低蛋白面条挤压熟化加工技术研究

2017-04-20 10:20李倩刘丽娜杜方岭徐同成刘战伟邱斌刘玮刘润书陶海腾
食品研究与开发 2017年8期
关键词:市售螺杆面条

李倩,刘丽娜,杜方岭,徐同成,刘战伟,邱斌,刘玮,刘润书,陶海腾,4,*

(1.山东省农业科学院农产品研究所/山东省农产品精深加工技术重点实验室,山东济南250100;2.济南诚汇双达化工有限公司,山东济南250101;3.日照市莒县金穗工贸有限公司,山东日照276500;4.齐鲁工业大学食品科学与工程学院,山东济南250353)

低蛋白面条挤压熟化加工技术研究

李倩1,刘丽娜1,杜方岭1,徐同成1,刘战伟2,邱斌1,刘玮1,刘润书3,陶海腾1,4,*

(1.山东省农业科学院农产品研究所/山东省农产品精深加工技术重点实验室,山东济南250100;2.济南诚汇双达化工有限公司,山东济南250101;3.日照市莒县金穗工贸有限公司,山东日照276500;4.齐鲁工业大学食品科学与工程学院,山东济南250353)

为开发糖尿病肾病患者专用主食,以低蛋白主食常用的小麦淀粉为原料,以咀嚼度和膨胀度作为品质评价指标,通过单因素及响应面优化探讨螺杆转速、加水量、挤压温度对淀粉面条品质的影响,建立低蛋白面条挤压熟化加工工艺的回归模型。各因素对面条品质的影响主次顺序为:加水量>螺杆转速>挤压温度;最佳加工工艺:螺杆转速为93 r/min,加水量为31%,挤压温度为70℃。此工艺条件下,小麦淀粉挤压面条的咀嚼度(3 908±40)g、感官评分(73.65分)略低于市售意大利面[(4 661±61)g,81.91分],面条直径[(2.80±0.05)mm]略粗于意大利面[(1.94±0.02)mm],基本不影响糖尿病、肾病患者膳食习惯。

低蛋白;淀粉;挤压熟化;面条;响应面法

糖尿病肾病的发病率在我国日趋上升,因其病因及发病机制不清楚,单纯的医疗手段只能产生一定的效果,且过度的医学治疗可能会增加患者的身体负担,现有研究表明,限制饮食中蛋白质的摄入(尤其是植物蛋白)可以有效地控制血糖、防止肾功能衰竭[1-3],对糖尿病肾病患者的病情起到良好的缓解作用。低蛋白饮食是指在蛋白允许摄入量范围内,尽可能的降低植物蛋白的摄入,增加优质动物蛋白的摄入[4],美国营养师协会建议低蛋白饮食中蛋白质摄入量应控制在0.6 g/(kg·d)~0.75 g/(kg·d),其中优质蛋白不得少于50 %[5]。目前,低蛋白食品主要是以淀粉为原料加工而成,形式多为颗粒状或粉状冲剂,口感不佳[6],不能将其作为主食来用。如将淀粉加工成日常食用的面条,则可满足糖尿病肾病患者的特殊饮食需求,但淀粉中缺乏面筋蛋白,难以形成面团[7],传统的压延手段不能加工成型且产品品质较差。

挤压技术因其效率高、成本低、产品多样,而广泛应用于食品加工领域。挤压过程中,在高温、高压作用下,淀粉组织结构及状态发生改变,发生糊化呈熔融态[8],通过不同的模孔即形成形态各异的挤压产品。除产生疏松多孔的膨化产品外,挤压技术也用来熟化成型,意大利面是典型的挤压熟化产品,通过淀粉糊化成型的此类产品耐煮性更好、质量更高[9]。

本研究旨在通过工艺优化生产低蛋白面条,我国常见的粉条、米线、米粉等虽也是通过挤压法生产的淀粉类制品,制作工艺也相对成熟,但此类产品均是以大米、红薯、马铃薯等相应原料的全粉加工而成,一方面其中蛋白含量较高,不适合糖尿病肾病患者食用,另一方面人们无将此类产品作为主食的习惯。因此,本文以低蛋白食品常用的小麦淀粉为原料,采用双螺杆挤压机,通过单因素及响应面试验对挤压工艺参数(螺杆转速、加水量、挤压温度)进行优化,建立低蛋白面条的挤压熟化加工技术,为糖尿病、肾病患者主食的开发提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

小麦淀粉:山东鄄城县明珠淀粉厂;莫利4#直条意大利面:意大利克瑞克司有限公司。

1.2 仪器与设备

HZF-A500电子天平:福州华志科学仪器有限公司;BLJ15型拌粉机:山东银鹰炊事机械有限公司;美的多功能电磁炉:广东美的生活电器制造有限公司;30-Ⅱ双螺杆挤压试验机:济南赛百诺科技开发有限公司;TA-XT2i型物性测试仪:英国Stable Micro System公司。

1.3 方法

1.3.1 小麦淀粉挤压面条制作工艺

称料→加水→混匀→挤压熟化→收集→干燥→保藏

1.3.2 单因素试验设计

面条的品质可通过TPA(包括咀嚼度、弹性、硬度等)、剪切、拉伸等特性来反映,大量研究表明,TPA试验中的咀嚼度与硬度等参数及剪切试验中的最大剪切力、拉伸试验中的拉断力呈显著正相关,且数值越大代表面条品质越好[10-11]。因此本研究以咀嚼度为代表判断挤压参数对小麦淀粉挤压面条品质的影响,此外研究采用的是挤压机挤压熟化成型的功能,以膨胀度越小越好,因此单因素试验以膨胀度辅助咀嚼度来综合评价淀粉挤压面条的品质。

研究所用双螺杆挤压机除模头外分为Ⅰ(喂料段)、Ⅱ(输送段)、Ⅲ(熔融段)、Ⅳ(剪切段)区,由于螺杆长度的限制,各区区分不是非常明显,因此将Ⅲ、Ⅳ区温度合并进行考察。

以小麦淀粉挤压面条的咀嚼度为主要指标,膨胀度为次要指标,在喂料速度一定,挤压Ⅰ、Ⅱ区温度为40℃的条件下,探讨螺杆转速、加水量及挤压机Ⅲ、Ⅳ区温度对小麦淀粉挤压面条品质的影响。

1.3.2.1 螺杆转速

加水量35%,在挤压温度60℃,螺杆转速分别为47、70、93、117、140 r/min。

1.3.2.2 加水量

挤压温度60℃,螺杆转速93 r/min,加水量分别为25%、30%、35%、40%。

1.3.2.3 挤压温度

螺杆转速为93 r/min,加水量30%,挤压温度分别为50、60、70、80、90℃。

1.3.3 响应面试验设计

根据单因素试验的结果及Box-Behnken中心组合设计原理,进行三因素三水平的组合设计,优化建立小麦淀粉挤压面条挤压熟化加工的最佳工艺。

1.3.4 小麦淀粉挤压面条品质测定

1.3.4.1 咀嚼度

将小麦淀粉挤压面条煮至硬心消失时捞出[12],参照文献[13]中的方法采用TA-XT2i型质构仪测定面条的咀嚼度,每次测定取3根面条等距平行放置于载物台上,重复6次,去除最大值和最小值后取其平均值。仪器参数:探头P/36R,测前、测试、测后速度分别为1.0、5.0、5.0 mm/s,模式strain,样品形变75%,两次下压间隔5 s,触发力5 g。

1.3.4.2 膨胀度[14]

小麦淀粉经挤压熟化后用游标卡尺测量面条的直径d1(mm),随机测量,重复20次。挤压机模孔直径d2=2.05 mm。面条的膨胀度是指面条截面积与模孔截面积之比,计算公式如下:

1.3.4.3 面条的感官评价

将挤压面条和意大利面煮至硬心消失时捞出[15],参照标准SB/T 10137-1993《面条用小麦粉》[16],选取10名感官评价经验丰富的人员依照面条感官评分标准(表1)对面条进行品尝评价,评价结果的平均值即为面条的最终评分。

表1 面条感官评分标准Table 1 The sensory score standard of noodle

续表1 面条感官评分标准Continue table 1 The sensory score standard of noodle

1.3.5 数据处理

采用Design-Expert 8.05及SPSS Statistics 17.0对试验数据进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 市售意大利面咀嚼度、面条直径的测定

意大利面是最具代表性的通过挤压方式制得的面条,因其耐煮、口感好等优点[17],逐渐被我国居民所接受。试验中制得的小麦淀粉挤压面条与国内所售普通压延面条不同,状态更接近于意大利面,且国内对于挤压面条品质无相应标准,因此研究以市售意大利面为标准对照,小麦淀粉挤压面条咀嚼度以越接近于意大利面为越好。根据1.3.4.1中方法测得市售意大利面的咀嚼度为(4 661±61)g,游标卡尺测得面条直径为(1.94±0.02)mm。

2.2 单因素试验结果分析

2.2.1 螺杆转速对小麦淀粉挤压面条品质的影响

螺杆转速对小麦淀粉挤压面条咀嚼度和膨胀度的影响结果见图1。

如图1所示,小麦淀粉挤压面条的咀嚼度和膨胀度随螺杆转速的增大均呈先增大后减小的趋势,在螺杆转速为93 r/min时咀嚼度达到最大 [(3 572±39)g],117 r/min时膨胀度达到最大(2.41±0.05)。螺杆转速增加,导致小麦淀粉在机筒内所受压力及剪切力增大,水分子更易进入淀粉颗粒使其膨胀,机筒内外环境差异更大,挤出时面条膨胀度和咀嚼度增大;螺杆转速过大时使得小麦淀粉在机筒内停留时间缩短,螺杆对其作用不充分,从而使面条膨胀度和咀嚼度降低[18]。这与段维等[17]研究结果不一致,可能与原料及螺杆转速选取范围不同有关。螺杆转速93 r/min时,面条膨胀度为2.02±0.07,粗细可接受,因此选择93 r/min作为最佳螺杆转速。

图1 螺杆转速对小麦淀粉挤压面条咀嚼度和膨胀度的影响Fig.1 The effect of screw speed on chewiness and expansion degree of wheat starch extruded noodles

2.2.2 加水量对小麦淀粉挤压面条品质的影响

加水量对小麦淀粉挤压面条咀嚼度和膨胀度的影响结果见图2。

图2 加水量对小麦淀粉挤压面条咀嚼度和膨胀度的影响Fig.2 The effect of water addition on chewiness and expansion degree of wheat starch extruded noodles

如图2所示,随加水量的增多,小麦淀粉挤压面条的咀嚼度呈先增大后减小的趋势,加水量为30%时,咀嚼度值最大[(4 068±70)g],这与段维等[17]的研究结果一致,Gimenez等[19]认为原因可能是:加水量较低时,淀粉颗粒之间的交联程度较低,导致面条咀嚼度较低;当加水量过多时,过量的水分弱化了小麦淀粉所受的剪切力和摩擦力,淀粉稳定网络结构的形成受到了阻碍,从而降低了面条的咀嚼度。面条膨胀度则随加水量的增多呈显著下降趋势,加水量增多导致小麦淀粉黏度降低,淀粉在机筒内受到的剪切力及摩擦力减弱,由挤压机模口挤出时受到的瞬时压力降低,导致面条膨胀度降低[20]。加水量30%时,小麦淀粉挤压面条的膨胀度为1.89±0.10,膨胀程度较低,因此选择30%作为最佳加水量。

2.2.3 挤压温度对小麦淀粉挤压面条品质的影响

挤压温度对小麦淀粉挤压面条咀嚼度和膨胀度的影响结果见图3。

图3 挤压温度对小麦淀粉挤压面条咀嚼度和膨胀度的影响Fig.3 The effect of screw temperature on chewiness and expansion degree of wheat starch extruded noodles

小麦淀粉挤压面条预实验结果显示,挤压温度过低,达不到面条熟化的目的,挤压温度超过100℃,面条显著膨化,且颜色呈黑褐色,严重偏离面条应有状态,因此挤压温度范围选择为50℃~90℃。如图3所示,小麦淀粉挤压面条膨胀度随挤压温度的升高呈显著升高趋势,在所选温度范围内,挤压温度升高使小麦淀粉中水分子的运动加剧,更易进入淀粉颗粒使其膨胀,造成挤压机筒内外压力差值变大,致使面条的膨胀度增大[21]。小麦淀粉挤压面条的咀嚼度则随挤压温度的升高呈先增大后减小的趋势,在挤压温度为70℃时咀嚼度达到最大[(3 981±137)g],这可能与面条膨胀度的变化有关,一定范围内面条膨胀度的增大使面条咀嚼度增大,膨胀度继续增大使得面条蒸煮时间延长,面条吸水量增多,所以导致面条的咀嚼度降低。挤压温度70℃时,面条膨胀度为2.16±0.16,膨胀程度适当,因此选择70℃作为最佳挤压温度。

2.3 响应面试验设计及结果分析

2.3.1 响应面试验设计及结果

在单因素试验基础上,采用响应面法挤压工艺参数进行优化,以单因素试验最佳值为中心点,因素水平表如表2,响应面试验设计及结果表3。

螺杆转速在70 r/min~117 r/min时,小麦淀粉挤压面条膨胀度为1.73~2.41,加水量在25%~35%时,面条膨胀度为1.58~2.00,挤压温度在60℃~80℃时,面条膨胀度为1.74~2.60,可以看出,在响应面优化因素水平范围内,小麦淀粉挤压面条膨胀度变化不大,而且咀嚼度是面条品质评价中比较有代表性的指标,能够从咀嚼度的变化判断出面条品质的优劣,因此响应面优化试验仅以咀嚼度为响应值。

表2 响应面分析因素水平表Table 2 Factors and levels of response surface analysis

表3 响应面试验设计及结果Table 3 Design and results of response surface experiments

2.3.2 回归模型方差分析

采用Design-Expert 8.05对表3中小麦淀粉挤压面条咀嚼度试验数据进行多元回归拟合,得到的回归方程为:Y=3 952.60-23.00A+95.50B-22.50C+5.25AB-11.75AC+63.75BC-169.67A2-180.17B2-193.18C2。回归模型方差分析如表4。

由表4可知,模型P值<0.000 1,说明回归方程极显著;失拟项P值=0.341 3>0.05,不显著,说明得到的回归方程可靠性强;回归方程R2=0.979 4,调整R2=0.952 9,说明得到的模型拟合度较好。因此,模型成立,可以用于小麦淀粉挤压面条制备工艺的筛选。从表4中显著性可知,3个因素对小麦淀粉挤压面条咀嚼度的影响先后顺序为:加水量>螺杆转速>挤压温度,其中加水量对小麦淀粉挤压面条咀嚼度的影响极显著。另外,在3个因素的交互作用中,加水量与挤压温度的交互作用显著。

表4 回归模型方差分析表Table 4 Analysis of variance for the regression model

2.3.3 因素间交互作用分析

各因素对小麦淀粉挤压面条咀嚼度交互作用的响应曲面及等高线图如图4~图6所示,图中响应曲面上标记的最高点即为最大值,说明在所选分析的因素水平范围内存在极值。

图4 螺杆转速与加水量对小麦淀粉挤压面条咀嚼度的影响Fig.4 Response surface and contour plots for the effect of cross interaction between screw speed and water addition on the chewiness of wheat starch extruded noodles

图5 螺杆转速与挤压温度对小麦淀粉挤压面条咀嚼度的影响Fig.5 Response surface and contour plots for the effect of cross interaction between screw speed and screw temperature on the chewiness of wheat starch extruded noodles

图6 加水量与挤压温度对小麦淀粉挤压面条咀嚼度的影响Fig.6 Response surface and contour plots for the effect of cross interaction between water addition and screw temperature on the chewiness of wheat starch extruded noodles

由图4~图6中等高线密集程度及形状可知,加水量与挤压温度的交互作用对小麦淀粉挤压面条咀嚼度的影响显著,表现为响应曲面陡峭及等高线呈椭圆形,而螺杆转速与加水量、螺杆转速与挤压温度交互作用不显著,这与模型方差分析表中结果一致。图4中显示,挤压温度为70℃,小麦淀粉挤压面条咀嚼度随螺杆转速、加水量的增加呈先上升后下降的趋势。图5中,加水量为30%,小麦淀粉挤压面条的咀嚼度随螺杆转速、挤压温度的升高呈先上升后下降的趋势。由图6可知,螺杆转速为93 r/min时,小麦淀粉挤压面条的咀嚼度随加水量、挤压温度的升高先上升后下降。

2.3.4 最佳工艺条件的确定

通过响应面设计软件Design-Expert 8.05得出的理论最优挤压工艺组合为:A=-0.063,B=0.262,C= -0.013;即螺杆转速为91.84 r/min,加水量为31.325%,挤压温度为69.88℃,此条件下,小麦淀粉挤压面条咀嚼度的预测值为3 966 g。为进一步检验响应面模型及预测结果的可靠性,需做验证试验,考虑到实际操作中的便利性,将挤压工艺条件修正为:螺杆转速93 r/min,加水量31%,挤压温度70℃,重复3次,测得此条件下小麦淀粉挤压面条的咀嚼度平均值为3908g,与预测值相对误差为1.5%,且膨胀度(1.86±0.07)较低。因此,基于响应面法优化得到的小麦淀粉挤压面条的挤压工艺参数准确可靠,具有良好的实用价值。

2.4 小麦淀粉挤压面条与市售意大利面的感官品质比较

根据最佳工艺制得的小麦淀粉挤压面条和市售意大利面的感官评价结果如表5所示。

由表5可知,小麦淀粉挤压面条感官评价各指标得分及总分均低于市售意大利面,这与两者咀嚼度差值相呼应。意大利面是由高筋小麦全粉制成[17],口感及食味均要优于淀粉,但小麦淀粉挤压面条煮制后不断条,耐煮性较好,作为糖尿病肾病患者的主食仍可被接受。

表5 小麦淀粉挤压面条与市售意大利面的感官评价结果Table 5 Sensory evaluation results of wheat starch extruded noodles and commercial pasta

3 结论

在单因素试验的基础上,通过响应面优化,建立了低蛋白小麦淀粉面条挤压熟化工艺的回归模型,并得到最佳挤压工艺条件:螺杆转速93 r/min,加水量31%,挤压温度70℃。在此条件下面条膨胀度(1.86± 0.07)较低,直径为(2.80±0.05)mm,略粗于市售意大利面[(1.94±0.02)mm];咀嚼度为(3 908±40)g,略低于市售意大利面的咀嚼度[(4 661±61)g];感官评分略低于市售意大利面(P<0.05)。由此可知,小麦淀粉挤压面条整体品质略差于市售意大利面,但对人们的食用影响不大,仍可被接受。本文通过工艺优化,使淀粉达到限制性熟化,从而获得类似于意大利面品质的低蛋白挤压面条,既能满足此类面条食用品质的要求,又能满足糖尿病肾病患者饮食低蛋白的需求。

研究是以实验室现有条件为基础进行实施,后期产品的推广,则可根据市场现状来选择相应的原料和设备,以本研究结果为参考依据,进行更全面、更专一的产品研发。因此,后续可对低蛋白挤压面条原料与设备的选择、形式的多样性及营养的丰富性进行探讨,开展淀粉熟化机理与面条品质的研究,以满足糖尿病肾病患者对饮食营养性及多样性的需求。

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Study on the Extrusion Cooking Processing Technology of Low Protein Noodles

LI Qian1,LIU Li-na1,DU Fang-ling1,XU Tong-cheng1,LIU Zhan-wei2,QIU Bin1,LIU Wei1,LIU Run-shu3,TAO Hai-teng1,4,*
(1.Institute of Agro-Food Science and Technology/Key Laboratory of Agricultural Products Deep Processing Technology of Shandong Province,Shandong Academy of Agricultural Sciences,Jinan 250100,Shandong,China;2.Jinan Chenghui-Shuangda Chemical Co.,Ltd.,Jinan 250101,Shandong,China;3.Jinsui Industry and Trade Co.,Ltd.,Rizhao 276500,Shandong,China;4.College of Food Science&Engineering,Qilu University of Technology,Jinan 250353,Shandong,China)

In order to develop the special staple food for diabetic nephropathy patients,with the wheat starch which commonly used in low protein staple food as the raw material,the chewiness and expansion degree of ex-truded noodles as the determined indicators,the effect of screw speed,water addition and screw temperature on the quality of extruded noodles were discussed through single factor experiment and response surface experiments,and established the regression model of the extrusion cooking processing technology for low protein starch extruded noodles.The order of primary factors was:water addition>screw speed>screw temperature,and the optimal extrusion processes were achieved:Screw speed 93 r/min,water addition 31%,and screw temperature 70℃.Under this condition,the chewiness and sensory scores of wheat starch extruded noodles [(3 908±40)g,73.65]was slightly lower than commercial pasta [(4 661±61)g,81.91],the diameter [(2.80±0.05)mm]was slightly cruder than commercial pasta[(1.94±0.02)mm],so it basically didn't affect the dietary habits of diabetic nephropathy patients.

low protein;starch;extrusion cooking;noodles;response surface methodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.08.016

2016-07-25

山东省农业科学院青年科研基金项目“挤压熟化过程中淀粉糊化机理的研究”(2015YQN48);山东省科技重大专项(产业转型升级)项目“小麦精深加工及特殊医用食品研究与产业化”(2015ZDZX05005)

李倩(1990—),女(汉),实习研究员,硕士,研究方向:粮油加工。

*通信作者:陶海腾(1979—),男(汉),助理研究员,博士,研究方向:粮油加工。

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