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膨化食品加工技术第一章 膨化食品加工概述(The Puffing Food Process) 第一节膨化食品的概念和分类 广义上的膨化食品 (Puffing Food) ，是指凡是利用油炸、挤压、沙炒、焙烤 微波等技术作为熟化工艺，在熟化工艺前后，体积有明显增加现象的食品。 膨化( Puffing )是利用相变和气体的热压效应原理，使被加工物料内部的液体迅速升温汽化、增压膨胀，并依靠气体的膨胀力，带动组分中高分子物质的结构变性，从而使之成为具有网状组织结构特征，定型的多孔状物质的过程。膨化食品是指以膨化工艺过程生产的食品。 膨化方法的分类 (The Category of Puffing Method) （一） 按膨化加工的工艺条件分类 （二） 一类是利用高温，如油炸、热空气、微波膨化等。 另一类是利用温度和压力的共同作用，如挤压膨化、低温真空油炸等。 1.高温膨化（High-temperature Puffing) 高温膨化技术是一种现代化的机械挤压成型技术与比较古老的油炸膨化、沙炒膨化等处理工艺结合起来从而生产膨化食品的一种技术。其中，微波膨化、焙烤膨化等新型膨化技术也应属于这一范畴。 油炸膨化（ Frying Puffing)：是利用油脂类物质作为热交换介质，使被炸食品中的淀粉糊化、蛋白质变性以及水分变成蒸汽从而使食品熟化并使其体积增大。油炸膨化的油温一般在160一180，最高不超过200。 热空气膨化（ Hot-air Puffing)：包括气流膨化、焙烤膨化、沙炒膨化，是利用空气作为热交换介质，使被加热的食品淀粉糊化、蛋白质变性以及水分变成蒸汽从而使食品熟化并使其体积增大。 微波膨化（ Microwave Puffing)：是利用微波被食品原料中易极化的水分子吸收后发热的特性，使食品中淀粉糊化、蛋白质变性以及水分变成蒸汽，从而使食品熟化并使其体积增大。 2温度和压力的共同作用的膨化 低温真空油炸膨化（ Low-temperature Vacuum Frying Puffing）：在负压条件下，食品在油中脱水干燥。若在真空度2.67千帕、油温100进行油炸，这时所产生的水蒸气温度为60C。若油炸时油温采用80?120C，则原料中水分可充分蒸发；水分蒸发时使体积显著膨胀。采用真空油炸所制得的产品有显著的膨化效果，而且油炸时间相对缩短。 挤压膨化（ Extrusion Puffing）：一般食品物料在压力作用下，定向地通过一个模板，连续成型地制成食品，被称为“挤压”。挤压食品有膨化和非膨化两种。非膨化挤压食品不在本书的探讨之列。 （二）按膨化加工的工艺过程分类 1直接膨化法又称一次膨化法，是指把原料放人加工设备(目前主要是膨化设备）中，通过加热、加压再降温减压而使原料膨化。 2间接膨化法 又称二次膨化法，就是先用一定的工艺方法制成半熟的食品毛坯，再把这种坯料通过微波、焙烤、油炸、炒制等方法进行第二次加工，得到的酥脆的膨化食品。 膨化食品的分类 (The Category of Puffing Food) 按膨化加工的工艺条件分类 油炸膨化食品：根据其温度和压力，又可分为高温油炸膨化食品和低温真空油炸膨化食品。 微波膨化食品：利用微波发生设备进行膨化加工的食品。 挤压膨化食品：利用螺杆挤压机进行膨化生产的食品。 焙烤膨化食品：利用焙烤设备进行膨化生产的食品。 沙炒膨化食品：利用细沙粒作为传热介质进行膨化生产的食品。 其他膨化食品：如正在研究开发的利用超低温膨化技术、超声膨化技术、化学膨化技术等生产的膨化食品。 按膨化加工的工艺过程分类 直接膨化食品：又称一次膨化食品，是指用直接膨化法生产的食品。如爆米花、膨化米果等。 间接膨化食品：又称二次膨化食品，是指用间接膨化法生产的食品。如果是利用双螺杆挤压机生产食品毛坯后再加工，则称为第三代 挤压食品。 按原料分类 淀粉类膨化食品：如玉米、大米、小米等原料生产的膨化食品。 蛋白质类膨化食品：如大豆及其制品等原料生产的膨化食品。 混合原料膨化食品：虾片、鱼片等原料生产的膨化食品。 按生产的食品性状分类 小吃及休闲食品类：可直接食用的非主食膨化食品。 快餐汤料类：需加水后食用的膨化食品。 按产品的风味、形状分类 按产品的风味、形状分类可分为成千上万种。如从风味上分，可分为甜味、咸味、辣味、怪味、海鲜味、咖喱味、鸡味、牛肉味等膨化食品。从形状上分可分为条形、圆形、饼形、环形、不规则形等膨化食品。 第二节 膨化食品的发展 一、我国膨化食品的发展 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。 二、国外膨化食品和膨化技术的发展 膨化技术作为一种新型食品加工技术，在国外发展很快。早在 1856年美国的沃德就申请了关于食品膨化技术的专利。 日本在 20世纪30年代至40年代进行侵略战争期间曾采用膨化技术加工玉米、麦类，再经过压制做成军粮。 在膨化食品领域中，膨化小食品的发展最为迅速，美国年产值已达十几亿美元。 近年来，国外利用膨化技术生产的膨化食品主要有：膨化主食、人造肉、马铃薯食品、脱水苹果、快餐食品、小食品、速溶饮料、 代乳饮料和强化食品等。还采用膨化工艺生产淀粉和处理谷物。 如今，国外食品膨化技术及其理论的研究已处于兴旺时期。 据英国金融时报近期报道； “英国食品制造业最近对已有20年历史的膨化技术再度发生兴趣，不少食品研究中心正在研究食品在挤压机中发生变化的复杂过程。食品公司希望从膨化技术中发掘出新产品的制作方法” 最近，法国蒙特皮利欧语言科学和技术大学的食品生化和工艺实验室也对蛋白质在长筒型连续式挤压机中发生的变性和蛋白质结构以及快速酶的淀粉水解等进行了研究。 近年来，美国的 Frito?Lay公司、日本的Calbee公司以及欧洲和东南亚很多著名的膨化食品生产企业纷纷在中国投资建厂，生产各种膨化食品。 美国 Frito-Lay公司在广州的合资企业广州百事食品有限公司1994年投产后仅日式牛排和海鲜味粟米脆年销售额就达1亿元人民币。 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以促进我甲食品工业的发展，是目前食品科学工作者需要考虑的一个课题。 三、膨化食品的发展前景 膨化技术的出现可以说为谷物类、淀粉类等这些我们称之为粗粮的原料在食品工业中的应用开辟了一条崭新的途径。 而且膨化食品一般都需经调味处理，因此膨化食品加工业的发展必将带动调味料工业和薄膜等包装技术的 发展。 目前将大米作为原料应用于膨化食品的生产也是生产厂家的一个研究开发方向： Eun等人在IFT19.98年年会上提出将黑米和糙米等量混合，加水至其水分含量为18%，然后在260r膨化6秒以生产一种膨化米饼的方法。 作为膨化食品的研究开发人员和生产厂家，应着重市场调查研究和产品的更新换代，不断加强膨化理论与技术的研究，开发新原料、新设备和新配方以提高自己的竞争力。 我国膨化食品工业的发展也有这方面的教训，如 20世纪80年代初期因“泡泡果”问世而兴起的“挤压膨化热”就因为后来风味单调、品种花样少而使这一行业的发展停滞不前好长一段时间。 而美国最大的膨化食品生产企业 Frito -Lay公司在全球业务迅猛发展的原因就是十分注重产品的研究开发工作，适时推出适合人们需求的新型膨化食品。 随着食品工业的发展、新技术和新工艺的出现以及人们生活水平的提高、膨化工艺技术以及膨化设备也必然不断向前发展，生产更受人们欢迎的低油、天然产品。 微波膨化技术、烘焙膨化技术作为新型膨化技术已经引起人们的重视并逐步在生产中得到应用。 而超低温膨化技术、超声膨化技术、化学膨化技术都有可能在不久的将来得到实际的应用。膨化技术与膨化食品在我国方兴未艾，随着以上各项工作的开展，以及人民生活水平的不断提高，满足大众生活需要的膨化食品必将迅速发展。四、目前要做的工作 （一）开发先进的和生产能力较大的挤压膨化设备 目前，我国的挤压膨化设备比较落后，无温度、压力测控系统和数字显示。国外先进的膨化设备已实现了给料量、膨化温度、压力的自动控制与数字显示，大大地减轻了劳动强度，提高了生产率。 现在国外食品膨化设备的类型繁多，既有适用于娱乐等公共场所使用的小型食品膨化机，也有适合家庭使用的轻便式膨化机；同时，不仅有大型连续式膨化设备，也出现了自动化膨化设备。 我国膨化机品种、规格较少，今后应大力开发多品种、多功能的各种类型膨化机。 （二）积极开展膨化理论和膨化技术的研究 进行膨化理论与膨化技术的研究，是研制性能良好的膨化设备和加工美味可口膨化食品的保证，国外对此十分重视 . 例如，美国温格尔公司设有专门的研究试制工厂，装备了 10余种不同规格的挤压蒸煮机，10余种规格的挤压螺杆和300多种挤压冲模以及其他多种设备。每年要进行近千次的实验，研究膨化理论和新的膨化设备以开发新产品 。 我国对膨化理论与技术的研究还很不够，今后应加强膨化机对物料适应性、降低能耗、新工艺、新配方及减少损失等方面的研究。 （三）不断开发新产品，生产风味多样的膨化食品 不断开发新产品，生产风味多样的膨化食品，如甜味、咸味、酸味和果味等膨化食品，以满足不同口味的消费者的需要。 我国膨化小食品与发达国家相比，差距很大。许多国家的谷物膨化小食品形状和口味均多种多样，基质原料从单一玉米，发展到马铃薯、大米、小麦、米粉加普通淀粉及变性淀粉的混合物。 从 20世纪70年代初开始，美国用上述基质原料加强化剂、大豆蛋白及调味料制成的各种小食品风靡国内外市场，成为家庭、公园、影剧院的专用小吃，销售量很大。膨化食品工业在我国是新兴行业，理论和技术的研究，产品的数量和质量与需求还有很大差距。 为使这一行业健康发展，需要一批专门的技术人才。应在充分发挥现有技术力量的基础上，建立膨化技术与膨化食品的人才培训中心，使科研、教育、生产更紧密地结合起来，以推进膨化技术与膨化食品的发展 第三节膨化食品的特点 膨化食品具有以下特点： 一、营养成分的保存率和消化率高 谷物原料中的淀粉在膨化过程中很快被糊化，使其中蛋白质和碳水化合物的水化率显著提高 ,糊化后的淀粉经长时间放置也不会老化（回生）。这是因为淀粉糊化后其微晶束状结构被破坏，温度降低后也不易再缔合成微晶束，故不易老化（回生）。 富含蛋白质的植物原料经高温短时间的挤压膨化，蛋白质彻底变性，组织结构变成多孔状，有利于同人体消化酶的接触，从而使蛋白质的利用率和可消化率提高。 二、赋予制品较好的营养价值和功能特性 采用挤压技术加工以谷物为原料的食品时，加人氨基酸、蛋白质、维生素、矿物质、食用色素和香味料等添加剂可均匀地分配在挤压物中，并不可逆地与挤压物相结合，可达到强化食品的目的。 由于挤压膨化是在高温瞬时进行操作的，故营养物质的损失小。 三、改善食用品质，易于贮存 采用膨化技术可使原本粗硬的组织结构变得膨松柔软，在膨化过程中产生的美拉德反应又增加了食品的色、香、味。因此，膨化技术有利于粗粮细作，改善食品品质，使食品具有体轻、松脆、香味浓的独特风味。 另外，膨化食品经高温、高压处理，既可杀灭微生物，又能钝化酶的活性，同时膨化后的食品，其水分含量降低到 10以下，限制微生物的生长繁殖，有利于提高食品的贮存稳定性，如密封良好，可长期贮存并适于制成战备食品。 四、食用方便，品种繁多 在谷物、豆类、薯类或蔬菜等原料中，添加不同的辅料，然后进行挤压膨化加工，可制出品种繁多、营养丰富的膨化食品。 由于膨化后的食品已成为熟食，所以大多为即食食品（打开包装即可食用），食用简便，节省时间，是一类极有发展前途的方便食品。 五、生产设备简单、占地面积小、耗能低、生产效率高 用于加工膨化食品的设备简单，结构设计独特，可以较简便和快速地组合或更换零部件而成为一个多用途的系统。 加工单位重量产品的设备所需占地面积很小。例如 ,BC45型双螺杆挤压机包括自动控制机在内所需占地面积仅为8平方米，这是其他任何食品蒸煮加工系统所不及的。 可节省生产单位重量蒸煮产品所需电、汽、水的消耗。 劳动生产率高，加工费用低。根据约翰斯顿（ Johnston）对某种HT/ST挤压蒸煮机生产的特定产品的加工费用和耗能费用的分析，每吨产品的加工费用比其他任何工业蒸煮方法的费用都要低。 六、工艺简单，成本低 谷物食品加工过程一般须经过混合、成型、烘烤或油炸、杀菌、干燥或粉碎等工序，并配置相应的各种设备； 而采用挤压方式加工谷物食品，由于在挤压加工过程中同时完成混炼、破碎、杀菌、压缩成型、脱水等工序而制成膨化产品或有膨化及组织化产品，使生产工序显著缩短，制作成本降低。 同时可节省能源 20以上，因此，它是一种节能的新工艺。 七、原料的利用率高 用淀粉酿酒、制怡糖时，原料经膨化后，其利用率达 98以上，出酒率提高20，出糖率提高12%； 用膨化后的高粱制醋时，产醋率提高 40左右；利用大豆制酱油时，蛋白质利用率一般为15%，采用膨化技术后，蛋白质利用率提高了25%。第二章膨化食品加工基本原理 (The Base Theory of Puffing Food Process) 第一节膨化加工机理 (The Theory of Puffing Process) 一、膨化的形成机理 1.膨化 膨化（Puffing）是利用相变和气体的热压效应原理，是被加工物料内部的液体迅速升温气化、增压膨胀，并依靠气体膨胀力，带动组分中高分子物质的结构变性，从而使之具有网状组织结构特征，定型的多孔物质的过程。 膨化食品(Puffing Food)是指以膨化工艺过程生产的食品。 为研究分析方便，可将整个膨化过程分为三个阶段： 第一阶段:相变段 此时物料内部的液体因吸热或过热，发生汽化； 第二阶段:增压段 汽化后的气体快速增压并开始带动物料膨胀； 第三阶段:固化段 当物料内部的瞬间增压达到和超过极限时，气体迅速外溢，内部因失水而被高温干燥固化，最终形沫状的膨化产品。 2.膨化的构成要素 只有当物料和环境同时符合膨化所需的特定条件时，膨化才有可能顺利进行。所谓特定条件就是： 汽化剂：在膨化发生以前，物料内部必须含有均匀安全的汽化剂，即可汽化的液体。 弹性小室：从相变段到增压段，物料内部能广泛形成相对密闭的弹性气体小室，同时，要保证小室内气体的增压速度大于气体外泄造成的减压速度，以满足气体增压的需要。 能量：外界要提供足以完成膨化全过程的能量，包括相变段的液体升温需能、汽化需能、膨胀需能和干燥需能能。 二、膨化动力的产生机制 1.膨化动力的产生 膨化动力的产生主要由物料内部水分的能量释放所致。 同样的外部供能条件下，在物料内部的各种物质成分中，由于水具有分子量小、沸点低、易汽化膨胀的特性，水分子热运动最先加剧，分子动能同时加大。当水分子所获能量超出相互间的束缚极值时，就会发生分子离散。水分子的分子离散使物料内部水分发生变化，产生相变和蒸汽膨胀。 其结果必然造成对与之接触的物料结构的冲击。当这种冲击作用力超出维持高分子物质空间结构的力，并超出高分子物质维持的物料空间结构的支撑力时，就会带动这些大分子物质空间结构的扩展变形，最终造成膨胀物料的质构变化。 2.膨化动力的影响因素 膨化动力的产生不仅取决于水分在物料中的形态和其结合特性，而且与水分的含量密切相关。从理论上讲，物料含水越大，可能产生的蒸汽量也就越大，膨化动力越强，对膨化的效果影响也越大。 过量水分往往是自由态和表面吸附态的水，它们很难取代或占据结合态和胶体吸润态水分分子原有的空间位置，这分间隙水往往不在密闭气体小室中，很难成为膨化动力，引起物料膨化； 过量水在外部供能时，由于与物料其他组分相互间的约束力弱，较易优先汽化，占有有效能量，影响膨化效应； 过量水会导致物料内吸润态胶体区域的不适当扩大，造成物料在增压段因升温，其中的部分淀粉已提前糊化或部分蛋白质已超前变性，反而阻碍了膨化； 含过量水的物料即使经历膨化过程，其制品也会因成品含水量偏高而回软，失去膨化制成品的应有风味。 此外，物料在膨化过程中还存在一定的含湿量梯度。不同的湿量梯度会造成膨化动力产生时间上的差异和质量的不均性，影响到膨化质量。 3.外部能量向膨化动力的转移 膨化动力虽然来源于膨化物料内部水分的分子离散所提供的动力，但这种动力也必须是由外部能量来间接供给的。 一般来说，外部能量的供给方式有：热量、机械能、电磁能、化学能能。这些能量可通过一定的传递、转换形式 作用于水分子，加剧分子热运动，增加分子动能。外部能量的传递设计必须遵循： 外部供能方式必须满足膨化动力的形成机制； 外部能量向膨化动力的转换必须保证能量的最大利用率及最佳的膨化效果； 外部供能和内部的能量变化应最大限度保持食品物料的营养性。 所以，从理论上讲，在满足上述原则的前提下，膨化工艺条件可以进行不同方式的变换和组合，这对新兴膨化 工艺技术的开发和膨化设备的发展具有极大的指导意义。 三 、物料中高分子物质在膨化中的作用 1.淀粉质在膨化中的作用 淀粉团粒内水分的含量与分配，较大程度上取决于多糖链的密度与叠集的规则性。这对淀粉的理化性质和膨化加工特性关重要。 在热压条件下，团粒内部的变化大致涉及四个不同的过程： 向微晶区域引人结合水； 无定形区中凝胶相的有限润涨； 微晶的熔融，同时已熔微晶与非晶性凝胶区的共同水化和润涨； 熔融微晶的水化导致团粒内水分重新分配，最终润涨产生的应力使微晶变形又加速了熔融。 2.蛋白质在膨化中的作用 在膨化过程中，蛋白质作为膨化物料的成分，主要是其中的结构性蛋白质易受外部能量的影响和作用而发生分子结构变化，如变形、变性等。结构性蛋白质的这种变化通常与其在膨化过程的功能变化同步发生。 蛋白质在膨化过程中的主要功能有： 以水化、水合作用持水、膜囊包裹作用存水和网状结构吸水等方式维持物料的部分含水。 充当密闭气体小室的可塑性壁材，在气体膨胀时实现扩展性拉伸并逐渐变性，随后在室壁瞬时破裂、蒸汽外泄的过程中因失水和 自身所带热量的干燥作用而被固化。第二节膨化加工基本操作过程 (The Base Operation of puffing Process) 一、按膨化加工的工艺过程分类按膨化加工的工艺过程分类，食品的膨化方法有直接膨化法和间接膨化法。 直接膨化法 : 是指把原料放人加工设备（目前主要是膨化设备）中，通过加热、加压再降温减压而使原料膨胀化。 间接膨化法 : 就是先用一定的工艺方法制成半熟的食品毛坯，再把这种坯料通过微波、焙烤、油炸、炒制等方法进行第二次加工，得到酥脆的膨化食品。 (一)直接膨化法 1.直接膨化的工艺流程 进料（挤压）膨化切断干燥包装成品 2.直接膨化法挤压膨化的工艺过程 物料在挤压膨化机中的膨化过程大致可分为三个阶段： 输送混合 挤压剪切 挤压膨化 输送混合阶段：物料由料斗进入挤压机后，由璇砖德螺杆推进，并进行搅拌混合，螺杆的外形呈棒锤状，物料在推进过程中，密度不断增大，物料温度也不断上升。 挤压剪切阶段：物料进人挤压剪切阶段后，由于螺杆与螺套的间隙进一步变小，故物料继续受挤压；当空隙完全被填满之后，物料便受到剪切作用；强大的剪切主应力使物料团块断裂产生回流，回流越大，则压力越大，压力可达 1500千帕左右。在此阶段物料的物理性质和化学性质由于强大的剪切作用而发生变化。 挤压膨化阶段：物料经挤压剪切阶段的升温进人挤压膨化阶段。由于螺杆与螺套的间隙进一步缩小，剪切应力也急剧增大，物料的晶体结构遭到破坏，产生纹理组织。 由于压力和温度也相应急剧增大，物料成为带有流动性的凝胶状态。此时物料从模具孔中被排出到正常气压下，物料中的水分在瞬间蒸发膨胀并冷却，使物料中的凝胶化淀粉也随之膨化，形成了无数细微多孔的海绵体。 脱水后，胶化淀粉的组织结构发生明显的变化，淀粉被充分糊化（ a化），具有很好的水溶性，便于溶解、吸收与消化，淀粉体积膨大几倍到十几倍。 在这里，我们要明确一个概念，即膨化食品不都是通过挤压机生产的，挤压机生产出来的食品也不全是膨化食品。 膨化食品除了可以用挤压法生产外，还可以用微波、油炸、焙烤、炒制等方法生产，如间接膨化食品。 实际上挤压食品有广义、狭义之分，广义的挤压食品是指凡是利用挤压机生产的食品，狭义的挤压食品是指利用挤压机生产的膨化食品，即挤压膨化食品。在一些专门论述直接膨化法的文献中常常把挤压和膨化的概念混用，实际上就是把挤压狭义化了。 （二）间接膨化法 1间接膨化法工艺流程 进料成坯干燥膨化包装膨化食品 2间接膨化法工艺的特点 间接膨化法要先用一定的工艺方法制成半熟的食品毛坯，工艺方法有挤压法，一般是挤压未膨胀的半成品；也可以不用挤压法，而用其他的成型工艺方法制成半熟的食品毛坯。 半成品经干燥后的膨化方法主要是除挤压膨化以外的膨化方法，如微波、油炸、焙烤、炒制等方法。 二 按膨化加工的工艺条件分类 按膨化加工