响应面法优化糯米糊化工艺

王大为，张 旭，马岩石，张艳荣*

（吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130118）

摘 要：利用单螺杆挤出机对糯米进行糊化处理，以糊化度为考察指标，采用响应面法，在单因素试验基础上研究物料含水量、挤出温度及物料粒度对糯米糊化度的影响。结果表明：物料粒度100 目（0.147 mm）、挤出温度155 ℃、物料含水量31%时，糊化效果达到最佳，糊化度为95.15%。通过高效液相色谱分析，挤出糊化糯米含木糖17.21 mg/g、葡萄糖99.99 mg/g、蔗糖48.64 mg/g、麦芽糖42.35 mg/g、麦芽三糖18.96 mg/g。研究表明：单螺杆挤出法可有效代替传统蒸煮法进行糯米糊化处理。

关键词：糯米；挤出；糊化

Optimization of Extrusion Parameters for Gelatinization of Glutinous Rice by Response Surface Methodology

WANG Da-wei, ZHANG Xu, MA Yan-shi, ZHANG Yan-rong*

(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

Abstract: Glutinous rice was extruded by a single screw extruder for gelatinization. The degree of gelatinization (DG) was investigated with respect to three extrusion parameters including the moisture content and particle size of the raw material as well as extrusion temperature, and maximized by optimizing these three parameters using response surface methodology. The glutinous rice flour with a particle size of 100 mesh (0.147 mm) and a 31% moisture content exhibited the highest value of DG after extrusion at 155 ℃. High performance liquid chromatography (HPLC) analysis showed that the glutinous rice extruded under optimal conditions contained 17.21 mg/g xylose, 99.99 mg/g glucose, 48.64 mg/g sucrose, 42.35 mg/g maltose and 18.96 mg/g maltotriose. Therefore, single screw extruder can be a promising alternative to traditional cooking for glutinous rice gelatinization.

Key words: glutinous rice; extrusion; gelatinization

中图分类号：TS210.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）14-0024-06

doi:10.7506/spkx1002-6630-201414005

目前，市场中大部分米酒类产品均由糯米蒸煮糊化，再经糖化、发酵而制成[1]。米酒属低酒度发酵酒，酒体呈乳白色或淡黄色，酒性柔顺，酒体丰满，酒味醇厚[2-3]，并以其独特的滋味著称于世[4]。在米酒酿造过程中，糊化是糖化及主发酵过程的必要前提，同时糊化是否完全直接影响到酒的品质。传统的糊化过程采用蒸煮糊化法，此方法存在不能连续工作、耗时长、耗水耗能高等弊端。本研究采用单螺杆挤出技术代替传统蒸煮糊化法，即可解决传统蒸煮法不能连续工作且耗水耗能高的问题，又能减少米酒浸米污水的产生，充分实现了清洁化生产[5-7]。

单螺杆挤出技术是现代食品工程领域中实现节能、节水生产的高新技术[8]。它以其独特加工方式，简单而高效地制造出各种优质的产品，被公认是现代世界食品工业的主要加工手段之一[9-10]。谷物在高温高压挤出过程中可达到较高的糊化效果，也可使物料中的大分子物质得到降解，从而使糖化及发酵工序更好更快地完成。目前，国外已有关于小麦、玉米、大米及其他谷物挤出特性的相关研究[11-12]，但对糯米挤出特性的相关研究文献较少。本研究利用单螺杆挤出机对糯米粉进行挤出糊化处理，并与传统蒸煮法进行糊化度、可溶性糖含量及能源消耗的对比，为糯米糊化寻求一种更高效节能的处理方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

糯米 长春市上禾有机食品有限公司；水符合GB 5749—2006《生活饮用水标准》要求；氢氧化钠、硫代硫酸钠、盐酸、硫酸（均为分析纯） 北京化工厂；碘（分析纯） 中国医药集团上海化学试剂公司；可溶性淀粉（分析纯） 天津市北方天医化学试剂厂。

1.2 仪器及设备

600高效液相色谱仪 美国Waters公司；JC60单螺杆挤压机 长春盛达食品工业研究所；JS14S 振荡筛 浙江正泰电器股份有限公司；101A-2E电热鼓风干燥箱 上海实验仪器厂有限公司；SF-130C万能粉碎机 吉首市中诚制药机械厂；HZSHA恒温水浴振荡器 中国哈尔滨市东联电子技术开发有限公司；Q-250A3高速多功能粉碎机 上海冰都电器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料预处理

筛选无虫蚀，无霉变，颗粒饱满的糯米，除去其中不可食用的杂质。将挑选出的糯米粉碎得0.425 mm（40 目）、0.246 mm（60 目）、0.175 mm（80 目）、0.147 mm（100 目）和0.125 mm（120 目）5 种不同粒度的糯米粉。

1.3.2 单螺杆挤出单因素试验

1.3.2.1 物料粒度对糯米糊化度的影响

在保持物料含水量30%、挤出温度150 ℃不变的条件下，分别以40、60、80、100、120 目的粒度进行单螺杆挤出试验，每个试验重复3 次。并以糯米糊化度为考核指标，考察物料粒度对糯米粉糊化程度的影响。

1.3.2.2 物料含水量对糯米糊化度的影响

在保持挤出温度150 ℃、粒度0.175 mm不变的条件下，物料含水量为20%、25%、30%、35%、40%时，以糯米糊化度为考核指标，考察物料含水量对糯米糊化程度的影响。

1.3.2.3 挤出温度对糯米糊化度的影响

在保持物料粒度0.175 mm、物料含水量30%不变的条件下，分别以120、130、140、150、160 ℃的不同挤出温度进行单螺杆挤出试验，每个试验重复3 次。并以糯米糊化度为考核指标，考察挤出温度对糯米糊化程度的影响。

1.3.3 Box-Behnken试验设计

表 1 挤出试验响应面分析因素和水平

Table 1 Factors and levels used in response surface analysis

根据单因素试验结果，采用三因素三水平响应面分析法，选取物料粒度（X1）、挤出温度（X2）、物料含水量（X3）为响应因素，以糯米糊化度（Y）为响应值。根据Box-Behnken试验设计原理[13]，对自变量进行编码，确定最佳糯米糊化挤出工艺。试验设计与统计分析软件为Design-Expert 8.0.6。试验因素及水平见表1。

1.3.4 糯米糊化度的计算

采用酶水解法测定糯米粉糊化度[14]。

1.3.5 糯米传统蒸煮处理

筛选无虫蚀、无霉变、颗粒饱满糯米500 g，淘洗后加入3 倍米质量的水[15]，在25 ℃条件下浸泡48 h，米浸泡到碾之即碎, 不能出现浸烂或白心（硬心）为宜。将浸泡好的米捞出用清水洗净，置于蒸煮器中在常压下蒸煮30 min，蒸煮后要求米粒熟而不烂、软而不黏[16]。将糯米平铺于食品盘中，自然冷却后放入烘箱中40 ℃烘干，用高速多功能粉碎机粉碎，测定糊化度平均值为91.42%。

1.3.6 高效液相色谱法测定最佳挤出样品及蒸煮法样品可溶性糖的组分

1.3.6.1 色谱条件

色谱柱为二醇基柱（Unrtary Dioi，5 nm，100 Å，4.6 mm×250 mm）；检测器：2000 ES蒸发光检测器；柱温85 ℃；流动相为乙腈-水（90∶10，V/V）；流速
1.0 mL/min；进样量10 μL。

1.3.6.2 标准品溶液配制及标准曲线制作

单糖标准液：用超纯水配制质量浓度为5.0 mg/ mL的阿拉伯糖、果糖、甘露糖、乳糖、半乳糖、鼠李糖、木糖、蔗糖、葡萄糖、麦芽糖及麦芽三糖各1 mL。

混糖标准液：准确取葡萄糖2.5 mg、木糖1 mg、蔗糖1 mg、麦芽糖1 mg及麦芽三糖1 mg溶解于10 mL超纯水中，配制成含木糖0.1 mg/mL、蔗糖0.1 mg/mL、麦芽糖0.1 mg/mL、麦芽三糖0.1 mg/mL、葡萄糖0.25 mg/mL的混糖标准液，备用。

标准曲线的制作：混糖标准溶液分5、10、15、20、25 μL五次进样，以混糖标准溶液中每种糖组分含量的对数值为横坐标，以相应峰面积的对数值为纵坐标，制作标准曲线。利用Origin.7软件分析得五种糖类的线性方程及相关系数见表2。

表 2 5种糖类线性方程及相关系数

Table 2 Linear equations and correlation coefficients of five sugars

1.3.6.3 样品处理

称取10 g样品，加入90 mL超纯水，25 ℃、65 r/min
水浴振荡6 h。取出浸泡过夜后于80 ℃水浴20 min。5 000 r/min离心20 min，取上清液重复离心2 次。移取上清液1 mL用超纯水将其稀释10 倍，并将得到样品通过0.22 μm的有机滤膜后备用[17]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 挤出温度对糯米糊化度的影响

图 1 挤出温度对糊化度的影响

Fig.1 Effect of extrusion temperature on the degree of gelatinization

由图1可以看出，在保持物料含水量和物料粒度一定的条件下，挤出温度对糯米糊化度影响显著。挤出温度在120～150 ℃范围内随着挤出温度的升高糊化度表现出上升趋势。挤出温度为150 ℃时，糯米糊化度达到最高。当挤出温度达到160 ℃时，由于挤出温度过高，物料出现焦糊现象，造成糊化度下降[18]。因此，选取挤出温度140、150、160 ℃为响应面因素研究水平。

2.1.2 物料含水量对糯米糊化度的影响

图 2 物料含水量对糊化度的影响

Fig.2 Effect of the water content of material on the degree of gelatinization

由图2可知，糯米糊化程度随物料含水量的增加表现出先上升后下降的趋势。在物料含水量为30%时，糯米糊程度最大；在物料含水量低于30%时，物料在挤出腔内不能得到充分涨润，物料输送困难，使糯米糊化度较低。在物料含水量高于30%时，物料水分含量过高，使挤出腔内温度显著降低，同时对物料剪切能力下降，不利于挤出过程的正常进行[19-20]。因此，选取物料含水量25%、30%、35%为响应面因素研究水平。

2.1.3 物料粒度对糯米糊化度的影响

图 3 物料粒度对糊化度的影响

Fig.3 Effect of the particle size of material on the
degree of gelatinization

由图3可知，在挤出温度和物料含水量不变的条件下，当物料粒度在40～100 目时，糯米糊化度随物料目数的增大表现出上升趋势。物料粒度为100 目时，糯米糊化度达到最大；当物料粒度达到120 目时，糊化度降低。原因可能是物料颗目数过大，导致物料与螺杆之间的摩擦力小，易发生打滑现象，使糯米不能充分被糊化。在保持物料含水量不变的条件下，这种现象随物料的目数的增加而表现越明显[21]。因此，选取物料粒度80、100、120 目为响应面因素研究水平。

2.2 糯米挤出工艺的优化

2.2.1 数学模型的建立及显著性检验

在单因素试验基础上，采用Design-Expert 8.0.6软件及Box-Behnken设计原理设计响应面试验，选择物料含水量、物料粒度和挤出温度3 个因素所确定的水平范围，以糊化度为响应值，进行三因素三水平、共17 个试验的响应面分析，结果见表3，试验以随机次序进行，各因素经二次多项回归拟合后，得到二次多项回归方程为：

Y=94.89－0.14X1＋1.25X2＋0.74X3＋0.30X1X2＋0.56X1X3－0.18X2X3－0.59X12－1.30X22－1.66X32

表 3 响应面分析试验设计及结果

Table 3 Experimental design and results for response surface analysis

表 4 响应面试验方差分析

Table 4 Analysis of variance for the response surface regression model

注：*.影响显著（0.01＜P≤0.05）；**.影响极显著（P≤0.01）[18]。

表 5 回归模型的可信度分析

Table 5 Analysis of reliability for the regression model

对回归模型进行显著性检验，由方差分析表4和模型的可信度分析表5可知，该模型回归显著（P＜
0.000 1），回归模型的R2=0.990 9、R2Adj=0.979 3，均说明模型中自变量与响应值之间线性关系显著，方程可靠
性[22-23]。模型中失拟项的F=3.80，P=0.115 0＞0.05，表明模型失拟项不显著。综上可知：回归模型与实际试验拟合较好，试验误差小。该回归方程可用于单螺杆挤出糯米糊化试验的理论预测及结果分析，该回归方程能充分反映实际情况。回归模型中，一次项X2、X3，交互项X1X2、X1X3，二次项X12、X22、X32均表现出显著水平。根据响应面数据分析得到3 个因素对糯米糊化度的影响主次排序为：挤出温度＞物料含水量＞物料粒度。

2.2.2 因素间交互作用对糯米糊化度的影响

由Design-Expert 8.0.6软件对回归方程进行统计分析，在保持其他因素不变的条件下，将回归模型进行降维处理分析，以考察因素间的交互作用对糯米糊化度的影响。

固定水平：X3=0。

a. Y=f（X1, X2）

固定水平：X2＝0。

b. Y=f（X1, X3）

固定水平：X1＝0。

c. Y=f（X2, X3）

图 4 两因素交互作用对糯米糊化度影响的响应面图

Fig.4 Response surface plots for the interactive effects of extrusion parameters on the gelatinization of glutinous rice

响应面图形可直观地反映出两因素之间交互作用对糯米糊化度的影响[24]。由图4可知：物料含水量与挤出温度之间的等高线几乎表现为圆形，说明物料含水量与挤出温度之间的交互作用不显著；物料粒度与物料含水量之间等高线及物料粒度与挤出温度之间等高线表现为椭圆形，说明两因素间的交互作用显著。

2.2.3 挤出最佳工艺条件的确定

为确定最佳挤出工艺条件，将拟合的回归方程两边分别对X1、X2、X3求一阶偏导数，并设其值为0，得到三元一次方程组：

求解得：X1＝0.105、X2＝0.475、X3＝0.215，即最佳参数为物料粒度102.10目、挤出温度154.75 ℃、物料含水量31.08%。在此条件下糯米糊化度高达95.254 2%。考虑实际条件及可操作性，修定最优挤出条件为物料粒度100 目、挤出温度155 ℃、物料含水量31%。采用修正后的工艺参数进行3 次重复验证实验，得到糯米糊化度均数为95.15%，与理论预测值较为接近，表明数学模型可行。

2.3 高效液相色谱对可溶性糖组分的测定

1.木糖；2.葡萄糖；3.蔗糖；4.麦芽糖；5.麦芽三糖。下同。

图 5 混糖标准液相色谱图

Fig.5 Liquid chromatogram of mixed sugar standards

图 6 最佳挤出糯米中可溶性糖色谱图

Fig.6 Chromatogram of soluble sugars in glutinous rice extruded under optimized conditions

图 7 蒸煮法糯米中可溶性糖色谱图

Fig.7 Chromatogram of soluble sugars in cooked glutinous rice

表 6 高效液相色谱测定可溶性糖含量结果

Table 6 Monosaccharide composition of cooked and extruded glutinous rice

混糖标准液相色谱图如图5所示。利用高效液相色谱对最佳挤出处理糯米及传统蒸煮法处理糯米进行可溶性糖分的测定[25]，见图6、7。

根据标准溶液回归方程计算分析得，挤出糊化糯米粉与传统蒸煮糯米粉相比可溶性糖种类及糖含量发生了明显变化（表6）。其中，挤出糯米相比蒸煮糯米葡萄糖高出97.2 mg/g、蔗糖高出35.11 mg/g、麦芽糖高出27.88 mg/g，还生成木糖、麦芽三糖两种糖类。这是由于糯米在高温高压作用下，淀粉链糖苷键发生变形断裂，生成了小分子碳水化合物。糯米的主要成分为淀粉，其降解产物主要是葡萄糖及以葡萄糖为单元的聚合糖，但挤出糊化糯米蔗糖含量的增加，可能是因为淀粉链糖苷键在高温高压下发生变形断裂分子结构变形幅度较大，羟基发生了重组、变位异构化生产了蔗糖。具体原因有待于进一步研究。实验表明：挤出处理可有效提高糊化糯米中的可溶性糖成分及营养价值，使其更好的被人体所吸收，为糖化的进行提供了有力的条件，为酒发酵过程提供了丰富的碳源，有利于微生物的生长繁殖及酒的形成，同时也提高了酒的品质及营养价值。

3 结 论

采用单螺杆挤出法对糯米进行糊化处理，所得糊化糯米粉糊化度高，与传统蒸煮法处理相比，劳动强度及能耗低。最佳条件为物料粒度100 目、挤出温度155 ℃、物料含水量31%，糊化效果达到最佳，糊化度为95.15%。通过高效液相色谱法对最佳挤出条件下的糊化糯米粉进行可溶性糖成分检测，实验表明：样品主要所含可溶性糖成分及含量为木糖17.21 mg/g、葡萄糖99.99 mg/g、蔗糖48.64 mg/g、麦芽糖42.35 mg/g、麦芽三糖18.96 mg/g，比蒸煮法葡萄糖增加97.2 mg/g、蔗糖增加35.11 mg/g、麦芽糖增加27.88 mg/g，还生成木糖、麦芽三糖。研究表明：单螺杆挤出法可有效代替传统蒸煮法进行糯米糊化处理。

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