挤压与膨化技术

挤压与膨化技术食品挤压加工:将食品物料置于挤压机的高温高压状态下，然后突然释放至常温常压，使物料内部结构和性质发生变化的过程。第一节概述谷物食品的传统加工工艺：粉碎→混合→成型→烘烤或油炸→杀菌→干燥等。一、挤压加工的基本概念食品挤压加工技术：集混合、搅拌、破碎、加热、蒸煮、杀菌、膨化及成型等为一体的高新技术。二、挤压加工的发展历程

塑料制品的挤压加工→活塞式或柱塞式灌肠机→单螺杆挤压蒸煮机（1936年，膨化玉米圈）→双螺杆挤压蒸煮机→多螺杆挤压蒸煮机等

日本在第二次世界大战期间，就用挤压方法加工米、麦，作为军粮。

20世纪40年代末期，挤压机的应用在食品领域中进一步扩大：

方便食品、小吃食品、断奶制品、儿童营养米粉等；

美国用挤压式膨化机生产出小学生课间食品。

应用HTST挤压机对食物进行有效热处理、杀菌、钝化酶活力；挤压快餐食品迅速发展起来；挤压加工技术应用领域由单纯生产谷物食品，发展到生产家畜饲料、鱼类饲料、植物组织蛋白等；对挤压机的结构设计、工艺参数和挤压过程机理也进行了研究。

60年代中期，挤压机进一步发展完善：

研究各种谷物及蛋白类食物在挤压过程中发生的一系列变化，以及挤压食品的营养与吸收问题。挤压技术在新领域中的应用又有了扩展，如应用于水产品、仿生制品、调味品、乳品、糖果制品、巧克力制品、方便面等食品的加工。70年代，许多国家纷纷展开挤压机理的探讨：目前，国外挤压食品已成为单独一大类方便食品：

有主食类、早点类、儿童食品、各种小食品等方便食品。

。

美国的挤压膨化食品年产值达到了十几亿美元，畅销世界各地。

日本在1979年生产的挤压膨化食品种类有几百种之多，年产量14.6万吨。我国：

有悠久历史——爆米花。从70年代中期开始进行研究，1982年无锡轻工大学从法国Clextral公司引进一台BC-45双螺杆挤压机进行挤压技术的研究。

挤压膨化食品朝着高效节能、产品风味多样化、美味化方向发展。近几年来，我国用挤压方法生产食品得到了很大的发展。较为突出的研究包括：江南大学关于挤压膨化对淀粉、蛋白结构影响的研究；北京化工大学可视双螺杆挤压机的成功研制。另外，有研究单位将挤压膨化应用在细胞破壁方面，研究结果喜人。三、膨化及挤压食品的基本概念及分类1、膨化食品

定义：膨化食品是指采用膨化工艺制成的体积明显增大，且具有一定酥脆度的食品。GB17401-1998QB22699-2008对膨化食品的表述是相似的。膨化食品是指以谷物、薯类或豆类、蔬菜等为主要原料,经加湿(调整水分)、焙烤、油炸或挤压等，制成具有一定膨化度、体积明显增大,且具有一定酥松度的食品。膨化食品的分类据GB17401-2003分类

膨化食品按生产工艺的不同分为2类：（1）油炸型膨化食品。原料经过食用油脂煎炸或用调味的植物油喷洒、浸渍和干燥等方式而制成的膨化食品。（2）非油炸型膨化食品。原料经膨化器加温(调整水分)、挤压、焙烤和调味(或不调味)而制成的膨化食品。据QB2353-1998划分膨化食品可分为4种类型。(1)焙烤型膨化食品。以谷类、薯类或豆类为主要原料,经焙烤、焙炒或微波等加热方式膨化而成。(2)油炸型膨化食品。以谷类、薯类或豆类等为主要原料,经食用油煎炸膨化而制成。(3)直接挤压型膨化食品。以谷类、薯类或豆类,经挤压机挤压,在高温、高压条件等为主要原料下,利用机内外的压力差,使产品膨化而制成。(4)花色型膨化食品。以焙烤型、油炸型或直接挤压型膨化食品为坯子,用油脂、酱料或果仁等辅料夹心或涂层而制成。按原料划分：原料不同的膨化食品可分为4种类形。(1)淀粉类食品,如玉米、大米和小米等。(2)蛋白类食品,如大豆及其制品。(3)淀粉和蛋白类混和的食品,如虾片和鱼片。(4)果蔬类膨化食品。膨化食品的特点1、不易产生“回生”现象，便于长期保存2、营养成分损失少，食物易消化吸收3、产品口感细腻4、风味好，食用方便5、产品卫生水平高，保存性能好优点：缺点：1、高脂肪、高热量、高盐、高糖、多味精，属“四高一多”食品；2、容易造成饱腹感，影响正常饮食。

在利用膨化工艺进行加工食品时，应尽量避免单一的制造膨化食品，而是要充分利用膨化工艺对食品原料性状的改善作用。2、挤压食品概念食品物料在压力作用下，定向地通过一个模板，连续成形地制成的熟或半熟、膨化或非膨化食品，称为“挤压食品”挤压食品的特点挤压食品的加热、熟化和挤压成形是在一台挤压机内，用很短的时间几乎是同时完成的食品在被挤出模头时，由于压力的突然下降，水蒸汽迅速膨胀和散发，使产品形成多孔结构挤压过程中特殊加热、加压方式，能对食品产生有利影响，如使食品的可消化性、速食性、灭酶率等趋于最大3、挤压膨化食品的概念概念利用挤压作用，一次性完成原料的熟化、破碎、杀菌、预干燥和膨化成型等工艺制成的食品第二节膨化食品加工的原理食品膨化挤压膨化挤压组织化高温膨化气流膨化第一节膨化原理1.挤压膨化原理

膨化准备阶段：挤压型膨化食品的原料主要是含淀粉较多的谷物粉、薯粉或生淀粉等。这些原料由许多排列紧密的胶束组成,胶束间的间隙很小,在水中加热后因部分胶束溶解、空隙增大而使体积膨胀。挤压阶段：当物料通过供料装置进入套筒后,利用螺杆对物料的强制输送,通过压延效应及加热产生的高温和高压,使物料在挤压筒中被挤压、混合、剪切、混炼、熔融、杀菌和熟化等一系列复杂的连续处理,胶束即被完全破坏形成单分子,使淀粉糊化,在高温和高压下其晶体结构被破坏,此时物料中的水分仍处于液体状态。

膨化阶段：当物料从压力罐被挤压到大气压力下后,物料中的超沸点水分因瞬间的蒸发而产生巨大的膨胀力,物料中的溶胶淀粉体积也瞬间膨化,这样物料体积也突然被膨化增大，从而形成了疏松的食品结构。返回挤压组织化原理

含较多蛋白的原料，在挤压机内，由于所受的剪切和摩擦力的作用，使维持蛋白质的三级结构的氢键、范德华力、离子键、双硫键遭到破坏，形成了相对线性的蛋白质分子。当物料通过模具时，较高的剪切力和定向流动作用更加促使蛋白质分子的线性化、纤维化和直线排列，通过氢键、范德华力及酰胺键作用使蛋白质分子重新聚合，从而改变了蛋白质分子微观结构。返回高温膨化原理

通过油炸、焙烤、微波等热加工处理，使水分迅速汽化，形成膨化压力，从而使物料组织迅速膨胀，并形成具有网状组织结构特征的多孔状物质。返回气流膨化的原理

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，由于水分的突然汽化、闪蒸，使谷物组织呈现海绵状结构，体积突然增大几倍到十几倍，从而完成膨化的过程。返回典型的食品膨化机由料箱、螺旋送料器、混合调理器、螺杆、蒸汽注入孔（或电加热器），压模、切刀、齿轮变速箱和电动机等部分组成。

混合调理器的作用是对物料先进行湿化和预热。螺杆系统的作用是对物料进行输送、压缩、混合、剪切、蒸煮和灭菌等作业。二、挤压膨化机械挤压膨化机械的分类根据螺杆转速根据机筒装置结构根据螺杆头数普通挤压机高速挤压机超高速挤压机整体式挤压机可分式挤压机单螺杆挤压机双螺杆挤压机多螺杆挤压机分类1．单螺杆食品膨化机为了适应不同的物料，并考虑到便于制造和维修，常将螺杆加工成几段，按需要加以拼接，相应地机筒也可以加工成几段。为了使物料在机筒内承受逐渐增大的压缩力，常将螺杆与机筒配合为如下三种型式：结构简单，制造方便、这种配合方式，应用较为广泛。

机筒呈圆锥形，因此机筒制造困难，因此很少采用。

螺杆制造较为方便，在单螺杆食品膨化机上应用也较多。2．双螺杆食品膨化机

双螺杆食品膨化机是由料斗、机筒、两根螺杆、预热器、压模、传动装置等部分组成。其主要工作部件是机筒和一对相互啮合的螺杆。两根螺杆的啮合型式，可以分为非啮合型、部分啮合型和全啮合型。啮合型双螺杆根据两根螺杆的旋转方向，可分为同向旋转和反向旋转两种，见下图。目前大部分双螺杆食品膨化机采用同向旋转方式。

SPJ-40双螺杆挤压机（华南农业大学研发）螺杆构造可调整的螺旋组合

混合螺旋

揉搓剪切螺旋

双轴联轴器端螺旋

双螺杆食品膨化机的特点是：①输送物料的能力强，很少产生物料回流和漏流现象；②螺杆的自洁能力较强；③螺杆和机筒的磨损量较小；④适用于加工水分较低和较高（8％～80％）的物料，对物料适应性广，而单螺杆食品膨化机加工时，若物料水分超过35％，机器就不能正常工作；⑤生产效率高，工作稳定。完整的挤压食品加工过程挤压机内各阶段的工作过程和质构变化三、挤压过程和质构变化（一）完整的挤压食品加工过程原料粉碎混合预处理输送喂料压缩粉碎混合加热熔融升压切断挤出烘干(冷却)调味成品包装挤压生产过程实际上是连续渐变的螺杆长径比L/D小的螺杆挤压机各段的区别不明显尤其是加热、熔融、升压几乎就在螺杆顶端与模头之间的很窄的一个区域同时完成正是由于这么多工序都在一台挤压机内完成，所以，挤压加工具有占地面积小、用时短等许多优点

几点说明图食品挤压生产线设备流程示意图

1－锥形混合机2－螺旋提升机3－预处理机4－双螺杆挤压机5－挤出模头6－切割机7－烘干（冷却机）8－调味系统9－计算机控制系统12345678一种挤压膨化食品的温度、时间变化曲线1、挤压机内的输送和混合输送段螺杆上的螺旋螺距不变，螺槽深，物料只是被推动向前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动之外，还兼有搅拌作用。有的生产工艺还在此段加入液体辅料，与主料充分混合。这一段螺杆上的螺距比输送段的略小，故有轻微压缩的作用（二）挤压机内各阶段的工作过程和质构变化输送和混合特点物料是以相对自由的颗粒状汇集螺槽内食品物料很少或没有内部剪切物料尚未发生任何质构上的变化，能量的消耗不大2、挤压机内食品原料的压缩和剪切这段螺旋的变化如图所示压力---温度dA<dB<dC压缩和剪切的特点物料继续被推进，由于摩擦热和剪切热以及有的还有外热，使物料的温度急剧上升，部分物料开始由固态粉粒状变成液态状，并与固态粉粒相混合揉捏而成面团食品物料在剪切段中开始发生质构变化，从一种生的或没有“煮”过的粒状改变为可塑面团，向熔融状态过渡，故又称为过渡段此过程由热引起的变化蛋白质的水合作用和变性淀粉的水合作用、胶凝作用和糊化氨基酸和还原糖的褐变反应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微生物被杀灭3、挤压机内食品原料的加热和熔融

该段螺距最小、螺旋槽底径最大，机械能转化成热能最多；有的还外部给予加热；因此，在这段里压力和温度急剧上升，并在螺杆端头和模头之间的间隙处达到最大值。4、挤压机内的均压和挤出成形物料熔融后，在螺杆的推动下进入均压和成形段均压和成形段的作用是建立一个均压区，使物料稳定均匀地通过模头，使挤出的产品成为所需要的形状图5单螺杆小直径挤压机出口简图1-螺杆2-筒体3-模头

小型挤压机的均压段结构简单，就是在螺杆端部与模头之间的一个狭小间隙形成均压空间，基本上保证模孔处物料的进出压差，使挤出的产品符合要求，如图所示

均压和挤出成形

对于大直径的单螺杆挤压机或双螺杆挤压机来说，模头模孔的数量不止一个，孔的形状也较复杂，为保证模头各孔的进口压力相等，物料流速也相同，通常的设计方法是在螺杆的末端加均压板即多孔板，在模头的进孔端前加导流板，如图6所示

图6双螺杆挤压机均压形成示意图1—螺杆2—机筒3—多孔板4—导流板5—模头图7平板状分流板尺寸

图7是一多孔板实例。物流通过多孔板之后的运动流向与轴相平行，并能使各方向的压力均匀图8导流板、模孔中的物料流线示意图

在多孔板之后模板之前还有一个导流板或叫分配盘，它的作用是将物料均匀、等量地引到模板上的各出料孔1—导流板2—模孔板挤压机工作应注意的问题

食品挤压理论及挤压机的试验研究，对于挤压机的设计与改进是极为重要的特别注意各段生产能力的变化，注意挤压机各段的生产能力应该是相等的

绝不允许出现qm1<qm2<

qm3<qm4的情况

qm1——挤压机输送段的输送能力

qm2——挤压机压缩和剪切段的能力

qm3代表挤压机熔融段的蒸煮能力

qm4代表均压挤出成形能力四、挤压中食品成分的变化挤压过程中碳水化合物的变化挤压过程中蛋白质的变化挤压过程中水、脂肪与乳化剂的变化挤压过程中风味剂的变化（一）碳水化合物的变化碳水化合物淀粉纤维素葡萄糖蔗糖1、淀粉

有两种淀粉常用于挤压加工——普通淀粉和变性淀粉

普通淀粉：主要是谷粒和淀粉质块根作物中的淀粉。变性淀粉：通过化学变性、分离变性、氧化处理、预糊化、酶进行选择性处理等方法加工制得的淀粉。(1)密度控制

直链淀粉：含量大或者经过化学变性的淀粉通常导致挤压的产品密度较大。支链淀粉：含量大，生产的挤压产品膨化程度较大。淀粉在挤压加工中起以下作用:(2)增大强度

直链淀粉和变性淀粉可使膨化食品硬度增大，质地较硬，膨化制品的抗碎强度大，减少破碎。制作膨化小吃食品时，为了达到有良好的口感和一定的硬度，直链淀粉含量一般需20%~50%。降低吸水率：变性淀粉具有较硬的燧石性组织结构，可降低挤压产品的吸水速率，能使产品在水中或在液状食物中不会立即变成糊状，而能较长时间保持产品的外型。风味调节：支链淀粉含量高的淀粉能加工成膨化程度大、气味柔和的产品，稍需修饰原味即可对食品作精美调味。脂肪的粘合：变性淀粉可“抓住”(即粘合)肉类挤压食品里的脂肪，降低收缩性。

延长贮存期：稍微变性的预胶凝糯性淀粉可使产品保持松脆的时间延长。淀粉在挤压过程中的变化纯淀粉先是由未胶化的白色逐渐变为凝胶化的无色半透明体淀粉在升压、升温和剪切的共同作用下，大分子结构键断裂而变成了低分子，如淀粉结构中的1—4糖苷键断裂使其成为葡萄糖、麦芽糖等，而更主要的原因是在高温、高压下，淀粉分子发生了糊化(α化)淀粉的变化影响淀粉糊化度的因素几乎与挤压过程中所有的参数都有关：挤压温度物料水分含量螺杆转速挤压机结构(螺杆、简体的形状)剪切力淀粉在挤压机内的滞留时间模头出口形状等淀粉与膨化效果直链淀粉含量增加，则膨化度降低有资料表明，直链淀粉和支链淀粉各占50％时，膨化效果最好返回2.纤维素在挤压过程中变化较一致的看法是纤维素经挤压后，可溶性膳食纤维的量相对增加(一般增加量在3％左右)原因：高温、高压再加上高剪切作用，促使纤维分子间价键断裂、分子裂解和极性变化影响：原料中的纤维素含量增加，则膨化度降低纤维素的来源、纯度，均明显影响膨化度返回3.葡萄糖、蔗糖等的变化挤压食品物料中含有的糖成分会影响淀粉的糊化由于挤压过程中高温、高剪切的作用能使糖分解成羰基化合物，它同物料中的蛋白质发生美拉德反应，使产品的颜色变深返回（二）.蛋白质挤压过程中，蛋白质变性和组织化，同时蛋白质的含量也有所变化。

挤压后蛋白质(总氮)含量有所下降，营养价值有所降低，游离氨基酸的含量升高，但由于结构变化，消化利用率得到了提高。（1）蛋白质的变化

蛋白质含量高降低制品挤压时的膨化程度。物料中蛋白质含量高于40%时几乎没有膨化。（2）蛋白质对挤压加工的影响

挤压过程中若蛋白质含量高，则物料的粘稠度大，挤压过程中的能耗大。（三）水、脂肪与乳化剂（1）水：聚合物的增韧剂，可以减少物料之间相互作用力，并且使得所需输入能下降。

前提：含水量在10%－25%(湿基)。

含水量>30%(湿基)时，水便成了聚合物的溶剂，而使淀粉等聚合物变得松软易碎。（2）脂肪在挤压过程中的变化

一般来说，挤压机在生产时，要求原料中的脂肪含量低于12％，因为高脂肪含量的物料与筒体之间的摩擦因数小造成打滑。

另一方面，对于某些物料，一定量的脂肪可以预防物料在挤压腔里堵塞。

所以，脂肪的含量应限定在一定范围之内，不同物料，范围也不相同。从加工工艺性能来讲：（2）脂肪：起润滑剂的作用；调整产品的质量。

脂肪在挤压过程中能够与淀粉和蛋白质形成复合物；

挤压温度↑→复合体生成量↓，反之亦然；

脂肪复合体的生成除了可以防止氧化，延长产品货架期外，还会改善产品的质构和口感。

复合物的形成→氧化现象↓，游离脂肪的含量↓

脂肪含量相同的情况下，脂肪复合体的生成量与

产品膨化率成正相关关系。

在高温、高压和高剪切条件下，甘油三脂会部分水解，产生单甘油和游离脂肪酸，这两种产物与直链淀粉会形成络合物，影响挤压过程中的膨化，导致最终产品中淀粉的溶解性和消化率降低，故脂肪对挤压食品的质构重组、成形、口感等影响较大分子具有亲水端和疏水端的化合物。添加到水油混合物中时，即排列在水和油的界面，使界面上存在的表面张力得以降低。

但脂肪会影响到产品的膨化率。

一些乳化剂（卵磷脂、甘油一、二酸酯等）与淀粉形成络合物以延缓淀粉凝沉和老化，通过氢键与蛋白质形成络合物，以降低其可抽提性。

脂肪含量在10%以下时，它对产品膨化率的影响很小，但含量较高时，会使产品的膨化率明显下降。（3）乳化剂：（四）风味剂

甜味剂常用的甜味剂：蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、淀粉糖浆、果葡糖浆、甜菊苷、糖精、蛋白糖等。最常用的是蔗糖。（1）产生焦糖化现象；（3）降低产品的膨化率，挤压过程中糖的变化和影响：（2）产生美拉德反应（4）降低原料中淀粉的糊化率。一般情况下，糖含量<10%，对膨化率的影响较小。当含量>15%时，影响较明显。通常，糖含量在10%~15%之间，会获得较满意的口感。

调味料

各种调味料对挤压加工的影响不大，主要注意在挤压加工中的加入时间，以避免风味的损失，以及风味的变化，影响产品的质量。五、挤压与膨化技术根据物料的特点及成品的状态：直接挤压膨化技术间接挤压膨化技术挤压组织化技术（一）分类1、直接挤压膨化技术以含淀粉较多的谷物粉、薯粉或生淀粉等为原料，在200℃左右高温、3~8MPa高压的挤压室内，通过挤压、混合、剪切、熔融、杀菌和熟化等一系列复杂的连续处理方法，使淀粉糊化。糊化的淀粉含有大量的高温高压的水分，当物料从挤压室通过模具进入室外时，压力骤减，物料中的水分急剧汽化膨胀，巨大的膨胀力促使物料形成疏松多孔的结构。（二）挤压膨化技术简介原辅料→配料→调整水分→熟化、挤压成型（水：8%~12%）→干燥（水：2%~3%）→喷涂、包被→包装→产品例：第二代小吃食品加工工艺（洋葱圈、马铃薯条等）2、间接挤压膨化技术与直接挤压膨化相比，间接挤压膨化具有组织结构均匀、口感好的优点。物料在挤压机中经过蒸煮、熟化等处理后，先使其降压降温，在物料温度低于100℃时，再将物料通过模板。在物料通过模板时，其温度低于水的沸点，不会汽化，物料也不被膨胀。此方法目的是让物料处于熟化、半熟化或组织化状态，给予产品一定的形状。然后再通过油炸、烘焙、微波、超声波等处理使其膨化。

原料→蒸煮挤压机→成型挤压机→干燥机→油炸→包被、涂层调味→包装→产品加工工艺实例(2)原料→调理(调质)器预糊化→成型挤压机→干燥机→油炸→包被、涂层调味→包装→产品

例：颗粒球形食品的