食品挤压与膨化技术

**章 绪论 　　**节 食品挤压与膨化技术的概念与特点 　　一、食品挤压与膨化技术的概念 　　膨化是利用相变和气体的热压效应原理，通过外部能量的供应，使加工对象——物料内部的液体迅速升温汽化，物料内部压力增加，并通过气体的膨胀力带动组分中高分子物质发生变性，从而使物料成为具有蜂窝状组织结构特征的多孔性物质的过程。 　　膨化的方式主要有两种，一种是气流式膨化，另一种是挤压式膨化，两种膨化方式对物料的作用不同，因而物料被膨化的状态也不同。气流式膨化是靠外部气流加热的方法使体系获得能量而达到高温高压状态，并使物料膨化的过程。挤压式膨化是借助挤压机螺杆的推动力，将物料向前挤压，物料受到混合、搅拌和摩擦以及高剪切力作用而获得和积累能量达到高温高压，并使物料膨化的过程。 　　挤压膨化是食品挤压加工技术的一个分支，食品挤压加工技术包括挤压膨化技术、挤压蒸煮技术和挤压组织化技术三种。食品挤压加工技术的共同点就是物料被送入挤压机后，在螺杆、螺旋的推动下，物料向前呈轴向移动；同时，物料被强烈地挤压、搅拌、剪切，螺杆与物料、物料与机筒以及物料内部的相互摩擦，其结果使物料进一步细化、混匀；随着机腔内部压力的逐渐增大，相应地温度不断升高，在离温、高压、高剪切力的条件下，物料物性发生变化，由粉状或粒状变成糊状，淀粉发生糊化、裂解，蛋白质发生变性、重组，纤维发生部分降解、细化，微生物被杀死，酶及其他生物活性物质失活。三种技术不同的是：挤压膨化技术是当糊状物料在接近模孔时温度达到*高、压力达到*大，由模孔喷m的瞬间，在强大压力差的作用下，水分急骤汽化，物料被膨化，形成疏松、多孔结构。挤压蒸煮技术是糊状物料在接近模孔时，温度较低，压力也相应较小，由模孔挤出时，内外压差较小，模孔主要起塑形作用，物料挤出后成为具有一定形状的熟化或半熟化产品。挤压组织化技术主要是对蛋白质含量较高（50%以上）的植物原料，其在挤压机内，由于受到剪切力和摩擦力的双重作用，维持蛋白质三级、四级结构的氢键、范德华力、离子键和二硫键被破坏。随着蛋白质高级结构的破坏，形成了相对呈线性的蛋白质分子链，这些分子链在一定温度和水分含量条件下，受定向前进推动力的作用发生定向排列，产生分子间的重组，由模孔挤出后即形成了一种类似于肉类组织结构的产品——组织化蛋白。 　　二、食品挤压与膨化技术的特点 　　挤压膨化食品的加工过程与通常食品加工的蒸煮、熟化过程不同。在挤压过程中，剪切应力是引起高分子聚合物在分子水平上发生物化反应的根本原因。利用挤压技术可以在一台挤压机内将若干个食品加工操作单元连续在一起，并减小营养损失。概括起来，挤压膨化加工技术具有以下几个特点。 　　1．产品多样化 　　食品挤压膨化加工物料混合均匀，可在同一挤压机上依靠改变物料品种、配方和加工条件而得到多种多样的食品。挤压机的螺杆元件和模头结构具有多样性，可以根据具体食品加工的要求自由组合。生产挤压膨化食品时，利用同一台挤压机，只需改变原料配比及模具，就可生产出形状各异的加工产品。 　　2．营养成分的保存率和消化率高 　　与食品加工的其他方法相比。挤压加工热处理速度快，因此在淀粉降解和蛋白质变性的高温快速挤出过程中，提高了食品的可消化性并且营养成分损失少。同时高温短时处理也能破坏原料中的抗营养因子，消除其他对人体不利的酶。所以挤压膨化技术不仅改变了原料的外形，也改变了内部的分子结构，有利于营养成分的保存和消化吸收。例如，维生素Bi、维生素B。的含量明显高于蒸煮后的食品；大米蒸煮后蛋白质消化率为75.3%，而膨化后可提高到83. 80/。 　　3．改善食品原料的品质结构 　　谷物中含有较多的纤维素、半纤维素等，这些对人体极为有盏，但口感较差。谷物经挤压膨化后，在挤压机中受到高温、高压和剪切、摩擦作用，以及在挤压机挤出模具口的瞬间膨化作用，使得这些成分微粒化，并且产生了部分分子的降解和结构变化，使其水溶性增强，改善了口感。经膨化处理后，由于产生了一系列的质构变化而使其体轻、酥松，具有独*的焦香味道。膨化后的制品其质地是多孔的海绵状结构，吸水力强，容易复水，因此不管是直接食用还是冲调食用均较为方便。 　　4．不易老化，易于储存 　　通常主食加工的方法是采用蒸煮的方法，如刚做好的米饭软而可口，但放置一段时间后即变硬而不好吃，即所谓“回生或老化”。该现象的产生主要是糊化后的淀粉在保存放置期间慢慢失水，淀粉分子之间重新形成氢键而相互结合在一起，由糊化后无序的分子排布状态重新变为有序的分子排布状态，即d淀粉l3化。利用挤压技术加工，由于加工过程中的高强度的挤压、剪切、摩擦、受热作用，淀粉颗粒在水分含量较低的情况下，充分溶涨、糊化和部分降解，再加上挤im模具后，物料由处于高温、高压状态突变到常压状态下，便发生瞬间的“闪蒸”，这就使糊化之后的旺淀粉不易恢复其l3生淀粉结构，而仍保持其旺淀粉分子结构，故不易产生“老化”现象。 　　5．原料适用牲广 　　挤压膨化技术加工的原料品种多，不仅可以对谷物、薯类、豆类等粮食进行深加工，使粗粮细作，生产精美的小吃食品，而且还能加工果品蔬菜、香料及一些动物性蛋白质。还可以应用于酿酒、酒精和油脂浸出、淀粉糖浆生产等方面，用来处理加工食品的原料，提高产品出品率。 　　6．生产设备简单，占地面积小，耗能低，生产效率高 　　用于挤压膨化食品加工的设备简单，结构设计独*，可以较简便和快速地组合或更换零部件而成为一个多用途挤压膨化加工系统；加工单位质量产品的设备所需占地面积很小；可节省电、汽、水的消耗；由于挤压加工集供料、输送、加热、成型为一体，避免了串联多台单功能机种，极大地提高了能源的利用率，又是连续生产，生产效率是传统生产方法的60%～800/。所以，与传统的蒸煮方法相比，采用现代挤压技术加工产品，生产成本低。 　　7．原料利用率高，无污染 　　挤压加工是在密闭容器内进行的，在生产过程中，除了开机和停机时需投入少许原料作头料和尾料，使设备操作过渡到稳定生产状态和顺利停机外，一般无原料浪费现象（头料和尾料可进行综合利用），也不会向环境排放废气和废水而造成污染。 　　第二节 食品挤压与膨化技术的发展概况 　　挤压(extrude) -词来源于拉丁语“ex”（离去）和“trudere”（推），即施加推动力使物料受到挤压并通过模具成型之后离去的过程。按照这个概念，食品挤压技术*早可追溯到700多年前中国饴铬面的生产。而现代食品工业意义上的挤压技术，可从1 9世纪肉肠食品的生产应用算起。20世纪30年代，用于食品挤压膨化的**台单螺杆挤压机面世，标志着真正意义上的食品挤压膨化技术的工业化，并表现m了强大的生命力，20世纪五六十年代，迅速发展起来的食品蒸煮挤压加工技术，其应用领域已由单纯的生产谷物食品发展到食品工业原料的预处理及植物组织蛋白生产等领域；到了20世纪70年代，许多发达国家纷纷开展挤压机理的探讨，研究了各种淀粉及蛋白类食物在挤压过程中发生的一系列变化以及挤压食品的营养与吸收等问题。 　　一、国外食品挤压与膨化技术的发展概况 　　挤压技术的发展可以追溯到1797年，Joseph首次使用活塞驱动的挤压装置来生产铅管，这是挤压技术在工业上应用*早的例子。1856年，美国人沃德申请了**份关于食品挤压技术的专利，1869年**台用于生产香肠的双螺杆挤出机问世。1 936年**台应用于谷物加工的单螺杆挤压蒸煮机问世，并在食品行业中取得成功，**次生产出了膨化玉米圈。日本在第二次世界大战期间，就用挤压方法加工米、麦，再经过压制成型作为军粮，在加工过程中，通过添加某些营养元素，如矿物质、维生素等制成食用方便、营养价值高、深受人们喜欢的食品。但这时的挤压技术都是冷挤压技术。 　　到了20世纪40年代中期，应用于早餐谷物加工的单螺杆挤压蒸煮机诞生，这种挤压机的套筒部分还没有引进加热装置，但是由于挤压螺杆沟槽及机筒内表面酌特殊设计，在挤压过程中的高度摩擦及强烈剪切效应可产生一定热量，对食品组分进行蒸煮，因此，这种挤压机可生产出高度膨化的风味小吃食品。20世纪40年代末，在挤压机的套筒部分引进了加热装置，这种挤压机可对物料进行有效的连续蒸煮，大大改进了挤压物料的功能和性质，提高了其生物利用率和消化能力。随着挤压膨化技术的发展，挤压机的应用在食品领域中进一步扩大，种类繁多的大量方便食品、即食食品、小吃食品、断乳食品、儿童营养米粉等挤压方便产品相继问世。美国用挤压式膨化机生产出小学生课间食品，深受欢迎。 　　20世纪50年代初，迅速发展的挤压蒸煮由于省时省力，很大程度上取代了当时的饼干焙烤。在这段时间内，美国**次将单螺杆挤压机应用于干的宠物膨化食品加工中。挤压机也由单一功能向多功能发展，螺杆长径比越来越大，由*初的5:1发展到20：1，甚至还出现了长径比达45：1～50：1的大型挤压机。加热的方式由白热式发展到外热式，产量也由每小时几千克的小产量发展到每小时6～7t的大产量。 　　美国在20世纪60年代中期，挤压膨化技术进一步发展完善，应用高温短时挤压机对食物进行有效热处理、杀菌、钝化酶活力，挤压手段对营养成分破坏较少。同时，挤压快餐食品迅速发展起来。挤压加工技术应用领域由单纯生产谷物食品，发展到生产家畜饲料、鱼类饲料、植物组织蛋白等，同时，对所用挤压机的结构设计、工艺参数和挤压过程机理也进行了研究，提高了对挤压加工技术的理论认识。挤压设备由单螺杆发展到双螺杆，适合于加工不同原料的高剪切力挤压机和低剪切力挤压机也被分别应用于不同的生产领域。新的挤压设备，对于改善产品质量，拓宽挤压技术的应用领域起到丁推动作用。 　　1970年，Arkinson发现挤压机可以使生物聚合物塑化，他认为生物聚合物在剪切力的作用下，能重新定向，彼此之间发生反应，从而形成新的组织结构（如组织化植物蛋白），开拓了挤压机在工程食品领域开发的新方向。 　　1980年以来，挤压机作为一种生化反应器，受到了更多的重视，在食品工业中的应用领域也不断得到新的拓展。并且由于计算机技术的应用，挤压机的操作也由手工间歇式的操作发展到全白动计算机控制的连续作业。如今食品挤压技术已成为食品加工高新技术中*为活跃和重要的组成部分，食品挤压技术的研究也得到了迅速而全面的发展。 　　20世纪90年代后，世界上已有美国Wenger公司、德国WP公司、意大利帕万马布公司和法国Clextral公司为代表的食品挤压机生产厂家，生产各种系列的食品挤压机投放市场。 　　目前，美国、日本及西欧等国家对挤压技术的理论研究越来越完善，应用领域越来越广阔，各种各样的挤压食品遍布超市货架。美国生产的大型挤压机生产能力每小时已达几吨至十几吨，有关挤压技术和设备的专利已达百余项，挤压产品遍及世界各地，仅挤压膨化食品年产值达十几亿美元。由于食品工业日新月异的发展，挤压设备的不断改进，挤匿理论的不断完善，挤压食品在消费者中的地位也越来越重要。日本长期以来对挤压技术及理论，尤其是谷物膨化淀粉的性质方面做了大量的研究。 　　近年来，采用挤压膨化技术生产的食品主要有主食类、早点类、儿童食品、各种小食品等方便食品；膨化大米可做主食面包、点心面包、蒸制品、炸制品等；美国、日本等国将脱脂大豆挤压膨化后配以调料，制成人造肉（肉松、肉干、火腿）；美国和西欧一些国家在挤压谷物粉中添加适量膨化大豆粉和调料，制成冲剂、油茶、面茶、杏茶等，可以即时饮用，既方便又富营养；作为主食类的食品还有用挤压谷物做的快餐粥、油煎面包、夹心点心及预煮食品；采用挤压技术加工脱水水果产品，可做果酱，也可做水果夹心蛋糕、馅饼及面包的添加料；马铃薯经挤压膨化后，经油炸可制成香脆可口的美味食品；美国学者将花生蛋白粉进行挤压膨化，使蛋白质组织化、塑性化，作为食品添加料。日本也发表了许多制造挤压膨化产品的专利，以马铃薯、小麦粉、燕麦等为主要原料制作多种主食快餐食品。还发表了挤压奶酪