螺桿擠壓生產(chǎn)高凝膠強(qiáng)度的低溫溶解江蘺屬瓊脂

1、螺桿擠壓生產(chǎn)高凝膠強(qiáng)度的低溫溶解江蘺屬瓊脂 第 29 卷 第 2 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.29 No.2280 7>2013 年 1 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan. 2013螺桿擠壓生產(chǎn)高凝膠強(qiáng)度的低溫溶解江蘺屬瓊脂徐 博1，張聞修1，李 春1，王玉堂1，劉 寧1,2（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030；2. 國(guó)家乳業(yè)工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150086）摘 要：為了獲得在 60低溫溶解且凝膠強(qiáng)度高的瓊脂粉，以中國(guó)產(chǎn)的江蘺瓊脂粉

2、為原料，采用雙螺桿擠壓加工技術(shù)予以改性，研究了加工溫度、水料比、螺桿轉(zhuǎn)速和?？字睆綄?duì)瓊脂低溫溶解性質(zhì)的影響，并采用 Box-Behnken設(shè)計(jì)及響應(yīng)面分析法優(yōu)化其加工工藝參數(shù)。結(jié)果表明，加工溫度對(duì)瓊脂低溫溶解性影響顯著；加工溫度和水料比對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度影響顯著，且加工溫度和水料比具有互作效應(yīng)。經(jīng)優(yōu)化后，當(dāng)加工溫度為 126、水料比為0.37 mL/g、螺桿轉(zhuǎn)速為 150 r/min 和模孔直徑為 6 mm 時(shí)，凝膠強(qiáng)度（質(zhì)量濃度 1%）為 683.6 g/cm2。產(chǎn)品在 60具有良好的溶解性和凝膠強(qiáng)度，節(jié)約了工業(yè)生產(chǎn)中溶解瓊脂所需的能源，使溫度敏感的物質(zhì)與瓊脂的共同應(yīng)用成為可能，而且滿(mǎn)足不同產(chǎn)品

3、對(duì)凝膠強(qiáng)度的需求，為工業(yè)生產(chǎn)提供參考。關(guān)鍵詞：溫度，擠壓，溶解性，瓊脂，凝膠強(qiáng)度doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.02.038中圖分類(lèi)號(hào)：TS202.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-68192013-02-0280-07徐 博，張聞修，李 春，等. 螺桿擠壓生產(chǎn)高凝膠強(qiáng)度的低溫溶解江蘺屬瓊脂J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，292：280286.Xu Bo, Zhang Wenxiu, Li Chun, et al. Production of agar with low-temperature solubility and high gel streng

4、th fromGracilaria by screw extrusionJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of theCSAE, 2013, 292: 280286. in Chinese with English abstract0 引 言瓊脂（agar）是從石花菜（Gelidium）和江蘺菜（Gracilaria）等相關(guān)紅藻中經(jīng)提取、脫水干燥等制得的多糖類(lèi)的親水性膠體1。未降解的瓊脂糖分子量約為 120 kDa，相當(dāng)于 400 個(gè)瓊脂二糖單位連接在一起的線性鏈2。瓊

5、脂被美國(guó)食品與藥品管理局認(rèn)定為一般公認(rèn)安全的食品添加劑3，不限制在食品中的添加量4。瓊脂不僅能改善食品品質(zhì)，而且在人體中的吸收率很低5。由于瓊脂良好的凝膠性、穩(wěn)定性、凝膠的可逆性及其在熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)上的滯后性，在食品、生物工程、醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛6。常規(guī)瓊脂在室溫下不溶于水，在冷水中瓊脂會(huì)大量吸水、溶脹7-8，在 95100加熱后成為膠體溶液9。由于高溫敏感的食品活性物質(zhì)及微生物都不耐受瓊脂溶解的溫度，使瓊脂的應(yīng)用受到限制。收稿日期：2012-08-30 修訂日期：2012-12-21基金項(xiàng)目：國(guó)家十二五科技支撐課題（2011BAD09B0304）作者簡(jiǎn)介：徐 博（1986），男，黑龍江省哈爾濱

6、市，主要研究方向?yàn)槿槠芳庸づc科學(xué)。哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150030。Email：xubonamesina通信作者：劉 寧（1960），男，黑龍江省哈爾濱市，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槿槠芳庸づc營(yíng)養(yǎng)學(xué)。哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150030。Email：ningliu6666/0>.且瓊脂的溶解需要消耗大量的能源和時(shí)間，影響食品的成本及生產(chǎn)效率。當(dāng)瓊脂溶膠溫度降低至 40以下，瓊脂分子則會(huì)以螺旋結(jié)構(gòu)10-11的狀態(tài)逐漸聚集而形成具有網(wǎng)絡(luò)狀的凝膠體。凝膠強(qiáng)度是評(píng)價(jià)瓊脂品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，瓊脂的凝膠強(qiáng)度越高其應(yīng)用價(jià)值就越大12-13。叢峰松1

7、4通過(guò)向常規(guī)瓊脂粉中加入助溶劑與分散劑，將瓊脂溶解溫度降低至 80。鐘旭東等15研制的瓊脂能夠在 5560的條件下完全溶解，但其凝膠強(qiáng)度（質(zhì)量濃度 1%）在 500 g/cm2 左右，低于常規(guī)瓊脂。Lebbar Thami 等16利用螺桿擠壓機(jī)分別對(duì)來(lái)源于當(dāng)?shù)厥ú藢俸Ｔ宓沫傊推渑c刺槐豆膠、冰糖的混合物進(jìn)行加工，得到的瓊脂凝膠強(qiáng)度（質(zhì)量濃度 1.5%）在 400800 g/cm2。由于中國(guó)生產(chǎn)的瓊脂主要原料是江蘺屬海藻17，其加工方法和特性與來(lái)源于石花菜屬的瓊脂存在一定差異18，本文以中國(guó)產(chǎn)江蘺屬瓊脂粉為原料，不添加其他物質(zhì)，僅用螺桿擠壓加工改性，通過(guò)優(yōu)化其工藝參數(shù)，生產(chǎn)能低溫（60）溶解的

8、高凝膠強(qiáng)度瓊脂。1 材料與方法1.1 材料與儀器1.1.1 原料瓊脂粉購(gòu)于福建省莆田市聯(lián)邦瓊膠有限公司第 2 期 徐 博等：螺桿擠壓生產(chǎn)高凝膠強(qiáng)度的低溫溶解江蘺屬瓊脂 281（原料為福建省南日島海域的江蘺屬龍須菜Gracilaria Lemaneiformis）。1.1.2 試驗(yàn)儀器SYSLG30-IV 小型試驗(yàn)雙螺桿擠壓機(jī)（濟(jì)南賽百諾科技開(kāi)發(fā)有限公司）；高速萬(wàn)能粉碎機(jī)（天津市泰斯特儀器有限公司）；標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩（浙江上虞市華豐五金儀器有限公司）；ALC-210.4 分析天平（德國(guó)賽多利斯）；PL2002 電子天平（瑞士梅特勒?托利多儀器有限公司）；DGF25012C 臺(tái)式電熱鼓風(fēng)干燥箱（北京東聯(lián)

9、哈爾儀器制造）；電熱恒溫水浴鍋（天津市泰斯特儀器有限公司）；TA. XT. Plus物性測(cè)試儀（英國(guó) Stable Micro Systems 公司）；Gemini200 高級(jí)流變儀（英國(guó)馬爾文儀器公司）；Delta320pH 計(jì)（瑞士梅特勒?托利多有限公司）。1.2 試驗(yàn)方法1.2.1 低溫溶解瓊脂制備工藝流程瓊脂粉與蒸餾水按一定比例混合 攪拌均勻 設(shè)定雙螺桿擠壓機(jī)加工溫度（此螺桿機(jī)機(jī)筒共有4 個(gè)加熱區(qū)域，區(qū)溫度設(shè)定為 60、區(qū)溫度設(shè)定為 80、區(qū)溫度設(shè)定為 100、區(qū)溫度為加工溫度）及其他參數(shù)（轉(zhuǎn)速和?？字睆剑?緩慢加入到雙螺桿擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓 出口后冷卻至室溫 粉碎 烘干 再次粉碎 過(guò)篩（

10、80 目） 密封保存。1.2.2 瓊脂凝膠強(qiáng)度的測(cè)定將 2 g 產(chǎn)品瓊脂粉加入到 200 mL 蒸餾水中，60恒溫?cái)嚢钄?shù)分鐘，待完全溶解后，將瓊脂溶液置于室溫中冷卻22±2 h。選擇 P/6 探頭，測(cè)試前速度 5.00 mm/s，測(cè)試速度 1.00 mm/s，測(cè)試后速度5.00 mm/s，測(cè)試距離 5.00 mm 進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)樣品進(jìn)行 3 次平行測(cè)定19。1.2.3 雙螺桿擠壓對(duì)瓊脂低溫溶解性影響的單因素試驗(yàn)分別對(duì)加工溫度、水料比、螺桿轉(zhuǎn)速以及模孔直徑進(jìn)行單因素試驗(yàn)，按照 1.2.1 流程加工，觀察各試驗(yàn)組得到的瓊脂粉在 60蒸餾水中的溶解情況（僅觀察是否完全溶解于水中）。試驗(yàn)的初

11、始條件是：加工溫度為 110、水料比為 1:5 mL/g、螺桿轉(zhuǎn)速為 150 r/min、?？字睆綖?4 mm。對(duì)初始條件中單一因素的數(shù)值進(jìn)行變化，變化范圍是：加工溫度分別為 110、115、120、125、130、135 和 140；水料比分別為 1:10、1:5、2:5、3:5、4:5 和 1:1 mL/g；螺桿轉(zhuǎn)速分別為 100、150、200、250、300 和350 r/min；?？字睆椒謩e為 4、6、8 和 10 mm。1.2.4 影響瓊脂凝膠強(qiáng)度的單因素試驗(yàn)經(jīng) 1.2.3 試驗(yàn)，選擇加工溫度范圍為 120135，水料比為 1:54:5 mL/g，螺桿轉(zhuǎn)速為 100300 r/mi

12、n，?？字睆綖?6 mm。分別對(duì)加工溫度、水料比及螺桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行單因素試驗(yàn)，按照 1.2.1 流程加工，測(cè)定各試驗(yàn)組得到的瓊脂的凝膠強(qiáng)度。試驗(yàn)的初始條件是：加工溫度為 120（滿(mǎn)足 60溶解的要求）、水料比為 1:5 mL/g、螺桿轉(zhuǎn)速為150 r/min。對(duì)初始條件中單一因素的數(shù)值進(jìn)行變化，變化范圍是 1.2.3 試驗(yàn)后縮小的各因素范圍。1.2.5 響應(yīng)面法確定高凝膠強(qiáng)度低溫溶解瓊脂的最佳工藝條件為了探求雙螺桿擠壓機(jī)加工的最佳工藝條件，選擇?？字睆綖?6 mm，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上選擇了加工溫度、水料比和螺桿轉(zhuǎn)速 3 個(gè)因素，每個(gè)因素 3 個(gè)水平，進(jìn)行三因素二次正交旋轉(zhuǎn)回歸設(shè)計(jì)試驗(yàn)。由于加工溫度

13、均在 120以上，保證了產(chǎn)品在60水的低溫溶解性能，試驗(yàn)時(shí)僅以凝膠強(qiáng)度作為響應(yīng)之目標(biāo)值。因素水平編碼如表 1 所示。表 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及編碼水平Table 1 Factors and levels of experiment design編碼水平Coding level加工溫度ProcessingtemperatureX1/水料比Liquid tosolid ratioX2/mL?g-1螺桿轉(zhuǎn)速Screw revolutionspeedX3/r?min-1-1 120 1:5 1500 125 2:5 2001 130 3:5 2501.2.6 產(chǎn)品物理指標(biāo)的測(cè)定1）熔點(diǎn)及凝膠點(diǎn)的測(cè)定將 2

14、 g 瓊脂樣品完全溶解于 200 mL 蒸餾水中。流變儀頻率為 1 Hz，應(yīng)變?yōu)?2%，從初始 10以5/min 的速度升至 90，平衡 5 min，再以 5/min的速度從 90降到 10，測(cè)量升溫和降溫過(guò)程中儲(chǔ)能模量 G和損耗模量 G的變化20。做出升溫過(guò)程和降溫過(guò)程中的 G和 G的曲線圖，如圖 5 所示，升溫過(guò)程中 G和 G的交叉點(diǎn)為熔點(diǎn)，降溫過(guò)程中 G和 G的交叉點(diǎn)為凝膠點(diǎn)。2）含水率的測(cè)定稱(chēng)取瓊脂樣品 1 g（稱(chēng)準(zhǔn)至 0.001 g），在已知質(zhì)量的稱(chēng)量瓶中置于 105烘箱中，干燥至質(zhì)量無(wú)變化。含水率 W（%）按下式計(jì)算211 21- 100-G GWG G式中，G1 為干燥前稱(chēng)量瓶加

15、試樣質(zhì)量，g；G2為干燥后稱(chēng)量瓶加試樣質(zhì)量，g；G 為稱(chēng)量瓶質(zhì)量，g。3）瓊脂溶液 pH 值的測(cè)定稱(chēng)取 2 g 瓊脂粉完全溶解于 200 mL 蒸餾水中，冷卻至 40，在凝膠前測(cè)定 pH 值。1.2.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)分析采用 SPSS 18.0 和 Design-Expert 8.0，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 年282利用Microsoft Excel 2007 和Design-Expert 8.0 作圖。2 結(jié)果與分析2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果2.1.1 加工溫度、水料比、螺桿轉(zhuǎn)速及?？字睆綄?duì)瓊脂低溫溶解性的影響加工溫度在 120、125、130 和 135條件下得到的瓊脂粉在 60水中完全溶

16、解，溶解時(shí)間均在 710 min，達(dá)到了瓊脂低溫溶解的性質(zhì)；其他試驗(yàn)組得到的瓊脂在 60的水中均不能溶解。除加工溫度外，其他因素對(duì)于瓊脂低溫溶解性并無(wú)顯著影響。瓊脂經(jīng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)送入雙螺桿擠壓機(jī)，經(jīng)過(guò)高溫、強(qiáng)烈擠壓和剪切后，經(jīng)模具口擠出到外界常溫常壓下，形成質(zhì)地疏松多孔的膨化狀態(tài)，再經(jīng)粉碎過(guò)篩后瓊脂粉粒徑適中，具有較好的流動(dòng)性及分散性，使得瓊脂能夠在低溫溶解。2.1.2 加工溫度對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度的影響在保證產(chǎn)品在 60水中可溶解的前提下，進(jìn)行了 120以上 4 個(gè)水平的試驗(yàn)以觀察不同加工溫度對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖 1。注：水料比為 1:5；螺桿轉(zhuǎn)速為 150 r/min；膜孔直徑為 6 mm

17、。Note：Liquid to solid ratio1:5 mL/g, screw revolution speed 150 r/min,nozzle diameter 6 mm.圖 1 加工溫度對(duì)凝膠強(qiáng)度的影響Fig. 1 Effects of processing temperature on gel strength從圖 1 中可以看出，隨著溫度的上升，瓊脂的凝膠強(qiáng)度增大，在 125達(dá)到最高點(diǎn)。加工溫度對(duì)于瓊脂的凝膠強(qiáng)度影響顯著（P0.05），后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)加工溫度選擇 120130為宜。2.1.3 水料比對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度的影響鑒于水料比過(guò)低會(huì)使加工區(qū)域中汽化的水分減少，影響膨化效果，并

18、增加焦化程度，而水料比過(guò)高也會(huì)降低瓊脂加工效果，不易出料。進(jìn)行了 1:54:5 mL/g 范圍內(nèi) 4 個(gè)水平的試驗(yàn)以觀察不同水料比對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖 2。從圖 2 中可以看出，隨著水料比的升高，凝膠強(qiáng)度增加，在水料比 2:5 mL/g 達(dá)到最高點(diǎn)。水料比對(duì)于瓊脂的凝膠強(qiáng)度影響顯著（P0.05），后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)水料比要控制在 1:53:5 mL/g。注：加工溫度為 120，螺桿轉(zhuǎn)速為 150 r/min，模孔直徑為 6 mm。Note: Processing temperature 120, screw revolution speed 150 r/min,nozzle diamet

19、er 6 mm.圖 2 水料比對(duì)凝膠強(qiáng)度的影響Fig. 2 Effects of liquid to solid ratio on gel strength2.1.4 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度的影響螺桿轉(zhuǎn)速的可控范圍相對(duì)較大，但由于轉(zhuǎn)速過(guò)低，物料受到的擠壓和剪切作用較小，膨化效果不好，而轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)物料在螺桿機(jī)內(nèi)停留時(shí)間太短造成吸收的能量相對(duì)不足，也會(huì)影響膨化的效果。因此選擇在 100300 r/min 內(nèi)進(jìn)行 5 個(gè)水平的試驗(yàn)以觀察不同螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖 3。注：加工溫度為 120；水料比為 1:5 mL/g；?？字睆綖?6 mm。Note: Processing tempe

20、rature 120, liquid to solid ratio1:5 mL/g, nozzlediameter 6 mm.圖 3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)凝膠強(qiáng)度的影響Fig.3 Effects of screw revolution speed on gel strength從圖 3 可以看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，凝膠強(qiáng)度增加，在轉(zhuǎn)速為 200 r/min 達(dá)到最高點(diǎn)。螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)于瓊脂的凝膠強(qiáng)度影響顯著（P0.05），后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)螺桿轉(zhuǎn)速選擇 150250 r/min 為宜。2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)的結(jié)果與分析2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果根據(jù) Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理22，設(shè)計(jì)了17 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的

21、響應(yīng)面分析試驗(yàn)，試驗(yàn)方案與結(jié)果見(jiàn)表 2。第 2 期 徐 博等：螺桿擠壓生產(chǎn)高凝膠強(qiáng)度的低溫溶解江蘺屬瓊脂 283表 2 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Experimental design and results of Box-Behnken編號(hào)Number加工溫度ProcessingtemperatureX1/水料比Liquid tosolid ratioX2/mL?g-1螺桿轉(zhuǎn)速ScrewrevolutionspeedX3/r?min-1凝膠強(qiáng)度Gel strengthY/g?cm-21 1 0 1 640.52 0 1 -1 586.83 0 -1 -1 635.

22、34 -1 0 1 587.65 -1 0 -1 596.56 1 0 -1 648.57 1 -1 0 570.98 1 1 0 542.39 -1 -1 0 538.710 -1 1 0 481.611 0 1 1 581.912 0 -1 1 620.813 0 0 0 671.414 0 0 0 680.315 0 0 0 670.716 0 0 0 684.517 0 0 0 687.7利用 Design-Expert 8.0 軟件對(duì)表 2 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到響應(yīng)值凝膠強(qiáng)度 Y（g/cm2）對(duì)加工溫度X1（）、水料比 X2（mL/g）和螺桿轉(zhuǎn)速 X3（r/min）的二次多項(xiàng)式回歸模型

23、Y678.92+24.73X1-21.64X2-4.54X3+7.12X1X2+0.23X1X3+2.40X2X3-66.74X12-78.81X22+6.09X32對(duì)模型進(jìn)行方差分析及回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)表 3 和表 4。模型方程方差分析可以看出，二次多項(xiàng)式模型差異性顯著（P0.01，R20.9955）；缺失項(xiàng) P0.95040.05 不顯著；方差膨脹系數(shù)小于5，變量之間多重共線性極小；模型變異系數(shù) CV 值為 0.98，試驗(yàn)穩(wěn)定性好；表明擬合度良好，試驗(yàn)誤差小，模型合適，可以用于分析和預(yù)測(cè)雙螺桿擠壓機(jī)加工高凝膠強(qiáng)度低溫溶解瓊脂條件的變化。從表3 中可以看出，加工溫度 X1、水料比 X2、二

24、次項(xiàng)X1X1和 X2X2 為極顯著（P0.01）；交互項(xiàng) X1X2 為顯著（P0.05）；其他項(xiàng)均不顯著。由回歸方程系數(shù)檢驗(yàn)可知，3 個(gè)一次模型中系數(shù)項(xiàng)絕對(duì)值的大小依次為 X1X2X3，說(shuō)明加工溫度對(duì)瓊脂的凝膠強(qiáng)度影響最大，其次是水料比，螺桿轉(zhuǎn)速的影響最弱。表 3 響應(yīng)面回歸方程方差分析Table 3 ANOVA for response surface quadratic model方差來(lái)源Origin of variance自由度Degree of freedom平方和Sum of squares均方差Mean varianceF 值F valueP 值P value模型 9 56409.

25、66 6267.74 173.15 0.0001*X1 1 4890.61 4890.61 135.10 0.0001*X2 1 3745.45 3745.45 103.47 0.0001*X3 1 164.71 164.71 4.55 0.0703X1X2 1 203.06 203.06 5.61 0.0497*X1X3 1 0.20 0.20 0.005594 0.9425X2X3 1 23.04 23.04 0.64 0.4512X1X1 1 18751.83 18751.83 518.03 0.0001*X2X2 1 26151.65 26151.65 722.45 0.0001*X3

26、X3 1 156.16 156.16 4.31 0.0764殘差 7 253.39 36.20 ? ?缺失項(xiàng) 3 19.14 6.38 0.11 0.9504純誤差 4 234.25 58.56 ? ?注：*為顯著，*為極顯著；X1、X2、X3分別表示加工溫度、水料比和螺桿轉(zhuǎn)速，下同。Note: * represents significant; * represents highly significant; X1, X2, X3 represent processing temperature, liquid to solid ratio and screw revolution spee

27、drespectively; the same as follow.表 4 回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)Table 4 Test of significance regression coefficient95%置信區(qū)間95% confidence interval模型中系數(shù)項(xiàng)Model coefficientsterm估計(jì)值Estimation value自由度Degree of freedom 下限Lower limit上限Upper limit方差膨脹系數(shù)Expansion coefficientof variance截距 678.92 1 672.56 685.28 ?X1 24.73 1

28、 19.70 29.75 1.00X2 -21.64 1 -26.67 -16.61 1.00X3 -4.54 1 -9.57 0.49 1.00X1X2 7.12 1 0.012 14.24 1.00X1X3 0.23 1 -6.89 7.34 1.00X2X3 2.40 1 -4.71 9.51 1.00X1X1 -66.74 1 -73.67 -59.80 1.01X2X2 -78.81 1 -85.74 -71.88 1.01X3X3 6.09 1 -0.84 13.02 1.01農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 年2842.2.2 響應(yīng)面分析與優(yōu)化基于二次回歸模型繪制響應(yīng)面，圖 4 為各因素間

29、交互作用的響應(yīng)面圖。a. 加工溫度與水料比對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度的影響b. 加工溫度與螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度的影響c. 水料比與螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度的影響圖 4 不同因素響應(yīng)面趨勢(shì)圖Fig.4 Trend plots of different factors by response surfacemethodology圖 4a 為加工溫度與水料比對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度影響的曲面圖，可知加工溫度（X1）與水料比（X2）的互作效應(yīng)對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度的影響顯著（P0.05）。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速不變，隨著加工溫度的增加，瓊脂凝膠強(qiáng)度呈相應(yīng)增加的趨勢(shì)，表明提高加工溫度有利于凝膠強(qiáng)度的增加，當(dāng)加工溫度在 124126，瓊脂凝膠強(qiáng)度

30、達(dá)到最大。適中的加工溫度不但能夠提供足夠的能量，使瓊脂獲得在 60下低溫溶解的性質(zhì)，還能夠使瓊脂具有良好的凝膠強(qiáng)度；隨著水料比的增大，瓊脂凝膠強(qiáng)度呈先增加后下降的趨勢(shì)，最適值在 0.30.4 mL/g。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的條件范圍內(nèi)，兩者交互作用表現(xiàn)為瓊脂凝膠強(qiáng)度的增大。圖4b為加工溫度與螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度影響的曲面圖，可知當(dāng)水料比不變，隨著加工溫度的增加，瓊脂凝膠強(qiáng)度呈相應(yīng)增加趨勢(shì)，在 124126達(dá)到最適值。螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)瓊脂的凝膠強(qiáng)度影響明顯弱于其他二因素（P0.05），螺桿轉(zhuǎn)速在 150250 r/min 能夠提供足夠的剪切力與出料速度。適當(dāng)?shù)穆輻U轉(zhuǎn)速既保證瓊脂的加工質(zhì)量又能夠降低能耗，提高效

31、率。圖 4c 為水料比與螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度影響的曲面圖，可知當(dāng)加工溫度不變，隨著水料比的增加，瓊脂凝膠強(qiáng)度呈相應(yīng)增加趨勢(shì)，在 0.30.4 mL/g，瓊脂凝膠強(qiáng)度達(dá)到最大。適量的水料比能夠使瓊脂溶脹，形成團(tuán)塊，并確保良好的膨化效果，這是進(jìn)行螺桿擠壓的前提條件。基于以上響應(yīng)面分析，進(jìn)一步通過(guò)軟件分析計(jì)算，得到瓊脂凝膠強(qiáng)度預(yù)測(cè)值最大時(shí)的各因素水平是：加工溫度為 126，水料比為 0.37 mL/g，螺桿轉(zhuǎn)速為 150 r/min，凝膠強(qiáng)度預(yù)測(cè)值為 693.4 g/cm2。2.3 最佳工藝條件的驗(yàn)證及物理指標(biāo)的測(cè)定為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，在加工溫度為126、水料比為 0.37 mL/g、螺桿轉(zhuǎn)

32、速為 150 r/min，?？字睆?6 mm 的條件下重復(fù)進(jìn)行 3 次雙螺桿擠壓試驗(yàn)。3 次試驗(yàn)產(chǎn)品均能在 60水中完全溶解，凝膠強(qiáng)度（質(zhì)量濃度 1%）分別為 686.1、675.6 和689.2 g/cm2，平均值為 683.6 g/cm2，相對(duì)誤差為1.41%，與理論值基本吻合，模型合理有效。經(jīng)測(cè)定瓊脂的凝膠點(diǎn)為 31、熔點(diǎn)為 72（圖 5 所示），a. 加熱過(guò)程a. Heating processb. 冷卻過(guò)程b.Cooling process注：G'為儲(chǔ)能模量；G為損耗模量。Note: G' represents storage modulus, G represent

33、s loss modulus.圖 5 瓊膠在加熱和冷卻過(guò)程中 G和 G的變化Fig.5 Temperature dependence of storage G and loss Gmodulus of agar during cooling and heating process含水率為 15.2%，瓊脂溶液 pH 值為 5.64。加第 2 期 徐 博等：螺桿擠壓生產(chǎn)高凝膠強(qiáng)度的低溫溶解江蘺屬瓊脂 285工后的瓊脂粉顏色偏黃，粉末流動(dòng)性好，無(wú)異常氣味；瓊脂凝膠顏色為淡黃色，透明度稍差，與原瓊脂的凝膠效果相同，但低溫溶解性已經(jīng)得到改善。3 討 論在食品領(lǐng)域中有很多利用螺桿擠壓膨化以提高溶解性的研

34、究23-26。根據(jù) Jesus Jimenez-Barbero等人的理論10，瓊脂在水中的溶解經(jīng)歷 2 個(gè)過(guò)程，首先是需要一個(gè)能量Gcav使水分子間形成適合瓊脂分子進(jìn)入的空穴；然后需要瓊脂分子與水分子在空穴中相互作用的分散能 Gdisp 和靜電能 Gelect 使瓊脂溶解于水中；溶解總能量 GsolvGcav +Gdisp +Gelect。經(jīng)過(guò)雙螺桿擠壓膨化后的瓊脂溶解溫度降低，可能是由于加工后的瓊脂質(zhì)地疏松多孔、粒徑適中，分散能 Gdisp 與靜電能 Gelect增大，在溶解總能量 Gsolv一定的情況下，形成空穴所需的能量 Gcav 降低，這部分能量是通過(guò)加熱提供的，所以溶解溫度降低。加工

35、后的瓊脂凝膠強(qiáng)度較常規(guī)瓊脂低（1%質(zhì)量濃度的常規(guī)瓊脂凝膠強(qiáng)度約為 800 g/cm2），這可能是由于螺桿擠壓后瓊脂分子結(jié)構(gòu)反生變化，分子量降低，導(dǎo)致網(wǎng)狀凝膠的強(qiáng)度降低5,27-28。本研究生產(chǎn)的瓊脂凝膠強(qiáng)度（質(zhì)量濃度 1%）為 683.6 g/cm2，根據(jù)瓊脂凝膠強(qiáng)度與其濃度成正比19,29，質(zhì)量濃度1.5%的瓊脂凝膠強(qiáng)度約為 1 025.4 g/cm2，較其他低溫溶解瓊脂15-16的凝膠強(qiáng)度高400800 g/cm2。江蘺屬海藻來(lái)源廣泛30-31，價(jià)格相對(duì)較低且不易造假，以此原料生產(chǎn)的高凝膠強(qiáng)度的低溫溶解瓊脂在食品中的應(yīng)用會(huì)十分廣泛。高凝膠強(qiáng)度的低溫溶解瓊脂的研制對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)有很大的意義，不

36、但節(jié)約了工業(yè)生產(chǎn)中溶解瓊脂所需的能源，而且使溫度敏感的物質(zhì)與瓊脂的共同應(yīng)用成為可能。此工藝生產(chǎn)的瓊脂具有溶解溫度低，凝膠強(qiáng)度高的特點(diǎn)，但是需要在水中攪拌 710 min 才能溶解，瓊脂的低溫速溶性是后續(xù)研究的主要方向。4 結(jié) 論1）根據(jù)中國(guó)瓊脂原料的特點(diǎn)，本研究在不添加任何其他物質(zhì)的前提下，利用雙螺桿擠壓機(jī)對(duì)來(lái)源于江蘺屬龍須菜的瓊脂進(jìn)行加工，保證了其成分的單一性及使用的安全性，得到的瓊脂具有在 60下完全溶解且高凝膠強(qiáng)度的性質(zhì)。2）通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)響應(yīng)面分析可知，加工溫度與水料比對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度的影響顯著，并且兩者具有互作效應(yīng)；螺桿轉(zhuǎn)速在試驗(yàn)設(shè)定的范圍內(nèi)影響不顯著。3）確定了高凝膠強(qiáng)度的低溫

37、溶解江蘺屬龍須菜瓊脂的加工工藝參數(shù)：加工溫度為 126、水料比為 0.37 mL/g、螺桿轉(zhuǎn)速為 150 r/min 和?？字睆? mm，在此條件生產(chǎn)的瓊脂產(chǎn)品凝膠強(qiáng)度可達(dá)683.6 g/cm2，且在 60水中可以溶解。參 考 文 獻(xiàn)1 The United States Pharmacopeial Convention. The UnitedStates Pharmacopeia USP32-NF27M. Rockville: TheUnited States Pharmacopeial Convention, 2009: 1154.2 McHugh D J. Production and

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