糙米挤压工程米生产工艺优化

（黑龙江省农业科学院食品加工研究所，黑龙江哈尔滨 150086）

摘要：以单因素试验为基础，采用自行研制的双螺杆挤压机和响应曲面试验设计方法，研究螺杆转速、水分含量、模头温度以及干燥温度等操作参数对糙米挤压工程米质构特性和复水率的影响，并对工艺参数进行优化。通过响应面分析得到最优工艺参数是螺杆转速为350 r·min－1，水分含量为31%，模头温度为75℃，干燥温度为65℃，其质构综合评分为75.6，复水率为82.8%，表明通过对生产工艺的优化，可改善糙米的口感和蒸煮特性，提高糙米的食用品质，因此具有潜在的工业化应用价值。

关键词：双螺杆挤压；糙米挤压工程米；响应曲面；质构综合评分；复水率

糙米是除去稻谷外壳的米粒，由米糠层、胚芽和胚乳组成［1］。糙米的质地较为紧密，口感比较粗糙，与精白米相比，其蒸煮性、口感和吸收性较差，食味品质较低，人们难以接受［2］。同时，由于不饱和脂肪酸存在于糙米的糠皮中，因此糙米容易被氧化，不利于储藏，容易变质［3］。但精白米由于去除了米糠层和胚芽，其营养价值要远远低于糙米［4］。因此，改善糙米的口感、蒸煮、消化性和储藏稳定性是提高其利用价值的关键［5］。

本实验采用螺杆挤压技术将粉碎后的糙米粉加水混合，并使用双螺杆挤压机，在控制一定转速和温度的条件下，将在挤压机内达到一定糊化度的糙米粉进行挤压成型造粒［6－7］。通过该加工技术生产的糙米挤压工程米，不仅提高了糙米的口感及储藏稳定性，同时糙米中的营养物质还得到了有效保留［8］，如图1。

本研究对传统的双螺杆挤压装备进行改进，采用自行研制的双螺杆挤压机，以糙米为原料生产糙米挤压工程米，通过实验研究了各操作参数对糙米挤压工程米质构特性和复水率的影响，并对工艺参数进行优化。为糙米的开发与利用提供一条新的加工途径。与此同时，生产糙米工程米可提高出米率、大幅提高生产企业收益，可增强大米加工企业市场竞争力。因此，糙米挤压工程米的开发与利用对于

提高人们的健康水平、改善人们的主食结构、促进稻谷生产的可持续发展具有重大意义［9－11］。

1 材料与方法

糙米：由东农428号稻谷制成的糙米，粗蛋白7.98%，粗脂肪1.95%，水分15.81%。

双螺杆挤压机：本实验采用自行研制的用于生产挤压工程米的双螺杆挤压机，如图2所示，该挤压工程米生产设备将传统的双螺杆挤压机进行了改进，采用同向全啮合型双螺杆挤压机，其螺杆外径为50 mm，并将螺杆长径比提高为28∶1，采用积木组合式螺杆，改变螺杆结构，用双螺旋线螺杆块组合螺杆，增加剪切块数量，增加套筒的温度分区，将整个挤压机套筒变成7节温度分区，在第6节温度分区安装排气装置。

图2 挤压机结构示意图

1电机 2联轴器 3变速箱 4喂料器 5螺杆 6套筒 7排气装置 8模头 9切割装置

挤压机螺杆构型：由图3可知，从喂料端到出口端的螺杆构型（从左向右）依次为1.25D/5D双线螺杆，2D/2D双线螺杆，0.75D/1.5D双线螺杆，1D/1D（90°）搅拌元件，1D/2D双线螺杆，0.75D/1.5D双线螺杆，1D/1D（90°）搅拌元件，1D/2D双线螺杆，0.75D/1.5D双线螺杆，1D/1D（90°）搅拌元件，1D/2D双线螺杆，0.75D/1.5D双线螺杆，1D/1D（90°）搅拌元件，1D/1D双线螺杆，0.75D/3.75D双线螺杆（螺距/螺杆长）。

将10 g糙米工程米样品放入小玻璃碗中，放入10 mL蒸馏水，迅速搅拌，放入蒸锅中蒸10 min，每个样品分别选取3粒米放在质构仪载物台上成等边三角形，每个样品平行测定5次，去掉其中的最大值和最小值，剩余3个数值的平均值作为测定结果［12］。采用TA.XT Plus型物性测试仪对样品的质构特性进行测定，测定参数设定为P/36探头，测试前速度2.0 mm/s，测试速度1.0 mm/s，测试后速度2.0 mm/s，下压程度50%［13］。

称取10 g糙米工程米样品分别放于烧杯中，各加入100 mL蒸馏水，在水温25℃的条件下浸泡20 min，用标准分析筛沥去样品中的水分，再将米粒表面的水分用滤纸吸干，通过公式（1）的计算其复水率［14－15］。

式中：H—复水率，%；W1—吸水后样品质量，g；W2—吸水前样品质量，g。

采用公式（2）进行数据的标准化，经过处理的数据符合标准正态分布，即均值为0，标准差为1。

式中：x*—样本数据标准化结果；x—样本数据；σ—所有样本数据的均值；μ—所有样本数据的标准差。

参照孟庆虹“粳稻食味品质评价方法的研究”中的研究结果，研究表明粳稻米饭质构测试项目中的硬度、粘着性及咀嚼度与感官评分的相关性较显著［16］，其相关系数分别为－0.394 9、－0.265 2和－0.249，也就是质构指标中硬度、粘着性和咀嚼度

与感官评分的相关性程度分别占到43.4%、29.2%和27.4%，依此估算出在质构综合评分中，硬度、粘着性和咀嚼度三者权重分别是45%、30%和25%［17］。为消除不同量纲和数量级对品质评价的影响，将所测的硬度、粘着性和咀嚼度三个指标进行标准化，得到三个指标的标准化后结果，再根据各指标的权重计算质构综合评分，以质构综合评分为响应值，利用响应曲面分析法进行优化［18］。

以螺杆转速、水分含量、模头温度和干燥温度为参考因素，以质构综合评分和复水率为指标，改变1个因素的水平，其他因素水平不变，考察各因素对糙米工程米的质构特性和复水率的影响。

根据单因素实验结果，选取螺杆转速、水分含量、模头温度和干燥温度为实验因素，以质构综合评分和复水率为响应值，根据响应面实验设计，利用Design－Expert 8.0.6数据分析软件对实验结果进行处理，得到最优的线性回归优化模型，并对糙米工程米的生产工艺进行优化。

2 结果与分析

由图4可知，螺杆转速在100～300 r·min－1范围内，质构综合评分随着螺杆转速的增加而增加，而进一步提高转速，质构综合评分却逐渐降低。复水率随着螺杆转速增加而增大。这主要是由于当转速低时，螺杆的剪切、捏合的作用下降，影响挤压米产品米粒形态的形成以及物料的熟化程度，从而影响其质构和复水率；而当转速超过高，会使挤压腔内的剪切力、压力升高，使挤压米产品发生膨化，从而影响其质构和复水率。因此，综合考虑糙米工程米的质构综合评分与复水率，螺杆转速为200～400 r· min－1比较理想。

由图5可知，原料水分含量在20～30%范围内，质构综合评分随着水分含量的增加而增加，而进一步提高水分含量，质构综合评分却逐渐降低。复水率随着水分含量增加而增大。这主要是由于水分过低，会使物料含水量不足，挤压米产品表面粗糙，影响产品的质构特性及其复水率。但过高的水分会使得挤压产品水分含量增多，物料流出模口时不成型，从而影响挤压米产品的品质。因此，综合考虑糙米工程米的质构综合评分与复水率，水分含量为24%～36%比较理想。

由图6可知，模头温度在50～70℃范围内，质构综合评分随着模头温度的增加而增加，而复水率却逐渐降低。进一步提高模头温度，质构综合评分逐渐降低而复水率却升高。主要是由于模头温度过低，物料就不能充分地熟化，而当模头温度过高时会使物料在挤出模口的瞬间发生膨化，从而使得挤压米产品的品质降低，影响影响产品的质构特性及其复水率。因此，综合考虑糙米工程米的质构综合评分与复水率，模头温度选择60～80℃范围内为宜。

燥处理，使其产品的含水率达到14%。由图7可知，干燥温度在50～70℃范围内，质构综合评分随着干燥温度的增加而增加，而复水率却逐渐降低。进一步提高干燥温度，质构综合评分逐渐降低而复水率却升高。因此，综合考虑糙米工程米的质构综合评分与复水率，干燥温度选择60～80℃范围内为宜。

根据响应面实验设计原理，在单因素实验基础上，以螺杆转速、水分含量、模头温度、干燥温度为自变量，以质构综合评分为响应值y1，复水率为响应值y2，设计四因素五水平实验，实验因素与水平见表1，实验方案及结果见表2。

表1 实验因素水平表

表2 实验方案与结果

根据表2中质构综合评分的实验结果，通过Design－Expert 8.0.6软件进行数据分析，建立质构综合评分的二次响应面回归模型为：

由表3可出：失拟项不显著，回归项显著，且模型R2＝94.84%，

说明所得回归方程与试验结果能够较好地进行拟合，自变量与响应值之间线性关系显著。从该回归模型的方差分析结果中还可以看出，一次项x2、x3和x4均达到极显著水平，x1不显著，而二次项的影响均为显著，交互项x1x4、x2x3、x2x4显著，其他项均不显著。平方项对响应值有影响，说明响应值与试验因素之间并不是简单的线性关系。

表3 回归与方差分析结果（质构综合评分为响应值）

“*”表示差异显著（P＜0.05）；“**”表示差异极显著（P＜0.01）。

根据表2中复水率的实验结果，通过Design－Expert 8.0.6软件进行数据分析，建立复水率的二次响应面回归模型为：

由表4可以看出：失拟项不显著，回归项显著，且模型R2＝91.73%，R2Adj＝86.22%，说明所得回归方程与试验结果能够较好地进行拟合，自变量与响应值之间线性关系显著。从该回归模型的方差分析结果中还可以看出，一次项均达到极显著水平，而二次项的影响均为显著，交互项x1x2、x1x3、x2x4显著，其他项均不显著。平方项对响应值有影响，说明响应值与试验因素之间并不是简单的线性关系。

表4 回归与方差分析结果（复水率为响应值）

“*”表示差异显著（P＜0.05）；“**”表示差异极显著（P＜0.01）。

根据相应曲面图和等高线图能直观分析各考察因素之间的交互作用及与响应值之间的关系，见图8～图13。

由图8a可知，质构综合评分随着水分含量和螺杆转速的增加呈现先增加后减小的趋势，当水分含量和螺杆转速达到中间值时，质构综合评分的取值较大。由图8b可知，复水率随着水分含量和螺杆转速的增加而增大，曲线变化均较为陡峭，二者的交互作用显著。

由图9a可知，质构综合评分随着模头温度和螺杆转速的增加而增加。由图9b可知，模头温度和螺杆转速对复水率的影响明显，复水率随着模头温度和螺杆转速的增加而增大，曲线变化均较为陡峭，二者的交互作用显著。

由图10a可知，质构综合评分随着模头温度和螺杆转速的增加而增加，干燥温度和螺杆转速对质构综合评分的影响明显，曲线变化均较为陡峭，从等高线图可知二者的交互作用显著。

由图10b可知，干燥温度和螺杆转速对复水率的影响明显，曲线变化均较为陡峭，但从等高线图可知二者的交互作用不显著。

由图11a可知，质构综合评分随着水分含量和模头温度的增加呈现先增加后减小的趋势，曲线变化均较为陡峭，二者的交互作用显著。由图11b可知，复水率随着水分含量和模头温度的增加而增大，但从等高线图可知二者的交互作用不显著。

由图12a可知，质构综合评分随着水分含量和干燥温度的增加呈现先增加后减小的趋势，曲线变化均较为陡峭，二者的交互作用显著。由图12b可知，水分含量和干燥温度对复水率的影响明显，曲线变化均较为陡峭，二者的交互作用显著。

由图13a可知，干燥温度和模头温度对质构综合评分的影响明显，曲线变化均较为陡峭，但从等高线图可知二者的交互作用不显著。由图13b可知，干燥温度和模头温度对复水率的影响明显，曲线变化均较为陡峭，但从等高线图可知二者的交互作用不显著。

采用Design－Expert 8.0.6软件分析回归模型，得出最优工艺参数：螺杆转速为350 r·min－1，水分含量为31%，模头温度为75℃，干燥温度为65℃，质构综合评分的预测值为74，复水率的预测值为82%。采用上述优化的工艺条件进行验证试验，所得其质构综合评分为75.6，复水率为82.8%，与理论预测值差别不大。

3 结论

以自行研制的专门用于生产挤压工程米的双螺杆挤压机，通过曲面试验设计方法，研究螺杆转速、水分含量、模头温度和干燥温度对糙米挤压工程米质构特性和复水率的影响。经响应面分析最终确定最优工艺参数是螺杆转速为350 r·min－1，水分含量为31%，模头温度为75℃，干燥温度为65℃，其质构综合评分为75.6分，复水率为82.8%。在此优化工艺下生产出的糙米挤压工程米，口感和储藏稳定性得到了提高，营养物质也得到了有效保留，具有潜在的工业化应用价值。

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GAO Yang，LU Shu－wen，REN Chuan－ying，HONG Bin，LI Jia－lei，WANG Kun－lun，ZHANG Li－li
（Food Processing Institute，Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin Heilongjiang 150086）

Abstract：Based on single－factor experiments，the effect of parameters（rotary speed of screw，moisture content，die temperature，drying temperature）on the texture and the rehydration rate of extruded brown rice was investigated by using the self－developed of twin－screw extruder and response surface methodology.The extruding parameters were optimized by response surface methodology.The optimal processing conditions was that the rotary speed of screw was 350 r·min－1，moisture content 31%，die temperature 75℃and drying temperature 65℃.Under the condition，the texture comprehensive score and rehydration rate was 75.6 and 82.8%，respectively.The results suggested that the optimized process could improve the mouthfeel and cooking characteristic of brown rice，and their edible quality，which had a potential value of industrial application.

Key words：extrusion by twin－screw extruder；extruded brown rice；response surface；texture comprehensive score；rehydration rate