气流膨化工艺.ppt

第十章 食品质构调整技术 气流膨化 气流膨化是以空气为加热介质 利用水的瞬时相变及空气压力的变化 使原料在瞬间由高温高压变为常温常压状态 原料内的水分突然汽化 闪蒸 产生强大的向外膨胀力 从而成为疏松多孔的海绵状结构 体积增大至原来的几倍乃至十几倍 气流膨化所需的能量主要由外部加热系统供应气流膨化的高压是靠密闭容器加热时的水分汽化及空气膨胀所产生的 气流膨化所使用的原料基本上是粒状的 其膨化过程较少受原料水分和脂肪的影响 一 气流膨化设备 电热式气流膨化机过热蒸汽加热式气流膨化机气流式连续膨化机流动层式连续膨化机带式连续膨化机 保持气密条件下的连续进料和排料 定量进料 转动体的活塞还可以在运动时刮去附着在内壁上的粘性物 二 气流膨化工艺 原料处理 除杂 水分调整 喷水 均湿 进料加热升温 升压 800 0 5 0 8MPa 出料膨化调味 包装 蒸煮挤压 挤压技术是指物料经预处理 粉碎 调湿 混合 后 经机械作用强使其通过一个专门设计的孔口 模具 以形成一定形状和组织状态的产品 而作为食品加工用的挤压成型技术 则还需具有一定形状和结构的熟化或半熟化的产品 第一节概述 挤压食品 广义 狭义 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 一 挤压食品发展简史 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 爆玉米花是我国最早的膨化食品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 林炳鉴和陈存社等人自行设计制造了可视双螺杆挤压机 二 挤压食品的特点 不易产生 回生 现象 便于长期保存产品形成多孔结构 口感细腻营养成分损失少 食物易消化吸收风味好 食用方便产品卫生水平高 保存性能好 三 挤压加工的特点 生产工艺简单 流水线短 便于管理 生产连续化 效率高 能量利用率高 原料浪费少 生产费用低 产品形状多种多样 产品质量高 易生产新食品 应用广泛 四 挤压食品分类 从最终产品的膨化度分 几乎未膨化食品 轻微膨化食品 全膨化食品经加工食品用的主要原料分 淀粉质挤压食品 蛋白质挤压食品 脂肪质挤压食品以生产的食品性状分 小吃食品 面食类 快餐汤料类从风味 形状上分从风味 形状上能分出千百种挤压食品 蒸煮挤压的分类 直接挤压膨化食品 挤压膨化食品 间接挤压膨化食品 挤压成型食品 挤压组织化食品 第二节 蒸煮挤压的工艺原理 1 直接挤压膨化技术的工作原理具有一定水分含量和淀粉含量的物料 在挤压机的套筒内受到螺杆的推动作用和卸料模具 或套筒内的节流装置 的反向阻滞作用 以及受到来自于外部的加热或物料与螺杆 物料与物料 物料与套筒内部的摩擦热的加热作用 其综合作用的结果 物料处于高达3 8MPa的高压和200 左右的高温的状态下 如此高的压力超过了挤压温度下的饱和蒸汽压 因而物料在挤出机套筒内水分不会沸腾蒸发 在如此高温下 物料呈现熔融状态 物料一旦经模具口挤出 压力骤然降低 水分急剧蒸发 产品随之膨胀 水分的散失 带走大量热量 使物料的温度在瞬间骤降到80 左右 从而使产品固化定型 得到直接挤压膨化产品 2 间接挤压膨化技术的工作原理 原料在挤压机内蒸煮并在温度低于100 时推进通过摸板 原料面团在低温时成型 这样可防止物料中水分瞬间变为蒸汽而产生膨化 原料经过挤压机 只是让原料达到熟化 半熟化 组织化 以及给予产品一定形状的目的 为了改善产品质量 使产品的质地更为均一 糊化更为彻底 挤出后的半成品还需经过一段时间的恒温恒湿过程 然后进行后期的烘烤或油炸等工艺 产品的膨化工艺 3 挤压组织化技术的工作原理 蛋白质含量较高 50 以上 的食品原料在挤压机内 由于受到剪切力和摩擦力的作用 使维持蛋白质三级结构的氢键 范德华力 离子键 双硫键遭到破坏 随着蛋白质三级结构被破坏 进而形成了相对呈线形的蛋白质分子链 这些相对呈线形的蛋白质分子链在一定的温度和水分含量下 变得更为自由 从而更容易发生定向的再结合 随着剪切的不断进行 呈线形的蛋白质分子链不断增多 相邻的蛋白质分子之间的相互吸引而趋于结合 当物料被挤压经过模具时 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 这样 经过挤出的物料就形成了一定的纤维状结构和多孔的结构 纤维状结构的形成给予产品以良好的口感和弹性 多孔的结构给予产品以良好的复水性和松脆性 第三节挤压过程和质构变化 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挤压过程中食品成分的变化挤压食品生产工艺食品挤压生产技术的研究开发和发展 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 图2食品挤压生产线设备流程图示意图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 二 挤压机内各阶段的工作过程和质构变化 挤压机内的输送和混合挤压机内食品原料的压缩和剪切挤压机内食品原料的加热和熔融挤压机内的均压和挤出成形 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就更不明显尤其是加热 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 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 物料在这段里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 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 能量的消耗不大可以参照通常螺旋输送机的原理和方法 2 挤压机内食品原料的压缩和剪切 这段螺旋的变化如图3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 此蒸煮过程中由热引起的变化 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 压缩和剪切的理论研究 从进入压缩剪切段 过渡区 开始到熔融段 限流区 面团的粘度和其他物性变化剧烈 由开始面团粘度较大 随着熔融的增多 粘度降低 目前难以在挤压机中模拟计算这种复杂的变化这不仅是由于食品蒸煮的基本数据在此不适用 而且还由于至今尚不清楚 蒸煮 对食品的物理性质的影响 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可采用流体动力学理论研究熔融物料的输送 主要研究螺杆如何保证食品固体物料的彻底熔融 并使之定压 定温和定量地从模头挤出 以获得制品的高质量和稳定的产量 故也把这段称为限流段或均化段 将物料作为粘性流体流动来研究弗里克 Frlcke 等将食品挤压与热塑料挤压比较 在塑料工业中 自1940年以来已广泛采用了螺杆挤压机 以试算法和实验观察为基础 40年代末 发展了多种挤压模拟 描述了在热塑料挤压过程中流体和传热基本原理 并发展到精确模拟试验 在食品挤压领域中把模拟应用到实际生产中约是从60年代在食品实验室开始的 加热和熔融的理论研究 4 挤压机内的均压和挤出成形 被挤压蒸煮的物料熔融后 在螺杆的推动下进入到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 均压和挤出成形 由于螺旋存在着一个升角 所以 被推出的物料在螺杆端头出口处沿圆周形成压力 流速与螺杆转速同步的周期脉动变化 这种变化对具有简单的一个出料孔的模头的小直径单螺杆挤压机的工作影响不大 所以 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 如下图所示 图5单螺杆小直径挤压机出口简图 1 螺杆2 筒体3 模头 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 模头的模孔的数量不止一个 孔的形状也较复杂以保证模头各孔的进口压力相等 物料流速也相同为此 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 如下图所示 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 均压和挤出成形 模孔的断面形状决定了挤压食品的最终形状模孔板上的每个孔的大小尺寸误差和形状误差都要制做得尽量的小 这样才能保证每个孔的流动阻力相差不大 有些形状特殊的 复杂的孔要通过在设计时反复试算和大量试验才能确定 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 三 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脂肪的变化 1 挤压过程中碳水化合物的变化 淀粉 纤维素 葡萄糖和蔗糖等都属于碳水化合物 它们在挤压过程中却又有着各自不同的变化 下面分别叙述 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 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 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 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 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 2 蛋白质在挤压过程中的变化一 在高温 高压 高剪切的食品挤压机内 蛋白质分子结构伸展 重组 表面电荷重新分布趋向均化 分子间氢键 二硫键等部分断裂 导致蛋白质变性不同来源的蛋白质物料在经过挤压加工后 消化率均明显提高 蛋白质的品质也获得改善 所以 挤压加工为开发低品质蛋白源以提高其营养价值提供了加工手段富含蛋白质并可用来挤压的原料品种很多 如脱脂大豆 浓缩大豆蛋白 菜籽蛋白 棉籽蛋白 芝麻蛋白等 2 蛋白质在挤压过程中的变化二 人造肉 是一种用挤压机将蛋白质变性后的产品 也被称为蛋白肉利用挤压后蛋白质消化率明显提高的特点挤压加工制造婴幼儿食品和老年食品 是一种很好的加工手段蛋白质在挤压过程中能与原料中的其他成分如脂肪氧化酶等反应 影响产品风味 3 脂肪在挤压过程中的变化一 一般单螺杆挤压机在生产时 要求原料中的脂肪含量低于12 有资料表明 脂肪含量大于12 以上 每增加1 产品的体积质量就增加16g L 当脂肪含量超过22 时 原料就失去了膨化特性 因此 生产挤压膨化食品的原料的含油量低才好 因为高脂肪含量的物料与简体之间的摩擦因数小造成打滑 3 脂肪在挤压过程中的变化二 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