（制糖工程专业论文）双螺杆二次挤压法生产脱水方便米饭的工艺研究.pdf

摘要 摘要 长期以来，方便米饭的复水特性和食用品质是制约其发展的主要症结之一，人们为 此进行了不懈的努力。本论文在单螺杆挤压机研究工作的基础上，以低成本的碎米作为 主要原料，辅以其他谷物粉和食品添加剂，对双螺杆挤压工艺条件进行研究，并尝试采 用双螺杆二次挤压技术开发研制一种新型营养方便米饭，为其工业化生产提供一定的理 论参考和依据。 论文首先针对米粉在挤压蒸煮工艺过程中理化特性的变化及其变化规律开展研究， 明确了挤压蒸煮工艺是一种完全不同于普通蒸煮工艺的力化学过程，挤出物理化特性与 挤压参数存在显著的相关性，扫描电镜观察挤出物微观结构为多孔性网络结构。确定了 最佳蒸煮工艺条件为进料水分3 3 8 、螺杆转速1 9 5 2r m i n ，机筒i 区、i i 区、区的 温度分别为3 0 、5 0 c 和1 2 7 2 c ，在此条件下制备出糊化度为8 6 2 3 的高品质熟化物 料。 利用t a x t2 i 质构仪对复水后挤压方便米饭质构特性进行分析后发现，与原料籼 米的物性相比，挤压方便米饭的硬度较低，粘度有所提高，其食用品质得到了一定程度 的改善，这说明采用双螺杆二次挤压法制备挤压方便米饭是可行的。通过响应面分析， 得出挤压方便米饭制备的最佳工艺条件为：进料糊化度为6 8 、进料水分为3 2 、螺 杆转速为2 0 1 r m i n ，机筒i 区、i i 区、区的温度分别为3 0 、5 0 和5 0 。 采用微波干燥，热风干燥及微波热风组合干燥方法，对挤压方便米饭进行脱水干燥。 研究了微波功率在2 1 0 - - 一5 6 0w ，热风温度在7 0 - 一9 0 。c 干燥条件下，挤压方便米饭的干 燥动力学、复水动力学及色泽的变化情况，并建立了相应的预测模型。结果表明，微波 功率、热风温度及其组合方式对最终产品的品质有很大的影响，干燥速率、复水速率及 总颜色变化值随着微波功率、热风温度的提高而显著增加。与单独采用热风或微波干燥 法相比，组合干燥法可大大缩短干燥时间，最佳组合干燥条件为：微波功率3 0 0w ，热 风温度8 0 。 通过不同工艺制备方便米饭的物性测定和感官评价对比，表明双螺杆二次挤压工艺 生产的方便米饭3 5 分钟即可复水完全，除外观外，均优于其他工艺制备的方便米饭， 其食用品质接近籼米新鲜米饭。 关键词：挤压技术脱水方便米饭复水特性食用品质 a b m a c t a b s t r a c t r e h y d r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n de d i b l eq u a l i t yo fi n s t a n tr i c ei so n eo ft h es t i c k i n gp o i n t s m a tr e s t r i c t e di t sd e v e l o p m e n ts i n c ei tw a si n v e n t e d ，t h e r e f o r ep e o p l em a d eu n r e m i t t i n g e f f o r t sf o ri t si m p r o v e m e n t b a s e do nb r o k e nr i c ea st h em a i nm a t e r i a la n do t h e rc e r e a lf l o u r s ， f o o da d d i t i v ea n dm i c r o n u t r i e n t , t h ed o u b l ee x t r u s i o np r o c e s s e sw e r es t u d i e d 、析t 1 1t w i n - s c r e w e x t r u d e ri no r d e rt od e v e l o pan e wk i n do fn u t r i t i o n - f o r t i f i c a t i o ni n s t a n tr i c ea n da i m sa t p r o v i d i n gr e f e r e n c et oi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n f i r s t l y , e x t r u s i o nc o o k i n gi sa m e c h a n o c h e m i c a lm o d i f i c a t i o np r o c e s sw h i c hi s c o m p l e t e l yd i f f e r e n tf r o mn o r m a lc o o k i n g t h ep h y s i e o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fe x t r u d e dr i c e w a ss i g n i f i c a n t l yr e l a t e dt oe x t r u s i o np a r a m e t e r sa n dt h ep o r o s i t ym i c r o s t r u c t u r ew a s o b s e r v e db ys e m t h e nar e s p o n s es u r f a c em e t h o dw a sc o n d u c t e dt og e tt h ef o l l o w i n g o p t i m a lp a r a m e t e r s ：m a t e r i a lm o i s t u r ec o n t e n tw a s3 3 8 ，a n ds c r e ws p e e dw a s1 9 5 2r m i n , t h et h et h r e ec o o k i n gt e m p e r a t u r ew a s3 0 ，5 0 ，1 2 7 2 cr e s p e c t i v e l y t h r o u g hr e s p o n s e s u r f a c ea n a l y s i s ，t h ec o o k e dm a t e r i a lw i t hh i g hq u a l i t yw a sp r o d u c e d t e x t u r ea n a l y s i so fr e h y d r a t e di n s t a n tr i c e 谢也t w i n - s c r e we x t r u d e r , u s i n gt a x t2 i ， s h o w e dt h a ti t sq u a l i t yw a si m p r o v e dt oac e r t a i n t ye x t e n t , w h i c ht h ec o o k e dr i c e sh a r d n e s s a n da d h e s i v e n e s sd e c r e a s e d t h e s er e s u l t sr e v e a l e dt h a ti tw a sf e a s i b i l i t yo fp r o c e s s i n gi n s t a n t r i c ew i n lt h ed o u b l ee x t r u s i o np r o c e s s e s mr e s p o n s es u r f a c ea n a l y s i sa n dt h ea n a l y s i s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m a lp r o c e s s i n gc o n d i t i o no fe x t r u s i o nw e r ea sf o l l o w i n g ： g e l a t i n i z a t i o nd e g r e e ( 6 8 ) ，m o i s t u r ec o n t e n t ( 3 2 ) ，s c r e ws p e e d ( 2 0 1r m i n ) ，t h e t h r e e c o o k i n gt e m p e r a t u r e ( 3 0 c ，5 0 。c ，5 0 cr e s p e c t i v e l y ) i n s t a n tr i c e 、j v i t l lt w i n - s c r e we x t r u d e rw a ss u b j e c t e dt oc o n v e c t i v eh o t a i r , m i c r o w a v ea n d c o m b i n e dm i c r o w a v e h o t - a i rd e h y d r a t i o n t h r e em i c r o w a v ep o w e r ( 210 ，3 0 0 ，5 6 0w ) a n d t h r e ea i rt e m p e r a t u r e ( 7 0 ，8 0 ，9 0 c ) s e t t i n g sw e r ei n v e s t i g a t e dt of i n dt h ed r y i n gk i n e t i c s ， r e h y d r a t i o nk i n e t i c sa n dc o l o u rc h a n g e c o m b i n e dm i c r o w a v e - h o t - a i rd r y i n gd e c r e a s e dt h e d r y i n gt i m er e q u i r e dw h e nc o m p a r e dt od r y i n gw i t he i t h e rh o t - a i ro rm i c r o w a v ee n e r g y a l o n e p r e d i c t i v em o d e l sw e r ed e v e l o p e dt od e s c r i b ed e h y d r a t i o na n dr e h y d r a t i o nk i n e t i c s d e h y d r a t i o nr a t e ，r e h y d r a t i o nr a t ea n dt o t a lc o l o u rc h a n g eo fr e h y d r a t e dp r o d u c tg e n e r a l l y i n c r e a s e d 谢t l lm i c r o w a v el e v e la n da i rt e m p e r a t u r e c o m b i n a t i o nd r y i n g 州t l lm w = 3 0 0w a n dt = 8 0 w a so p t i m a li nt e r m so fd r y i n gt i m e ，r e h y d r a t i o nt i m ea n dc o l o u r 1 1 1 er e s u l t so ft e x t u r ea n a l y s i sa n ds e n s o r ye v a l u a t i o nr e v e a l e dt h a ti n s t a n tr i c em a d ei n d o u b l ee x t r u s i o np r o c e s s i n gc o u l dc o m p l e t e l yr e h y d r a t ef o r3 - 5 m i n ，b a s i c a l l ye x c e l l e dt h e t r a d i t i o n a lo n ee x c e p tf o rs h a p e w a sc l o s et ot h ef r e s hh y b r i dc o o k e dr i c e k e y w o r d s ：e x t r u s i o nt e c h n o l o g y ；i n s t a n tr i c e ；r e h y d r a t i o np r o p e r t i e s ； e d i b l eq u a l i t y n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： e l 期： 9 苫、6 j 孑 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，- j - 以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：够晦 导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 米饭是世界范围内的主食之一，特别是在亚洲各国。在我国南方，日人均能量摄入 量的4 0 由大米提供。随着人民生活水平的不断提高，对主食食品的方便、营养、美味 的属性要求会越来越高，营养方便米饭就是一种既能适应人民生活需求，又符合我国人 民传统饮食习惯的一种方便食品，有着巨大的市场需求。目前，传统工业化生产的方便 米饭，通过清洗、浸泡、蒸煮、干燥等工序，不但营养损失严重，复水性差，而且由于 可溶性成分的流失造成方便米饭复水后缺少适宜的粘弹性【l 捌，并且由这些工艺所生产出 来的方便米饭都未能很好地解决米饭产品固有的品质缺陷易老化【3 5 1 。 挤压加工技术集混合、熟化、破碎、杀菌、预干燥、成型等工艺为一体，其作为一 种经济实用的新型加工方法广泛用于食品生产中，且挤压法生产的淀粉类产品不易老化 1 6 7 j 。金征宇、安红周等已采用单螺杆挤压机成功研制出复合营养方便米【妒】，但是单螺 杆挤压机的工艺参数较难控制，易产生倒粉现象，且机器不容易清洗，而双螺杆挤压机 可避免这些问题的出现【1 0 , i i 】。本论文在单螺杆挤压研究工作的基础上，以低成本的碎米 作为主要原料，辅以其他谷物粉和食品添加剂，对双螺杆挤压工艺条件进行研究，并尝 试采用双螺杆二次挤压技术开发研制一种新型营养方便米饭，为其工业化生产提供一定 的理论参考和依据。 1 1 食品挤压技术特点及其应用 挤压加工技术作为一种经济实用的新型加工方法广泛应用于食品生产中，并得到迅 速的发展。与传统生产工艺相比，挤压加工极大地改善了食品的加工工艺，缩短了工艺 过程，丰富了谷物食品的花色品种，降低了产品的生产费用，减少了占地面积，大大降 低了劳动强度【1 2 1 4 1 ，同时也改善了产品的组织状态和1 3 感【1 5 1 ，提高了产品质量。但是食 品成分复杂多变，因此只有深入了解挤压技术的基本理论和食品组分在挤压机内的复杂 变化，才能提高其在食品加工应用中的效果。 1 1 i 食品挤压加工技术的特点 挤压蒸煮加工方法和传统的食品加工方法有很大不同，挤压膨化过程中淀粉的糊 化，是一个在低水分状态下的糊化过程，当物料经过挤压蒸煮后从模孔挤出时，压力和 温度突然降低，水分瞬时蒸发导致物料膨胀和气泡的产生，而温度的降低则固化、保持 了产品膨胀的形状 1 6 , 1 7 。食品挤压加工概括地说就是：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，其物料 温度随时间变化的关系见图1 1 。1 江南大学硕士学位论文 盯r 司c f ) 图1 - 1 一种挤压食品温度，时间关系图 g i g 1 - 1c o r r e l a t i o no ft e m p e r a t u r ea n dt i m eo f f o o db y e x t r u s i o n 食品在螺杆挤压过程中的特殊加热、加压的方式，其作用结果对食品质量产生有利 的影响如消化性、速食性、灭霉性等趋于最大，而对食品有害的影响如褐变、营养的破 坏等趋于最小，并且使产品具有独特的风味和质构【l 引。 挤压工艺除了具备以上多种功能外，与其他食品加工技术相比，食品挤压加工技术 还具备以下主要优点l l w ： 产品不易回生挤压加工的物料是由高温高压状态突变到常压状态，便发生 瞬间的“闪蒸 ，这就使糊化后的a 淀粉不易恢复其p 淀粉的颗粒结构，而仍保持其a - 淀粉分子结构，故不易产生“回生”现象。 营养成分损失少，食物易消化吸收挤压膨化过程是高温短时的加工过程。 由于原料受热时间短，从而可以使食品中的绝大部分营养成分末被破坏。膨化过程不仅 使原料的质构发生变化，同时其内部分子结构也发生变化，这使得膨化食品多孔的膨松 质构和其中某些成分的降解有利于消化酶的作用，有利于人体吸收。另外挤压后的淀粉 和蛋白质均易受酶作用而发生水解。 产品口感细腻谷物经挤压膨化过程后，由于在挤压机中受到高温、高压和 剪切、摩擦作用，以及在挤压机挤出模具口的瞬间膨化作用，使得这些成分彻底地微粒 化，并且产生了部分分子的降解和结构变化，使水溶性增强，改善了口感。 风味好、食用方便挤压产品可以在较大程度上对风味进行灵活调整，满足 不同消费者的需要。另外，挤压过程是个高温短时过程，有些有害因子还未来得及作用 便被破坏，避免了不良风味的产生。膨化后的制品其质地是多孔的海绵状结构，吸水力 强，容易复水。因此不管是直接食用还是冲调食用均较方便。 产品卫生水平高，保存性能好- 挤压食品加工过程时间短，原料水分含量一 般较低，这种环境不利于微生物生长繁殖。挤压食品从原料到产品，生产工艺简单，流 水线短，基本上无污染机会。挤压后的产品含水量低，一般为5 - 8 ，这种状态也不利 于微生物的繁殖。因此只要保存方法得当，便可较长时间保存。 1 1 2 食品挤压机的分类和应用 按螺杆数量分类是最常用的分类方法，它把挤压机分为单螺杆挤压机和双螺杆挤压 机两大类【1 9 。2 1 】。表1 1 列出了单螺杆挤压机与双螺杆挤压机的主要差别，显然，其中物 料的允许水分范围以及加工能力的差别应是最值得注意的方面。 2 第一章绪论 表1 1 单螺杆与双螺杆挤压机的主要差别 t a b 1 一lt h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e ns i n g a la n dt w i n - s c r e we x t r u d e r 加工能力 物料允许水分 物料内的热分布 剪断力 逆流产生程度 耐久性 受物料水分、油分等限制 l o 3 0 ( 最大可达4 0 ) 不均匀 强 高 大 在一定范围内不受限制 5 9 5 均匀 弱 低 比单螺杆稍差 实际上，食品原料一般多是不定形、不均匀、高水分、高油分、多成分类的物料， 因此，单螺秆挤压机用于进行食品加工，可以说在机理上还存在着一定的问题，食品的 挤压膨化、成型加工，更理想的是采用双螺杆挤压机。 挤压技术在食品及饲料工业上的应用越来越广泛，从早期的方便食品、休闲食品和 儿童膨化食品，到营养强化食品、水产饲料和植物组织蛋白等领域。目前，在一些欧美 发达国家，对挤压技术的理论研究越来越完善，利用挤压技术改性蛋白，研究淀粉挤压 过程中的变化，并进一步研究营养与吸收等问题。随着工艺条件的不断完善，工艺设备 的不断改进，挤压技术的应用前景必将十分广阔。 1 2 国内外方便米饭生产工艺和复水特性研究现状 方便米饭是传统主食工业化的产品，其作为一种方便食品自问世以来，一直存在两 方面的问题，一是复水时间太长；二是感官质量与传统米饭相差甚远，因此，尽管该产 品已问世几十年，但国内外市场上方便米饭生产量较小，仍然没有像方便面那样形成庞 大的行业以及各种各样的品牌。 1 2 1 国内外方便米饭生产工艺研究现状 1 2 1 1 方便米饭传统生产工艺研究现状 罐头米饭是最先发明的方便米饭，是第二次世界大战时期出现的，最初是用金属罐 封装的，但携带不太方便，而且开罐后需要加热2 0 分钟才能使用。为了克服这一缺点， 美国通用食品公司研制出了脱水米饭，亦称q 化米饭。日本也用这种产品作为军粮，并 在战后改为民用，把它作为登山、旅游的方便食品。其主要的工艺路线为：大米一淘洗 一浸泡一蒸煮一离散一干燥冷却一成品。 这种q 化米饭虽比罐头米饭更加方便，但由于经过多道处理工序，失去了原有风味， 也损失了不少营养成分，另外由于蒸煮和大量脱水，消耗能源较多，导致成本较高。为 了保持米饭的原有风味和减少加工过程中营养成分的损失，人们又研制了冷冻米饭，即 将煮熟的米饭装入气密性好的包装容器内封装后，在一2 0 c 温度进行冻结，用冷藏库贮 藏和冷藏车运输。这种米饭从生产、运输到销售有一个“冷冻链 ，尽管这种米饭能够 保持产品的风味和长期贮存，但由于成本较高而使其在普及上受限制。到2 0 世纪7 0 年 代以后，方便米饭的制造技术出现了一个飞跃，首先日本研制了蒸煮袋米饭，又称软罐 江南大学硕士学位论文 头米饭，接着又有冲洗去黏方便米饭和膨化快餐米饭相继问世，这三种米饭的问世，受 到消费者的欢迎、从而也有力地促进了方便米饭的发展。 目前，不少方便米饭生产工艺采用t - 次浸泡和二次蒸煮i - 艺 2 2 , 2 3 。它的工艺路线 为：大米品种优化_ 清洗皇旦量骂一次浸泡一一次蒸煮鱼旦鋈玛二次浸为：大米品种优化_ 清洗叫一次浸泡一一次蒸煮叫二次浸 泡一二次蒸煮一离散_ 干燥_ 冷却一方便米饭 1 2 1 2 挤压加工工艺生产方便米饭发展现状 从本世纪8 0 年代起，国外的一些学者开始尝试以挤压技术生产方便米饭，并成功 地开发出相应的产品，申请了专利 2 4 瑚l 。原料( 主要是大米) 经过粉碎，加水混合，无 需浸泡，调配后的米粉在挤压机内完成混合、输送、熟化，工艺简单，而且米粉和各种 添加剂能够有效充分混合，其生产的方便米饭复水速度快、口感细腻、风味独特。 1 9 8 2 年由美国人h a r r o w 等人首先研制了利用挤压加工工艺生产方便米饭的技术。 其将部分糊化的淀粉( 包括一定量的米粉) 、适量的n a c l 和粉末脂肪混合为面团后，以低 压强的通心粉挤压机进行冷挤压成形，得到近似于米饭颗粒产品。最后以较高的温度将 产品干燥。该产品只需3 分钟即可充分复水，但不足的是复水后难以维持外形完整。其 后，g a l l e ，l o u ，s c c l i a ，w e n g c r 等人又相继开发出类似的挤压方便米饭产品，虽然这 些产品复水速度快，但米粒保持形状的时间较短，容易发生软烂现象。 我国在利用挤压技术制备方便米的研究方面起步本世纪初，但已取得阶段性成果。 自2 0 0 0 年以来，以江南大学金征宇教授领导的研究小组，综合分析了国际上挤压工艺 生产方便米研究的特点，在结合大量实验的基础上，研制出了独特的直接成形工艺和挤 压制备方便米的新型工艺1 2 9 删，并已获得了国家发明专利( 2 0 0 4 1 0 0 1 4 1 0 5 9 2 0 0 4 3 ) 。 1 2 2 国内外方便米饭复水特性研究现状 长期以来，制约方便米饭发展的主要症结在于方便米饭的复水性能或复水后的食用 品质【3 1 1 。方便米饭的复水性能与其淀粉的糊化程度以及米粒的结构密切相关。糊化程度 越高，结构越酥松，多孔性越好，复水就越快。因此，加工过程中凡能影响淀粉糊化、 回生以及米粒结构的因素都会影响制品的质量。 1 2 2 1 传统方便米复水特性研究现状 在传统的方便米生产工艺中，浸泡、蒸煮、干燥工序以及原料选择是传统的方便米 饭生产工艺的关键工序，也是国内外学者研究的重点。为了改善方便米的复水性能和食 用品质，国内外学者做了大量的研究工作。 食品系统最明显的质构变化是由原料本身特性和加工工艺引起的理化特性变化决 定的【3 。大米特性对方便米饭生产工艺有很大的影响，大米的直链淀粉含量、胶稠度和 碱消值等与方便米饭硬度、粘性等密切相关，原料的特性对方便米饭的加工和品质有较 大影响。为了使方便米获得较好的1 2 1 感和复水特性，人们在原料的适应性、品种的选择 方面也做了大量的工作，方便米原料的选择主要是根据稻米的类型( 籼稻、粳稻、糯稻) 进行初选，然后再根据淀粉的理化特性和非淀粉成分含量的比较，进行原料复选，一般 以胶稠度较大的粳稻米作为方便米饭的原料，但方便米饭的速食性能、口感的粘弹性和 平淡的风味仍未得到解决i 强j 。 4 第一章绪论 浸泡的目的是使稻谷充分吸收水分，为淀粉糊化创造必要条件。根据生产实践，淀 粉全部糊化时，水分必须在3 0 以上，如大米吸水不足，水分低于3 0 ，则蒸煮过程中， 大米蒸不透，影响米饭质量。浸泡采取的方法包括常温和高温浸泡，方式有间隙式和连 续式。大米在浸泡过程中发生了很多变化，如：营养成分分布、大米籽粒强度的变化及 米色的变化等。研究的浸泡工艺参数有一般包括加水量、温度和时间等。有些工艺采用 二次浸泡、二次蒸煮的方法以及高压蒸煮等措施来提高米饭的吸水率和糊化度，延缓其 老化，从而使方便米饭的复水特性和实用品质得到改善【3 3 1 。另外，为了促进米粒吸水， 抑制回生，改善方便米的复水特性和食用品质，国内外学者在浸泡工序做了大量的研究 工作，如在浸泡液中添加1 3 一环糊精、糖类、食盐、单甘酯、乙醇、碳酸氢钠、柠檬酸 盐、磷酸盐、焦亚硫酸钠、蛋白酶、淀粉酶、果胶酶、纤维素酶等【粥9 1 ，取得了一定的 效果，但方便米饭的复水特性和复水后的口感并没有得到满意的解决；并且对这些添加 剂对方便米复水特性的作用机理，很少有人对此进行专门研究。 人们在干燥工艺和设备上也进行了大量的研究，如采用自然干燥、热风干燥、真空 干燥、冷冻干燥、微波干燥、高温高湿干燥以及各类方法的组合干燥法i 似4 3 】，取得了一 定的进展。 1 2 2 2 挤压方便米饭复水特性研究现状 与传统工艺制备的方便米饭的复水特性相比，挤压工艺制备的方便米饭的复水品质 有了很大的改善，但目前仍未看到有关挤压工艺对方便米饭复水特性研究的文献报道。 根据挤压技术的特点，原料的组成，原料的预处理、挤压工艺参数以及挤压设备的结构 是挤压法生产方便米饭的关键。 传统工艺生产方便米饭的原料是整粒大米，不能随意改变原料的组成。而挤压工艺 采用的原料是粉料，其原料的组成可以根据需求随意进行调整，并且添加的各种食品添 加剂、其他谷物粉与主体米粉的之间可以达到很好的复配效果。根据国外专利文献报道， 原料里一般都添加3 0 以上的糊化米粉和一定量的油脂或乳化剂、增稠剂，盐分，这些 物料对挤压方便米饭的复水速度及复水后产品的口感都产生有很大的影响。原料必须进 行一定的预处理后才能得到质量稳定的产品，水分含量、粉体的粒度等都对挤压工艺有 很大的影响。挤压工艺参数如螺杆结构、螺杆转速、机筒温度、喂料速度、模板结构等 也都对挤出物特性产生复杂的影响。另外国外采用的挤压设备存在较大的差异，从冷成 形挤压机、一般蒸煮挤压机，到根据工艺要求设计制造的专用多功能双螺杆挤压机，挤 压设备不同，其制得的产品性质上也存在很大的不同，所以根据特定的物料配方选择合 适的挤压设备也显得尤为重要。 1 3 传统方便米饭生产工艺存在的主要问题 尽管传统方便米饭生产工艺促进了传统主食工业化的进程，改善了人们的生活，但 从国内外方便米饭的研究报道和市场调研情况来看，传统工艺存在较多问题。如： 1 ) 在水中浸泡时间长，不但造成大米中水溶性成分减少，米饭的柔软性、粘度降 低，硬度增加，营养损失严重，风味较差；而且用水量大，造成废水污染【l 】。 2 ) 复水速度慢、时间长。因原料为整粒大米，结构致密，米粒不能充分吸水，虽 江南大学硕士学位论文 然蒸煮时间较长，米饭也不易完全糊化m ，4 5 1 。 3 1 传统工艺虽然采用在浸泡中或蒸煮后添加食品改良剂，但因不能很好地与大米 组分复配，故使用了较多的改良剂，造成产品成本较高，且效果并不理想【3 7 j 。 4 1 该工艺对原料品质要求较高，最终产品质量稳定性较差。 1 4 本课题的研究意义和背景 我国稻米产量年产1 8 亿吨左右，约占世界稻米总产量的1 3 ，居世界首位。大米作 为我国人民的主食，主要以蒸煮米饭直接食用为主。而大米食品工业消费为2 0 5 万吨， 占总消费量的1 5 ，尚不及饲料和损耗消费。挤压方便米饭的工业化生产，有利于加快 我国稻米的深度开发步伐，必将有助于促进我国“三农”问题的解决，推动我国食品工 业健康、高效、可持续的发展。另一方面，在稻米的收割、储藏和加工过程中，碎米的 比例高达2 0 一3 0 ，这些碎米主要作为饲料和酿造原料，附加值较低。通过综合利用 和深度开发可以提高稻米加工的附加值，提高企业的经济效益和社会效益。2 0 0 5 年我国 方便面产量为4 6 0 亿包，形成了3 2 6 亿元的产值，而食用性质类似的方便米饭的市场却很 有限。这与我国半数人以米饭为主食的食品需求极不相称。 本项目以低成本的碎米作为主要原料，辅以其他谷物粉和食品添加剂，采用双螺杆 二次挤压法制备方便米饭。双螺杆二次挤压法是一种完全采用挤压工艺而摆脱浸泡、蒸 煮等传统工艺的新方法，为开发研制出风味独特、复水特性更好营养方便米开辟新的途 径。 1 5 本课题的主要研究内容 本课题与国家科技支撑计划( 2 0 0 6 b a d 0 5 a 0 1 ) 相结合，重点研究螺杆挤压对挤出产 品理化特性的影响，探索双螺杆二次挤压法制备方便米饭的工艺路线的可行性，为其工 业化应用奠定扎实的理论基础。主要研究内容如下： 挤压蒸煮工艺对大米理化特性的影响； 挤压方便米饭双螺杆二次挤压工艺的研究确定生产挤压方便米饭的最优 工艺条件； 微波热风组合干燥条件； 挤压方便米饭的食用品质的评价。 第= 章挤压蒸纛i 艺对米粉“特性的影响 第二章挤压蒸煮工艺对米粉理化特性的影响 2 1 前言 双螺杆二次挤压法制各方便米饭的第一步是要在较高的挤压温度下得到充分糊化 的熟化物料，再将熟化物料进行涧质复配后在较低的挤压温度下顺利成形。这与安红周 等人提出的“挤压工艺与传统工艺相结合的组合制缶法”有着很大的区别，它不进行浸 泡、蒸煮等传统工艺操作。挤压蒸煮工艺不同于传统蒸煮工艺，米粉是在较低的水分下 糊化，要得到充分糊化而不使物料色泽、风味变差、并不是一件容易的事。有很多因素 制约着挤出物的品质，原料特性、螺杆结构、机筒温度、螺杆转速、喂料速度、预处理、 模板结构等变量都对挤出物特性产生复杂的影响，特别是原料水分、机筒温度和螺杆转 速显著影响挤出物的理化特性和内部结构以及功能特性【4 6 5 ”。 本章主要研究目的：分析不同的挤压燕煮工艺参数( 机筒温度、原料水分、螺杆 转速) 对原料物理化学性质影响： 制各出高品质的熟化物料，为低温成形挤压工艺提供原料。 2 2 材料与方法 2 2 1 实验设备与材料 挤压设备为济南赛信膨化机械有限公司生产的d s 3 2 双螺杆挤压机，螺杆直径 3 2 m m ，长径比1 87 5 ：1 ，螺杆转速0 3 0 0 r m i n ，机筒温度为室温3 0 0 c 连续可调。挤 压腔加工区域如图2 1 所示。 ：翌坚i 如! 鏊逝j i 签鲨划 图2 - 1 鼠螺杆挤压机挤压腔结构示意图 f i g 2 - 1e x t r u d e r p r o c e s s i n g o f t w o - s c o we x t r u d e r 扫描电子显微镜( q u a n t a 一2 0 0 ) ：荷兰f e i 公司 水浴振荡器( h z s h 型) ：哈尔滨东联电子技术”发有限公司 电子天平( f a l 0 0 4 型1 ：上海天平仪器厂 台式离心机( t d l 一4 0 b 型) ：上海壹亭科学仪器厂 电热匣温水浴锅( h h 一6 型) ：江苏金坛市荣华仪器制造有限公司 恒温鼓风干燥箱f 1 0 1 2 型1 ：上海市实验仪器厂 江南大学硕士学位论文 颗粒粉碎机( j f s d 1 0 0 i i 型) ：上海嘉定粮油检测仪器厂 碎杂交籼米( 9 7 1 8 品种) ：江苏市兴化米业有限公司； 单甘酯、大豆磷脂、硬脂酰乳酸钠：上海联合食品添加剂公司； 大豆浓缩蛋白粉：河南省双汇集团公司； b 淀粉酶：江苏省无锡酶制剂厂。 2 2 2 实验方法 2 2 2 1 生产工艺流程 高温挤压蒸煮工艺：大米( 或碎米) 一粉碎_ 过筛一复配_ 调质一挤压蒸煮_ 熟化 物料 低温挤压成形工艺：熟化物料粉碎_ 过筛_ 复配_ 调质_ 挤压成形_ 干燥一冷却 一成品 本章研究高温挤压蒸煮工艺。 2 2 2 2 检测方法 粗蛋白的测定：g b5 5 11 8 5 粮食、油料粗蛋白质测定法； 脂肪的测定：g b5 5 1 2 8 5 粮食、油料粗脂肪测定法； 氨基酸：按g b 7 6 2 4 9 9 6 测定； 碳水化合物：按g b5 0 0 9 5 9 6 测定； 2 2 2 3 表观密度( b d ) 、水溶性碳水化合物( w s c ) 、吸水性指数( 砒i ) 的测定【7 】 2 2 2 4 糊化度( d g ) 的测定p 一淀粉酶法【4 7 1 2 2 2 5 内部超微观结构：将挤出物横断切片，用扫描电镜观察，并拍照。 2 2 2 6 单因素实验 本部分选取显著影响挤出物理化特性和内部结构以及功能特性【5 2 5 4 】的三个主要影 响因素做单因素实验，即蒸煮区机筒温度、入机进料水分、挤压螺杆转速，以确定各因 素的合适范围。 将其他谷物粉、碎米按一定比例混合后粉碎，全部过6 0 目筛，加水调质成2 4 、 2 7 、3 0 、3 3 、3 6 的水分，挤压机机筒温度设定为1 2 0 - 士2 ，螺杆转速为2 2 0 r m i n ； 或设定原料水分3 0 ，螺杆转速为2 2 0 r m i n ，调节机筒温度为8 0 、1 0 0 、1 2 0 、1 4 0 、1 6 0 - a ：2 c ； 或设定原料水分3 0 ，挤压机机筒温度设定为1 2 0 - j ：2 c ，改变螺杆转速为1 8 0 、2 0 0 、 2 2 0 、2 4 0 、2 6 0r m i n 。然后以2 4 + 0 5 k g h 的速度通过喂料器加入到挤压机中，物料通过 特制模板后切割成米粒形状，当挤压机运转稳定后开始收集样品，放置在恒温干燥箱 7 0 c 干燥至水分1 2 左右，粉碎后储存于冰箱冷藏室，以备后用。 2 2 2 7 响应面实验 采用可旋转中心组合设计方法【5 5 】进行实验方案的设计。以机筒温度、进料水分和螺 杆转速三个因素为自变量( 分别用x 卜x 2 、x 3 表示) ，以糊化度为响应值( 用y 表示) ，设 计了三因素五水平共2 0 个点( 6 个中心点) 的响应面实验。 3 第二章挤压蒸煮工艺对米粉理化特性的影响 2 3 结果与分析 2 3 1 大米的主要化学成分组成和理化特性分析 本实验所用大米的主要化学成分和理化特性如表2 1 、表2 2 所示。 表2 1 原料米的化学成分组成。 t a b 2 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fr a wr i c e 、 化学组分 水分 脂类蛋白质 直链淀粉 灰分 原料、 ( )( )( ) ( )( ) 杂交籼米 1 2 4 0 0 3 78 5 12 3 1 60 5 8 8 ：测定结果为两次测定的平均值。 从表2 2 可以看出，与蒸煮米饭相比，原料米粉的糊化度( d g ) 、吸水指数( w a d 、水 溶性碳水化合物( w s c ) 测定值较低，但表观密度( b d ) 较大，这说明大米结构致密，不易 吸水。 & z - 2 原料大米和米饭理化特性。 t a b 2 - 2t h ep h y s i e o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fr a w a n dc o o k e dr i c e 4 ：测定结果为两次测定的平均值。 2 3 2 机筒温度对大米粉挤出物理化特性的影响 本实验采用的挤压机加热段分为三区，即i 区、i i 区和区。经预实验发现，随着 i 区温度和i i 区温度的升高，各项指标都没有明显的变化，这说明i 区和i i 区温度对物 料的理化特性并没有特别明显的影响。这与王亮【5 6 】等人研究的结果一致。因此，结合实 际情况，简化实验影响因素，在以下研究中都将i 、i i 区温度分别固定在3 0 、5 0 c 。本 论文中所出现的机筒温度都是指区的温度。 机筒温度是影响米粉挤压特性一个关键参数，在本实验中，机筒温度主要是通过机 筒中通入电加热和循环冷却水来控制，实验结果见表2 3 。 表2 1 3 机筒温度对米粉挤出物理化特性的影响。 t a b 2 3t h ee f f e c to fb a r r e lt e m p e r a t u r eo ns o m ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fs a m p l e 。：测定结果为两次测定的平均值。 9 江南大学砸学位论文 表2 0 机筒温度与大米挤出物理化特性的相关- 睦分析 t a b 2 _ 4 c o r r e l a t i o nb e t w e e nb a r r e l t e m p e r a t u r ea n dp h y s i c o c h e m i e a lp r o p e r t i e s o fs a m p l e 机简温度( ) d g ( )w a ( g g )w s c ( ) b d ( g m ) 在00 5 水平上显署。 从表2 3 中可以看出，随着机筒温度的升高，糊化度先升高后降低，峰值出现在 1 2 0 ，原因可能与低水分条件下淀粉的糊化温度有关，因为体系水分含量为3 0 时， 淀粉的糊化温度为1 2 0 c 。表观密度的变化趋势与糊化度的情况正好相反，是先降低后 升高，昂小值出现在1 2 0 c 。w a i 和w s c 则随着机筒温度的上升而上升，w a i 的增加表 明物料的亲水性加强这有利于最终产品的复水作用；w s c 的增加则表明随着温度的增 加，水溶性成分发生分子降解或破坏的程度加深，淀粉颗粒遭到较大程度的破坏。从表 2 - 4 中可以看出，机筒温度与w a i , 显著正相关，与d g 及w s c 旱_ 不显著的正相关，与b d 呈不显著的负相关。d g 与w s c 显著正相关，与w a i 呈不显著的正相关，与b d 呈显著负 相关。 图2 2 、图2 _ 3 分别为不同机筒温度挤出物的实物照片及扫描电镜图。 a ：8 0 c b ：1 2 0 cc ：1 鲫 囤厶2 不同机筲温度下挤出物的实物囤 f i g 2 2 p i c t u r e s o f r i c ee x t r u d e d w i t hd i f f e r n tb a r r e l t e m p e r a t u r e a ：8 0 b ：1 2 0 cc ：1 6 0 1 2 围2 - 3 不同机筒温度下挤出物的内部结构扫描图 f i g2 3s c a n n i n ge l e c t r o n i c m i c r o g r a p h so f i n n e r s t r u c h r eo fr i c ee x t r u d e d w i t h d i f f e r e n tb a r r e lt e m p e r a t u r e 第二章挤压蒸煮工艺对米粉理化特性的影响 2 3 3 进料水分对大米挤出物理化特性的影响 水分含量是影响挤压物料理化特性最重要的自变量之一。水不仅在挤压加工过程中 充当生物聚合物如淀粉、蛋白质的塑化剂的功能【5 7 l ，而且在物料挤出时由于水分的瞬时 蒸发导致物料膨胀和气泡的产生，赋予产品膨胀的形状。同时，它也影响着热能的升降、 特定机械能即单位挤出物所消耗机械能( s m e ) 的变化 5 s , 5 9 】。实验考察了其对物料各项 指标的影响，结果见表2 5 。 表2 5 进料水分对米粉挤出物理化特性的影响 t a b 2 - 5t h ee f f e c to fm o i s t u r ec o n t e n to ns o m ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fs a m p l e 4 ：测定结果为两次测定的平均值。 表2 - 6 进料水分与大米挤出物理化特性的相关性分析 t a b 2 - 6c o r r e l a t i o nb e t w e e nm o i s t u r ec o n t e n ta n dp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fs a m p l e 在0 01 水平上显著；在0 0 5 水平上显著。 由表2 5 可以看出，随着进料水分的增加，糊化度先快速升高，达到最大值8 1 0 3 后下降，峰值出现在进料水