浅谈食品挤出工艺
时间：2016-12-05 阅读：1252
| 挤出工艺种类很多，有些是非常简单的配方，如单一淀粉成分的休闲食品，有些则是复杂的配方，如含有多种成分的食品。后者是为了满足目标群体的营养需求而专门开发的。相比之下，休闲食品的设计是一种对消费者的纵容。配方中的每一种成分在营养上都起到重要作用，但是在生产过程中，不同成分之间会产生相互作用。不同的加工条件和配料组成了不同的产品，并决定了较终产品的物理属性（如膨胀），以及感官特性（例如质地、风味和口感等）。 了解挤出工艺 挤压蒸煮涉及挤出机螺杆的剪切和搅拌作用所提供的机械能应用。在这个过程中，原料从自由流动的粉末状态变为浓稠密集的粉末。随着挤出机的末端温度和压力的增加，粉末“熔化”为流体状态。也是在这个阶段，熔化过程中所含的水温度骤升，成为液体状态。 一个单螺杆挤出机由三部分组成：*节是在挤出机中加入配方原料的进料区。这个区域的特点是用于传送原料的深槽螺杆；下一个区是压缩区，螺距较短，螺杆凹槽较浅。目标是将机械能应用于混合好的原料，从而开始烹饪过程。在这个区域，原料开始熔化；在较后一个区域，熔化后的原料变为像塑料一样的非晶熔体，也被称为假塑性，在这里原料达到较高压力和温度。螺杆转子凹槽更浅，将熔化后的原料泵送到模具中。脱出模具的熔化原料突然被暴露在大气压力中，造成压力迅速下降，过热的水变成水蒸气，从而发生膨胀。 典型的食品配方通常含有以下的成分类别：蛋白质（大豆蛋白浓缩物或分离物，或乳清蛋白分离等）、淀粉（小麦面粉、大米面粉、玉米、木薯或改性淀粉）、水、脂肪和油、纤维（作为某些添加剂的一部分），以及一些次要成分如维生素和矿物质。 每一种类型的添加剂都会对较终产品和加工条件产生影响。在考虑调整原料配方时，必须认识到挤出加工条件需要有所相应改变。在某些情况下甚至需要更换螺杆结构来适应巨大的配方变化。 ◆ 蛋白质 蛋白质由氨基酸链形成，根据不同的蛋白质来源，蛋白质体积有所不同，它们按照可溶解性进行分类。 - 可溶于水：白蛋白； - 可溶于生理盐水：球蛋白； - 可溶于40% 的酒精：醇溶蛋白（小麦面筋蛋白的一部分）； - 不可溶于40% 的酒精：麦谷蛋白（小麦面筋蛋白的一部分）。 在挤出过程中，蛋白质会在淀粉团中形成一个分散相。在高剪切和温度的共同作用下，一些蛋白质（特别是水溶性蛋白）会发生变性和凝聚。然而，由于螺杆的剪切作用，蛋白质会变成很小的碎片。 从大豆、小麦或面筋中提取的蛋白质是通过水发生水合作用的，所以会形成粘性很高的面团，但因为螺杆的剪切和颗粒之间的相互摩擦作用，蛋白质会浸润成为更小的颗粒。与之相反，肌肉（鱼肉和禽肉）蛋白质相对而言对剪切力更耐受，在进入挤出机前体积不会发生变化。在挤压过程中，球状蛋白质（大豆、小麦面筋等）的加工水分含量高（超过35 %），温度超过140℃，压力和高剪切会分散形成连续的溶解现象。在这种流体状态下，蛋白质会像液体一样流动，但如果温度降低，流体会变成薄片，发生交叉结合。如果蛋白质仍能在低温下不间断流动，就会形成流线（交叉连接）。一旦流体脱离模具，水分蒸发会留下交叉结合中形成的小空隙。因此，根据不同的蛋白质类型和工艺条件（水、螺杆转速、螺杆配置等），产品结构的完整性类型可以得到控制。这点非常重要，尤其是需要改变蛋白质的溶解度和整体物理属性时。 蛋白质的变性是在挤出机中完成的，通过帮助分子接触更多的酶，提高消化率实现的。蛋白质变性通常采用蛋白质在水或水溶液中的溶解度来衡量。 溶解度低说明剪切力高，蛋白质变性更多。然而，一些蛋白质可能不需要高剪切变性或具有低溶解度。例如小麦蛋白（面筋），这种蛋白质可以在低螺杆转速下发生变性。 ◆ 淀粉 淀粉是一种需要添加水的能量来源，同时也是天然粘合剂和密度控制剂。谷物、马铃薯和木薯中含有大量淀粉。 淀粉还存在于谷物中，被称为聚合物分子颗粒。淀粉主要有两个物理形式：直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉是一种由葡萄糖组成的线性聚合物，有一到两个分支。支链淀粉比直链淀粉体积更大，是具有树枝形分支结构的多糖。 在挤出过程中，在水的存在下，淀粉颗粒首先发生水合和膨胀。在压缩区，淀粉进一步发生膨胀，蛋白质开始形成熔融相。随着更多能量的加入，蛋白质颗粒软化，较终破裂形成连续的熔融液。如果加入更多的剪切作用，淀粉分子会进一步分解成更小的糖链单元。这个过程被称为淀粉糊化。高糊精化淀粉吸水性更强，这对于谷物休闲食品而言是一个问题。因为吸收水分会使谷物食品粘牙，或很容易泡糊。因此，如果某产品在高剪切条件下加工，产品会具有很高的吸水能力和溶解度。高溶解度可以用来区分玉米片是通过挤出机或传统工艺加工而成。用挤出机加工的玉米片会在更短时间内在牛奶中溶解，而传统加工工艺剪切力更小，糊化程度低。 淀粉在休闲食品和需要改善口感的食品中起着重要作用，甚至在高蛋白配方中作用更关键。在高蛋白的配方中，至少需要有10% 的淀粉需要实现交互膨胀。淀粉也有助于保持产品的完整性，它和蛋白质一起帮助产品在脱模时保持连续相。 ◆ 水 在挤压过程中，水存在于某些添加剂中，在预处理时通过蒸汽冷凝添加到原料中，或直接进入挤出机料桶中。加入挤出机的水的比例通常会超过10%，生物聚合体水合和移动更自由。在高水平，水作为润滑剂可以减少机械能输入量。水可用于控制较终产品的密度。由于机械能（螺杆、料桶和颗粒之间的相互摩擦）的输入，如果水的添加量比较少，挤出机的温度会更高。当添加的水量较高时，水作为润滑剂会减少机械能输入量。 在较高的湿度水平，产品在脱模后会发生回弹。这是因为挤出后的产品依旧很柔软，容易发生回弹，除非达到玻璃化转变温度（Tg）。低湿度时，挤出原料将迅速变成玻璃状，细胞体积变大。与低含水量产品相比，过量加水（30% 以上）制成的产品可能密度更高，整体体积相对较小（膨胀系数）。 ◆ 脂肪 与过量的水一样，油和脂肪可以充当颗粒和挤出机螺杆之间的润滑剂。油可以减少混合物中颗粒之间的摩擦，以及螺杆表面和桶的内壁之间的摩擦。如果油（例如蔬菜）的添加量超过整个原料的2%，淀粉颗粒会发生融化，但不会分散。这将导致挤出机较后一节的熔融相温度较低，产品在脱模时不会或很少发生膨胀。在一些高蛋白含量的食品配方中，油脂含量超过2%，产品的膨胀度很小。这对于一些需要一定的横截面膨胀的产品而言可能是一个问题。在大多数情况下，高蛋白食品需要至少10% 的淀粉含量以确保足够的体积密度（克/ 升）。因此，如果为了满足热量需求必须加入油脂，这个过程在完成挤出后通过涂层设备完成。 在高脂配方中，螺杆配置必须更激进，或输入更多机械能，才能确保产品的横向和纵向膨胀。挤出机中加入油脂可以控制产品密度。因此，通过控制油的添加量，可以加工口感*、质地紧实或酥松的食品。在挤出机中添加油脂必须考虑到氧化问题，氧化可能会影响休闲食品中维生素的稳定性及其它感官属性。没有证据表明脂肪会在挤出机中发生氧化；然而，螺杆摩擦会使亲氧化剂材料释放到原料混合物中，这会导致氧化。此外，膨胀过程中发生氧化还会产生气泡。 ◆ 纤维 大多数谷物中都存在纤维，一些配方中可能包括糠。与淀粉一样，纤维也是一种葡萄糖聚合物，但是分子之间有着不同的链接。这种不同的链接（β1-4 与α1-6 淀粉）是纤维容易被大多数物种消化的原因，除了会产生β *的细菌以外。纤维不会影响挤出机的机械能输入，但它的膨胀性能并不理想。低浓度（1-2%）的糠颗粒影响不大，但随着添加比例的提高（超过6%）就会减少膨胀。因此，高纤维含量的配方会阻碍产品膨胀能力，形成不同的感官属性。 ◆ 矿物质 在挤压过程中矿物质不会发生变化。然而，一些矿物质可能会促进泡沫在分散液相中的形成。较小的气泡会增加表面积，有利于休闲食品的油脂涂层。新型真空类型的涂层系统偏好多孔表面的产品，油脂的渗透性更好，包装材料上黏附的油脂也更少。 结论 配方设计应基于工艺参数的较优组合来实现所需的产品属性，同时较大限度地提高产品的营养价值和挤出机产量。配方的微妙变化可能需要重新调整工艺参数或工艺流程。而配方的大幅调整则需要对整个工艺进行重新优化，这可能甚至包括改变螺杆结构。并不是所有的休闲食品配方都可以用相同的螺杆配置或相同的加工条件来加工的。(end) |