响应面优化五谷人参营养米工艺及其物性研究

熊小青，吴西，刘思佳，宁艳艳，王延芳，刘静雪

（吉林农业科技学院食品工程学院，吉林吉林132101）

响应面优化五谷人参营养米工艺及其物性研究

熊小青，吴西，刘思佳，宁艳艳，王延芳，刘静雪*

（吉林农业科技学院食品工程学院，吉林吉林132101）

以五谷粉、人参粉为主要原料，采用双螺杆挤出工艺生产五谷人参营养米，应用单因素和响应面法对影响产品工艺的主要因素：挤出温度、人参粉添加量、水分添加量进行优化，通过质构仪对五谷人参营养米和五常大米进行物性分析。结果表明：当挤出温度145℃、人参粉添加量3%、水分添加量25%时，营养米感官评分为97.67分。影响产品感官评分因素由大到小依次为挤出温度>人参粉添加量>水分添加量，物性分析表明最佳工艺参数制得的五谷人参营养米硬度、弹性、咀嚼性、内聚性、黏着性等指标与五常大米米饭物性指标无显著差异，表明五谷人参营养米食用品质较佳。

五谷粉；人参米；响应面；物性

玉米又称玉蜀黍、苞米等，属禾本科玉米属，富含碳水化合物、蛋白质、维生素、膳食纤维、矿物质等人体必需营养物质，尤其是其含有丰富的亚油酸及谷胱甘肽，具有调节人体异常代谢的重要功能[1-2]。稻米是一年生草本植物，营养含量高[3]，本试验采用稻谷加工过程中产生的碎米以提高稻谷的综合利用。燕麦性味甘平，对人体的脾脏和心脏都很有益处，营养价值非常高[4-5]。小米具有很高营养价值，含有大量的蛋白质和维生素，它不仅可以做食物，而且入药有清热滋补、补脾肾和肠胃等功效[6]。荞麦有开胃宽肠，慢性泄泻的功效，含有丰富的膳食纤维，其含量是一般精制大米的10倍[7]。人参中含各种类型的人参皂苷、氨基酸、多肽、脂溶性成分以及微量元素等，其中皂苷为主要活性成分[8-9]。现代医学证明人参能改善人体物质代谢，具有抗疲劳、抗过敏、降血糖等功效[10]。本研究利用玉米、大米、小米、荞麦、燕麦为原料，大大提高谷物资源的综合利用及其附加价值，满足人们对食物多样性的需求。特别添加人参原料开发五谷人参营养米，还能大幅度提高人参的精深加工程度，充分利用人参资源，解决目前人参口味差，只能药用的问题。这种“大米”的研制顺应了“人参可以加入到食品中”的当前形势。挤出工艺是一项高温高压瞬时加工工艺技术，集连续性蒸煮，混炼于一体，其加工成本低、生产效率高、在食品工艺中运用越来越广泛，本研究旨在开发一种新的五谷复合人参产品，为五谷和人参综合开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米粉、大米、燕麦、荞麦、小米、糯米：许昌优加粮农产品开发有限公司；人参：靖宇县康盛生物药材有限公司。

1.2 仪器与设备

JC-60A型双螺杆挤出机：济南赛信机械有限公司；TA-XT2i物性测定仪：英国StableMieroSystem公司；BZF-50型真空干燥箱：上海鼎科科学仪器有限公司；FA-2204C型分析天平：上海佑科仪器有限公司；MB-45型快速水分测定仪：美国奥豪斯仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 五谷营养粉的制备

取一定量的玉米粉、大米粉、小米粉、燕麦粉、荞麦粉，经进一步粉碎、过140目筛，备用。

1.3.2 五谷营养粉基础配料

取备好的玉米粉、大米粉、小米粉、燕麦粉、荞麦粉，具体配比（以总粉质量计算）为：玉米粉80%，大米粉6%，小米粉4%，燕麦粉5%，荞麦粉5%，将上述配比的混合粉称为五谷粉。

1.3.3 人参粉的制备

取一定量的五年内人工种植的人参，首先采用流动水清洗干净，然后用真空干燥箱于50℃条件下烘干，干燥过筛（140目）后备用。

1.3.4 五谷人参营养米工艺流程

1.3.5 五谷人参营养米单因素试验

1.3.5.1 挤出温度对五谷人参营养米感官评分的影响

在人参粉添加量为3.0%、水分添加量为25%、挤出温度为 120、130、140、150、160 ℃时，考察挤出温度对五谷人参营养米感官评分的影响。

1.3.5.2 人参粉添加量对五谷人参营养米感官评分的影响

在水分添加量为25%、挤出温度为140℃条件下，人参粉添加量为2.6%、2.8%、3.0%、3.2%、3.4%时，考察人参粉添加量对五谷人参营养米感官评分的影响。

1.3.5.3 水分添加量对五谷人参营养米感官评分的影响

在人参粉添加量为3.0%、挤出温度为140℃条件下，水分添加量为23%、24%、25%、26%、27%时，考察水分添加量对五谷人参营养米感官评分的影响。

1.3.6 五谷人参营养米工艺参数的优化

根据单因素结果，为进一步确定工艺参数，以挤出温度、人参粉添加量、水分添加量作为因素，每个因素选择3个水平进行试验，并且以五谷人参营养米产品的口感评分作为试验的考核指标，利用响应面软件设计三因素三水平试验，并进行数据的处理及分析，从而确定最佳工艺参数。试验因素及水平见表1。

表1 因素水平表Table 1 Factors and Levels

1.3.7 五谷人参营养米的感官评定

进行五谷人参营养米的感官评定不仅结合了五谷人参营养米自身的特点，也参照了GB/T 15682-2008《粮油检验稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》中米饭感官评分规则，另外邀请了10位有经验的专家对本产品进行现场打分和评定，具体的感官评分标准见表2。

1.3.8 五谷人参营养米饭的物性测定

本试验将制得的五谷人参营养米产品和市售五常大米采用质构仪进行测试对比。将人参米、五常大米与水按照质量比1∶1∶1.5放入电饭煲蒸煮20 min，熟制后进行测定。使用质构仪在TPA（Texture Profile Analysis）模式下测定五谷人参营养米饭的质构指标（硬度、弹性、咀嚼性、内聚性、黏着性），具体测定方法为：分别取5 g熟制五谷人参营养米饭和5 g熟制五常大米米饭平放在测试台的中间位置，要保证米粒平整且不留有空隙地平铺在测试台上。平行试验5次，取其平均值[11-13]。测定参数：测前速度1.00 mm/s；测试速度0.5 mm/s；压缩比90.0%；2次压缩间隔时间5.00 s；探头型号SMS P50。

表2 五谷人参营养米感官评分标准Table 2 The quality scoring standards of the grain ginseng nutrition rice

2 结果与分析

2.1 五谷人参营养米的单因素试验

2.1.1 挤出温度对五谷人参营养米感官评分的影响

挤出温度对五谷人参营养米感官评分的影响结果见图1。

图1 挤出温度对感官评分的影响Fig.1 Effect of the extrusion temperature on sensory score

由图1可以看出，随着挤出温度的增加，五谷人参营养米饭的感官评分分值先增大后减小，挤出温度为120℃时五谷人参营养米饭的感官评分较低，当挤出温度达到140℃时米饭的感官评分分数最高，为97.35分。出现五谷人参营养米饭的感官评分低的情况可能是因为在人参粉添加量和水分添加量一定的情况下，当使用较低的挤出温度时，淀粉糊化地不彻底，使得五谷人参营养米黏牙、饭粒完整性差，感官评分低。当挤出温度较高时，五谷人参米饭膨化过度、出现气泡，感官评分降低。因此，适宜的挤出温度为140℃。

2.1.2 人参粉添加量对五谷人参营养米感官评分的影响

人参粉添加量对感官评分的影响结果见图2。

图2 人参粉添加量对感官评分的影响Fig.2 Effect of the ginseng powder content on sensory score

由图2可以看出，随着加入越来越多的人参粉的量，五谷人参营养米饭的感官评分分值先增大后减小，当人参粉添加量为3.0%时，感官评分分97.36分，效果较好。出现五谷人参营养米饭的感官评分低的情况可能是因为当添加人参粉量少时，人参粉味道不明显，而当人参粉添加量过高时，又有较浓烈的苦味，影响了五谷人参营养米饭独特香气，从而影响了米饭的整体品质。由试验结果可知，人参粉添加量为3.0%时，效果较好，五谷人参营养米米饭较香，口感润滑性好。

2.1.3 水分添加量对五谷人参营养米感官评分的影响

水分添加量对感官评分的影响结果见图3。

由图3可以看出，随着加入越来越多的水分，五谷人参营养米饭的感官评分分值先增大后减小，当水分添加量为25%时，感官评分分数是97.28分，效果最好。原因是水分过低时，部分焦糊原料影响到最终产品的适口性，并且由于焦糊导致了米粒色泽灰暗、光泽度差，导致口感评分下降；当水分过高时，由于五谷人参营养米耐煮性的下降，破坏了米粒的完整性，感官分值随之下降。因此，确定水分添加量为25%。

图3 水分添加量对感官评分的影响Fig.3 Effect of the water content on sensory score

2.2 五谷人参营养米工艺参数的优化

2.2.1 数学模型的建立与显著性检验

依据单因素试验，运用Box-Behnken试验设计原理，以挤出温度（A）、人参粉添加量（B）、水分添加量（C）作为响应因素，以五谷人参营养米感官评分分值（Y）为响应值设计试验，试验方案及其结果见表3。

表3 Box-Benhnken中心组合试验设计及结果Table 3 Box-Benhnken central composite design arrangement and experimental results

采用Design-Expert 8.0.6软件对表5进行多元回归拟合、方差分析及显著性检验，得到以五谷人参营养米感官评分分值Y为目标函数，关于各条件编码值的二次回归方程为：

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

对该模型进行显著性检验，可得到方差分析见表4，模型的可信度分析见表5。

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

表5 回归模型的可信度分析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，远小于0.01，说明该模型极显著，回归模型与实际测定数值能够很好的拟合，试验误差较小，因此，可以用该回归方程代替试验真实值对试验结果进行分析，R2=99.33%，预测值与实测值之间具有高度的相关性，说明方程可靠性较高。在回归模型中，A、B、C、AB、A2、B2、C2，对响应值影响极显著，AC对响应值影响显著，BC对响应值影响不显著。影响产品感官评分因素由大到小依次为挤出温度＞人参粉添加量＞水分添加量。

2.2.2 各因素的交互作用对五谷人参营养米感官评分分值影响

响应面图是响应值对应各因素A、B、C所构成的可直观反应各因素的交互作用的三维空间曲面图[14-15]。为了考察各因素间的交互作用对响应值五谷人参营养米感官评分分值的影响，使其中任意的两个因素不变的情况下，对模型进行降维分析。由Design-Expert8.0.6软件对其进行统计分析，所得响应面及其等高线见图4。等高线可以使我们能够直接观察出各个因素的交互作用和对响应值的影响情况。等高线中的椭圆形表示两因素的交互作用比较明显，而圆形则表示两因素交互作用不太明显。挤出温度（A）与人参粉添加量（B）之间的交互作用极显著，具体表现为等高线图呈明显的椭圆形，挤出温度（A）与水分添加量（C）之间的交互作用显著，等高线图呈现出椭圆形，而人参粉添加量（B）与水分添加量（C）之间的交互作用不显著，具体表现为等高线图几乎呈现为圆形。

图4 各两因素交互作用响应面及等高线图Fig.4 Response surfaces and contour plots of the interactive effects of each two factors.

2.2.3 优化五谷人参营养米工艺参数

为进一步确定最佳参数，对拟合的回归方程求分别一阶偏导数，并设其为0，得到三元一次方程如下：

求解得：X1＝0.557、X2＝0.043、X3＝0.030，即最佳工艺参数为挤出温度145.57℃、人参粉添加量3.01%、水分添加量25.03%，在此条件下五谷人参营养米感官评分为97.65分。为了方便现实中的操作，将参数修正为挤出温度145℃、人参粉添加量3%、水分添加量25%。采用修正后的工艺参数进行3次验证试验，制得五谷人参营养米感官评分为97.67分。

2.3 物性测定结果

五谷人参营养米和五常大米的物性测定结果见表6。

表6 物性测定结果Table 6 Physical properties result

根据表6可知，五谷人参营养米米饭和五常大米米饭的各项指标，包括硬度、弹性、咀嚼性、内聚性、黏着性均无显著性差异，说明五谷人参营养米和五常大米物性几乎一致。

3 结论

五谷人参营养米的最佳工艺参数为：挤出温度145℃、人参粉添加量3%、水分添加量25%，在此条件下，五谷人参营养米感官评分为97.67分。影响产品感官评分因素由大到小依次为挤出温度＞人参粉添加量＞水分添加量。根据质构仪分析结果表明，最佳工艺参数制得的五谷人参营养米硬度、弹性、咀嚼性、凝聚性、回复性、黏着性等指标适宜，与五常大米米饭对应的指标无显著差异，说明五谷人参营养米食用品质较佳。

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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

吉林农业科技学院大学生科技创新科研项目（吉农院合字[2016]第 2016037号）

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

*通信作者：刘静雪（1988—），男，助教，硕士，研究方向：粮食油脂及植物蛋白工程与功能性食品开发。