響應面優化五谷人參營養米工藝及其物性研究

熊小青，吳西，劉思佳，寧艷艷，王延芳，劉靜雪

（吉林農業科技學院食品工程學院，吉林吉林132101）

響應面優化五谷人參營養米工藝及其物性研究

熊小青，吳西，劉思佳，寧艷艷，王延芳，劉靜雪*

（吉林農業科技學院食品工程學院，吉林吉林132101）

以五谷粉、人參粉為主要原料，采用雙螺桿擠出工藝生產五谷人參營養米，應用單因素和響應面法對影響產品工藝的主要因素：擠出溫度、人參粉添加量、水分添加量進行優化，通過質構儀對五谷人參營養米和五常大米進行物性分析。結果表明：當擠出溫度145℃、人參粉添加量3%、水分添加量25%時，營養米感官評分為97.67分。影響產品感官評分因素由大到小依次為擠出溫度>人參粉添加量>水分添加量，物性分析表明最佳工藝參數制得的五谷人參營養米硬度、彈性、咀嚼性、內聚性、黏著性等指標與五常大米米飯物性指標無顯著差異，表明五谷人參營養米食用品質較佳。

五谷粉；人參米；響應面；物性

玉米又稱玉蜀黍、苞米等，屬禾本科玉米屬，富含碳水化合物、蛋白質、維生素、膳食纖維、礦物質等人體必需營養物質，尤其是其含有豐富的亞油酸及谷胱甘肽，具有調節人體異常代謝的重要功能[1-2]。稻米是一年生草本植物，營養含量高[3]，本試驗采用稻谷加工過程中產生的碎米以提高稻谷的綜合利用。燕麥性味甘平，對人體的脾臟和心臟都很有益處，營養價值非常高[4-5]。小米具有很高營養價值，含有大量的蛋白質和維生素，它不僅可以做食物，而且入藥有清熱滋補、補脾腎和腸胃等功效[6]。蕎麥有開胃寬腸，慢性泄瀉的功效，含有豐富的膳食纖維，其含量是一般精制大米的10倍[7]。人參中含各種類型的人參皂苷、氨基酸、多肽、脂溶性成分以及微量元素等，其中皂苷為主要活性成分[8-9]?，F代醫學證明人參能改善人體物質代謝，具有抗疲勞、抗過敏、降血糖等功效[10]。本研究利用玉米、大米、小米、蕎麥、燕麥為原料，大大提高谷物資源的綜合利用及其附加價值，滿足人們對食物多樣性的需求。特別添加人參原料開發五谷人參營養米，還能大幅度提高人參的精深加工程度，充分利用人參資源，解決目前人參口味差，只能藥用的問題。這種“大米”的研制順應了“人參可以加入到食品中”的當前形勢。擠出工藝是一項高溫高壓瞬時加工工藝技術，集連續性蒸煮，混煉于一體，其加工成本低、生產效率高、在食品工藝中運用越來越廣泛，本研究旨在開發一種新的五谷復合人參產品，為五谷和人參綜合開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米粉、大米、燕麥、蕎麥、小米、糯米：許昌優加糧農產品開發有限公司；人參：靖宇縣康盛生物藥材有限公司。

1.2 儀器與設備

JC-60A型雙螺桿擠出機：濟南賽信機械有限公司；TA-XT2i物性測定儀：英國StableMieroSystem公司；BZF-50型真空干燥箱：上海鼎科科學儀器有限公司；FA-2204C型分析天平：上海佑科儀器有限公司；MB-45型快速水分測定儀：美國奧豪斯儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 五谷營養粉的制備

取一定量的玉米粉、大米粉、小米粉、燕麥粉、蕎麥粉，經進一步粉碎、過140目篩，備用。

1.3.2 五谷營養粉基礎配料

取備好的玉米粉、大米粉、小米粉、燕麥粉、蕎麥粉，具體配比（以總粉質量計算）為：玉米粉80%，大米粉6%，小米粉4%，燕麥粉5%，蕎麥粉5%，將上述配比的混合粉稱為五谷粉。

1.3.3 人參粉的制備

取一定量的五年內人工種植的人參，首先采用流動水清洗干凈，然后用真空干燥箱于50℃條件下烘干，干燥過篩（140目）后備用。

1.3.4 五谷人參營養米工藝流程

1.3.5 五谷人參營養米單因素試驗

1.3.5.1 擠出溫度對五谷人參營養米感官評分的影響

在人參粉添加量為3.0%、水分添加量為25%、擠出溫度為 120、130、140、150、160 ℃時，考察擠出溫度對五谷人參營養米感官評分的影響。

1.3.5.2 人參粉添加量對五谷人參營養米感官評分的影響

在水分添加量為25%、擠出溫度為140℃條件下，人參粉添加量為2.6%、2.8%、3.0%、3.2%、3.4%時，考察人參粉添加量對五谷人參營養米感官評分的影響。

1.3.5.3 水分添加量對五谷人參營養米感官評分的影響

在人參粉添加量為3.0%、擠出溫度為140℃條件下，水分添加量為23%、24%、25%、26%、27%時，考察水分添加量對五谷人參營養米感官評分的影響。

1.3.6 五谷人參營養米工藝參數的優化

根據單因素結果，為進一步確定工藝參數，以擠出溫度、人參粉添加量、水分添加量作為因素，每個因素選擇3個水平進行試驗，并且以五谷人參營養米產品的口感評分作為試驗的考核指標，利用響應面軟件設計三因素三水平試驗，并進行數據的處理及分析，從而確定最佳工藝參數。試驗因素及水平見表1。

表1 因素水平表Table 1 Factors and Levels

1.3.7 五谷人參營養米的感官評定

進行五谷人參營養米的感官評定不僅結合了五谷人參營養米自身的特點，也參照了GB/T 15682-2008《糧油檢驗稻谷、大米蒸煮食用品質感官評價方法》中米飯感官評分規則，另外邀請了10位有經驗的專家對本產品進行現場打分和評定，具體的感官評分標準見表2。

1.3.8 五谷人參營養米飯的物性測定

本試驗將制得的五谷人參營養米產品和市售五常大米采用質構儀進行測試對比。將人參米、五常大米與水按照質量比1∶1∶1.5放入電飯煲蒸煮20 min，熟制后進行測定。使用質構儀在TPA（Texture Profile Analysis）模式下測定五谷人參營養米飯的質構指標（硬度、彈性、咀嚼性、內聚性、黏著性），具體測定方法為：分別取5 g熟制五谷人參營養米飯和5 g熟制五常大米米飯平放在測試臺的中間位置，要保證米粒平整且不留有空隙地平鋪在測試臺上。平行試驗5次，取其平均值[11-13]。測定參數：測前速度1.00 mm/s；測試速度0.5 mm/s；壓縮比90.0%；2次壓縮間隔時間5.00 s；探頭型號SMS P50。

表2 五谷人參營養米感官評分標準Table 2 The quality scoring standards of the grain ginseng nutrition rice

2 結果與分析

2.1 五谷人參營養米的單因素試驗

2.1.1 擠出溫度對五谷人參營養米感官評分的影響

擠出溫度對五谷人參營養米感官評分的影響結果見圖1。

圖1 擠出溫度對感官評分的影響Fig.1 Effect of the extrusion temperature on sensory score

由圖1可以看出，隨著擠出溫度的增加，五谷人參營養米飯的感官評分分值先增大后減小，擠出溫度為120℃時五谷人參營養米飯的感官評分較低，當擠出溫度達到140℃時米飯的感官評分分數最高，為97.35分。出現五谷人參營養米飯的感官評分低的情況可能是因為在人參粉添加量和水分添加量一定的情況下，當使用較低的擠出溫度時，淀粉糊化地不徹底，使得五谷人參營養米黏牙、飯粒完整性差，感官評分低。當擠出溫度較高時，五谷人參米飯膨化過度、出現氣泡，感官評分降低。因此，適宜的擠出溫度為140℃。

2.1.2 人參粉添加量對五谷人參營養米感官評分的影響

人參粉添加量對感官評分的影響結果見圖2。

圖2 人參粉添加量對感官評分的影響Fig.2 Effect of the ginseng powder content on sensory score

由圖2可以看出，隨著加入越來越多的人參粉的量，五谷人參營養米飯的感官評分分值先增大后減小，當人參粉添加量為3.0%時，感官評分分97.36分，效果較好。出現五谷人參營養米飯的感官評分低的情況可能是因為當添加人參粉量少時，人參粉味道不明顯，而當人參粉添加量過高時，又有較濃烈的苦味，影響了五谷人參營養米飯獨特香氣，從而影響了米飯的整體品質。由試驗結果可知，人參粉添加量為3.0%時，效果較好，五谷人參營養米米飯較香，口感潤滑性好。

2.1.3 水分添加量對五谷人參營養米感官評分的影響

水分添加量對感官評分的影響結果見圖3。

由圖3可以看出，隨著加入越來越多的水分，五谷人參營養米飯的感官評分分值先增大后減小，當水分添加量為25%時，感官評分分數是97.28分，效果最好。原因是水分過低時，部分焦糊原料影響到最終產品的適口性，并且由于焦糊導致了米粒色澤灰暗、光澤度差，導致口感評分下降；當水分過高時，由于五谷人參營養米耐煮性的下降，破壞了米粒的完整性，感官分值隨之下降。因此，確定水分添加量為25%。

圖3 水分添加量對感官評分的影響Fig.3 Effect of the water content on sensory score

2.2 五谷人參營養米工藝參數的優化

2.2.1 數學模型的建立與顯著性檢驗

依據單因素試驗，運用Box-Behnken試驗設計原理，以擠出溫度（A）、人參粉添加量（B）、水分添加量（C）作為響應因素，以五谷人參營養米感官評分分值（Y）為響應值設計試驗，試驗方案及其結果見表3。

表3 Box-Benhnken中心組合試驗設計及結果Table 3 Box-Benhnken central composite design arrangement and experimental results

采用Design-Expert 8.0.6軟件對表5進行多元回歸擬合、方差分析及顯著性檢驗，得到以五谷人參營養米感官評分分值Y為目標函數，關于各條件編碼值的二次回歸方程為：

Y=97.44+0.66A+0.33B+0.16C-0.36AB-0.16AC-0.057BC-0.51A2-1.35B2-0.52C2。

對該模型進行顯著性檢驗，可得到方差分析見表4，模型的可信度分析見表5。

表4 回歸方程方差分析表Table 4 Analysis of variance table for regression model

表5 回歸模型的可信度分析Table 5 Reliability analysis of the regression model

由表4、表5可知，模型的P值小于0.000 1，遠小于0.01，說明該模型極顯著，回歸模型與實際測定數值能夠很好的擬合，試驗誤差較小，因此，可以用該回歸方程代替試驗真實值對試驗結果進行分析，R2=99.33%，預測值與實測值之間具有高度的相關性，說明方程可靠性較高。在回歸模型中，A、B、C、AB、A2、B2、C2，對響應值影響極顯著，AC對響應值影響顯著，BC對響應值影響不顯著。影響產品感官評分因素由大到小依次為擠出溫度＞人參粉添加量＞水分添加量。

2.2.2 各因素的交互作用對五谷人參營養米感官評分分值影響

響應面圖是響應值對應各因素A、B、C所構成的可直觀反應各因素的交互作用的三維空間曲面圖[14-15]。為了考察各因素間的交互作用對響應值五谷人參營養米感官評分分值的影響，使其中任意的兩個因素不變的情況下，對模型進行降維分析。由Design-Expert8.0.6軟件對其進行統計分析，所得響應面及其等高線見圖4。等高線可以使我們能夠直接觀察出各個因素的交互作用和對響應值的影響情況。等高線中的橢圓形表示兩因素的交互作用比較明顯，而圓形則表示兩因素交互作用不太明顯。擠出溫度（A）與人參粉添加量（B）之間的交互作用極顯著，具體表現為等高線圖呈明顯的橢圓形，擠出溫度（A）與水分添加量（C）之間的交互作用顯著，等高線圖呈現出橢圓形，而人參粉添加量（B）與水分添加量（C）之間的交互作用不顯著，具體表現為等高線圖幾乎呈現為圓形。

圖4 各兩因素交互作用響應面及等高線圖Fig.4 Response surfaces and contour plots of the interactive effects of each two factors.

2.2.3 優化五谷人參營養米工藝參數

為進一步確定最佳參數，對擬合的回歸方程求分別一階偏導數，并設其為0，得到三元一次方程如下：

求解得：X1＝0.557、X2＝0.043、X3＝0.030，即最佳工藝參數為擠出溫度145.57℃、人參粉添加量3.01%、水分添加量25.03%，在此條件下五谷人參營養米感官評分為97.65分。為了方便現實中的操作，將參數修正為擠出溫度145℃、人參粉添加量3%、水分添加量25%。采用修正后的工藝參數進行3次驗證試驗，制得五谷人參營養米感官評分為97.67分。

2.3 物性測定結果

五谷人參營養米和五常大米的物性測定結果見表6。

表6 物性測定結果Table 6 Physical properties result

根據表6可知，五谷人參營養米米飯和五常大米米飯的各項指標，包括硬度、彈性、咀嚼性、內聚性、黏著性均無顯著性差異，說明五谷人參營養米和五常大米物性幾乎一致。

3 結論

五谷人參營養米的最佳工藝參數為：擠出溫度145℃、人參粉添加量3%、水分添加量25%，在此條件下，五谷人參營養米感官評分為97.67分。影響產品感官評分因素由大到小依次為擠出溫度＞人參粉添加量＞水分添加量。根據質構儀分析結果表明，最佳工藝參數制得的五谷人參營養米硬度、彈性、咀嚼性、凝聚性、回復性、黏著性等指標適宜，與五常大米米飯對應的指標無顯著差異，說明五谷人參營養米食用品質較佳。

[1]馮世德,孫太凡.玉米粉對小麥面團和饅頭質構特性的影響[J].食品科學,2013,34(1)：101-104

[2]張鳴鏑,姚惠源.玉米胚芽蛋白及其在食品工業中的應用[J].食品科技,2006,31(5)：124-127

[3]高瑀瓏,鞠興榮,姚明蘭,等.稻米儲藏期間陳化機制研究[J].食品科學,2008,29(4)：470-473

[4]申瑞玲,董吉林.燕麥β-葡聚糖在食品工業中的應用[J].食品研究與開發,2008,29(8)：164-167

[5]陜方,田志芳,馬曉鳳,等.燕麥高纖食品基料加工技術及生理活性研究[J].食品科技,2004(5)：82-85

[6]劉麗萍.小米營養及小米食品的開發[J].糧油加工與食品機械,2003(1)：48-49

[7]閻紅.蕎麥的應用研究及展望[J].食品工業科技,2011,32(1)：363-365

[8]李學,臧埔,張連學,等.微生物轉化法制備人參皂苷Compound K的研究進展[J].食品科學,2012,33(11)：323-327

[9]Somdatta Goswami,Shyamal Ghosh,Subrata Chakraborty.Reliability analysis of structures by iterative improved response surface method[J].Structural Safety,2016,60(5)：56-66

[10]Henrik Stensgaard Toft,Lasse Svenningsen,Wolfgang Moser,et al.Assessment of wind turbine structural integrity using response surface methodology[J].Engineering Structures,2016,106(1)：471-483

[11]Ronald G Iacocca,Christopher L Burcham,Lori R Hilden.Particle engineering：A strategy for establishing drug substance physical property specifications during small molecule development[J].Journal of Pharmaceutical Sciences,2010,99(1)：51-75

[12]Yuanlin MENG,Lei ZHANG,Guohui Q U,et al.Diagenetic characteristics under abnormally low pressure：A case from the Paleogene of southern Western Sag,Liaohe Depression,Bohai Bay Basin[J].Petroleum Exploration and Development Online,2016,43(4)：731-736

[13]Yao Yu,Wan-Bo Zhang,Xi-Ying Li,et al.Pathogenic fungal elicitors enhance ginsenoside biosynthesis of adventitious roots in Panax quinquefolius during bioreactor culture[J].Industrial Crops&Products,2016,94(12)：729-735

[14]Juan Wang,Wenyuan Gao,Beimei Zuo,et al.Effect of methyl jasmonate on the ginsenoside content of Panax ginseng adventitious root cultures and on the genes involved in triterpene biosynthesis[J].Research on Chemical Intermediates,2013,39(5)：1973-1980

[15]胡亞云.質構儀在食品研究中的應用現狀[J].食品研究與開發,2013,34(11)：101-104

Response Surface Methodology Optimization of Grain Ginseng Nutrition Rice Process and Study on Physicochemical Properties

XIONG Xiao-qing，WU Xi，LIU Si-jia，NING Yan-yan，WANG Yan-fang，LIU Jing-xue*
（College of Food Engineering，Jilin Agricultural Science and Technology College，Jilin 132101，Jilin，China）

The main factors influencing the process of the product were as follows：single-factor and response surface method were used to produce the nutritive rice of ginseng used the double-screw extruding process with the grain powder and the ginseng powder as the main raw materials.The extrusion temperature，the adding amount of ginseng powder，and the physical properties of ginseng rice and Wuchang rice was analyzed by texture analyzer.The results showed that when the extrusion temperature was 145℃，the adding amount of ginseng powder was 3%and the amount of water added was 25%，the sensory score of nutrition rice was 97.67.The results showed that the factors affecting the sensory evaluation were extrusion temperature>additive amount of ginseng powder>the amount of water added，and physical properties analysis showed that the optimum process parameters were the hardness，elasticity，chewiness，cohesion，and other indicators and the Wuchang rice no significant difference between the physical properties of rice，rice ginseng nutritional rice consumption quality was better.

grain powder；ginseng rice；response surface；physical properties

2016-10-24

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.14.018

吉林農業科技學院大學生科技創新科研項目（吉農院合字[2016]第 2016037號）

熊小青（1996—），女（漢），本科在讀，研究方向：糧食油脂及植物蛋白工程。

*通信作者：劉靜雪（1988—），男，助教，碩士，研究方向：糧食油脂及植物蛋白工程與功能性食品開發。