膨化食品工艺学1

1、膨化食品工艺学膨化食品工艺学任课教师：张莉丽任课教师：张莉丽前 言 “雷公”天火（熟食）钻木取火（烧、烤、熏）陶器（蒸、煮、熬）铁器（煎、烙、炒） 20世纪，食品挤压机出现，用于生产挤压食品，是食品工业的一次“革命”，预测未来50%以上食品均由挤压机加工而成。 挤压食品:（1）广义理解和狭义理解。（2）膨化:直接膨化（一次膨化）、二次膨化(3)挤压食品与膨化食品区别 本门课需掌握的内容、考核方法、要求 一、食品挤压机的发展一、食品挤压机的发展 经历大体如下：单螺杆到双螺杆；单一功能经历大体如下：单螺杆到双螺杆；单一功能到多功能；长径比由到多功能；长径比由5到到20（目前有达（目前有达45的）；

2、由自热式到外热式；由每小时几公的）；由自热式到外热式；由每小时几公斤的小产量到每小时斤的小产量到每小时6.5公斤的大产量；由公斤的大产量；由手工操作间歇作业到全自动电脑控制连续手工操作间歇作业到全自动电脑控制连续作业。作业。第一章 挤压食品概论第一节 挤压食品发展简史第一节第一节 食品挤压机的发展和分类食品挤压机的发展和分类 一、一、 食品挤压机的发展食品挤压机的发展 1900年间歇柱塞式通心粉挤压机年间歇柱塞式通心粉挤压机 1930年单螺杆挤压机应用到面条的连续压制上年单螺杆挤压机应用到面条的连续压制上（低剪切）（低剪切） 30年代后期年代后期General Mills Inc首次将挤压技术

3、应用首次将挤压技术应用于谷物方便食品上于谷物方便食品上 1936年膨化玉米果首次挤压成功，年膨化玉米果首次挤压成功， 1946年后开始商品化（高剪切自热式）年后开始商品化（高剪切自热式） 40年代后期国外发展迅速年代后期国外发展迅速:挤压机多样化及外加热挤压机多样化及外加热式挤压机出现式挤压机出现 50年代饲料业得以发展年代饲料业得以发展 60年代首次用单螺杆挤压机工业化生产膨化速食年代首次用单螺杆挤压机工业化生产膨化速食早餐谷物；研究了挤压过程物料所发生的变化早餐谷物；研究了挤压过程物料所发生的变化 70年代双螺杆挤压机应用于食品，实现了组织化年代双螺杆挤压机应用于食品，实现了组织化植物蛋白

4、（人造素肉）工业化生产。此期间研究植物蛋白（人造素肉）工业化生产。此期间研究挤压熟化原理及对挤压模型进行分析挤压熟化原理及对挤压模型进行分析 80年代欧共体和日本相应成立专门的研发机构年代欧共体和日本相应成立专门的研发机构 90年代后期挤压机代表性生产厂家成型年代后期挤压机代表性生产厂家成型:美美国国:Wenger、德国：、德国：WP、意大利帕万、意大利帕万马布公马布公司、法国司、法国:Clextral公司。公司。国内发展国内发展 挤压膨化食品起步晚，食品挤压机的研究与制造挤压膨化食品起步晚，食品挤压机的研究与制造落后于国外。落后于国外。 79年，北京食品研究所在我国首先研制成功食品年，北京食

5、品研究所在我国首先研制成功食品挤压机，是工业化生产挤压膨化食品在我国起步挤压机，是工业化生产挤压膨化食品在我国起步的标志的标志 80年代初，苏州第二米厂和山东食品发酵工业研年代初，苏州第二米厂和山东食品发酵工业研究所，先后研制出挤压膨化机究所，先后研制出挤压膨化机 85年，北京义利食品厂引进德国年，北京义利食品厂引进德国WP公司的公司的C-37型型双螺杆挤压机双螺杆挤压机 86年，北京蛋品厂等单位引进意大利年，北京蛋品厂等单位引进意大利Map公司的公司的RC27/A型双螺杆食品挤压机。此间：上海铅笔厂、型双螺杆食品挤压机。此间：上海铅笔厂、河南邓州星光机械厂吸收国外技术，生产出国产河南邓州星光

6、机械厂吸收国外技术，生产出国产双螺杆挤压机。双螺杆挤压机。 90年代，一些厂家生产出双螺杆食品挤压机：河年代，一些厂家生产出双螺杆食品挤压机：河南济源机械厂、江苏锡山金龙食品机械厂、山东南济源机械厂、江苏锡山金龙食品机械厂、山东济南塞信机械有限公司。济南塞信机械有限公司。 96年，原国内贸易部北京商业机械研究所研制成年，原国内贸易部北京商业机械研究所研制成功多功能食品挤压生产线。主机由南航信离塑料功多功能食品挤压生产线。主机由南航信离塑料机械厂制造，为同向双螺杆挤压机。机械厂制造，为同向双螺杆挤压机。第二节挤压食品的特点第二节挤压食品的特点 HTST(高温短时):510s内完成，最长1min,

7、温度可达到200C；HHS(高温高压短时):模头前物料的压力可达10MPa以上。 挤压加工具有的特点： （1）多变性好；（2）生产能力大；（3）成本低；（4）产品形状多样化；（5）产品质量高；（6）能量利用率高；（7）新产品的生产容易；（8）食品原料几乎无损失。第三节第三节 挤压食品的分类挤压食品的分类 分类分类 1.从最终产品的膨化度分：从最终产品的膨化度分： （1）几乎未膨化的食品）几乎未膨化的食品 （2）轻微膨化食品）轻微膨化食品 （3）全膨化食品；）全膨化食品； 2.以加工食品用的主要原料分：以加工食品用的主要原料分： （1）淀粉质挤压食品）淀粉质挤压食品 （2）蛋白质挤压食品）蛋白质

8、挤压食品 （3）脂肪质挤压食品）脂肪质挤压食品 3.以生产的食品的性状分：以生产的食品的性状分： （1）小吃食品；）小吃食品； （2 ）面食类；）面食类； （3）快餐汤料类）快餐汤料类 4.从风味、形状上分：甜味、咸味、辣味、从风味、形状上分：甜味、咸味、辣味、咖喱味、海鲜味、牛肉味；条形、圆形、咖喱味、海鲜味、牛肉味；条形、圆形、饼形、环状、内夹心挤压食品等。饼形、环状、内夹心挤压食品等。第二章第二章 挤压机内各阶段的工作过程和质构变挤压机内各阶段的工作过程和质构变化化 上游设备：粉碎机、混合机、预处理机等；下游上游设备：粉碎机、混合机、预处理机等；下游设备：切割机、烘干（冷却机）、调味机等

9、。以设备：切割机、烘干（冷却机）、调味机等。以上食品原料均无质构上的变化。上食品原料均无质构上的变化。 本章只介绍原料在挤压机内的变化过程。本章只介绍原料在挤压机内的变化过程。第一节第一节 挤压机内工作区域的划分挤压机内工作区域的划分 划分为七段：划分为七段：物料输送段，物料的混合物料输送段，物料的混合（破碎）段（破碎）段，压缩段，剪切混炼段压缩段，剪切混炼段，加加热熔融断，均压段热熔融断，均压段，模头成型段；，模头成型段； 参照塑料挤压过程划分为四段：参照塑料挤压过程划分为四段：进料区进料区过渡区过渡区限流区（定量区）限流区（定量区）第一节第一节 挤压机内的输送和混合挤压机内的输送和混合 对

10、输送段的工作特性要求：对输送段的工作特性要求：要有向前输送的要有向前输送的能力和平稳输送的特性。能力和平稳输送的特性。 对输送段结构的要求：对输送段结构的要求：螺杆上的螺旋导程是螺螺杆上的螺旋导程是螺距大，螺距不变，螺槽深。距大，螺距不变，螺槽深。 物料在这段里只是被推动向前，机械的输送能力物料在这段里只是被推动向前，机械的输送能力取决于螺杆上的螺距大小、螺槽的深度和螺杆的取决于螺杆上的螺距大小、螺槽的深度和螺杆的转速。转速。 物料从输送段被推进第二段内即进入了混物料从输送段被推进第二段内即进入了混合破碎区，物料在此段内除被继续向前推合破碎区，物料在此段内除被继续向前推动之外，由于筒体和螺杆之

11、间的间隙很小，动之外，由于筒体和螺杆之间的间隙很小，物料与筒体之间产生摩擦与碰撞，因而杆物料与筒体之间产生摩擦与碰撞，因而杆的转动还兼有搅拌作用。的转动还兼有搅拌作用。 混合段的结构特性：混合段的结构特性：筒体和螺杆之间的间筒体和螺杆之间的间隙与输送段比变小，螺距比输送段的略小隙与输送段比变小，螺距比输送段的略小 ，要求螺杆对物料有轻微压缩作用。要求螺杆对物料有轻微压缩作用。这两段物料运动特点：这两段物料运动特点： 输送段只是被推向前进；输送段只是被推向前进； 混合段物料与筒体之间产生摩擦与碰撞，螺杆混合段物料与筒体之间产生摩擦与碰撞，螺杆兼有兼有搅拌作用搅拌作用，物料被进一步混合和破碎，物，

12、物料被进一步混合和破碎，物料被混合的同时还被轻微压缩。料被混合的同时还被轻微压缩。 在这两段里，物料以相对自由的颗粒状流动的，在这两段里，物料以相对自由的颗粒状流动的，这种颗粒状物料汇集在螺旋之间的螺槽内，并这种颗粒状物料汇集在螺旋之间的螺槽内，并被类似螺旋输送机的原理和作用向前输送着。被类似螺旋输送机的原理和作用向前输送着。食品物料很少或没有内部剪切食品物料很少或没有内部剪切，未发生任何质，未发生任何质构变化，颗粒状物料的运动就像一个和螺旋槽构变化，颗粒状物料的运动就像一个和螺旋槽所有面都相接触的固体柱塞。所有面都相接触的固体柱塞。实现固体塞式的流动的难易程度与食品物料和筒体及螺杆之间的摩擦

13、系数有关：食品物料与螺杆之间的摩擦系数小，而食品物料和筒体之间的摩擦系数大时，输送量才能得以保证。采取措施：采取措施：采用精加工螺杆和为防止物料在表面打滑而开槽的筒体。 两段能量变化：能量消耗不大，主要用来克服向前输送物料时的各种阻力以及破碎物料时的剪切能，设计时可参照螺旋输送机的原理和方法第二节第二节 挤压机内食品原料的压缩和剪切挤压机内食品原料的压缩和剪切 当食品原料经过输送和破碎段后，在转动当食品原料经过输送和破碎段后，在转动的螺旋的推动下，使物料继续沿螺槽前进，的螺旋的推动下，使物料继续沿螺槽前进，进入到压缩和剪切段。这段螺旋的变化见进入到压缩和剪切段。这段螺旋的变化见图：图：挤压机结

14、构特性：螺旋底径逐渐变大或螺距逐渐变挤压机结构特性：螺旋底径逐渐变大或螺距逐渐变小。小。dAdBVBVC。物料运动特性：物料所受到的压力逐渐升高，在压物料运动特性：物料所受到的压力逐渐升高，在压力作用下，整个物料先是逐渐充满螺槽所形成的空力作用下，整个物料先是逐渐充满螺槽所形成的空间，而后被进一步压实，颗粒间的间隙减小到零，间，而后被进一步压实，颗粒间的间隙减小到零，形成固体塞运动；同时物料与筒体摩擦产生热量使形成固体塞运动；同时物料与筒体摩擦产生热量使物料升温。物料被继续推进，由于摩擦和剪切热以物料升温。物料被继续推进，由于摩擦和剪切热以及有的有外热导入，料温急剧上升，部分物料由固及有的有外

15、热导入，料温急剧上升，部分物料由固态粉粒状变成液态状，并与固态粉粒相混合揉捏成态粉粒状变成液态状，并与固态粉粒相混合揉捏成面团。物料开始发生质构变化。是一种面团。物料开始发生质构变化。是一种过渡态过渡态。过渡态：过渡态：此段中，物料从一种生的或没有此段中，物料从一种生的或没有“煮煮”过的粒状改变过的粒状改变为存在于螺杆熔融段前的可塑面团，是在向熔融状态过渡，因为存在于螺杆熔融段前的可塑面团，是在向熔融状态过渡，因此将这段叫作过渡段。此将这段叫作过渡段。人们将食品挤压的这段过程也叫做人们将食品挤压的这段过程也叫做“蒸煮蒸煮”。此段由热引起的变化：此段由热引起的变化：（1）蛋白质的水合作用和变性；

16、）蛋白质的水合作用和变性；（2）淀粉的水合作用、胶凝作用和糊化；）淀粉的水合作用、胶凝作用和糊化；（3）氨基酸和还原糖起褐变反应；）氨基酸和还原糖起褐变反应；（4）食品原料中的抗营养因子、维生素和酶发生化学变化；）食品原料中的抗营养因子、维生素和酶发生化学变化；（5）食品原料中的微生物被杀灭。）食品原料中的微生物被杀灭。 蒸煮中包含大部分食品组分：碳水化合物、蒸煮中包含大部分食品组分：碳水化合物、脂肪、蛋白质和水的转变或反应，它们在脂肪、蛋白质和水的转变或反应，它们在这个过程中发生质构重组。这个过程中发生质构重组。 物料在挤压机中的复杂的变化使得其在挤物料在挤压机中的复杂的变化使得其在挤压机中

17、模拟计算不好进行（建立物理化学压机中模拟计算不好进行（建立物理化学方程式困难的原因）。方程式困难的原因）。 塑料挤压的熔化过程如图所示。塑料挤压的熔化过程如图所示。第三节第三节 挤压机内食品原料的加热和熔融挤压机内食品原料的加热和熔融 挤压机结构特性：挤压机结构特性：这段里的螺距是整个螺杆这段里的螺距是整个螺杆上最小的部分或者是螺旋槽底径最大的部分。上最小的部分或者是螺旋槽底径最大的部分。应保证螺杆在熔融段将食品固体物料彻底熔融，应保证螺杆在熔融段将食品固体物料彻底熔融，并使之定压、定温和定量地从挤压机模头挤出，并使之定压、定温和定量地从挤压机模头挤出，以获得稳定的产量和高质量的制品。因此，又

18、以获得稳定的产量和高质量的制品。因此，又将此段称为限流段或均化段。将此段称为限流段或均化段。 能量变化：能量变化：由于摩擦和剪切作用的加剧，此由于摩擦和剪切作用的加剧，此段机械能转化成热能最多。段机械能转化成热能最多。 理论研究：理论研究：将物料在熔融段的运动作为粘性将物料在熔融段的运动作为粘性流体的流动来研究。流体的流动来研究。第四节第四节 挤压机内的均压和挤出成型挤压机内的均压和挤出成型 均压成形段的作用均压成形段的作用：建立一个均压区，使物：建立一个均压区，使物料稳定均匀地通过模头，使挤出的产品成为料稳定均匀地通过模头，使挤出的产品成为所需要的形状。所需要的形状。 结构要求：为保证模头各

19、孔的进口压力相等，结构要求：为保证模头各孔的进口压力相等，物料流速相同，在螺杆的末端加物料流速相同，在螺杆的末端加均压板即多均压板即多孔板孔板，在模头的进口端加，在模头的进口端加导流板即分配盘导流板即分配盘。导流板的模孔进口处作成锥形。导流板的模孔进口处作成锥形。 多孔板作用多孔板作用：物料通过多孔板之后的运动流向与：物料通过多孔板之后的运动流向与轴向平行，并能使各方向的压力均匀。轴向平行，并能使各方向的压力均匀。 导流板作用导流板作用：将物料均匀、定量地引到模板上的：将物料均匀、定量地引到模板上的各出料孔。既能保证各模孔的出料量相同，又要各出料孔。既能保证各模孔的出料量相同，又要减少因模板进

20、口端面效应引起的压力降。减少因模板进口端面效应引起的压力降。 模孔作用模孔作用：被挤压食品流动通过的形状孔，模孔：被挤压食品流动通过的形状孔，模孔的断面形状决定了挤压食品的最终形状。形状：的断面形状决定了挤压食品的最终形状。形状：圆形、环形孔、夹缝等。圆形、环形孔、夹缝等。 设计要求：为保证每个孔的流动阻力相差不大，设计要求：为保证每个孔的流动阻力相差不大，每个孔的大小尺寸误差和形状误差都要制作得每个孔的大小尺寸误差和形状误差都要制作得尽量小。尽量小。 qm1 :输送段的输送能力；输送段的输送能力； qm2 :压缩剪切段的输压缩剪切段的输送能力；送能力； qm3 :熔融段的蒸煮能力；熔融段的蒸

21、煮能力； qm4 :均压挤均压挤出成形能力。出成形能力。正常工作条件：正常工作条件： qm1等于或稍大等于或稍大于于 qm2等于或稍大于等于或稍大于 qm3等于或稍大于等于或稍大于 qm4；饥；饥饿喂料：饿喂料：qm1qm2qm3qm4。第五节第五节 挤压过程中碳水化合物、挤压过程中碳水化合物、蛋白质和脂肪的变化蛋白质和脂肪的变化一、碳水化合物在挤压过程中的变化一、碳水化合物在挤压过程中的变化（1）淀粉）淀粉 膨化中主要影响因素：原料含水率、挤压温度、螺杆转速、喂料速率、螺杆和机头结构等。 挤压加工中所选择的主要加工参数。 淀粉膨化前后的宏观变化 淀粉膨化前后的微观变化（扫描电子显微镜图） 直链淀粉含量增加，膨化度降低。直链、支链各占50%时，膨化效果最好。 食品原料挤出胀大的原因 玉米淀粉经挤