擠壓與膨化技術

擠壓與膨化技術食品擠壓加工:將食品物料置于擠壓機的高溫高壓狀態(tài)下，然后突然釋放至常溫常壓，使物料內部結構和性質發(fā)生變化的過程。第一節(jié)概述谷物食品的傳統(tǒng)加工工藝：粉碎→混合→成型→烘烤或油炸→殺菌→干燥等。一、擠壓加工的基本概念食品擠壓加工技術：集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型等為一體的高新技術。二、擠壓加工的發(fā)展歷程

塑料制品的擠壓加工→活塞式或柱塞式灌腸機→單螺桿擠壓蒸煮機（1936年，膨化玉米圈）→雙螺桿擠壓蒸煮機→多螺桿擠壓蒸煮機等

日本在第二次世界大戰(zhàn)期間，就用擠壓方法加工米、麥，作為軍糧。

20世紀40年代末期，擠壓機的應用在食品領域中進一步擴大：

方便食品、小吃食品、斷奶制品、兒童營養(yǎng)米粉等；

美國用擠壓式膨化機生產出小學生課間食品。

應用HTST擠壓機對食物進行有效熱處理、殺菌、鈍化酶活力；擠壓快餐食品迅速發(fā)展起來；擠壓加工技術應用領域由單純生產谷物食品，發(fā)展到生產家畜飼料、魚類飼料、植物組織蛋白等；對擠壓機的結構設計、工藝參數(shù)和擠壓過程機理也進行了研究。

60年代中期，擠壓機進一步發(fā)展完善：

研究各種谷物及蛋白類食物在擠壓過程中發(fā)生的一系列變化，以及擠壓食品的營養(yǎng)與吸收問題。擠壓技術在新領域中的應用又有了擴展，如應用于水產品、仿生制品、調味品、乳品、糖果制品、巧克力制品、方便面等食品的加工。70年代，許多國家紛紛展開擠壓機理的探討：目前，國外擠壓食品已成為單獨一大類方便食品：

有主食類、早點類、兒童食品、各種小食品等方便食品。

。

美國的擠壓膨化食品年產值達到了十幾億美元，暢銷世界各地。

日本在1979年生產的擠壓膨化食品種類有幾百種之多，年產量14.6萬噸。我國：

有悠久歷史——爆米花。從70年代中期開始進行研究，1982年無錫輕工大學從法國Clextral公司引進一臺BC-45雙螺桿擠壓機進行擠壓技術的研究。

擠壓膨化食品朝著高效節(jié)能、產品風味多樣化、美味化方向發(fā)展。近幾年來，我國用擠壓方法生產食品得到了很大的發(fā)展。較為突出的研究包括：江南大學關于擠壓膨化對淀粉、蛋白結構影響的研究；北京化工大學可視雙螺桿擠壓機的成功研制。另外，有研究單位將擠壓膨化應用在細胞破壁方面，研究結果喜人。三、膨化及擠壓食品的基本概念及分類1、膨化食品

定義：膨化食品是指采用膨化工藝制成的體積明顯增大，且具有一定酥脆度的食品。GB17401-1998QB22699-2008對膨化食品的表述是相似的。膨化食品是指以谷物、薯類或豆類、蔬菜等為主要原料,經加濕(調整水分)、焙烤、油炸或擠壓等，制成具有一定膨化度、體積明顯增大,且具有一定酥松度的食品。膨化食品的分類據(jù)GB17401-2003分類

膨化食品按生產工藝的不同分為2類：（1）油炸型膨化食品。原料經過食用油脂煎炸或用調味的植物油噴灑、浸漬和干燥等方式而制成的膨化食品。（2）非油炸型膨化食品。原料經膨化器加溫(調整水分)、擠壓、焙烤和調味(或不調味)而制成的膨化食品。據(jù)QB2353-1998劃分膨化食品可分為4種類型。(1)焙烤型膨化食品。以谷類、薯類或豆類為主要原料,經焙烤、焙炒或微波等加熱方式膨化而成。(2)油炸型膨化食品。以谷類、薯類或豆類等為主要原料,經食用油煎炸膨化而制成。(3)直接擠壓型膨化食品。以谷類、薯類或豆類,經擠壓機擠壓,在高溫、高壓條件等為主要原料下,利用機內外的壓力差,使產品膨化而制成。(4)花色型膨化食品。以焙烤型、油炸型或直接擠壓型膨化食品為坯子,用油脂、醬料或果仁等輔料夾心或涂層而制成。按原料劃分：原料不同的膨化食品可分為4種類形。(1)淀粉類食品,如玉米、大米和小米等。(2)蛋白類食品,如大豆及其制品。(3)淀粉和蛋白類混和的食品,如蝦片和魚片。(4)果蔬類膨化食品。膨化食品的特點1、不易產生“回生”現(xiàn)象，便于長期保存2、營養(yǎng)成分損失少，食物易消化吸收3、產品口感細膩4、風味好，食用方便5、產品衛(wèi)生水平高，保存性能好優(yōu)點：缺點：1、高脂肪、高熱量、高鹽、高糖、多味精，屬“四高一多”食品；2、容易造成飽腹感，影響正常飲食。

在利用膨化工藝進行加工食品時，應盡量避免單一的制造膨化食品，而是要充分利用膨化工藝對食品原料性狀的改善作用。2、擠壓食品概念食品物料在壓力作用下，定向地通過一個模板，連續(xù)成形地制成的熟或半熟、膨化或非膨化食品，稱為“擠壓食品”擠壓食品的特點擠壓食品的加熱、熟化和擠壓成形是在一臺擠壓機內，用很短的時間幾乎是同時完成的食品在被擠出模頭時，由于壓力的突然下降，水蒸汽迅速膨脹和散發(fā)，使產品形成多孔結構擠壓過程中特殊加熱、加壓方式，能對食品產生有利影響，如使食品的可消化性、速食性、滅酶率等趨于最大3、擠壓膨化食品的概念概念利用擠壓作用，一次性完成原料的熟化、破碎、殺菌、預干燥和膨化成型等工藝制成的食品第二節(jié)膨化食品加工的原理食品膨化擠壓膨化擠壓組織化高溫膨化氣流膨化第一節(jié)膨化原理1.擠壓膨化原理

膨化準備階段：擠壓型膨化食品的原料主要是含淀粉較多的谷物粉、薯粉或生淀粉等。這些原料由許多排列緊密的膠束組成,膠束間的間隙很小,在水中加熱后因部分膠束溶解、空隙增大而使體積膨脹。擠壓階段：當物料通過供料裝置進入套筒后,利用螺桿對物料的強制輸送,通過壓延效應及加熱產生的高溫和高壓,使物料在擠壓筒中被擠壓、混合、剪切、混煉、熔融、殺菌和熟化等一系列復雜的連續(xù)處理,膠束即被完全破壞形成單分子,使淀粉糊化,在高溫和高壓下其晶體結構被破壞,此時物料中的水分仍處于液體狀態(tài)。

膨化階段：當物料從壓力罐被擠壓到大氣壓力下后,物料中的超沸點水分因瞬間的蒸發(fā)而產生巨大的膨脹力,物料中的溶膠淀粉體積也瞬間膨化,這樣物料體積也突然被膨化增大，從而形成了疏松的食品結構。返回擠壓組織化原理

含較多蛋白的原料，在擠壓機內，由于所受的剪切和摩擦力的作用，使維持蛋白質的三級結構的氫鍵、范德華力、離子鍵、雙硫鍵遭到破壞，形成了相對線性的蛋白質分子。當物料通過模具時，較高的剪切力和定向流動作用更加促使蛋白質分子的線性化、纖維化和直線排列，通過氫鍵、范德華力及酰胺鍵作用使蛋白質分子重新聚合，從而改變了蛋白質分子微觀結構。返回高溫膨化原理

通過油炸、焙烤、微波等熱加工處理，使水分迅速汽化，形成膨化壓力，從而使物料組織迅速膨脹，并形成具有網狀組織結構特征的多孔狀物質。返回氣流膨化的原理

谷物原料在瞬間由高溫、高壓突然降到常溫、常壓、原料水分突然汽化，發(fā)生閃蒸，產生類似“爆炸”的現(xiàn)象，由于水分的突然汽化、閃蒸，使谷物組織呈現(xiàn)海綿狀結構，體積突然增大幾倍到十幾倍，從而完成膨化的過程。返回典型的食品膨化機由料箱、螺旋送料器、混合調理器、螺桿、蒸汽注入孔（或電加熱器），壓模、切刀、齒輪變速箱和電動機等部分組成。

混合調理器的作用是對物料先進行濕化和預熱。螺桿系統(tǒng)的作用是對物料進行輸送、壓縮、混合、剪切、蒸煮和滅菌等作業(yè)。二、擠壓膨化機械擠壓膨化機械的分類根據(jù)螺桿轉速根據(jù)機筒裝置結構根據(jù)螺桿頭數(shù)普通擠壓機高速擠壓機超高速擠壓機整體式擠壓機可分式擠壓機單螺桿擠壓機雙螺桿擠壓機多螺桿擠壓機分類1．單螺桿食品膨化機為了適應不同的物料，并考慮到便于制造和維修，常將螺桿加工成幾段，按需要加以拼接，相應地機筒也可以加工成幾段。為了使物料在機筒內承受逐漸增大的壓縮力，常將螺桿與機筒配合為如下三種型式：結構簡單，制造方便、這種配合方式，應用較為廣泛。

機筒呈圓錐形，因此機筒制造困難，因此很少采用。

螺桿制造較為方便，在單螺桿食品膨化機上應用也較多。2．雙螺桿食品膨化機

雙螺桿食品膨化機是由料斗、機筒、兩根螺桿、預熱器、壓模、傳動裝置等部分組成。其主要工作部件是機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。嚙合型雙螺桿根據(jù)兩根螺桿的旋轉方向，可分為同向旋轉和反向旋轉兩種，見下圖。目前大部分雙螺桿食品膨化機采用同向旋轉方式。

SPJ-40雙螺桿擠壓機（華南農業(yè)大學研發(fā)）螺桿構造可調整的螺旋組合

混合螺旋

揉搓剪切螺旋

雙軸聯(lián)軸器端螺旋

雙螺桿食品膨化機的特點是：①輸送物料的能力強，很少產生物料回流和漏流現(xiàn)象；②螺桿的自潔能力較強；③螺桿和機筒的磨損量較小；④適用于加工水分較低和較高（8％～80％）的物料，對物料適應性廣，而單螺桿食品膨化機加工時，若物料水分超過35％，機器就不能正常工作；⑤生產效率高，工作穩(wěn)定。完整的擠壓食品加工過程擠壓機內各階段的工作過程和質構變化三、擠壓過程和質構變化（一）完整的擠壓食品加工過程原料粉碎混合預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)調味成品包裝擠壓生產過程實際上是連續(xù)漸變的螺桿長徑比L/D小的螺桿擠壓機各段的區(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間的很窄的一個區(qū)域同時完成正是由于這么多工序都在一臺擠壓機內完成，所以，擠壓加工具有占地面積小、用時短等許多優(yōu)點

幾點說明圖食品擠壓生產線設備流程示意圖

1－錐形混合機2－螺旋提升機3－預處理機4－雙螺桿擠壓機5－擠出模頭6－切割機7－烘干（冷卻機）8－調味系統(tǒng)9－計算機控制系統(tǒng)12345678一種擠壓膨化食品的溫度、時間變化曲線1、擠壓機內的輸送和混合輸送段螺桿上的螺旋螺距不變，螺槽深，物料只是被推動向前物料從輸送段被推進第二段內即進入了混合破碎區(qū)，物料在此段內除被繼續(xù)向前推動之外，還兼有攪拌作用。有的生產工藝還在此段加入液體輔料，與主料充分混合。這一段螺桿上的螺距比輸送段的略小，故有輕微壓縮的作用（二）擠壓機內各階段的工作過程和質構變化輸送和混合特點物料是以相對自由的顆粒狀匯集螺槽內食品物料很少或沒有內部剪切物料尚未發(fā)生任何質構上的變化，能量的消耗不大2、擠壓機內食品原料的壓縮和剪切這段螺旋的變化如圖所示壓力---溫度dA<dB<dC壓縮和剪切的特點物料繼續(xù)被推進，由于摩擦熱和剪切熱以及有的還有外熱，使物料的溫度急劇上升，部分物料開始由固態(tài)粉粒狀變成液態(tài)狀，并與固態(tài)粉粒相混合揉捏而成面團食品物料在剪切段中開始發(fā)生質構變化，從一種生的或沒有“煮”過的粒狀改變?yōu)榭伤苊鎴F，向熔融狀態(tài)過渡，故又稱為過渡段此過程由熱引起的變化蛋白質的水合作用和變性淀粉的水合作用、膠凝作用和糊化氨基酸和還原糖的褐變反應食品原料中的抗營養(yǎng)因子、維生素和酶發(fā)生化學變化食品原料中的微生物被殺滅3、擠壓機內食品原料的加熱和熔融

該段螺距最小、螺旋槽底徑最大，機械能轉化成熱能最多；有的還外部給予加熱；因此，在這段里壓力和溫度急劇上升，并在螺桿端頭和模頭之間的間隙處達到最大值。4、擠壓機內的均壓和擠出成形物料熔融后，在螺桿的推動下進入均壓和成形段均壓和成形段的作用是建立一個均壓區(qū)，使物料穩(wěn)定均勻地通過模頭，使擠出的產品成為所需要的形狀圖5單螺桿小直徑擠壓機出口簡圖1-螺桿2-筒體3-模頭

小型擠壓機的均壓段結構簡單，就是在螺桿端部與模頭之間的一個狹小間隙形成均壓空間，基本上保證模孔處物料的進出壓差，使擠出的產品符合要求，如圖所示

均壓和擠出成形

對于大直徑的單螺桿擠壓機或雙螺桿擠壓機來說，模頭?？椎臄?shù)量不止一個，孔的形狀也較復雜，為保證模頭各孔的進口壓力相等，物料流速也相同，通常的設計方法是在螺桿的末端加均壓板即多孔板，在模頭的進孔端前加導流板，如圖6所示

圖6雙螺桿擠壓機均壓形成示意圖1—螺桿2—機筒3—多孔板4—導流板5—模頭圖7平板狀分流板尺寸

圖7是一多孔板實例。物流通過多孔板之后的運動流向與軸相平行，并能使各方向的壓力均勻圖8導流板、?？字械奈锪狭骶€示意圖

在多孔板之后模板之前還有一個導流板或叫分配盤，它的作用是將物料均勻、等量地引到模板上的各出料孔1—導流板2—模孔板擠壓機工作應注意的問題

食品擠壓理論及擠壓機的試驗研究，對于擠壓機的設計與改進是極為重要的特別注意各段生產能力的變化，注意擠壓機各段的生產能力應該是相等的

絕不允許出現(xiàn)qm1<qm2<

qm3<qm4的情況

qm1——擠壓機輸送段的輸送能力

qm2——擠壓機壓縮和剪切段的能力

qm3代表擠壓機熔融段的蒸煮能力

qm4代表均壓擠出成形能力四、擠壓中食品成分的變化擠壓過程中碳水化合物的變化擠壓過程中蛋白質的變化擠壓過程中水、脂肪與乳化劑的變化擠壓過程中風味劑的變化（一）碳水化合物的變化碳水化合物淀粉纖維素葡萄糖蔗糖1、淀粉

有兩種淀粉常用于擠壓加工——普通淀粉和變性淀粉

普通淀粉：主要是谷粒和淀粉質塊根作物中的淀粉。變性淀粉：通過化學變性、分離變性、氧化處理、預糊化、酶進行選擇性處理等方法加工制得的淀粉。(1)密度控制

直鏈淀粉：含量大或者經過化學變性的淀粉通常導致擠壓的產品密度較大。支鏈淀粉：含量大，生產的擠壓產品膨化程度較大。淀粉在擠壓加工中起以下作用:(2)增大強度

直鏈淀粉和變性淀粉可使膨化食品硬度增大，質地較硬，膨化制品的抗碎強度大，減少破碎。制作膨化小吃食品時，為了達到有良好的口感和一定的硬度，直鏈淀粉含量一般需20%~50%。降低吸水率：變性淀粉具有較硬的燧石性組織結構，可降低擠壓產品的吸水速率，能使產品在水中或在液狀食物中不會立即變成糊狀，而能較長時間保持產品的外型。風味調節(jié)：支鏈淀粉含量高的淀粉能加工成膨化程度大、氣味柔和的產品，稍需修飾原味即可對食品作精美調味。脂肪的粘合：變性淀粉可“抓住”(即粘合)肉類擠壓食品里的脂肪，降低收縮性。

延長貯存期：稍微變性的預膠凝糯性淀粉可使產品保持松脆的時間延長。淀粉在擠壓過程中的變化純淀粉先是由未膠化的白色逐漸變?yōu)槟z化的無色半透明體淀粉在升壓、升溫和剪切的共同作用下，大分子結構鍵斷裂而變成了低分子，如淀粉結構中的1—4糖苷鍵斷裂使其成為葡萄糖、麥芽糖等，而更主要的原因是在高溫、高壓下，淀粉分子發(fā)生了糊化(α化)淀粉的變化影響淀粉糊化度的因素幾乎與擠壓過程中所有的參數(shù)都有關：擠壓溫度物料水分含量螺桿轉速擠壓機結構(螺桿、簡體的形狀)剪切力淀粉在擠壓機內的滯留時間模頭出口形狀等淀粉與膨化效果直鏈淀粉含量增加，則膨化度降低有資料表明，直鏈淀粉和支鏈淀粉各占50％時，膨化效果最好返回2.纖維素在擠壓過程中變化較一致的看法是纖維素經擠壓后，可溶性膳食纖維的量相對增加(一般增加量在3％左右)原因：高溫、高壓再加上高剪切作用，促使纖維分子間價鍵斷裂、分子裂解和極性變化影響：原料中的纖維素含量增加，則膨化度降低纖維素的來源、純度，均明顯影響膨化度返回3.葡萄糖、蔗糖等的變化擠壓食品物料中含有的糖成分會影響淀粉的糊化由于擠壓過程中高溫、高剪切的作用能使糖分解成羰基化合物，它同物料中的蛋白質發(fā)生美拉德反應，使產品的顏色變深返回（二）.蛋白質擠壓過程中，蛋白質變性和組織化，同時蛋白質的含量也有所變化。

擠壓后蛋白質(總氮)含量有所下降，營養(yǎng)價值有所降低，游離氨基酸的含量升高，但由于結構變化，消化利用率得到了提高。（1）蛋白質的變化

蛋白質含量高降低制品擠壓時的膨化程度。物料中蛋白質含量高于40%時幾乎沒有膨化。（2）蛋白質對擠壓加工的影響

擠壓過程中若蛋白質含量高，則物料的粘稠度大，擠壓過程中的能耗大。（三）水、脂肪與乳化劑（1）水：聚合物的增韌劑，可以減少物料之間相互作用力，并且使得所需輸入能下降。

前提：含水量在10%－25%(濕基)。

含水量>30%(濕基)時，水便成了聚合物的溶劑，而使淀粉等聚合物變得松軟易碎。（2）脂肪在擠壓過程中的變化

一般來說，擠壓機在生產時，要求原料中的脂肪含量低于12％，因為高脂肪含量的物料與筒體之間的摩擦因數(shù)小造成打滑。

另一方面，對于某些物料，一定量的脂肪可以預防物料在擠壓腔里堵塞。

所以，脂肪的含量應限定在一定范圍之內，不同物料，范圍也不相同。從加工工藝性能來講：（2）脂肪：起潤滑劑的作用；調整產品的質量。

脂肪在擠壓過程中能夠與淀粉和蛋白質形成復合物；

擠壓溫度↑→復合體生成量↓，反之亦然；

脂肪復合體的生成除了可以防止氧化，延長產品貨架期外，還會改善產品的質構和口感。

復合物的形成→氧化現(xiàn)象↓，游離脂肪的含量↓

脂肪含量相同的情況下，脂肪復合體的生成量與

產品膨化率成正相關關系。

在高溫、高壓和高剪切條件下，甘油三脂會部分水解，產生單甘油和游離脂肪酸，這兩種產物與直鏈淀粉會形成絡合物，影響擠壓過程中的膨化，導致最終產品中淀粉的溶解性和消化率降低，故脂肪對擠壓食品的質構重組、成形、口感等影響較大分子具有親水端和疏水端的化合物。添加到水油混合物中時，即排列在水和油的界面，使界面上存在的表面張力得以降低。

但脂肪會影響到產品的膨化率。

一些乳化劑（卵磷脂、甘油一、二酸酯等）與淀粉形成絡合物以延緩淀粉凝沉和老化，通過氫鍵與蛋白質形成絡合物，以降低其可抽提性。

脂肪含量在10%以下時，它對產品膨化率的影響很小，但含量較高時，會使產品的膨化率明顯下降。（3）乳化劑：（四）風味劑

甜味劑常用的甜味劑：蔗糖、葡萄糖、麥芽糖、淀粉糖漿、果葡糖漿、甜菊苷、糖精、蛋白糖等。最常用的是蔗糖。（1）產生焦糖化現(xiàn)象；（3）降低產品的膨化率，擠壓過程中糖的變化和影響：（2）產生美拉德反應（4）降低原料中淀粉的糊化率。一般情況下，糖含量<10%，對膨化率的影響較小。當含量>15%時，影響較明顯。通常，糖含量在10%~15%之間，會獲得較滿意的口感。

調味料

各種調味料對擠壓加工的影響不大，主要注意在擠壓加工中的加入時間，以避免風味的損失，以及風味的變化，影響產品的質量。五、擠壓與膨化技術根據(jù)物料的特點及成品的狀態(tài)：直接擠壓膨化技術間接擠壓膨化技術擠壓組織化技術（一）分類1、直接擠壓膨化技術以含淀粉較多的谷物粉、薯粉或生淀粉等為原料，在200℃左右高溫、3~8MPa高壓的擠壓室內，通過擠壓、混合、剪切、熔融、殺菌和熟化等一系列復雜的連續(xù)處理方法，使淀粉糊化。糊化的淀粉含有大量的高溫高壓的水分，當物料從擠壓室通過模具進入室外時，壓力驟減，物料中的水分急劇汽化膨脹，巨大的膨脹力促使物料形成疏松多孔的結構。（二）擠壓膨化技術簡介原輔料→配料→調整水分→熟化、擠壓成型（水：8%~12%）→干燥（水：2%~3%）→噴涂、包被→包裝→產品例：第二代小吃食品加工工藝（洋蔥圈、馬鈴薯條等）2、間接擠壓膨化技術與直接擠壓膨化相比，間接擠壓膨化具有組織結構均勻、口感好的優(yōu)點。物料在擠壓機中經過蒸煮、熟化等處理后，先使其降壓降溫，在物料溫度低于100℃時，再將物料通過模板。在物料通過模板時，其溫度低于水的沸點，不會汽化，物料也不被膨脹。此方法目的是讓物料處于熟化、半熟化或組織化狀態(tài)，給予產品一定的形狀。然后再通過油炸、烘焙、微波、超聲波等處理使其膨化。

原料→蒸煮擠壓機→成型擠壓機→干燥機→油炸→包被、涂層調味→包裝→產品加工工藝實例(2)原料→調理(調質)器預糊化→成型擠壓機→干燥機→油炸→包被、涂層調味→包裝→產品

例：顆粒球形食品的