摘要：擠壓膨化技術作為現(xiàn)代食品工程高新技術之一,已廣泛應用于食品工業(yè)中,并逐步在油脂、釀造、保健食品等多個加工領域中得到應用。本文主要介紹了擠壓膨化技術的機理、特點、設備、工藝流程以及該技術的應用情況;并對其的應用前景做出了展望。

關鍵詞：擠壓膨化技術　膨化機  膨化食品  應用

Extrusion puffs technical and application of its

in food multi- domainsAbstract: The extrusion puffs the technology to take one of modern food project high technology and new technologies,Has widely applied in the food industry,And in the fat, brews, the health foods grad- ually and so on in many processings domain obtains the application. This article mainly introduced the extrusion puffs technical the mechanism, the characteristic, the equipment, the technical process as well as this technical application situation;And has made the forecast to its application prospect.

Key word: extrusion puffs technical  puffing machine  puff food  application

前言

擠壓膨化技術作為一種新型食品加工技術，在國外發(fā)展很快。早在1856年美國的沃得就申請了關于食品膨化技術的專利，而直到20世紀30年代末才首次把膨化技術應用于生產(chǎn)谷物類方便食品^{[1 ]}。在現(xiàn)今糧油食品加工過程在中,擠壓膨化技術作為現(xiàn)代食品工程高新技術之一越來越得到眾多食品企業(yè)的重視,尤其受到以谷類和薯類為主要原料的食品加工企業(yè)的青睞。就傳統(tǒng)的谷物食品加工方法來說 一般需經(jīng)過粉碎、混合、成型、烘烤或油炸等生產(chǎn)工序,每道工序均需配置相應的設備,生產(chǎn)流水線長、占地面積大、工藝復雜、勞動強度大。而采用擠壓膨化技術加工谷物食品時,只需將原料初粉碎和混合后,即可在一臺擠壓機上完成蒸煮熟化、酶失活、殺菌、成形、預干燥等多道工序,因而大大簡化了工藝,降低了能耗,整個生產(chǎn)過程幾乎沒有損耗,制造成本明顯降低,且無“三廢”產(chǎn)生。因此,擠壓膨化技術是一種多功能、高產(chǎn)量、高品質(zhì)的新型食品加工技術^[2] 。

擠壓膨化食品具有品種繁多、質(zhì)地酥脆、美味可口、攜帶食用后方便、易于消化吸收等優(yōu)點。作為一種休閑食品，膨化食品深受消費者尤其是青少年的喜愛和歡迎。就美國來說，各種休閑食品年銷售額高大150億美元，其中30%為馬鈴薯片。而作為美國最大的膨化食品生產(chǎn)企業(yè)的Frito-

Lay公司，年銷售額達到50億美元�？梢钥隙�，擠壓膨化技術應用于膨化食品的生產(chǎn)具有十分廣闊的前景。上世紀90年代美國的Frito-Lay公司、日本的Calbee公司以及歐洲和東南亞的膨化食品企業(yè)紛紛在中國投資建廠^[3]。擠壓膨化技術所表現(xiàn)出的多種優(yōu)越性以及淀粉等物質(zhì)在擠壓膨化過程中具有的獨特的產(chǎn)品構型能力，奠定了擠壓技術在谷物食品加工等多種領域中的應用基礎；同時,膨化產(chǎn)品具有的顯著特點,又推動了擠壓膨化技術在諸多加工領域中的應用。

1  擠壓膨化技術的機理

含有一定水分的物料，在積壓機的套筒內(nèi)受到螺桿的推動作用和卸料磨具及套筒內(nèi)截流裝置的凡響阻止作用，另外還受到來自外部和物料與螺桿、套筒內(nèi)部磨檫熱的加熱作用，使物料處于3～8MPa和120～200℃的高溫下，根據(jù)需要可達到更高的溫度。由于壓力超過了擠壓溫度下的飽和蒸汽壓物料在擠壓筒內(nèi)便產(chǎn)生水分的沸騰和蒸發(fā)。在如此高的溫度、剪切力和壓力下，物料呈現(xiàn)熔融狀態(tài)。當物料被強行擠出模具口時，壓力驟然降為常壓，此時水分便發(fā)生閃蒸，產(chǎn)生類似“爆炸”的情況，產(chǎn)品隨之膨脹。水分從物料中蒸發(fā)，帶走了大量的熱量，這樣物料瞬間從擠壓過程中的高溫降至80℃的相對低溫。由于溫度的降低，物料從擠壓時的狀態(tài)而固化成型，并保持了膨化后的形狀。

擠壓膨化食品的成分主要以淀粉為主。因此膨化狀態(tài)的形成主要是靠淀粉完成的，在高溫高壓狀態(tài)下，淀粉顆粒首先發(fā)生糊化，近而在高溫和高剪切的作用下分子之間相互結(jié)合和交聯(lián)，形成網(wǎng)狀的結(jié)構，該結(jié)構經(jīng)擠壓、降溫和固化后成為膨化食品結(jié)構的骨架，其他原料中的成分填充于其中。因此原料中淀粉的含量直接影響到產(chǎn)品的膨化程度，在原料中沒有淀粉存在的情況下，則基本上不產(chǎn)生膨化效果。

2  擠壓膨化技術的特點

2.1 改善實用品質(zhì)，易于儲存

采用膨化技術可以使玉米、高粱這些原本含有較多纖維素、維生素的粗硬的組織結(jié)構變得膨松柔軟，在膨化過程中產(chǎn)生的美拉德反應又增加了食品的色、香、味。從而改善實用品質(zhì)，使食品具有體輕、松脆、香味濃郁的獨特風味。

2.2 提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少有害物質(zhì)

擠壓過程是一個典型的高溫、高壓、短時過程，這使物料處理有限，因而在最終產(chǎn)品中幾乎保留了原料中所有的營養(yǎng)成分。同時，高溫短時過程仍可減少象有害的酶和微生物一樣的不良產(chǎn)品因素^[4]。

2.3 原料適用性廣，產(chǎn)品種類多

可加工的原料品種繁多,不僅可以對谷物、薯類、豆類等糧食進行深加工,使粗糧細作,生產(chǎn)精美的小吃食品;而且還能加工果蔬、香料及一些動物蛋白。生產(chǎn)膨化小食品時,利用同一臺擠壓機只需改變原料及模頭,即可生產(chǎn)出形狀各異的產(chǎn)品。

2.4 生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低

國外大型雙螺桿擠壓機每小時的生產(chǎn)能力達數(shù)十噸,且操作簡便。與傳統(tǒng)的蒸煮方法相比,用現(xiàn)代擠壓膨化技術加工產(chǎn)品,在時耗、能耗、勞動力、占用廠房等方面都有明顯降低。

2.5 浪費少、無廢棄物

用淀粉釀酒、制飭糖時，原料經(jīng)膨化后，其利用率達98℅以上，出糖率提高12℅，出酒率提高20℅^[1]。此外，一般來說，除了開機和停機時需要少量原料作引子外,整個生產(chǎn)過程中幾乎無廢棄物排出,不存在原料浪費現(xiàn)象。

3  擠壓膨化設備

擠壓機是從簡單的成型機發(fā)展而來的,起初只是用于塑料工業(yè),后來逐漸應用于食品及其它行業(yè)。目前使用的擠壓機主要為螺桿式擠壓機,按結(jié)構可分為單螺桿和雙螺桿兩種類型。單螺桿擠壓機靠一個從細漸粗、螺距從寬漸窄的螺桿推進物料。目前我國生產(chǎn)的單螺桿擠壓機基本上采用螺紋高度較淺的螺桿，轉(zhuǎn)速為300～400r/min，它可產(chǎn)生高磨檫和高剪切力，谷物原料在機筒內(nèi)停留的時間僅為10～20s，物料在出模前的溫度高達130～140℃。雙螺桿擠壓機有一對相互連續(xù)嚙合的反向或同向旋轉(zhuǎn)的螺桿，靠正移位原理強制輸送物料。在物料輸送過程中很少形成壓力回流，可使局部壓力急劇升高，加快膨化過程，獲得高產(chǎn)量。單雙螺桿擠壓機在食品工業(yè)中的應用特點及比較見下表1和表2^[5，6]

表1 單雙螺桿擠壓機在食品工業(yè)中的應用特點

表2 單雙螺桿擠壓機主要區(qū)別

4 擠壓膨化的工藝流程

擠壓膨化食品的生產(chǎn)工藝如下所示:原物料→去皮→粉碎→混合(濕潤) 調(diào)理→輸送

→喂料→擠壓蒸煮、膨化→整形、切割→烘烤→噴油、調(diào)味→包裝。

4.1 粉碎

為使原料混合均勻、擠壓蒸煮時淀粉充分糊化有利于膨化,各物料(玉米應先除去皮和胚芽) 粉碎至30～40 目顆粒大小,雙螺桿擠壓機的用料粉碎至60 目以上。

4.2 混合調(diào)理

將不同的原料及輔料按一定比例在加濕機中混合均勻,根據(jù)氣候和環(huán)境溫度、濕度的不同確定水量的多少,混合后的原料水分控制在13%～18%。

4.3 擠壓膨化

擠壓膨化是整個流程的關鍵,直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)感和口感。影響擠壓膨化的變量較多,物料的水分含量、擠壓過程中的溫度、壓力、螺桿轉(zhuǎn)速、原料的種類及其配比等,一般來說物料水分13 %～18 %之間,擠壓溫度120～160℃左右,擠壓腔壓力0. 5～1MPa ,螺轉(zhuǎn)速800～1000 r/ min ,物料在擠壓機內(nèi)停留時間為10～20s^[7，8]。直淀粉含量低的原料, 膨化后產(chǎn)品的α 度高, 膨化效果較佳。物料中蛋白質(zhì)及脂肪含量不同也對膨化質(zhì)量產(chǎn)生影響,蛋白質(zhì)含量高的物料擠壓時膨化程度低;脂肪含量超過10 %時,會影響到產(chǎn)品的膨化率,而一定量的脂肪可改善產(chǎn)品的質(zhì)構和風味。不同類型和型號的擠壓機,其擠壓膨化的最佳工藝參數(shù)也有所不同。

4.4 整形、切割

膨化物料從模孔擠出后,由緊貼�？椎男�轉(zhuǎn)刀具切割成形或經(jīng)牽引至整形機,經(jīng)輥壓成形后,由切刀切成長度一致、粗細厚度均勻的卷、餅等膨化半成品。

4.5 烘烤

擠壓出來的半成品水分較高,需經(jīng)帶式輸送機送入隧道式烤爐作進一步烘烤,使水分低于

5 % ,以延長保質(zhì)期,同時烘烤后產(chǎn)生一種特殊的香味,提高品質(zhì)。

4.6 調(diào)味

在旋轉(zhuǎn)式調(diào)味機中進行。將按一定比例混合的植物油和奶油加溫至80 ℃左右,通過霧狀噴頭使油均勻地噴灑在隨調(diào)味機旋轉(zhuǎn)而翻滾的物料表面。噴油的目的一是為了改善口感;二是為了使物料容易沾粘調(diào)味料。隨后噴灑調(diào)味料,經(jīng)裝有螺桿推進器的噴粉機將粉末狀調(diào)味料均勻灑在不斷滾動的物料表面,即得成品。為防止受潮,保證酥脆,調(diào)味后的產(chǎn)品應即時包裝。

5 　擠壓膨化技術的多領域應用

5.1 在休閑食品加工中的應用

膨化食品是將擠壓技術應用于食品加工中最先獲得成功的產(chǎn)品。以大米、玉米等谷物類及薯類為主要原料,經(jīng)擠壓蒸煮后膨化成型成為疏松多孔狀產(chǎn)品,再經(jīng)烘烤脫水或油炸后,在表面噴涂一層美味可口的調(diào)味料,玉米果、膨化蝦條等即屬這一類。另一類為膨化夾心小吃食品,是通過共擠壓膨化制成,即谷物類物料在擠壓后形成中空的管狀物,將蛋黃粉、糖粉、奶粉、調(diào)味料、香料等各種配料按一定比例加入后,經(jīng)充分攪拌混勻成為具有較好流動性的夾心料,通過夾心泵及共擠出模具,在膨化物擠出的同時將餡料注入管狀物中間,經(jīng)此道工序加工的膨化夾心小食品,口感酥脆,風味隨夾心餡的改變而具多樣性,可通過改變其中的夾心料的配方,加工出各種營養(yǎng)強化食品、功能食品。

5.2 在油脂浸出中的應用

對于高含油油料作物來說，油料在脫殼（皮）后，先經(jīng)擠壓膨化機處理，預先擠出部分油脂，并形成一定結(jié)構的料粒再進行浸出，是一項比較理想的新技術。目前在美國、巴西、印度、瑞士等國家均有擠壓膨化機生產(chǎn)廠家，其中以美國安得森（ANDERSON Intrntionl Corp）生產(chǎn)的帶預榨的、用于處理高含油料的擠壓膨化機尤為引人注目。據(jù)報道，其產(chǎn)量已高達300t/D^[9]。

另外，膨化機的發(fā)明和其在油料坯片溶劑浸出工藝中的應用極大地增加了溶劑浸出工藝的效率。梁平等人已經(jīng)在大豆和棉籽坯片方面取得了良好的效果^[10]。膨化機內(nèi)坯片受一系列的斷續(xù)螺旋的擠壓和突出于機筒的固定螺栓的揉搓，使得更多的油細胞破裂。在坯片被搗碎的同時，蒸汽被注入含有坯片的機筒內(nèi)，坯片在筒內(nèi)蒸煮15～20s。經(jīng)過蒸煮改變了坯片的蛋白特性，使之更為柔軟。同時，當蒸汽進入機筒并與坯片混合，機筒內(nèi)部的壓力將蒸汽從氣相變?yōu)?液相，釋放出大量的熱量，該熱量在膨化機內(nèi)產(chǎn)生有效的蒸煮作用，并且液體滲透坯片，充分的使坯片得以滲透。另外，油料坯片在獲得完全蒸煮后，有膨化機出料口釋放出來，由于壓力驟然降低，坯片內(nèi)的水分會立即由液相變?yōu)闅庀�。當液體變?yōu)闅怏w，會把周圍的熱量吸收過來，這樣使蛋白冷卻并產(chǎn)生剛硬的，多孔的蛋白結(jié)構，這種蛋白的膨脹

5.3 擠壓膨化技術在抗性淀粉制備中的應用

將擠壓膨化技術應用于抗性淀粉（resistant starch RS）制備的預處理中，是由于在抗性淀粉的制備過程中，擠壓膨化起到預糊化的作用，提高了淀粉的糊化度。已有資料報道，淀粉經(jīng)擠壓膨化后處理后，其糊化度能達到90%以上，而傳統(tǒng)工藝糊化率僅為80～90%。只有使淀粉完全糊化，才能使淀粉酶與普魚蘭酶對其充分作用，生成一定長度的直鏈淀粉分子，通過調(diào)節(jié)酶的作用條件，從而可提高抗性淀粉的得率^[11]。

5.4 擠壓膨化技術在膨化玉米粉生產(chǎn)冰激凌中的應用

　  玉米的營養(yǎng)價值較高,含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和礦物質(zhì),并含有人體必需的賴氨酸和色氨酸等。過去人們在利用玉米做飲料和冰激凌時,通常要經(jīng)過粉碎、磨漿、糊化等多道前處理工序,工藝復雜、費時。大連產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所的金芳研究使用擠壓膨化機處理物料,使其由高溫高壓下突然降至常溫常壓，經(jīng)瞬間將玉米粉膨化成海綿狀,淀粉高度α化。使淀粉、蛋白質(zhì)成分發(fā)生降解;糊精、還原糖、氨基酸等成分含量增加。水溶性增強,有利于消化吸收。而且口感香酥,代替淀粉添加到冰激凌原料中,可制成具有烤玉米風味的冰激凌^[12]。

5.5 在組織化植物蛋白生產(chǎn)上的應用

組織化植物蛋白的生產(chǎn)是利用含植物蛋白較高(50 %左右) 的原料,如大豆、棉籽等,通過擠壓、剪切作用后,蛋白質(zhì)分子的三級結(jié)構被破壞,形成相對呈線性的蛋白質(zhì)分子鏈,在一定的溫度和水分下,由于受到較高剪切力和螺桿定向流動的作用,當被擠壓經(jīng)過模具出口時,蛋白質(zhì)分子成為類似纖維狀的結(jié)構。植物蛋白經(jīng)組織化后,改善了口感和彈性,擴大了使用范圍,提高了營養(yǎng)價值與動物蛋白相比,具有價格低,不含膽固醇,保質(zhì)期長,易著色、易增香添味,可制成多種不同的食品�？商砑佑谌馐吃�料中,作為肉類填充料,或者代替肉、魚、禽類制成仿肉類食品。美國已將這類肉類補充品加入到漢堡牛排、肉糕、三明治中,在漢堡牛排中替代肉類的加入量高達30 %^[13 ] 。

5.6 擠壓膨化技術在開發(fā)保健混合粉中的應用

黑米、薏米、蕎麥粉為原料,這幾種物料都具有較高的營養(yǎng)價值和保健功能,但由于其質(zhì)地堅硬,正常的蒸煮難以糊化,不易被消化吸收,因此,必須經(jīng)過特殊工藝處理,擠壓膨化技術是理想方法。此外,由于每種原料的各種營養(yǎng)成分分布是不均勻的,往往滿足不了人們對各種營養(yǎng)物質(zhì)的需要。郝彥玲等人將這幾種原料配合后進行膨化制成具有保健功能的混合粉，并得到了最佳的工藝參數(shù)雙螺桿擠壓機對混合物料(黑米∶薏米∶蕎麥粉= 60 %∶15 %∶25 %) 膨化的最佳工藝參數(shù)為:水分含量16 % ,螺桿轉(zhuǎn)速100 r/ min ,擠壓溫度170℃,糊化度可達90. 6 %^[14]。此混合粉是預糊化淀粉,可直接食用或作為輔料應用于食品工業(yè),如主食品饅頭、餃子、面包等。

5.7 擠壓膨化技術在生產(chǎn)醬油中的應用

一般的醬油釀造用脫脂加工大豆,經(jīng)過蒸煮蛋白質(zhì)變性,在蒸煮過程中由于鍋爐蒸汽負荷變動,加之原料顆粒厚薄不勻,雖保持一定溫度蒸煮,但蒸煮過的脫脂加工大豆各粒子的氮變性程度不同,實際上是變性適度,過度和不足的蛋白混合物,因而制成醬油氮利用率低,醬油有氮性混濁。東北農(nóng)大徐沖等人將擠壓膨化技術應用于醬油生產(chǎn)中對部分醬油原料經(jīng)膨化處理,使原料中蛋白質(zhì)成為彈性良好的海綿狀組織,有利于細菌菌絲向原料內(nèi)部生長,故曲中蛋白酶和淀粉酶含量比常規(guī)法高,能大幅度地提高原料的全氮利用率^[15]。其優(yōu)點是無需將全部原料制成曲,從而簡化了制曲工藝,不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量,更主要的是節(jié)約了釀造用糧。

5.8 在其它方面的應用

擠壓膨化技術除廣泛應用于食品加工、釀造、油脂浸出、保健品等領域外,在飼料、醫(yī)藥、建筑等行業(yè)的應用也有報道^[16]。用膨化粉粉末直接做壓片的輔料,具有填充劑、粘合劑、崩解劑的性質(zhì)。膨化粉可壓性良好,為沸騰法一次制粒提供了新的原料。膨化粉生產(chǎn)成本低,生產(chǎn)周期短,有利于大規(guī)模生產(chǎn),可代替淀粉制藥。另外,利用擠壓膨化機作反應器對淀粉進行深加工, 制備磷酸酯淀粉、羧甲基淀粉,作為建筑業(yè)墻體粉刷的粘合劑。隨著對擠壓膨化機理研究的不斷深入,為擠壓膨化技術在眾多領域中的廣泛應用提供了理論依據(jù)。擠壓膨化技術是一種節(jié)能、保鮮、提高原料利用率及生產(chǎn)效率的新型加工技術,在許多領域已經(jīng)取得顯著的經(jīng)濟效益,具有廣闊的應用前景。

6 擠壓膨化技術的發(fā)展前景

食品加工的一個目的是充分利用現(xiàn)有的食品資源和開拓新的原料來源來開發(fā)各種各樣受人們歡迎的食品。膨化技術的出現(xiàn)可以說為谷物類、淀粉類等這些我們稱之為粗糧類的原料在食品工業(yè)中的應用開辟了一條嶄新的途徑。而且，膨化食品一般都需經(jīng)調(diào)味處理，因此膨化食品加工業(yè)的發(fā)展必將帶動調(diào)味料工業(yè)的發(fā)展，與此同時也帶動薄膜等包裝技術的發(fā)展。另外隨著食品工業(yè)的發(fā)展，新技術和新工藝的出現(xiàn)以及人們生活水平的提高，擠壓膨化技術及其設備也正朝著更好的方向發(fā)展，生產(chǎn)更受人們歡迎的低油、保健和天然食品。如低溫、超低溫膨化技術、化學膨化技術、超聲膨化技術都有可能在不久的將來應用于實踐；而微波膨化技術、烘焙膨化技術作為新型膨化技術已經(jīng)引起人們的重視并逐步在生產(chǎn)中得到應用。據(jù)報道，以淀粉為主要原料，配以9%的玉米分離蛋白、1.5%的棕櫚油，在含水量50% 的條件下，用500W、2450MHz微波輻射兩分鐘可獲得良好的原料膨化食品^[17]。真空油炸膨化技術對于改善食品的品質(zhì)、降低油脂的劣化程度有很大的意義。若在真空度20mmHg、有溫100℃下進行油炸，這時在60℃下便產(chǎn)生水蒸氣；若油炸時采用80～120℃，則原料中的水分可充分蒸發(fā)，水蒸發(fā)時使體積顯著膨脹^[18]。采用真空油炸的制得的產(chǎn)品除有顯著的膨化效果外，油炸時間有也相對縮短。

總之，隨著人們生活水平的提高，利用擠壓膨化技術生產(chǎn)膨化食品以及擠壓膨化技術在其他領域的應用在我國具有十分廣闊的前景。擠壓膨化技術、微波膨化技術、烘焙膨化技術等都將是膨化技術的發(fā)展方向；真空油炸膨化技術則是保持油炸膨化技術生命力的一種有效的改良方法。進行膨化理論和技術的研究，開拓新的原料來源、開發(fā)新型擠壓膨化設備、擠壓膨化技術和其他食品加工技術的有機結(jié)合將是膨化技術發(fā)展的重點和熱點。

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