食品擠壓膨化技術(shù)

1、一、 擠壓技術(shù) 擠壓膨化：把物料置于膨化器以后，隨著加溫、加壓的進(jìn)行，物料中的水分呈過熱狀態(tài)，物料本身變得柔軟，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定高壓而啟開膨化器蓋時(shí)，高壓迅速變成常壓，這時(shí)物料內(nèi)呈過熱狀態(tài)的水分便一下子在瞬間汽化而發(fā)生強(qiáng)烈爆炸，水分子可膨脹約2 000倍，巨大的膨脹壓力不僅破壞了物料的外部形態(tài)，而且也拉斷了物料內(nèi)在的分子結(jié)構(gòu)，將不溶性長鏈淀粉切短成水溶性短鏈淀粉、糊精和糖。,擠壓膨化技術(shù),擠壓組織化：在擠壓機(jī)內(nèi)，由于所受的剪切和磨擦力的作用，使維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的氫鍵、范德華力、離子鍵、雙硫鍵被破壞，形成了相對呈線性的蛋白質(zhì)分子鏈。分子鏈在一定的溫度和一定的水分含量下，變得更為自由，從而更容易發(fā)生定

2、向的再結(jié)合。也就是說，熱變性和剪切促使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)成為類似纖維狀的結(jié)構(gòu)。隨著剪切的不斷進(jìn)行，呈線性的蛋白質(zhì)鏈不斷增多，相鄰的蛋白質(zhì)分子鏈之間由于分子間的相互吸引而趨于結(jié)合，當(dāng)物料被擠壓經(jīng)過模珍時(shí)，較高的剪切力和定向流動(dòng)的作用更加促使蛋白質(zhì)分子的線狀化、纖維化和直線排列。,1.1 分類 按原料：谷物膨化和組織蛋白膨化 按熱源：自熱式和外熱式 按加熱方式：固體燃料、氣體燃料、過熱蒸汽、機(jī)械摩擦、電 按施加壓力的方式：機(jī)械加熱和氣壓噴爆 按設(shè)備的生產(chǎn)方式：間歇式和連續(xù)式 按膨化后形態(tài)：爆花型和擠壓型,二、常用擠壓膨化設(shè)備,1.2 擠壓型膨化設(shè)備 借助擠壓機(jī)螺桿的推動(dòng)力，將物料向前擠壓，物料受到混合、攪

3、拌和摩擦以及高剪切力作用，使得淀粉粒解體，同時(shí)機(jī)腔內(nèi)溫度壓力升高(溫度可達(dá) 150200，壓力可達(dá)到1MPa以上)，然后從一定形狀的?？姿查g擠出，由高溫高壓突然降至常溫常壓，其中游離水分在此壓差下急劇汽化，水的體積可膨脹大約2000倍。膨化的瞬間，谷物結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，它使生淀粉(-淀粉)轉(zhuǎn)化成熟淀粉(-淀粉)，同時(shí)變成片層狀疏松的海綿體，谷物體積膨大幾倍到十幾倍。,1.2.1 擠壓型膨化過程 1）是一個(gè)高溫高壓的過程； 2）可較方便地調(diào)節(jié)擠壓過程的壓力剪切力，作用和時(shí)間； 3）可將擠壓過程應(yīng)用于某些需高溫高壓的生化反映過程； 大多數(shù)的食品擠壓機(jī)是將加熱、蒸煮與擠壓成型兩種作用有機(jī)地結(jié)合起來，使

4、原料經(jīng)擠壓機(jī)后，成為具有一定形狀和質(zhì)構(gòu)的熟化或半熟化的產(chǎn)品。,擠壓過程可分為三階段： 當(dāng)疏松的食品原料從加料斗進(jìn)入機(jī)筒內(nèi)時(shí)，隨著螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，沿著螺槽方向向前輸送，稱為加料輸送段。 由于受到機(jī)頭的阻力作用，固體物料逐漸壓實(shí)，又由于物料受到來自機(jī)筒的外部加熱以及物料在螺桿與機(jī)筒的強(qiáng)烈攪拌、混合、剪切等作用，溫度升高、開始熔融，直至全部熔融，稱為壓縮熔融段。 由于螺槽逐漸變淺，繼續(xù)升溫升壓，食品物料得到蒸煮，出現(xiàn)淀粉糊化，脂肪、蛋白質(zhì)變性等一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)，組織進(jìn)一步均化，最后定量、定壓地由機(jī)頭通道均勻擠出，稱為計(jì)量均化段。,圖2 擠壓加工過程示意圖 1、加料輸送段 2、壓縮熔融段 3、計(jì)量均化

5、段,一種擠壓膨化食品的 溫度、時(shí)間變化曲線,1.2.2 擠壓型膨化設(shè)備分類 1）按照擠壓過程剪切力 2）按照擠壓機(jī)受熱方式 3）按照螺桿根數(shù) 4）按照物料水分 5）其他類型,（1）高剪切力擠壓機(jī)： 1）擠壓過程中能夠產(chǎn)生較高剪切力的擠壓機(jī); 2）螺桿上常帶有反向螺桿; 3）作業(yè)性較好，可方便地生產(chǎn)出多種擠壓產(chǎn)品。 4）常具有較高轉(zhuǎn)速和較高擠壓溫度。 5）適于簡單形狀產(chǎn)品的生產(chǎn)。 （2）低剪切力擠壓機(jī)： 1）生產(chǎn)過程中的剪切力較低； 2）主要作用在于混合、蒸煮、成型； 3）適合于濕軟的動(dòng)物，魚類飼料或高水分產(chǎn)品的生產(chǎn)； 4）適合于形狀復(fù)雜的產(chǎn)品； 5）適合低剪切力擠壓機(jī)加工的物料。,（一）按擠壓

6、過程剪切力的高低分類,（1）自然式擠壓機(jī)： 1）擠壓中的熱量來自物料與螺桿，物料與機(jī)筒間的摩擦； 2）擠壓溫度受生產(chǎn)能力，水分含量。物料粘度，環(huán)境溫度，螺 桿轉(zhuǎn)速等多方面因素的影響，故溫度不易控制，偏差較大； 3）設(shè)備一般只有較高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速可達(dá)500800r/min； 4）可用于小吃食品的生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定，操作靈活性小，控制困難； （2）外熱式擠壓機(jī)： 1）靠外部加熱的方式提高擠壓機(jī)筒和物料的溫度； 2） 加熱方式有蒸汽加熱，電 加熱，電熱絲加熱，油加熱等方式； 3）還有等溫式擠壓機(jī)和變溫式擠壓機(jī)； （3）自然式擠壓機(jī)一般是高剪切力擠壓機(jī)，外熱式則既可是高剪切力的，也可是低剪切力的。,（

7、二）按擠壓機(jī)的受熱方式進(jìn)行分類,單螺桿擠壓機(jī)：借螺桿和機(jī)筒對物料的摩擦來輸送物料 雙螺桿擠壓機(jī)：兩對相互連續(xù)嚙合的反向或同向旋轉(zhuǎn)的螺桿靠正位移原理強(qiáng)制輸送物料，使物料在機(jī)內(nèi)分布均勻 多螺桿擠壓機(jī),（三）按螺桿的根數(shù)分類,（1）普通擠壓機(jī) （2）高速擠壓機(jī) （3）超高速擠壓機(jī),（四）按螺桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行分類,1.螺桿擠壓原理： 1）螺桿上的螺旋推擠可塑性物料向前運(yùn)動(dòng)； 2）物料在出口模具的背后受阻形成壓力； 3）螺桿的旋轉(zhuǎn)和摩擦生熱及外部加熱，使物料在機(jī)筒內(nèi)受到高溫高壓剪切力的作用，最后從摸孔中擠出。,2.單螺桿擠壓機(jī) 圖中所示為典型的單螺桿擠壓機(jī)主要元件工作原理圖。單螺桿擠壓機(jī)由圓筒形腔體和在其中旋

8、轉(zhuǎn)的螺桿組成。為了實(shí)現(xiàn)不同的使用目的，螺桿和腔體都可以設(shè)計(jì)成為逐漸變細(xì)的形狀；然而，大多數(shù)單螺桿擠壓機(jī)的幾何形狀為圓柱形。物料的流動(dòng)是在螺桿和腔體之間的通道中沿著腔體的軸向作螺旋運(yùn)動(dòng)。,為了使物料在機(jī)筒內(nèi)承受逐漸增大的壓縮力，常將螺桿與機(jī)筒配合為如下三種型式 ：,結(jié)構(gòu)簡單，制造方便、這種配合方式，應(yīng)用較為廣泛。,機(jī)筒呈圓錐形，因此機(jī)筒制造困難，因此很少采用。,螺桿制造較為方便，在單螺桿食品膨化機(jī)上應(yīng)用也較多。,3.雙螺桿擠壓機(jī) 圖中所示為雙螺桿擠壓機(jī)工作原理圖，與單螺桿擠壓機(jī)相比它顯得略微復(fù)雜了一些，雙螺桿擠壓機(jī)的設(shè)計(jì)具有更多的可選擇性。改變螺桿的類型和設(shè)計(jì)可使各種操作在同一個(gè)擠壓機(jī)腔體內(nèi)進(jìn)行

9、。,雙螺桿食品膨化機(jī)是由料斗、機(jī)筒、兩根螺桿、預(yù)熱器、壓模、傳動(dòng)裝置等部分組成。其主要工作部件是機(jī)筒和一對相互嚙合的螺桿。 兩根螺桿的嚙合型式，可以分為非嚙合型、部分嚙合型和全嚙合型。,SPJ-40雙螺桿擠壓機(jī)（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)）,螺桿構(gòu)造,可調(diào)整的 螺旋組合,混合螺旋,揉搓剪切螺旋,雙軸聯(lián)軸器 端螺旋,3.完整的擠壓食品加工過程,原料粉碎,混 合,預(yù) 處 理,輸 送,喂 料,壓 縮,粉碎,混合,加 熱,熔 融,升 壓,切 斷,擠出,烘干(冷卻),調(diào) 味,成品包裝,擠壓生產(chǎn)過程實(shí)際上是連續(xù)漸變的 螺桿長徑比L / D小的螺桿擠壓機(jī)各段的區(qū)別不明顯 尤其是加熱、熔融、升壓幾乎就在螺桿頂端與模頭之

10、間的很窄的一個(gè)區(qū)域同時(shí)完成 正是由于這么多工序都在一臺擠壓機(jī)內(nèi)完成，所以，擠壓加工具有占地面積小、用時(shí)短等許多優(yōu)點(diǎn),幾點(diǎn)說明,淀粉 蛋白質(zhì) 脂肪 甜味劑 調(diào)味料 色素 維生素和礦物質(zhì),三、擠壓過程中物質(zhì)成分的變化,3.1 淀粉在擠壓中的變化淀粉的糊化、糊精化和降解作用,淀粉在一定的水分含量和一定的溫度下，其顆粒會溶脹分裂，內(nèi)部有序態(tài)的分子之間的氫鍵斷裂，分散成無序狀態(tài)，這個(gè)作用稱為糊化作用。糊化之后的淀粉也稱淀粉。淀粉糊化后，吸水性增大，易受酶的作用，進(jìn)入人體后易消化，產(chǎn)品質(zhì)地柔軟。淀粉的糊化主要受溫度和水分的影響，不同食用淀粉的糊化溫度略有差別，其變化范圍在5585之間。 淀粉在擠壓過程中的

11、糊化是一個(gè)低水分狀態(tài)下的糊化過程。在此過程中，淀粉的糊化程度與螺桿的轉(zhuǎn)速(影響到剪切力和擠出時(shí)間)、溫度和水分含量有十分密切的關(guān)系。,3.2 蛋白質(zhì)在擠壓中的變化,植物蛋白質(zhì)的組織化已有很長的研究歷史，它在食品加工業(yè)中得到了較快的發(fā)展。植物蛋白經(jīng)組織化后，可產(chǎn)生類似于肌肉的結(jié)構(gòu)和纖維的特征，改善了口感、擴(kuò)大了它的使用范圍、提高了營養(yǎng)價(jià)值。 組織化產(chǎn)品是將原料經(jīng)處理后，使蛋白質(zhì)的原始結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在外加條件作用下，產(chǎn)生分子間的重組，形成一種類似于肉類組織結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。,（1)擠壓時(shí)水分、溫度對蛋白質(zhì)的影響,蛋白質(zhì)在水分含量較高時(shí)加熱，會發(fā)生變性，產(chǎn)生絮狀沉淀或形成凝膠結(jié)構(gòu)。 擠壓的過程是高溫、低水

12、分的加工過程，過程中物料呈熔融狀態(tài)，并經(jīng)歷了均質(zhì)化的作用。 在高溫、高壓、高剪切力的作用下，改變原有的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)物料被擠壓經(jīng)過模具時(shí)，絕大多數(shù)蛋白質(zhì)分子沿物料流動(dòng)方向成為線性結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生分子間重排。,2)擠壓過程中氨基酸含量的變化,擠壓過程中，原料糖含量在一定程度上影響氨基酸含量的下降。糖含量相同的情況下，氨基酸損失隨溫度升高而增大，而水分含量的提高則有利于氨基酸的保留。糖對氨基酸含量變化的影響主要來自美拉德反應(yīng)。 蛋白質(zhì)在擠壓過程中所產(chǎn)生的部分降解使游離氨基酸的含量升高。,3.3 擠壓過程中的脂肪變化,在相同條件下，擠壓食品與其他類型的食品相比往往具有較長的貨架期。 原因： 原料一般經(jīng)過

13、擠壓加工之后，淀粉糊化，蛋白質(zhì)變性，生長抑制因子破壞，脂肪氧化酶和脂肪水解酶也破壞。 擠壓過程是一個(gè)高溫高壓的過程，對產(chǎn)品起到了很好的殺菌作用。 擠壓產(chǎn)品的水分含量一般較低， 由于脂肪在擠壓過程中能夠與淀粉和蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，而這些復(fù)合物又能降低擠壓產(chǎn)品在保存時(shí)的氧化現(xiàn)象。,3.4 擠壓過程中的甜味劑,甜味劑的加入方式： 將甜味劑混合在原料里，經(jīng)擠壓后，甜味劑會更均勻地分布于產(chǎn)品中。這樣得到的產(chǎn)品風(fēng)味柔合。 將甜味劑均勻噴撒于擠出產(chǎn)品的表面。用這種方式得到的產(chǎn)品，往往入口較甜，但過后觸及內(nèi)部無味，產(chǎn)品口感不均一。 一般生產(chǎn)時(shí)，糖要先經(jīng)粉碎，制成糖粉，或制成晶粒很細(xì)的糖。 許多廠家生產(chǎn)采用兩種方

14、式相結(jié)合，一部分甜味劑混在原料中，一部分噴撤于產(chǎn)品表面。 常用的甜味劑:蔗糖（最常用）、葡萄糖、麥芽糖、淀粉糖漿、果葡糖漿、甜菊苷、糖精、蛋白糖,3.5 擠壓過程中的調(diào)味料,對所添加調(diào)味料的要求 必須與天然產(chǎn)品的香氣和風(fēng)味盡可能一致或相似 對擠壓產(chǎn)品的口感和組織狀態(tài)不應(yīng)產(chǎn)生影響 調(diào)味料最好是能均勻地分散于產(chǎn)品中，至少應(yīng)做到均勻分布于產(chǎn)品表面 普通調(diào)味料：巧克力、咖啡 、香草 、干酪 、肉味調(diào)味劑 、海鮮調(diào)味劑 濃縮調(diào)味料：單離香料 、調(diào)合香料,3.6 擠壓過程中的色素,添加色素作用：能夠增加食品的視覺吸引力，提高其商品價(jià)值 食用色素分類： 天然色素：胡蘿卜素、姜黃素和紅曲色素等。 合成色素,3

15、.7 擠壓過程中的維生素和礦物質(zhì),特點(diǎn)： 1)大多數(shù)維生素受熱不穩(wěn)定，它在加工過程中的損失不可避免。擠壓過程雖然溫度較高，但擠壓是一高溫短時(shí)(HTST)過程。物料的受熱 強(qiáng)度不太大，故維生素?fù)p失也不太嚴(yán)重。 2)物料在腔內(nèi)與空氣接觸少，維生素A、維生素C等易發(fā)生氧化的維生素也不會因氧化而產(chǎn)生過多的損失。,3)對于谷物原料中的B族維生素：維生素B1，受熱時(shí)不太穩(wěn)定，pH值高時(shí)，其穩(wěn)定性更差。維生素B2的熱穩(wěn)性相對較好，煙酸的熱穩(wěn)定 性也較好。 4 )擠壓過程中，維生素A和維生素C的變化較大。 5 )擠壓食品中也經(jīng)常強(qiáng)化一些微量元素，如鐵、鈣、碘、鎂、鋅等。 通常使用的相應(yīng)添加劑有硫酸亞鐵、硫酸鋅

16、、碳酸鈣、三磷酸鈣、 碘鹽等，它們在擠壓過程中一般不發(fā)生變化。,影響擠壓產(chǎn)品特性的參數(shù)分為兩大類：原料的性質(zhì)和擠壓操作參數(shù)。,4 影響擠壓操作的因素,(1)水分含量 原料中水分含量主要影響擠壓物料通過擠壓機(jī)時(shí)的黏度。擠壓物料的黏度對擠壓機(jī)的操作有重要影響。低水分含量通常會帶來物料的高黏度，而高黏度會造成在給定的擠壓操作條件下生產(chǎn)能力的下降、壓降的增加及功率消耗的降低。 (2)擠壓物料的類型 以玉米為原料的擠壓物料與在相同的擠壓條件下用同一擠壓機(jī)和以米粉或小麥為原料的擠壓物料是十分不同的。原料的類型和原料的性質(zhì)，主要是蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪以及水分的含量對被擠壓物料的性質(zhì)起到十分重要的作用。除了不同

17、谷物原料之間的黏度差別影響外，成分不同所引起的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會造成產(chǎn)品特性的很大差別 (3)原料的pH 在擠壓過程中調(diào)節(jié)被擠壓物的pH可以影響蛋白質(zhì)展開的狀態(tài)，從而影響到最終產(chǎn)品的物理特性。在脫脂大豆粉的擠壓過程中，當(dāng)原料的pH為7時(shí)，擠出物的抗張強(qiáng)度最適合。pH的升高和降低都會造成擠出物抗張強(qiáng)度的下降。,4.1 影響重要的原料性質(zhì)包括,(4)原料粒子的大小 送入擠壓機(jī)中的原料可以是很小的片狀或很大的塊狀，其形式可以多種多樣。這些顆粒原料的性質(zhì)和大小對擠壓機(jī)的操作和最終產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的影響。對于淀粉質(zhì)原料，通?？梢允欠蹱?面粉)也可以是粗粉粒狀。由于淀粉必須經(jīng)過蒸煮和物理變化，因此粉粒和擠壓機(jī)之

18、間的相互作用非常重要。小粒子比大粒子更容易水化和蒸煮。因此當(dāng)使用粉狀原料時(shí)，在擠壓機(jī)中從粒狀到流體狀態(tài)的轉(zhuǎn)化速度更快。 (5)其他的成分 像油脂和乳化劑這樣的成分也會添加到被擠壓原料中去，從而對擠壓操作條件和產(chǎn)品的特性產(chǎn)生影響。這兩種成分的添加都可以降低擠壓過程中原料的黏度和減少擠壓過程中由于黏滯性耗散所積累的熱量。,4.2 影響擠壓操作的操作變量包括： (1)擠壓機(jī)的類型 生產(chǎn)擠壓產(chǎn)品時(shí)，單螺桿或雙螺桿擠壓機(jī)的選擇是一個(gè)十分重要的決定。這些擠壓機(jī)所產(chǎn)生的作用力十分不同，就像它們生產(chǎn)的產(chǎn)品一樣很不相同。 (2)喂料速度 在一定的擠壓速度下，喂料量決定了最后一步加工過程中螺桿的填充程度。 (3)螺桿的幾何形狀 當(dāng)物料被擠壓通過擠壓機(jī)時(shí)，螺桿本身的特性決定了施加到物料上作用力大小的程度。在單螺桿擠壓機(jī)中，可被調(diào)節(jié)的參數(shù)包括了螺桿的螺距、螺桿的直徑、螺紋的頂部與腔體之間的間隙、螺桿上螺紋的數(shù)目。對于雙螺桿擠壓機(jī)，可選擇的螺桿的幾何形狀及其形狀范圍是很大的。,(4)擠壓機(jī)的長度 擠壓機(jī)的長度在很大程度上決定了擠壓機(jī)模具處壓力的大小以及物料中反應(yīng)的程度。由于計(jì)量段的增長，較長的擠壓機(jī)會十分典型地產(chǎn)生較高的壓力。長螺桿會使得物料在擠壓機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間延長，這會影響化學(xué)反應(yīng)(如糊化反