第三章 食品膨化与挤压技术 第一节 膨化与挤压技术的原理及特点 膨化技术作为一种新型食品生产技术，正逐步在食品工业中，特 别是在休闲膨化小食品的生产中得到广泛的应用。作为一种休闲食品 ，膨化食品深受消费者尤其是青少年的喜爱和欢迎。在自诩为小吃食 品王国的美国，各种休闲食品的年销售额高达50亿美元，其中30%为 马铃薯片。可以肯定，膨化食品的生产具有十分广阔的前途和发展前 景。 膨化技术在我国有着悠久的历史，我国民间的爆米花及各种油炸 食品都属于膨化食品，但应用现代膨化技术生产膨化食品的时间并不 长。由于生产厂家对膨化食品的研究开发工作不够重视，造成风味单 调、品种较少，远不能满足生活水平日益提高的人们的需求。因此， 大力发展膨化技术并加快它在食品生产中的应用步伐，从而促进我国 食品工业的发展是目前食品科学工作者需着重考虑的一个课题。食品膨化就是将大米、玉米、麦类、豆类和薯类 等原料，送入一种专门设计的可连续作业的机械内， 进行高温高压处理后，在常温常压下使其体积膨胀若 干倍，内部组织呈疏松多孔的海绵状的操作过程。经膨化加工后制得的成品称为膨化食品。膨化后 的谷物提高了利用价值，如大豆粕经膨化处理后酿造 酱油，其蛋白质的利用率可从65%提高到90%；玉米 膨化后再经过适当的处理可制成数十种美味的小食品 ，这对粮食的深加工极为有益。 1 定义1900年左右出现间歇柱塞式通心粉挤压机l1930年前后将单螺杆挤压机应用到面条的连续压制上 l30年代后期General Mills Inc.首次将挤压技术用于谷物方便食品l1936年，膨化玉米果首次挤压成功，到1946年才开始商品化l40年代后期，蒸煮挤压机有了发展l50年代，挤压蒸煮的家畜饲料得到迅速发展l60年代，用单螺杆挤压机首次进行了工业化膨化速食早餐食物的 生产l70年代，双螺杆挤压机被就应用到食品加工中，用挤压机生产的 组织化植物蛋白人造素肉实现工业化生产l80年代欧共体和日本组织成立相应的专门研究开发机构l90年代后，世界上已有生产各种系列的食品挤压机投放市场2 膨化的食品发展（国外）l食品膨化技术在我国有着悠久的历史，古代就把油炸作为使食品膨化的重要方法之一。 由于种种原因，我国膨化技术发展缓慢。直到20世纪70年代末，才开始膨化技术与膨化食品的研究。 随着生活水平的提高，人们对膨化食品的要求越来越高。l1979年，我国研制成功食品挤压机投放市场 l许多院校和研究所开始食品挤压技术与挤压设备的研究l1986年，发表了“谷物膨化技术的研究与应用”的论文 l1992年，江苏工学院(现江苏理工大学)孙一源等以法国BC45双螺杆食品挤压机为原形，利用相似理论研制了满足实验要求的小型食品挤压机l无锡轻工业学院（现无锡轻工大学）就玉米等食品原料在挤压加工过程中各种因素对淀粉、蛋白质等质构变化的影响，对食品风味变化的影响做了深入研究l1996年，北京化工大学朱复华、林炳鉴等人自行设计制造了可视双螺杆挤压机 2 膨化食品的发展（国内）l按原料未加工颗粒、半加工颗粒及经过加工制成的粉状物l按食用品位主食膨化食品、副食膨化食品、膨化小食品、强化膨化食品等l按膨化方式挤压膨化食品、气流膨化食品、油炸膨化食品、焙烤膨化食品、 微波膨化食品l按生产工艺流程 直接膨化和间接膨化3 膨化食品的分类 l不易回生，便于长期贮存l营养损失少，有利于人体消化吸收l产品口感好l风味好，食用方便l产品卫生水平高，保存性能好 4 膨化食品的特点 l玉米l大米l淀粉l大豆l油脂l食品添加剂 5 常用原料及配料 l6.1 食品膨化原理：把物料置于膨化器以后，随着加温、加压的进行，物料中 的水分呈过热状态，物料本身变得柔软，当到达一定高压而启开 膨化器盖时，高压迅速变成常压，这时物料内呈过热状态的水分 便一下子在瞬间汽化而发生强烈爆炸，水分子可膨胀约2 000倍 ，巨大的膨胀压力不仅破坏了物料的外部形态，而且也拉断了物 料内在的分子结构，将不溶性长链淀粉切短成水溶性短链淀粉、 糊精和糖。6 膨化食品加工原理 l6.2 挤压膨化原理：物料处于38Mpa的高压和200左右的高混状态，如此 高的压力超过了挤压温度下的饱和蒸汽压，所以在挤出机套筒内 水分不会沸腾蒸发，在如此的高温下物料呈现熔融状态。一旦物料有模具口挤出，压力骤然降为常压，水分便发生急 剧的蒸发，产生了类似于“爆炸”的情况，产品随之膨胀，水分从 物料中失散，带走了大量热量，使物料在瞬间从挤压状态时的高 温迅速降至80左右，从而使物料固化成型，并保持膨胀后的形 状。 6 膨化食品加工原理 图 1 一种挤压膨化食品的 温度、时间变化曲线l6.3 挤压组织化挤压组织化主要指植物蛋白的挤压组织化。植物蛋白经组织 化后，可产生类似于肌肉的结构和纤维的特征，改善了口感，扩 大了它的使用范围，提高了营养价值。原理：在挤压机内，由于所受的剪切和磨擦力的作用，使维持蛋 白质三级结构的氢键、范德华力、离子键、双硫键被破坏，形成 了相对呈线性的蛋白质分子链。分子链在一定的温度和一定的水 分含量下，变得更为自由，从而更容易发生定向的再结合。也就 是说，热变性和剪切促使蛋白质结构成为类似纤维状的结构。随 着剪切的不断进行，呈线性的蛋白质链不断增多，相邻的蛋白质 分子链之间由于分子间的相互吸引而趋于结合，当物料被挤压经 过模珍时，较高的剪切力和定向流动的作用更加促使蛋白质分子 的线状化、纤维化和直线排列。6 膨化食品加工原理 l6.4 高温膨化技术原理：高温膨化食品的生产原料以面粉、玉米淀粉和薯类淀粉为 主。当食品原料经蒸汽蒸煮时，其中的淀粉发生糊化即化，此 时淀粉分子间氢键断开，水分进入淀粉微晶间隙，由于高温蒸汽 和高速搅拌作用，淀粉快速大量地不可逆吸收水分。再经冷却处 理，淀粉又发生老化即化，淀粉颗粒高度晶格化，包裹住在糊 化时吸收的水分。在高温处理（油炸或砂炒）时，淀粉微晶粒中 水分急剧汽化喷出，促使形成孔隙疏松结构以达到膨化。 高温膨化技术一般还借助膨松剂以促进食品的膨化。在加热 干燥阶段，部分膨松剂分解，在半成品中形成极细微的孔状疏松 结构。膨化阶段，高温使半成品中的水分急速蒸发，并且在剩余 膨松剂受热分解的协同作用下使产品达到充分膨松的结构。6 膨化食品加工原理 l6.5 气流膨化原理：与挤压膨化基本一致，即谷物原料在瞬间由高温、高压突 然降到常温、常压、原料水分突然汽化，发生闪蒸、产生类似“爆 炸”的现象。6 膨化食品加工原理 项目挤压 膨化气流膨化 原料粒状、粉状原料均可，脂肪与水 分含量高时，挤压 加工及产 品的膨化率会受到影响，一般 不适合高脂肪原料加工主要为粒状原料，水分和脂 肪含量高时，仍可进行 加工生产加工过程中的剪 切力和磨擦力有无加工过程中的混 炼均质效果有无热能来源外部加热和磨擦生热外部加热 压力的形成主要是螺杆与套筒间结 构变化气体膨胀，水分汽化所致产品外形可以是各种形状球形使用范围广窄 产品风味及质构调整范围大调整范围小 膨化压力大小表1 挤压膨化与气流膨化的主要区别 第二节 膨化与挤压技术的工艺及设备 l1.1 分类按原料：谷物膨化和组织蛋白膨化按热源：自热式和外热式按加热方式：固体燃料、气体燃料、过热蒸汽、机械摩擦、电按施加压力的方式：机械加热和气压喷爆按设备的生产方式：间歇式和连续式按膨化后形态：爆花型和挤压型1 常用膨化设备 l1.2 挤压型膨化设备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，使得淀粉粒解体，同时机腔内 温度压力升高(温度可达 150200，压力可达到1MPa以上)， 然后从一定形状的模孔瞬间挤出，由高温高压突然降至常温常压 ，其中游离水分在此压差下急剧汽化，水的体积可膨胀大约2000 倍。膨化的瞬间，谷物结构发生了变化，它使生淀粉(-淀粉)转 化成熟淀粉(-淀粉)，同时变成片层状疏松的海绵体，谷物体积 膨大几倍到十几倍。 1 常用膨化设备 l1.2.1 挤压型膨化过程1）是一个高温高压的过程；2）可较方便地调节挤压过程的压力剪切力，作用和时 间；3）可将挤压过程应用于某些需高温高压的生化反映过 程；大多数的食品挤压机是将加热、蒸煮与挤压成型 两种作用有机地结合起来，使原料经挤压机后，成为 具有一定形状和质构的熟化或半熟化的产品。1 常用膨化设备 l挤压过程可分为三阶段：l 当疏松的食品原料从加料斗进入机筒内时，随着螺 杆的转动，沿着螺槽方向向前输送，称为加料输送段 。 l由于受到机头的阻力作用，固体物料逐渐压实，又由 于物料受到来自机筒的外部加热以及物料在螺杆与机 筒的强烈搅拌、混合、剪切等作用，温度升高、开始 熔融，直至全部熔融，称为压缩熔融段。 l由于螺槽逐渐变浅，继续升温升压，食品物料得到蒸 煮，出现淀粉糊化，脂肪、蛋白质变性等一系列复杂 的生化反应，组织进一步均化，最后定量、定压地由 机头通道均匀挤出，称为计量均化段。 1 常用膨化设备 1 常用膨化设备 图2 挤压加工过程示意图 1、加料输送段 2、压缩熔融段 3、计量均化段 l1.2.2 挤压型膨化设备分类1）按照挤压过程剪切力2）按照挤压机受热方式3）按照螺杆根数4）按照物料水分5）其他类型1 常用膨化设备 （1）高剪切力挤压机：1）挤压过程中能够产生较高剪切力的挤压机;2）螺杆上常带有反向螺杆;3）作业性较好，可方便地生产出多种挤压产品。 4）常具有较高转速和较高挤压温度。5）适于简单形状产品的生产。 （2）低剪切力挤压机：1）生产过程中的剪切力较低；2）主要作用在于混合、蒸煮、成型；3）适合于湿软的动物，鱼类饲料或高水分产品的生产；4）适合于形状复杂的产品；5）适合低剪切力挤压机加工的物料。（一）按挤压过程剪切力的高低分类 （1）自然式挤压机：1）挤压中的热量来自物料与螺杆，物料与机筒间的摩擦；2）挤压温度受生产能力，水分含量。物料粘度，环境温度，螺 杆转速等多方面因素的影响，故温度不易控制，偏差较大；3）设备一般只有较高转速，转速可达500800r/min；4）可用于小吃食品的生产，产品质量不易稳定，操作灵活性小 ，控制困难； （2）外热式挤压机：1）靠外部加热的方式提高挤压机筒和物料的温度；2） 加热方式有蒸汽加热，电 加热，电热丝加热，油加热等方 式；3）还有等温式挤压机和变温式挤压机； （3）自然式挤压机一般是高剪切力挤压机，外热式则既可是 高剪切力的，也可是低剪切力的。 （二）按挤压机的受热方式进行分类 l单螺杆挤压机：借螺杆和机筒对物料的摩擦来 输送物料l双螺杆挤压机：两对相互连续啮合的反向或同 向旋转的螺杆靠正位移原理强制输送物料，使 物料在机内分布均匀l多螺杆挤压机 （三）按螺杆的根数分类 （1）普通挤压机（2）高速挤压机（3）超高速挤压机（四）按螺杆转速进行分类 l螺杆挤压原理：1）螺杆上的螺旋推挤可塑性物料向前运动；2）物料在出口模具的背后受阻形成压力；3）螺杆的旋转和摩擦生热及外部加热，使物 料在机筒内受到高温高压剪切力的作用，最后 从摸孔中挤出。l单螺杆挤压机 图中所示为典型的单螺杆挤压机主要元 件工作原理图。单螺杆挤压机由圆筒形腔体和在其中 旋转的螺杆组成。为了实现不同的使用目的，螺杆和 腔体都可以设计成为逐渐变细的形状；然而，大多数 单螺杆挤压机的几何形状为圆柱形。物料的流动是在 螺杆和腔体之间的通道中沿着腔体的轴向作螺旋运动 。 l双螺杆挤压机 图中所示为双螺杆挤压机工作 原理图，与单螺杆挤压机相比它显得略微复杂 了一些，双螺杆挤压机的设计具有更多的可选 择性。改变螺杆的类型和设计可使各种操作在 同一个挤压机腔体内进行。 l淀粉l蛋白质l脂肪l甜味剂l调味料l色素l维生素和矿物质2 挤压过程中物质成分的变化2.1 淀粉质在挤压中的变化 l挤压食品中的主要成分是淀粉，原料中淀粉含量的高 低以及淀粉在挤压过程中的变化，与产品的质量有十 分密切的关系。 l淀粉挤压时的变化参数l糊化度:糊化之后的淀粉与总淀粉含量之比