全 文 ：Science and Technology of Food Industry 工 艺 技 术
2014年第10期
赤豆固体饮料挤压工艺及流变性质研究
于文滔，陈芳芳，刘少伟*，卢艳花，常雅宁
（华东理工大学食品科学系，上海 200237）
摘 要：以80目赤豆粉、玉米粉，糯米粉为主要原料，燕麦粉、薏仁粉、荞麦粉为辅料，以吸水性指数（WAI）作为赤豆固
体饮料冲调性的指标，通过单因素和响应面实验，研究了螺杆转速、机筒温度、物料水分和喂料速率四个参数对WAI
的影响，建立了WAI与四个因素变化的二次回归方程。最终确定双螺杆挤压机的最佳参数为：物料水分为15.89%、螺
杆转速为160r/min、机筒温度为180℃、喂料为18Hz（1Hz=1.7r/min），在该条件下测得膨化粉的吸水指数为5.05±0.03。流
变性质研究表明：膨化粉冲调后形成的较稳定悬浮液（质量分数15%），在256s-1恒定剪切速率下，0～100s粘度急剧下
降，100～1000s粘度下降相对平缓。
关键词：赤豆，双螺挤压机，响应面分析，固体饮料，粘度
Study on the extrusion processing and
rheological properties of red bean solid beverage
YU Wen-tao，CHEN Fang-fang，LIU Shao-wei*，LU Yan-hua，CHANG Ya-ning
（East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）
Abstract：80 mesh red bean powder，corn flour，glutinous rice flour as the main raw material，oatmeal，adlay
powder，buckwheat powder as auxiliary materials. Defining the Water absorption index（WAI） as the vital quality
parameter and basing on the optimum recipe obtained from the red bean solid beverage，the relationship
between main operation parameters of twin-screw extruder and WAI was studied through single-factor and
response surface experiments. Two regression equations on WAI and four varietals factor was established.
Results indicated that：under the condition that moisture content of 15.89% ，screw speed 160r/min，barrel
temperature 180℃，feed rate 18Hz（1Hz=1.7r/min），WAI=5.05±0.03. Rheological properties research showed
that：The mass fraction 15% puffed powder form stable suspension liquid，on condition of constant shear rate at
256s-1，its viscosity decreased rapidly on 0~100s and viscosity decreased relatively flat on 100~1000s.
Key words：red bean；twin-screw extruder；response surface；solid beverage；viscosity
中图分类号：TS210 文献标识码：A 文 章 编 号：1002-0306（2014）10-0308-05
doi：10.13386/j.issn1002-0306.2014.10.059
收稿日期：2014－01－06 * 通讯联系人
作者简介：于文滔（1988-），男，硕士研究生，主要从事挤压加工技术、
谷物饮料等方面的研究。
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金。
赤豆营养价值较高，除富含膳食纤维外，蛋白质
含量较禾谷蛋白要高1~2倍，且其氨基酸组成中含有
人体必需的8种氨基酸。此外研究表明赤豆有较高的
药用价值，赤豆富含铁质有补血和促进血液循环的
功效，20％赤豆煎剂对金黄色葡萄球菌、伤寒杆菌等
有抑制作用[1-2]。目前赤豆除了直接食用外，主要用于
豆沙和豆馅的制作，部分用于生产赤豆奶饮料、赤豆
发酵酸奶饮料等软饮料[3-6]，而固体饮料的开发很少。
随着人们对天然饮料的青睐程度以及对赤豆营养价
值的认识程度的增加，将赤豆加工成即食、速溶的固
体饮品，受到人们的喜爱欢迎，具有较好的市场前景
和社会效益。挤压膨化技术是食品工业的一项高新
技术，在高温、高压、高剪切力环境下，淀粉发生糊
化、降解，生成小分子量物质，淀粉水溶性增强[7-8]。目
前挤压膨化工艺开发速溶米粉的报道较多[9-10]，但在
研究速溶赤豆粉方面几乎没有。
本实验通过响应面分析方法，研究了四个挤压
参数（螺杆转速、机筒温度、物料水分和喂料速率）对
赤豆膨化粉WAI的影响，确定了最佳挤压工艺条件，
并进一步研究了膨化粉的流变性质，为赤豆固体饮
料挤压工艺的开发提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
赤豆粉、玉米粉、糯米粉、燕麦粉、薏仁粉、荞麦
粉 市售；单硬脂酸甘油酯 分析纯级别，张家港市
中鼎添加剂有限公司；大豆卵磷脂 化学纯级别，美
国ADM公司。
DS32-Ⅱ型双螺杆挤压机 济南赛信机械有限
公司；MB45型卤素水分测定仪 OHAUS公司；CP213
型电子天平 OHAUS公司；DL-5-B型离心机 上海
安亭科学仪器厂；KC-500小型高速粉碎机 北京粉
碎机公司；HHS-11-1型电热水浴锅 上海博讯实业
有限公司；DV-79+PRO数字粘度计 上海尼润智能
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工 艺 技 术
2014年第10期
Vol . 35 , No . 10 , 2014
科技有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 技术路线 杂粮→粉碎→过80目筛→混匀（添加
0.5%大豆卵磷脂及0.1%单硬脂酸甘油酯）→水分调节→挤压
膨化（温度、水分、转速、喂料）→烘干（水分≤5%）→粉碎过80
目筛→冲调。
1.2.2 挤压膨化工艺 预实验确定挤压配方为：赤
豆粉43.5%、玉米42%、糯米10.5%、薏仁粉1.4%、小米
粉1%、荞麦粉1%、大豆卵磷脂0.5%、单硬脂酸甘油
酯0.1%。
1.2.3 物料水分调整 MB45卤素水分测定仪快速
测定杂粮混合粉中的水分含量，按挤压工艺要求计
算出水的添加量[11]。
1.2.4 膨化粉吸水指数的测定 挤压膨化会对杂粮粉
的吸水性指数产生影响，测定方法参照文献方法[12]。
1.2.5 流变性质的测定 膨化粉过80目筛，冲调水比
例3∶20，水温85℃，冲调形成质量分数15%的悬浮液。
采用DV-79+PRO数字粘度计测定其流变性质，测定
条件：F转子，550RPM，恒温34℃和恒温62℃测定[13]。
1.3 实验设计
1.3.1 单因素实验设计 固定机筒温度为190℃，物
料水分为18%，喂料速率为25Hz，研究螺杆转速对膨
化粉WAI的影响，转速梯度设定为：110、130、150、
170、190、210r/min；固定螺杆转速为170r/min，物料水
分为18%，喂料速率为25Hz，研究机筒温度对膨化粉
WAI的影响，温度梯度设定为：110、130、150、170、
190、210℃；固定螺杆转速为170r/min，机筒温度170℃，
喂料速率为25Hz，研究物料水分含量对对膨化粉
WAI的影响，水分梯度设定为：12%、15%、18%、21%、
24%、27%；固定螺杆转速为170r/min，机筒温度170℃，
水分含量15%，研究喂料速率对对膨化粉WAI的影
响，喂料速率设定为：10、15、20、25、30、35Hz。
1.3.2 响应面实验设计 根据Central Composite
Design中心组合实验设计原理，结合单因素实验所得
的结果，以螺杆转速（A）、挤压温度（B）、物料水分
（C）和喂料速率（D）四因素为对象，考察对WAI的影
响，做四因素的响应面中心组合设计，共21组实验，
用以确定挤压工艺对赤豆膨化粉吸水指数的最优工
艺组合条件，四因素旋转中心组合设计编码表见表
1，结果见表2，每组实验做3组平行，取其平均值。
2 结果与分析
2.1 膨化粉吸水性指数（WAI）的单因素实验
挤压参数不同，导致挤压过程中剪切力、压力差
别很大，影响WAI的挤压参数主要包括螺杆转速、机
压温度、水分含量和喂料速率[14]。在进行RSM分析前，
先通过单因素实验来选取实验因素与水平。
2.1.1 螺杆转速对膨化粉WAI的影响 由图1可知，
在其他条件不变的情况下，挤出物WAI随着螺杆转
速的增大先减少后增大。挤压机螺杆转速影响物料
的剪切力及停留时间 [15]。螺杆转速为110～140r/min
时，输入的机械能较少，淀粉糊化度低，挤压腔内物
料的降解作用减低，物料水溶性成分减少，吸水指数
较高；螺杆转速为180～210r/min时，虽然输入的能量
增加，物料在挤压腔内停留时间缩短，淀粉不能充分
糊化，WAI较高。由此初步推测比较合适的物螺杆转
速140～180r/min。
2.1.2 机筒温度对膨化粉WAI的影响 如图2所示，
机筒温度是影响产品WAI的一个重要指标。原因可
能是：温度小于150℃，物料吸收的热量较少，水分子
运动不够剧烈，导致挤出物膨化度、糊化度低，WAI
高；温度大于200℃时，挤出物美拉德反应加剧，甚至
出现焦炭化，形成硬块，营养成分破坏加剧，WAI较
高。确定机筒温度的合适范围为150～190℃。
2.1.3 物料水分含量对膨化粉WAI的影响 在挤出
处理过程中，水分含量影响到水蒸汽的生成量，进而
对挤出腔内的温度和压力产生直接的影响[16]。由图3
可知，水分含量12%～15%时，吸水指数随着水分的增
加而逐渐减少；水分含量大于15%时，吸水指数随着
水分的增加而逐渐增加。可能在高温、低水分含量
时，淀粉糊化度增加，导致水溶性物质含量增加，
因素
水平
-1.682 -1 0 +1 +1.682
A 螺杆转速（r/min） 125 140 160 180 195
B 机筒温度（℃） 136 150 170 190 203
C 物料水分（%） 12.95 15 18 21 23.05
D 喂料速率（Hz） 12 15 20 25 28
表1 响应面设计编码表
Table 1 Code table of response surface design
图1 螺杆转速对膨化粉WAI的影响
Fig.1 Effect of screw speed on water-absorbing capacity
螺杆转速（r/min）
110 130 150 170 190 210 230
620
600
580
560
540
520
W
AI（
%）
图2 机筒温度对膨化粉WAI的影响
Fig.2 Effect of barrel temperature on water-absorbing capacity
机筒温度（℃）
110 130 150 170 190 210
640
620
600
580
560
540
520
500
W
AI（
%）
309
Science and Technology of Food Industry 工 艺 技 术
2014年第10期
图5 温度和转速对膨化粉WAI的交互影响
Fig.5 The interaction of temperature and screw speed
5.39
Y：
吸
水
指
数
150.00
B：机筒温度（℃） A：螺杆转速（r/min）
5.3125
5.235
5.1575
5.08
160.00
170.00
180.00
190.00
140.00150.00
160.00170.00
180.00
图6 水分和温度对膨化粉WAI的交互影响
Fig.6 The interaction of water content and screw speed
5.54
Y：
吸
水
指
数
150.00C：物料水分（%） B：机筒温度（℃）
5.4125
5.285
5.1575
5.03
160.00
170.00
180.00
190.00
15.00
16.50
18.00
21.00
19.50
实验号 A B C D Y 吸水指数
1 1 -1 1 1 5.34
2 1 1 -1 -1 5.22
3 0 0 0 0 5.1
4 -1.682 0 0 0 5.25
5 1.682 0 0 0 5.33
6 0 0 1.682 0 5.54
7 0 0 -1.682 0 5.21
8 0 0 0 0 5.08
9 -1 1 1 1 5.59
10 0 1.682 0 0 5.3
11 0 0 0 0 5.09
12 0 0 0 -1.682 5.34
13 -1 -1 -1 -1 5.44
14 0 0 0 1.682 5.38
15 0 -1.682 0 0 5.39
16 -1 1 -1 1 5.2
17 0 0 0 0 5.08
18 1 -1 -1 1 5.45
19 -1 -1 1 -1 5.46
20 1 1 1 -1 5.66
21 0 0 0 0 5.08
表2 响应面分析结果
Table 2 Corresponding experimental results of
response surface design
WAI减小。但随着水分进一步增大，由于物料中水分
的润滑剂作用，引起淀粉糊化度的下降，WAI增加。
低水分含量时，容易堵料，由此初步推测比较合适的
物料水分应该在15%～21%。
2.1.4 喂料速率对膨化粉WAI的影响 由图4可知，
喂料速率对WAI的影响不是很大，曲线比较平缓。
25～35Hz高喂料速率时容易堵机，考虑挤出量和经济
成本，确定合适的喂料速率应该在15～25Hz。
2.2 响应面优化挤压工艺参数及其结果
2.2.1 模型建立和方差分析 运用Design-Expert7.0
软件，对表2的结果进行二次项拟合，响应面方差分
析结果见表3，吸水指数对螺杆转速、机筒温度、物料
水分和喂料速率的二次回归方程如下：Y=27.23-
0.059A-0.128B-0.62C-0.12D+0.0009AB-0.00017AC-
0.00024AD + 0.0019BC + 0.00026BD - 0.0015CD +
0.000166A2+0.00021B2+0.01C2+0.0036D2。
由表3可知，模型p值（＜0.0001）远远小于0.05，此
时回归方程模型是高度显著的，模型选择适合。决定
系数R2=0.9960，说明回归方程的拟合程度较好。通过
F值大小，判断各因素对WAI影响大小，单因素影响
为：C（物料水分）＞B（机筒温度）＞A（螺杆转速）＞D（喂
料速率）。
2.2.2 双因素间的交互作用 响应面图是响应值对
应各因素所构成的三维空间曲面图，可以直观反映
各因素的交互作用[17]。
RSM图分析：由图5可知，水分含量一定时，温度
和转速对WAI的影响较少，表现为曲线较为平滑；由
图6可知，当转速一定时，水分和温度对膨化粉WAI
图3 物料水分含量对膨化粉WAI的影响
Fig.3 Effect of water content in raw materials on
water-absorbing capacity
物料水分含量（%）
12 15 18 21 24 27
620
600
580
560
540
520
500
480
460
W
AI（
%）
图4 喂料速率对膨化粉WAI的影响
Fig.4 Effect of feed rate on water-absorbing capacity
喂料速率（Hz）
10 15 20 25 30 35
580
560
540
520
500
480
460
W
AI（
%）
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工 艺 技 术
2014年第10期
Vol . 35 , No . 10 , 2014
注：p<0.01为极显著，用**表示；p<0.05为显著，用*表示；p>0.05为不显著；R2=0.9960；Adj R2=0.9867。
变异来源 总方差 自由度 均方差 F值 p值 显著性
模型 0.608938 14 0.043496 106.8196 <0.0001 **
A 0.0032 1 0.0032 7.85867 0.0310 *
B 0.00405 1 0.00405 9.946474 0.0197 *
C 0.122795 1 0.122795 301.57 <0.0001 **
D 0.0008 1 0.0008 1.964612 0.2106
AB 0.00451 1 0.00451 11.07592 0.0158 *
AC 0.0008 1 0.0008 1.964699 0.2106
AD 0.00195 1 0.00195 4.78861 0.0712
BC 0.1058 1 0.1058 259.8314 <0.0001 **
BD 0.002289 1 0.002289 5.622143 0.0554
CD 0.00405 1 0.00405 9.946289 0.0197 *
A2 0.064464 1 0.064464 158.3149 <0.0001 **
B2 0.108286 1 0.108286 265.9372 <0.0001 **
C2 0.136953 1 0.136953 336.3382 <0.0001 **
D2 0.122199 1 0.122199 300.0918 <0.0001 **
失拟误差 0.000212 2 0.000106 3.27 0.172
纯误差 0.00032 4 0.00008
总误差 0.61 20
表3 响应面方差分析
Table 3 Variance analysis for response surface design
图7 喂料和水分对膨化粉WAI的交互影响
Fig.7 The interaction of feed rate and water content
5.54
Y：
吸
水
指
数
15.00
D：喂料速率（Hz）
C：物料水分（%）15.00
5.42
5.3
5.18
5.06
16.50 18.00
21.0019.5020.00
25.00
22.50
17.50
的影响最为显著，变现曲线较陡，在高温、低水分条
件下，有利于挤出物膨化，淀粉充分糊化，水溶性成
分增多，WAI处于较低水平；由图7可知，温度一定
时，喂料和水分对WAI的影响较少，表现为曲线较为
平滑。
2.2.3 模型验证实验 图8所示实验值与预测值的
残差图，均在一条直线上，说明该模型很好的拟合了
吸水指数与挤压参数之间的关系。利用Design-Expert
7.0软件分析，使用最小值法优化，最终确定双螺杆挤
压机的最佳参数：螺杆转速为160r/min，机筒温度为
180℃，物料水分为15.89%，喂料速率为18Hz。在该优
化条件下，挤压实验重复三次，实际挤压产物的吸水
指数平均值为5.05±0.03，理论值为5.03%。可见，采用
响应面法对赤豆膨化粉吸水指数的控制是有效的。
2.3 流变性结果与分析
由图9所示，两条横线为温度线，上面一条横线
代表62℃，下面一条横线代表34℃，两条曲线为质量
分数15%膨化粉的剪切曲线，上面一条曲线在34℃条
件下测得，下面曲线在62℃条件下测得。在256s-1恒
定剪切速率下，膨化粉的粘度在0～100s时间内粘度
急剧下降，可能是剪切破坏了悬浮液的结构 [18]，膨图8 响应面二次回归方程模型的残差图
Fig.8 Residual plot of binary regression model
实际值
5.08 5.23 5.38 5.53 5.68
5.68
5.53
5.38
5.23
5.08
预
测
值
图9 质量分数15%膨化粉在恒定剪切速率下的流动曲线
Fig.9 The flow curve of mass fraction 15% puffed powder
on constant shear
时间（s）
0 216 432 648 864 1079 1295 1511
647.5
601.3
555.1
508.9
462.7
416.5
370.2
324.0
277.8
231.6
185.4
139.2
93.0
粘
度
（
M
Pa
·
s）
74.5
69.7
64.9
60.0
55.2
50.4
45.6
40.7
35.9
31.1
26.2
温
度
（
℃）
62℃
34℃
（下转第323页）
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食品添加剂
2014年第10期
Vol . 35 , No . 10 , 2014
化粉淀粉中多为直链淀粉，少量支链淀粉存在于淀粉
颗粒中，被形成凝胶的直链淀粉包围着，剪切可能破
坏了直链、支链淀粉间的分子作用力[19]。100～1000s时
间内粘度下降相对平缓，可能是由于分子间作用力
趋向于稳定，剪切力对其影响减弱。另外，从两条曲
线对比可知，膨化粉在62℃时测得粘度要比34℃时测
得的粘度低，表明膨化粉粘度随着温度升高而降低。
3 结论
以吸水指数（WAI）作为赤豆膨化粉冲调性的关
键指标，通过单因素实验分析表明：螺杆转速、机筒
温度及物料水分对赤豆膨化粉的吸水指数影响较
大。同时应用响应面分析发现各因素对目标函数WAI
的影响是相互联系、相互制约的，并进一步利用响应
曲面法优化了赤豆膨化粉WAI的挤压工艺条件，建
立了WAI与四个因素变化的二次回归方程。最终确
定双螺杆挤压机的最佳参数，即螺杆转速为160r/min，
机筒温度为180℃，物料水分为15.89%，喂料速率为
18Hz，在此条件下吸水指数达到5.05±0.03，赤豆膨化
粉冲调性较好。流变性质研究表明：膨化粉的粘度受
剪切、温度的影响较大，在256s-1恒定剪切速率下，粘
度随着剪切时间延长而降低，温度升高，粘度下降。
为谷物固体饮料的开发提供了参考数据。
参考文献
[1] 张斌. 赤豆饮料的开发研究现状及展望[J]. 广西轻工业，
2009（4）：18-19.
[2] 王彤，何志谦，梁奕铨，等. 绿豆及赤小豆对餐后血糖影响
的研究[J]. 食品科学，2001，22（5）：74-76.
[3] 陈秀霞，张斌，蒲海燕. 赤豆速溶饮品工艺探讨[J]. 饮料工
业，2010（6）：19-21.
[4] 艾启俊，赵佳. 即食红小豆粉的研制[J]. 北京农学院学报，
2003，10（4）：285-288.
[5] 华景清，戈耿霞. 营养赤豆即食糊的研制[J]. 农产品加工，
2010（5）：79-80.
[6] 张斌，郑为完，李积华，等. 赤豆速溶饮料加工过程中微量
元素分布分析[J]. 食品工业科技，2007（6）：64.
[7] CARLOS W P，CRISTINA Y T，CHARLES I O，et al.
Relative effect of particle size on the physical properties of corn
meal extrudates：Effect of particle size on the extrusion of corn
meal[J]. Journal of Food Engineering，2010，98；103-109.
[8] 冉新炎，董海洲，刘传富，等. 玉米挤压工艺条件的优化及
其理化特性的研究[J]. 中国食品学报，2011（7）：140-147.
[9] 杨勇，任健. 挤压膨化速溶婴幼儿营养米粉的研制[J]. 粮油
加工，2009（6）：124-126.
[10] 陈琳，郑喜群，刘晓兰. 膨化糯玉米速溶营养粉的研究[J].
食品科技，2011，36（8）：161-163.
[11] 柯宏，袁顺林. 复合膨化食品工艺参数的实验研究[J]. 粮
食加工，2006，31（6）：72-74.
[12] 郭树国，刘强，王丽艳，等. 挤压膨化机结构参数对豆粕吸
水指数影响的研究[J]. 粮油加工，2006（3）：71-72.
[13] 谭洪卓，谷文英，刘敦华，等. 甘薯淀粉糊的流变特性[J].
食品科学，2007，28（1）：58-63.
[14] SEMASAKA C，KONG Xiangzhen，HUA Yufei. Optimization
of extrusion on blend flour composed of corn，millet and soybean
[J]. Pakistan Journal of Nutrition，2010，9（3）：291-297.
[15] REHRAH D，AHMEDNA M，GOKTEPE I，et al. Extrusion
parameters and consumer acceptability of a peanut-based meat
analogue [J]. International Journal of Food Science and
Technology，2009，44：2075-2084.
[16] 尚永彪，唐浩国. 膨化食品加工技术北京[M]. 北京：化学
工业出版社，2007：1，15-17.
[17] 杜沛，朱丽娟，陈双喜. 响应面法优Bacillus subtilis HD-F9
产γ- 聚谷氨酸发酵培养基[N]. 河南大学学报，2010，40（5）：
498-503.
[18] Razavi S，Karazhiyan H. Flow properties and thixotropy of
selected hydrocolloids：experimental and modeling studies [J].
Food Hydrocolloids，2009，23（3）：908-912.
[19] Lai L S，Kokini J L. Physicochemical changes and rheological
properties of starch during extrusion[J]. Biotechnology Progress，
1991，7（3）：251-266.
（上接第311页）
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
wavy surface[J]. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics，
2012，173：13-20.
[11] Benezech T，Maingonnat J F . Characterization of the
rheological properties of yoghurt—a review[J]. Journal of Food
Engineering，1994，21（4）：447-472.
[12] Tanner R I. Engineering rheology [M]. Oxford University
Press，1985：83-85.
[13] 秦益民. 海藻酸[M]. 北京：中国轻工业出版社，2008：179-
180.
[14] 杜柏桥. 羧甲基纤维素钠（CMC）与酪蛋白的相互作用及
其稳定酸性乳体系机理的研究[D]. 上海：上海交通大学，2008.
[15] 朱慧，吴伟都，王雅琼，等. pH对黄原胶溶液流变特性的
影响研究[J]. 农业机械，2012（9）：051.
[16] 徐桂云，崔庆荣. 氢键对丙酮水溶液粘度的影响[J]. 山东
轻工业学院学报：自然科学版，1999，13（1）：22-24.
[17] Tako M，Nakamura S，Kohda Y. Indicative evidence for a
conformational transition in ι - carrageenan [J]. Carbohydrate
research，1987，161（2）：247-255.
[18] 张杨，梁洪超，刘海祥，等. 不同电解质对海藻酸钠水溶液
流变性能的影响[J]. 青岛大学学报：自然科学版，2013，26（2）：
57-61.
[19] 王致清. 流体力学基础[M]. 北京：高等教育出版社，1987：
23.
[20] 姚定. 菠萝蜜果皮果胶提取及特性研究[D]. 合肥：安徽农
业大学，2009.
[21] 张兆琴，毕双同，蓝海军，等. 大米淀粉的流变性质和质构
特性[J]. 南昌大学学报：工科版，2012（4）：14.
[22] Benezech T，Maingonnat J F . Characterization of the
rheological properties of yoghurt—a review[J]. Journal of Food
Engineering，1994，21（4）：447-472.
323