗，以期確定擠壓成形的最佳工藝參數。同時，通過單因素試驗還發現，擠壓成形后強化大米的維生素A保留率較高（80.8%～89.0%），已經達到了預期值，因此在正交試驗中，僅以產品成品率作為評價指標進行優化。

表7 擠壓成形工藝正交試驗設計與結果

從表7可以看出，物料水分含量是最主要的影響因素，其次是擠壓機螺桿轉速，影響最小的是單甘酯用量；最佳工藝條件為A2B2C3，即物料水分質量分數36%、螺桿轉速100 r／min、單甘酯用量0.6%，剛好與正交試驗中的第5號試驗條件一致，其產品成品率為93.5%，是正交試驗中的最高值。同時，樣品的維生素A保留率，達到88.0%，外觀與普通大米極為相似，具有很高的仿真性。

3 結論

通過本研究，得出以下結論：強化大米的淀粉糊化度與套筒溫度、螺桿轉速均呈顯著正相關性，而產品成品率與二者呈顯著負相關性；淀粉糊化度與物料水分含量呈顯著的負相關性，但是產品成品率與物料水分含量并不呈顯著的正相關性，物料水分含量過高或者過低均不利于擠壓成形，難以獲得較高的產品成品率；在一定用量范圍內，單甘酯的添加能有效改善物料的流動性，減小擠壓過程中的摩擦生熱，降低淀粉糊化度，從而提高產品成品率；擠壓成形后強化大米的維生素A保留率較高（80.8%～89.0%），且隨著淀粉糊化度的增加，維生素A保留率整體呈現降低趨勢；通過正交試驗得出最佳工藝條件是：套筒溫度20℃、物料水分質量分數36%、螺桿轉速100 r／min、單甘酯用量0.6%、切刀轉速570 r／min，在此條件下，產品成品率和維生素A保留率分別為93.5%和88.0%。

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The Production Technology of Micronutrient－Fortified Rice by Single－Screw Extruder

Li Yanan1Wang Ren1，2Zhou Xing2Chen Zhengxing1，2
（National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology，Jiangnan University1，Wuxi 214122）（School of Food Science and Technology，Jiangnan University2，Wuxi 214122）

In this research，the production yield and retention rate of vitamin A were selected as the integrate targets.The influence factors on themolding quality ofmicronutrient－fortified rice by single－screw extruder had been investigated，which included the barrel temperature，screw speed，moisture content and emulsifier（monoglyceride）amount.The results showed that the production yield ofmicronutrient－fortified rice was closely related with the degree of starch gelatinization，and too high or low degree of starch gelatinization was disadvantageous to the processing of the extrusion forming；with the increase of the degree of starch gelatinization，the retention rate of vitamin A ofmicronutrient－fortified rice was reduced overall.The optimum conditions of the production ofmicronutrientfortified rice was the barrel temperature of 20℃，moisture content of 36% （w／w），screw speed of 100 r／min，monoglyceride amount of0.6% （w／w）bymeans of the orthogonal experiment..Under these conditions，the production yield and retention rate of vitamin A were 93.5%and 88.0%，respectively.The study provided a reasonable and simple way for the comprehensive utilization of broken rice and the staple food micronutrient fortified.

fortified rice，micronutrient，extrusion，degree of starch gelatinization

TS213.3

A

1003－0174（2015）11－0006－06

時間：2015－11－18 22：53：36

網絡出版地址：http：／／www.cnki.net／kcms／detail／11.2864.TS.20151118.2253.006.html

十二五國家科技支撐計劃（2012BAD37B02），江蘇省科技支撐項目（BE2013311），公益性行業（農業）科研專項（201303071）

2014－11－11

李亞男，女，1988年出生，助理實驗師，糧食精深加工

王韌，男，1980年出生，副教授，糧食精深加工