食品膨化与挤压技术.ppt

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1930年前后将单螺杆挤压机应用到面条的连续压制上30年代后期GeneralMillsInc 首次将挤压技术用于谷物方便食品1936年 膨化玉米果首次挤压成功 到1946年才开始商品化40年代后期 蒸煮挤压机有了发展50年代 挤压蒸煮的家畜饲料得到迅速发展60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70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80年代欧共体和日本组织成立相应的专门研究开发机构90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 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 1979年 我国研制成功食品挤压机投放市场许多院校和研究所开始食品挤压技术与挤压设备的研究1986年 发表了 谷物膨化技术的研究与应用 的论文1992年 江苏工学院 现江苏理工大学 孙一源等以法国BC 45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1996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 按原料未加工颗粒 半加工颗粒及经过加工制成的粉状物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 微波膨化食品按生产工艺流程直接膨化和间接膨化 3膨化食品的分类 不易回生 便于长期贮存营养损失少 有利于人体消化吸收产品口感好风味好 食用方便产品卫生水平高 保存性能好 4膨化食品的特点 玉米大米淀粉大豆油脂食品添加剂 5常用原料及配料 6 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2000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 6 2挤压膨化原理 物料处于3 8Mpa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 6 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 6 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 6 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 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 1 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 1 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150 200 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 1 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 挤压过程可分为三阶段 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 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 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 1 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500 800r 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 单螺杆挤压机 借螺杆和机筒对物料的摩擦来输送物料双螺杆挤压机 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 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 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 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 淀粉蛋白质脂肪甜味剂调味料色素维生素和矿物质 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 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 淀粉挤压时的变化参数糊化度 糊化之后的淀粉与总淀粉含量之比 吸水指数 WAI 表示挤压后挤出物吸收水分的程度 水溶性指数 WSI 挤压后上层清液中所含原始样品的百分率 含水酒精可溶碳水化合物 用80 的酒精对挤压样品进行萃取 萃取出的成分占整个样品的比例 1 淀粉挤压时起的作用 定型作用密度控制作用硬度控制作用吸水速度控制作用风味调节 2 淀粉的糊化 糊精化和降解作用 淀粉在一定的水分含量和一定的温度下 其颗粒会溶胀分裂 内部有序态的分子之间的氢键断裂 分散成无序状态 这个作用称为糊化作用 糊化之后的淀粉也称 淀粉 淀粉糊化后 吸水性增大 易受酶的作用 进入人体后易消化 产品质地柔软 淀粉的糊化主要受温度和水分的影响 不同食用淀粉的糊化温度略有差别 其变化范围在55 85 之间 淀粉在挤压过程中的糊化是一个低水分状态下的糊化过程 在此过程中 淀粉的糊化程度与螺杆的转速 影响到剪切力和挤出时间 温度和水分含量有十分密切的关系 2 2蛋白质在挤压中的变化 植物蛋白质的组织化已有很长的研究历史 它在食品加工业中得到了较快的发展 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 组织化产品是将原料经处理后 使蛋白质的原始结构发生变化 在外加条件作用下 产生分子间的重组 形成一种类似于肉类组织结构的产品 1 挤压时水分 温度对蛋白质的影响 蛋白质在水分含量较高时加热 会发生变性 产生絮状沉淀或形成凝胶结构 挤压的过程是高温 低水分的加工过程 过程中物料呈熔融状态 并经历了均质化的作用 在高温 高压 高剪切力的作用下 改变原有的蛋白质结构 当物料被挤压经过模具时 绝大多数蛋白质分子沿物料流动方向成为线性结构 并产生分子间重排 2 挤压过程中氨基酸含量的变化 挤压过程中 原料糖含量在一定程度上影响氨基酸含量的下降 糖含量相同的情况下 氨基酸损失随温度升高而增大 而水分含量的提高则有利于氨基酸的保留 糖对氨基酸含量变化的影响主要来自美拉德反应 蛋白质在挤压过程中所产生的部分降解使游离氨基酸的含量升高 2 3挤压过程中的脂肪变化 在相同条件下 挤压食品与其他类型的食品相比往往具有较长的货架期 原因 原料一般经过挤压加工之后 淀粉糊化 蛋白质变性 生长抑制因子破坏 脂肪氧化酶和脂肪水解酶也破坏 挤压过程是一个高温高压的过程 对产品起到了很好的杀菌作用 挤压产品的水分含量一般较低 由于脂肪在挤压过程中能够与淀粉和蛋白质形成复合物 而这些复合物又能降低挤压产品在保存时的氧化现象 2 4挤压过程中的甜味剂 甜味剂的加入方式 将甜味剂混合在原料里 经挤压后 甜味剂会更均匀地分布于产品中 这样得到的产品风味柔合 将甜味剂均匀喷撒于挤出产品的表面 用这种方式得到的产品 往往入口较甜 但过后触及内部无味 产品口感不均一 一般生产时 糖要先经粉碎 制成糖粉 或制成晶粒很细的糖 许多厂家生产采用两种方式相结合 一部分甜味剂混在原料中 一部分喷撤于产品表面 常用的甜味剂 蔗糖 最常用 葡萄糖 麦芽糖 淀粉糖浆 果葡糖浆 甜菊苷 糖精 蛋白糖 2 5挤压过程中的调味料 对所添加调味料的要求必须与天然产品的香气和风味尽可能一致或相似对挤压产品的口感和组织状态不应产生影响调味料最好是能均匀地分散于产品中 至少应做到均匀分布于产品表面普通调味料 巧克力 咖啡 香草 干酪 肉味调味剂 海鲜调味剂浓缩调味料 单离香料 调合香料 2 6挤压过程中的色素 添加色素作用 能够增加食品的视觉吸引力 提高其商品价值食用色素分类 天然色素 胡萝卜素 姜黄素和红曲色素等 合成色素 2 7挤压过程中的维生素和矿物质 特点 1 大多数维生素受热不稳定 它在加工过程中的损失不可避免 挤压过程虽然温度较高 但挤压是一高温短时 HTST 过程 物料的受热强度不太大 故维生素损失也不太严重 2 物料在腔内与空气接触少 维生素A 维生素C等易发生氧化的维生素也不会因氧化而产生过多的损失 2 7挤压过程中的维生素和矿物质 3 对于谷物原料中的B族维生素 维生素B1 受热时不太稳定 pH值高时 其稳定性更差 维生素B2的热稳性相对较好 烟酸的热稳定性也较好 4 挤压过程中 维生素A和维生素C的变化较大 5 挤压食品中也经常强化一些微量元素 如铁 钙 碘 镁 锌等 通常使用的相应添加剂有硫酸亚铁 硫酸锌 碳酸钙 三磷酸钙 碘盐等 它们在挤压过程中一般不发生变化 影响挤压产品特性的参数分为两大类 原料的性质和挤压操作参数 3影响挤压操作的因素 1 水分含量原料中水分含量主要影响挤压物料通过挤压机时的黏度 挤压物料的黏度对挤压机的操作有重要影响 低水分含量通常会带来物料的高黏度 而高黏度会造成在给定的挤压操作条件下生产能力的下降 压降的增加及功率消耗的降低 2 挤压物料的类型以玉米为原料的挤压物料与在相同的挤压条件下用同一挤压机和以米粉或小麦为原料的挤压物料是十分不同的 原料的类型和原料的性质 主要是蛋白质 淀粉 脂肪以及水分的含量对被挤压物料的性质起到十分重要的作用 除了不同谷物原料之间的黏度差别影响外 成分不同所引起的内部结构也会造成产品特性的很大差别 3 原料的pH在挤压过程中调节被挤压物的pH可以影响蛋白质展开的状态 从而影响到最终产品的物理特性 在脱脂大豆粉的挤压过程中 当原料的pH为7时 挤出物的抗张强度最适合 pH的升高和降低都会造成挤出物抗张强度的下降 3 1影响重要的原料性质包括 4 原料粒子的大小送入挤压机中的原料可以是很小的片状或很大的块状 其形式可以多种多样 这些颗粒原料的性质和大小对挤压机的操作和最终产品的质量有很大的影响 对于淀粉质原料 通常可以是粉状 面粉 也可以是粗粉粒状 由于淀粉必须经过蒸煮和物理变化 因此粉粒和挤压机之间的相互作用非常重要 小粒子比大粒子更容易水化和蒸煮 因此当使用粉状原料时 在挤压机中从粒状到流体状态的转化速度更快 5 其他的成分像油脂和乳化剂这样的成分也会添加到被挤压原料中去 从而对挤压操作条件和产品的特性产生影响 这两种成分的添加都可以降低挤压过程中原料的黏度和减少挤压过程中由于黏滞性耗散所积累的热量 3 1影响重要的原料性质包括 1 挤压机的类型生产挤压产品时 单螺杆或双螺杆挤压机的选择是一个十分重要的决定 这些挤压机所产生的作用力十分不同 就像它们生产的产品一样很不相同 2 喂料速度在一定的挤压速度下 喂料量决定了最后一步加工过程中螺杆的填充程度 3 螺杆的几何形状当物料被挤压通过挤压机时 螺杆本身的特性决定了施加到物料上作用力大小的程度 在单螺杆挤压机中 可被调节的参数包括了螺杆的螺距 螺杆的直径 螺纹的顶部与腔体之间的间隙 螺杆上螺纹的数目 对于双螺杆挤压机 可选择的螺杆的几何形状及其形状范围是很大的 3 2影响挤压操作的操作变量包括 4 挤压机的长度挤压机的长度在很大程度上决定了挤压机模具处压力的大小以及物料中反应的程度 由于计量段的增长 较长的挤压机会十分典型地产生较高的压力 长螺杆会使得物料在挤压机内的停留时间延长 这会影响化学反应 如糊化反应 和物理过程 如混合作用和剪切作用 的性质 5 螺杆转速在挤压加工过程中可变的一个主要操作参数就是螺杆转速 螺杆转速能够影响螺杆被物料充填的程度 物料经过挤压机时的停留时间分布 热传递速率和挤压机机械能的输入量 以及物料所承受的剪切力大小 3 2影响挤压操作的操作变量包括 6 模具的特点模具的形状和出料口的面积对决定挤压产品的特点起着十分重要的作用 7 腔体的温度大多数挤压机的操作是通过控制温度 或者加热或者冷却来进行 加热或冷却的程度依赖于挤压机的种类 操作特点和所生产的挤压食品 挤压机内物料的温度影响到原料的蒸煮程度 进而又会影响到物料的流变特性 因此 加热或冷却会对挤压机操作产生显著的影响 3 2影响挤压操作的操作变量包括