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挤压膨化技术及其在食品多领域中的应用

文章来源:济南霖奥机械设备有限公司
 

挤压膨化技术及其在食品多领域中的应用

新疆库车县质量与计量检测所     

摘要:挤压膨化技术作为现代食品工程高新技术之一,已广泛应用于食品工业中,并逐步在油脂、酿造、保健食品等多个加工领域中得到应用。本文主要介绍了挤压膨化技术的机理、特点、设备、工艺流程以及该技术的应用情况;并对其的应用前景做出了展望。

关键词:挤压膨化技术 膨化机  膨化食品  应用

Extrusion puffs technical and application of its

in food multi- domains

Abstract: 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

挤压膨化技术作为一种新型食品加工技术,在国外发展很快。早在1856年美国的沃得就申请了关于食品膨化技术的专利,而直到20世纪30年代末才首次把膨化技术应用于生产谷物类方便食品[1 ]。在现今粮油食品加工过程在中,挤压膨化技术作为现代食品工程高新技术之一越来越得到众多食品企业的重视,尤其受到以谷类和薯类为主要原料的食品加工企业的青睐。就传统的谷物食品加工方法来说一般需经过粉碎、混合、成型、烘烤或油炸等生产工序,每道工序均需配置相应的设备,生产流水线长、占地面积大、工艺复杂、劳动强度大。而采用挤压膨化技术加工谷物食品时,只需将原料初粉碎和混合后,即可在一台挤压机上完成蒸煮熟化、酶失活、杀菌、成形、预干燥等多道工序,因而大大简化了工艺,降低了能耗,整个生产过程几乎没有损耗,制造成本明显降低,且无“三废”产生。因此,挤压膨化技术是一种多功能、高产量、高品质的新型食品加工技术[2]

挤压膨化食品具有品种繁多、质地酥脆、美味可口、携带食用后方便、易于消化吸收等优。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。就美国来说,各种休闲食品年销售额高大150亿美元,其中30为马铃薯片。而作为美国最大的膨化食品生产企业的Frito-

Lay公司,年销售额达到50亿美。可以肯定,挤压膨化技术应用于膨化食品的生产具有十分广阔的前景。上世纪90年代美国的Frito-Lay公司、日本的Calbee公司以及欧洲和东南亚的膨化食品企业纷纷在中国投资建厂[3]。挤压膨化技术所表现出的多种优越性以及淀粉等物质在挤压膨化过程中具有的独特的产品构型能力,奠定了挤压技术在谷物食品加工等多种领域中的应用基础;同时,膨化产品具有的显著特点,又推动了挤压膨化技术在诸多加工领域中的应用。

1  挤压膨化技术的机理

含有一定水分的物料,在积压机的套筒内受到螺杆的推动作用和卸料磨具及套筒内截流装置的凡响阻止作用,另外还受到来自外部和物料与螺杆、套筒内部磨檫热的加热作用,使物料处于38MPa120200℃的高温下,根据需要可达到更高的温度。由于压力超过了挤压温度下的饱和蒸汽压物料在挤压筒内便产生水分的沸腾和蒸发。在如此高的温度、剪切力和压力下,物料呈现熔融状态。当物料被强行挤出模具口时,压力骤然降为常压,此时水分便发生闪蒸,产生类似“爆炸”的情况,产品随之膨胀。水分从物料中蒸发,带走了大量的热量,这样物料瞬间从挤压过程中的高温降至80℃的相对低温。由于温度的降低,物料从挤压时的状态而固化成型,并保持了膨化后的形状。

挤压膨化食品的成分主要以淀粉为主。因此膨化状态的形成主要是靠淀粉完成的,在高温高压状态下,淀粉颗粒首先发生糊化,近而在高温和高剪切的作用下分子之间相互结合和交联,形成网状的结构,该结构经挤压、降温和固化后成为膨化食品结构的骨架,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响到产品的膨化程度,在原料中没有淀粉存在的情况下,则基本上不产生膨化效果。

2  挤压膨化技术的特点

2.1 改善实用品质,易于储存

采用膨化技术可以使玉米、高粱这些原本含有较多纤维素、维生素的粗硬的组织结构变得膨松柔软,在膨化过程中产生的美拉德反应又增加了食品的色、香、味。从而改善实用品质,使食品具有体轻、松脆、香味浓郁的独特风味。

2.2 提高产品质量,减少有害物质

挤压过程是一个典型的高温、高压、短时过程,这使物料处理有限,因而在最终产品中几乎保留了原料中所有的营养成分。同时,高温短时过程仍可减少象有害的酶和微生物一样的不良产品因素[4]

2.3 原料适用性广,产品种类多

可加工的原料品种繁多,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;而且还能加工果蔬、香料及一些动物蛋白。生产膨化小食品时,利用同一台挤压机只需改变原料及模头,即可生产出形状各异的产品。

2.4 生产效率高,生产成本低

国外大型双螺杆挤压机每小时的生产能力达数十吨,且操作简便。与传统的蒸煮方法相比,用现代挤压膨化技术加工产品,在时耗、能耗、劳动力、占用厂房等方面都有明显降低。

2.5 浪费少、无废弃物

用淀粉酿酒、制饬糖时,原料经膨化后,其利用率达98以上,出糖率提高12,出酒率提高20[1]。此外,一般来说,除了开机和停机时需要少量原料作引子外,整个生产过程中几乎无废弃物排出,不存在原料浪费现象。

3  挤压膨化设备

挤压机是从简单的成型机发展而来的,起初只是用于塑料工业,后来逐渐应用于食品及其它行业。目前使用的挤压机主要为螺杆式挤压机,按结构可分为单螺杆和双螺杆两种类型。单螺杆挤压机靠一个从细渐粗、螺距从宽渐窄的螺杆推进物料。目前我国生产的单螺杆挤压机基本上采用螺纹高度较浅的螺杆,转速为300400r/min,它可产生高磨檫和高剪切力,谷物原料在机筒内停留的时间仅为1020s,物料在出模前的温度高达130140℃。双螺杆挤压机有一对相互连续啮合的反向或同向旋转的螺杆,靠正移位原理强制输送物料。在物料输送过程中很少形成压力回流,可使局部压力急剧升高,加快膨化过程,获得高产量。单双螺杆挤压机在食品工业中的应用特点及比较见下表1和表2[56]

1 单双螺杆挤压机在食品工业中的应用特点

单螺杆挤压机

双螺杆挤压机

温度压力不易控制

可控制恒温、恒压

只能膨化具有一定粒度、脂肪含量低的谷物

可以各种谷物为原料,并加入6℅的油脂进行膨化

易产生倒粉现象

不易产生倒粉现象

膨化前不易调味,必须在膨化产品的表面喷洒调味液或调味料

可以在膨化前或膨化过程中调整各种风味,可加入奶粉、蛋粉、糖粉或其它调味料。一次加工成型,也可进行成分分离

设备使用一段时间后要更换易损件

不易损件

物料易黏附螺杆

具有自身排清功能

加工的产品为各种膨化食品、速溶谷物粉、锅巴类小食品等

加工的产品为虾球、麦圈等各种膨化食品、高蛋白米粉、速食挂面、膨化饼干、面包干等

                       

2 单双螺杆挤压机主要区别

项目

单螺杆挤压机

双螺杆挤压机

输送机理

借螺杆与物料、物料与机筒内壁的磨擦,物料需填满机筒

靠正移位原理输送物料,可在部分装填料的情况下输送物料

主要能量供应

靠内磨檫

靠机筒供热

生产能力

取决于物料中的水分、脂肪含量和工作压力

与左列因素无关,螺杆直径越大,产量越大

能耗

90015000KJ/kg

400600 KJ/kg

热分布

不均匀

均匀

剪切力

制造成本

脱气

困难

容易

混合

要求原料水分

1030

595

4 挤压膨化的工艺流程

挤压膨化食品的生产工艺如下所示:原物料→去皮→粉碎→混合(湿润) 调理→输送

→喂料→挤压蒸煮、膨化→整形、切割→烘烤→喷油、调味→包装。

4.1 粉碎

为使原料混合均匀、挤压蒸煮时淀粉充分糊化有利于膨化,各物料(玉米应先除去皮和胚芽) 粉碎至3040 目颗粒大小,双螺杆挤压机的用料粉碎至60 目以上。

4.2 混合调理

将不同的原料及辅料按一定比例在加湿机中混合均匀,根据气候和环境温度、湿度的不同确定水量的多少,混合后的原料水分控制在1318

4.3 挤压膨化

挤压膨化是整个流程的关键,直接影响到产品的质感和口感。影响挤压膨化的变量较多,物料的水分含量、挤压过程中的温度、压力、螺杆转速、原料的种类及其配比等,一般来说物料水分13 18 之间,挤压温度120160℃左右,挤压腔压力0. 51MPa ,螺转速8001000 r/ min ,物料在挤压机内停留时间为1020s[78]。直淀粉含量低的原料, 膨化后产品的α 度高, 膨化效果较佳。物料中蛋白质及脂肪含量不同也对膨化质量产生影响,蛋白质含量高的物料挤压时膨化程度低;脂肪含量超过10 ,会影响到产品的膨化率,而一定量的脂肪可改善产品的质构和风味。不同类型和型号的挤压机,其挤压膨化的工艺参数也有所不同。

4.4 整形、切割

膨化物料从模孔挤出后,由紧贴模孔的旋转刀具切割成形或经牵引至整形机,经辊压成形后,由切刀切成长度一致、粗细厚度均匀的卷、饼等膨化半成品。

4.5 烘烤

挤压出来的半成品水分较高,需经带式输送机送入隧道式烤炉作进一步烘烤,使水分低于

5  ,以延长保质期,同时烘烤后产生一种特殊的香味,提高品质。

4.6 调味

在旋转式调味机中进行。将按一定比例混合的植物油和奶油加温至80 ℃左右,通过雾状喷头使油均匀地喷洒在随调味机旋转而翻滚的物料表面。喷油的目的一是为了改善口感;二是为了使物料容易沾粘调味料。随后喷洒调味料,经装有螺杆推进器的喷粉机将粉末状调味料均匀洒在不断滚动的物料表面,即得成品。为防止受潮,保证酥脆,调味后的产品应即时包装。

5 挤压膨化技术的多领域应用

5.1 在休闲食品加工中的应用

膨化食品是将挤压技术应用于食品加工中先获得成功的产品。以大米、玉米等谷物类及薯类为主要原料,经挤压蒸煮后膨化成型成为疏松多孔状产品,再经烘烤脱水或油炸后,在表面喷涂一层美味可口的调味料,玉米果、膨化虾条等即属这一类。另一类为膨化夹心小吃食品,是通过共挤压膨化制成,即谷物类物料在挤压后形成中空的管状物,将蛋黄粉、糖粉、奶粉、调味料、香料等各种配料按一定比例加入后,经充分搅拌混匀成为具有较好流动性的夹心料,通过夹心泵及共挤出模具,在膨化物挤出的同时将馅料注入管状物中间,经此道工序加工的膨化夹心小食品,口感酥脆,风味随夹心馅的改变而具多样性,可通过改变其中的夹心料的配方,加工出各种营养强化食品、功能食品。

5.2 在油脂浸出中的应用

对于高含油油料作物来说,油料在脱壳(皮)后,先经挤压膨化机处理,预先挤出部分油脂,并形成一定结构的料粒再进行浸出,是一项比较理想的新技术。目前在美国、巴西、印度、瑞士等国家均有挤压膨化机生产厂家,其中以美国安得森(ANDERSON Intrntionl Corp)生产的带预榨的、用于处理高含油料的挤压膨化机尤为引人注目。据报道,其产量已高达300t/D[9]

另外,膨化机的发明和其在油料坯片溶剂浸出工艺中的应用极大地增加了溶剂浸出工艺的效率。梁平等人已经在大豆和棉籽坯片方面取得了良好的效果[10]。膨化机内坯片受一系列的断续螺旋的挤压和突出于机筒的固定螺栓的揉搓,使得更多的油细胞破裂。在坯片被捣碎的同时,蒸汽被注入含有坯片的机筒内,坯片在筒内蒸煮1520s。经过蒸煮改变了坯片的蛋白特性,使之更为柔软。同时,当蒸汽进入机筒并与坯片混合,机筒内部的压力将蒸汽从气相变为液相,释放出大量的热量,该热量在膨化机内产生有效的蒸煮作用,并且液体渗透坯片,充分的使坯片得以渗透。另外,油料坯片在获得完全蒸煮后,有膨化机出料口释放出来,由于压力骤然降低,坯片内的水分会立即由液相变为气相。当液体变为气体,会把周围的热量吸收过来,这样使蛋白冷却并产生刚硬的,多孔的蛋白结构,这种蛋白的膨胀

5.3 挤压膨化技术在抗性淀粉制备中的应用

将挤压膨化技术应用于抗性淀粉(resistant starch RS)制备的预处理中,是由于在抗性淀粉的制备过程中,挤压膨化起到预糊化的作用,提高了淀粉的糊化度。已有资料报道,淀粉经挤压膨化后处理后,其糊化度能达到90以上,而传统工艺糊化率仅为8090。只有使淀粉完全糊化,才能使淀粉酶与普鱼兰酶对其充分作用,生成一定长度的直链淀粉分子,通过调节酶的作用条件,从而可提高抗性淀粉的得率[11]

5.4 挤压膨化技术在膨化玉米粉生产冰激凌中的应用

  玉米的营养价值较高,含有丰富的蛋白质、脂肪、维生素和矿物质,并含有人体必需的赖氨酸和色氨酸等。过去人们在利用玉米做饮料和冰激凌时,通常要经过粉碎、磨浆、糊化等多道前处理工序,工艺复杂、费时。大连产品质量监督检验所的金芳研究使用挤压膨化机处理物料,使其由高温高压下突然降至常温常压,经瞬间将玉米粉膨化成海绵状,淀粉高度α化。使淀粉、蛋白质成分发生降解;糊精、还原糖、氨基酸等成分含量增加。水溶性增强,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,可制成具有烤玉米风味的冰激凌[12]

5.5 在组织化植物蛋白生产上的应用

组织化植物蛋白的生产是利用含植物蛋白较高(50 左右) 的原料,如大豆、棉籽等,通过挤压、剪切作用后,蛋白质分子的三级结构被破坏,形成相对呈线性的蛋白质分子链,在一定的温度和水分下,由于受到较高剪切力和螺杆定向流动的作用,当被挤压经过模具出口时,蛋白质分子成为类似纤维状的结构。植物蛋白经组织化后,改善了口感和弹性,扩大了使用范围,提高了营养价值与动物蛋白相比,具有价格低,不含胆固醇,保质期长,易着色、易增香添味,可制成多种不同的食品。可添加于肉食原料中,作为肉类填充料,或者代替肉、鱼、禽类制成仿肉类食品。美国已将这类肉类补充品加入到汉堡牛排、肉糕、三明治中,在汉堡牛排中替代肉类的加入量高达30 [13 ]

5.6 挤压膨化技术在开发保健混合粉中的应用

黑米、薏米、荞麦粉为原料,这几种物料都具有较高的营养价值和保健功能,但由于其质地坚硬,正常的蒸煮难以糊化,不易被消化吸收,因此,必须经过特殊工艺处理,挤压膨化技术是理想方法。此外,由于每种原料的各种营养成分分布是不均匀的,往往满足不了人们对各种营养物质的需要。郝彦玲等人将这几种原料配合后进行膨化制成具有保健功能的混合粉,并得到了较佳的工艺参数双螺杆挤压机对混合物料(黑米∶薏米∶荞麦粉= 60 15 25 ) 膨化的较佳工艺参数为:水分含量16  ,螺杆转速100 r/ min ,挤压温度170,糊化度可达90. 6 [14]。此混合粉是预糊化淀粉,可直接食用或作为辅料应用于食品工业,如主食品馒头、饺子、面包等。

5.7 挤压膨化技术在生产酱油中的应用

一般的酱油酿造用脱脂加工大豆,经过蒸煮蛋白质变性,在蒸煮过程中由于锅炉蒸汽负荷变动,加之原料颗粒厚薄不匀,虽保持一定温度蒸煮,但蒸煮过的脱脂加工大豆各粒子的氮变性程度不同,实际上是变性适度,过度和不足的蛋白混合物,因而制成酱油氮利用率低,酱油有氮性混浊。东北农大徐冲等人将挤压膨化技术应用于酱油生产中对部分酱油原料经膨化处理,使原料中蛋白质成为弹性良好的海绵状组织,有利于细菌菌丝向原料内部生长,故曲中蛋白酶和淀粉酶含量比常规法高,能大幅度地提高原料的全氮利用率[15]。其优点是无需将全部原料制成曲,从而简化了制曲工艺,不仅提高了产品质量,更主要的是节约了酿造用粮。

5.8 在其它方面的应用

挤压膨化技术除广泛应用于食品加工、酿造、油脂浸出、保健品等领域外,在饲料、医药、建筑等行业的应用也有报道[16]。用膨化粉粉末直接做压片的辅料,具有填充剂、粘合剂、崩解剂的性质。膨化粉可压性良好,为沸腾法一次制粒提供了新的原料。膨化粉生产成本低,生产周期短,有利于大规模生产,可代替淀粉制药。另外,利用挤压膨化机作反应器对淀粉进行深加工, 制备磷酸酯淀粉、羧甲基淀粉,作为建筑业墙体粉刷的粘合剂。随着对挤压膨化机理研究的不断深入,为挤压膨化技术在众多领域中的广泛应用提供了理论依据。挤压膨化技术是一种节能、保鲜、提高原料利用率及生产效率的新型加工技术,在许多领域已经取得显著的经济效益,具有广阔的应用前景。

6       挤压膨化技术的发展前景

食品加工的一个目的是充分利用现有的食品资源和开拓新的原料来源来开发各种各样受人们欢迎的食品。膨化技术的出现可以说为谷物类、淀粉类等这些我们称之为粗粮类的原料在食品工业中的应用开辟了一条崭新的途径。而且,膨化食品一般都需经调味处理,因此膨化食品加工业的发展必将带动调味料工业的发展,与此同时也带动薄膜等包装技术的发展。另外随着食品工业的发展,新技术和新工艺的出现以及人们生活水平的提高,挤压膨化技术及其设备也正朝着更好的方向发展,生产更受人们欢迎的低油、保健和天然食品。如低温、超低温膨化技术、化学膨化技术、超声膨化技术都有可能在不久的将来应用于实践;而微波膨化技术、烘焙膨化技术作为新型膨化技术已经引起人们的重视并逐步在生产中得到应用。据报道,以淀粉为主要原料,配以9的玉米分离蛋白、1.5的棕榈油,在含水量50 的条件下,用500W2450MHz微波辐射两分钟可获得良好的原料膨化食品[17]。真空油炸膨化技术对于改善食品的品质、降低油脂的劣化程度有很大的意义。若在真空度20mmHg、有温100℃下进行油炸,这时在60℃下便产生水蒸气;若油炸时采用80120℃,则原料中的水分可充分蒸发,水蒸发时使体积显著膨胀[18]。采用真空油炸的制得的产品除有显著的膨化效果外,油炸时间有也相对缩短。

总之,随着人们生活水平的提高,利用挤压膨化技术生产膨化食品以及挤压膨化技术在其他领域的应用在我国具有十分广阔的前景。挤压膨化技术、微波膨化技术、烘焙膨化技术等都将是膨化技术的发展方向;真空油炸膨化技术则是保持油炸膨化技术生命力的一种有效的改良方法。进行膨化理论和技术的研究,开拓新的原料来源、开发新型挤压膨化设备、挤压膨化技术和其他食品加工技术的有机结合将是膨化技术发展的重点和热点。

参 考 文 献

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[16]沈正荣,挤压膨化技术及其应用概况[J],食品与发酵工业,20055

[17]刘钟栋,微波膨化技术在花生制品中的应用[J],食品科学,19971

[18]陶自强,真空油炸技术[J],食品工业,19965

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