第十章--食品挤压分析.ppt

第十章食品挤压 食品挤压 使原料在外力的作用下 强行通过一个小孔 使挤出物形成一定的形状 挤压食品根据工业应用生产实践可大致分为三类 1 直接挤压膨化食品 挤压膨化食品 2 间接挤压膨化食品 挤压成型食品 3 挤压组织化食品1 1直接挤压膨化技术的工作原理 使物料处于高达3 8MPa的高压和200 左右的高温的状态下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 1 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 时推进通过模板 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气而产生膨化 产品的膨化工艺主要靠挤出之后的烘陪烤或油炸来完成 原料经过挤压机之后 只是达到熟化 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 与直接挤压膨化食品相比 间接挤压膨化食品一般具有较均匀的组织结构 口感较好 不易产生粘牙等感觉 淀粉的糊化较为彻底 膨化度较易控制 1 3挤压组织化技术的工作原理生产方法主要有 1 纤维纺丝法 FiberSpining 2 蒸汽组织法 SteamTexturization 压力组织法 PressTexturization 挤压组织法 ExtrusionTexturization 挤压组织化技术的生产成本低 生产过程不产生三废污染 通过调整合理的工艺参数 可以得到高品质的产品 原理 含有较高蛋白质的原料 50 以上 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 而多孔的结构给予产品以良好的复水性和松脆性 2 食品挤压加工技术发展概况传统谷物食品的加工工艺一般需经粉碎 混合 成型 烘烤或油炸 杀菌等生产工艺 每套工序均需配备相应的设备 生产流水线长 占地面积大 劳动强度大 采用挤压技术来加工谷物食品在原料经初步粉碎和混合后 即可用挤压机一步完成混炼 熟化 破碎 杀菌 预干燥 成型等工艺 再经烘干 调味后即可上市销售 1936年 世界上第一台应用于谷物加工的单螺杆蒸煮挤压机问世 40年代末 食品蒸煮挤压加工技术在食品工业上的应用领域得以较快拓展 种类繁多的方便食品 休闲食品 儿童营养食品等挤压食品相继问世 美国利用挤压式膨化机生产出的小学生课间食品 50年代到60年代 迅速发展起来的食品蒸煮挤压加工技术 其应用领域由单纯的生产谷物食品 发展到生产家畜饲料 水产饲料 植物组织蛋白等领域 本世纪70年代 许多发达国家纷纷展开挤压机理的探讨 研究了各种淀粉及蛋白类食物在挤压过程中发生的一系列变化 以及挤压食品的营养与吸收等问题 美国生产的大型蒸煮挤压机生产能力已达每小时几吨至十几吨 有关挤压技术和设备的专利已达百余项 挤压产品遍及世界各地 仅挤压膨化食品年产值达十几亿美元 3 食品蒸煮挤压加工技术的特点及在食品加工业中的优势3 1通过蒸煮挤压加工生产的食品 营养损失少 容易被人体消化吸收 通过挤压膨化的大米产品的蛋白质消化率为83 84 而经过煮熟的大米产品其蛋白质消化率仅为75 95 3 2通过蒸煮挤压的食品不易产生 回生 现象 便于长期保存 传统的蒸煮方法加工的谷物食品其糊化后的淀粉 在保存期间 会慢慢失水 淀粉分子之间会重新形成氢键而相互结合在一起 由糊化后的无序分子排布状态重新变为有序的分子排布状态 俗称 回生 现象 3 3利用蒸煮挤压技术加工的产品口感好 改善了产品的风味 谷物中含有的纤维素 木质素等 这些成分被彻底微粒化 避免这些成分口感粗糙 难以直接食用的特点 目前世界上正兴起利用挤压技术生产膳食纤维的研究 挤压产品可以对风味进行灵活调整 满足不同消费口味 如在大豆加工中需进行钝化脂肪氧化酶的活性以消除豆腥味 需破坏胰蛋白酶抑制因子等抗营养因子 3 4蒸煮挤压加工技术适用范围广 经过简单的更换模具 即可改变产品形状 生产出不同外形和花色的产品 发酵工业上应用该技术处理原料后 可明显提高出品率 如日本龟甲万酿造株式会社将原料大豆进行挤压膨化处理后酿造酱油 蛋白质利用率可高达90 提高了酱油的产量和质量 改善了酱油的风味 而未经挤压的大豆用于酿造酱油时 其蛋白质利用率一般只有65 左右 3 5利用蒸煮挤压加工技术 生产效率高 原料利用率高 无 三废 污染 挤压加工技术将供料 输送 加热 成型 熟化 杀菌等连为一体 连续生产 生产效率高 避免了串联多台单功能机种 极大的提高了能源的利用率 一般情况下 能源是传统加工方法的60 80 3 6产品的卫生水平高 易于保存 从原料到产品 生产工艺简单 流水线短 污染机会便相对减少 挤压过程中温度可高达200 即使时间很短 通常10秒以下 也足以杀灭原料中的微生物 成品的含水量很低 一般为5 8 这种低水份含量状态也不利于微生物生长繁殖 只要贮存方法适当 可保存较长时间 4 食品蒸煮挤压加工技术的发展现状和发展趋势国外 近几年来 发达国家已把蒸煮挤压食品单列为一大类食品 且渗透到许多食品加工中 如膨化后的大米可进一步制作主食面包 蒸制品 炸制品等 将玉米挤压膨化后粉碎 加入面包中 使面包具有特殊的口感和香味 食品蒸煮挤压加工技术在发达国家已成为众多研究者和生产厂的研究开发对象 日本发表过许多关于挤压膨化产品的专利 如挤压奶酪制品 挤压淀粉制品 以及利用豆腐渣制作挤压食品等专利 1980年 美国有学者研究了挤压快餐食品的风味与色泽 80年代 美国 日本等国把脱脂大豆进行挤压组织化 制作各种仿生食品 如肉松 咸牛肉 火腿等 以及代乳饮料 速溶饮料等 瑞典 美国等国家利用廉价的麦麸作原料 经挤压膨化后 生产高纤维保健食品 国内 我国对挤压食品的研究与认识早在70年代中期已开始 但由于科研单位对此投入力量不够 有关部门重视不够 生产厂家满足于一知半解 使我国消费者对挤压食品的认识普遍存在一个误区 挤压食品与爆米花是一类产品 哄孩子玩的一种儿童食品 设备厂家在对国外设备的消化吸收上存在差距 使设备性能远远低于国外进口设备 影响了产品的进一步开发 目前 对于蒸煮挤压加工技术的研究在我国仍处于相对落后状态 专门从事此项技术研究的科研人员寥寥无几 理论研究滞后 产品开发也跟不上 设备性能亦不完善 生产厂家技术参差不齐 挤压机可以分为以下几种类型 1 冷成型 2 低压力挤压 100 3 高压力挤压 100 微孔膨化食品生产线简介 微孔膨化食品工艺流程 拌粉 膨化 烘干 喷油 喷粉 包装 挤压机在使用领域得到扩展 a 多功能性b 高生产能力C 低消耗d 节省能源e 产品质量高f 有利于环境保护 面条机面条 挤压机 挤压机是挤压加工技术的关键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 并得到迅速发展挤压加工主要由一台挤压机一步完成原料的混炼 熟化 破碎 杀菌 预干燥 成型等工艺 制成膨化 组织化产品或制成不膨化的产品 只要简单地更换挤压模具 便可很方便地改变产品的造型 历史 世界上第一台螺杆挤压机的专利是由英国Gray于1879年获得的 主要用于橡塑工业本世纪30年代 第一台用于各物加工的单螺杆挤压机问世 它开始用于生产膨化玉米二战期间 日本人用于生产压缩军粮 6o年代 又开始出现了双螺杆挤压机 并用于食品加工领域我国从70年代开始研究食品挤压技术和挤压加工机械 1980年3月 北京食品研究所仿制出第一台自热式PJ一1型谷物膨化挤压机1982年无锡轻工业大学从法国Clextral公司引进一台B0 45型双螺扦挤压机 开始了对挤压加工技术的研究 螺杆挤压机的挤压膨化原理和结构特点1 1挤压膨化原理含有一定水分的物料 在挤压机套筒内受到螺杆的推动作用和卸料模具或套筒内节流装置 如反向螺杆 的反向阻滞作用 另外还受到来自于外部的加热或物料与螺杆和套筒的内部摩擦热的加热作用 此综合作用的结果使物料处于高达3 8MPa的高压和200 左右的高温状态之下 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物料中的水分不会沸腾蒸发 在如此的高温下物料呈现出熔融状态 一旦物料从模头挤出 压力骤降为常压 物料中水分瞬间闪蒸而散发 温度降至80 C左右 导致物料成为具有一定形状的多孔结构的膨胀食品 1 2结构特点用于食品工业中的挤压机主要是螺杆挤压机 螺杆挤压机主要由套筒和在套筒中旋转的带螺旋的螺杆所构成 1 2 1单螺杆挤压机 1 2 2双螺杆挤压机按两根螺杆的啮合程度分为 相互啮合型和非啮合型按两根螺杆转轴的旋转方向分为 反向旋转型和同向旋转型 1 啮合型双螺杆 工作原理 优点 啮合形的螺杆的啮合处间隙很小 对物料具有强制输送的能力 不易产生倒流 漏流现象 它能在较短的时间内建立起高压 推送物料经过螺杆的各个部位 这种配合方式 料流稳定 输送效果较好 2 非啮合型双螺杆 优点 非啮合型的双螺杆不完全啮合 其间的间隙较大 不同的 C 形小室中的物料各自混合效果好 缺点 螺杆的输送能力较啮台型的差 易产生漏流 倒流和料流不稳定现象 难于达到强制输送效果 3 反向旋转型双螺杆 在反向旋转型双螺杆中 物料进入挤压螺杆后 首先在两螺杆之间产生压力 此压力易造成两螺杆分离和偏心 因而套筒和螺杆之间易产生摩擦 造成设备磨损 因此 反向旋转的双螺杆挤压机转速不宜太高 一般控制在50r rain以下 反向旋转的螺杆啮合处 螺纹和螺槽之间存在速度差 能够产生一定的剪切速度 旋转过程中会相互剥离粘在螺杆上的物料 使螺杆得到自洁 4 同向旋转的双螺杆啮合处螺纹和螺槽间的旋转方向相反 螺纹带入啮合间隙的物料也会受到螺杆和螺槽间的挤压 剪切 研磨作用 同时由于相对速度比反向旋转的大 啮合处物料所受的剪切力也大 更加提高了物料的混台 混炼效果 两根螺杆对物料所起的作用也不大相同 一根螺杆要把物料拉人啮合间隙 而另一根螺杆则要把物料从间隙中推出 结果使物料由一根螺杆转移到另一根螺杆 物料呈图3所示方向前进 即物料从A B C D A 运动方向改变了一次 轴向移动前进了一个导程 料流方向的改变 更有助于物料相互问的均匀混台 同向旋转的双螺杆在啮台处 螺纹和螺槽的旋转方向相反 相对速度很大 产生的剪切力也大 更有助于粘附物料的剥离 自洁效果更好 同向旋转的双螺杆挤压机 由于不会产生使螺杆相互分离的压力 对磨损的敏感性较小 它可在较高转速300r min的情况下工作 食品加工中 最常用的是同向 完全啮合的平行双螺杆挤压机双螺杆挤压机虽然和单螺杆挤压机十分相似 但在工作原理上 它们之间存在较大的差异与单螺杆相比 双螺杆具有以下特点 1 强制输送 2 混合作用 3 自洁作用 4 压延作用 国外常常使用双螺杆式挤压机制作膨化食品目前挤压膨化食品有三类 第一类是膨化食品为球形或形状较复杂螺旋形 一般是用水份含量较低脱胚芽玉米粉挤压膨化后 再进行干燥 涂挂油 盐 香料等制成成品 第二类产品为管形 管内填充各种成分的配料和调料 第三类是高密度球状品 这种产品是半成品 经过油炸或焙烤膨化后才能食用 这种产品密度高 体积小 运输成本低 存贮时质量稳定 适合家庭使用 大米和玉米粗粉两者膨化效果最好 价格便宜大米粉膨化食品较脆 口感清淡 易被添加的香料调制成所需要风味 而玉米粉带有较明显玉米香味 在选择香料添加剂或配料成分时需要与之协调 否则口感不好 高梁粉膨化效果也很好 但它含有较高色素 成品的深暗颜色不能被人们接受 近年研究发现 膨化原料中直链淀粉和支链淀粉比例必须适当才能得到好的产品 通常淀粉中直链淀粉含量为5 20 2螺杆挤压机在食品工业中的应用2 1淀粉膨化食品实验证明 玉米粉膨化后 淀粉 化程度在98 以上 粗脂肪下降60 甚至全部消失 水溶性增加40 以上 故 挤压机可代替滚筒干燥机生产糊化淀粉 无锡轻工业大学顾正彪等人利用挤压机对淀粉进行了深加工研究 以淀粉为原料 制备出淀粉磷酸脂和焦糖色素 国外学者Carr和Curnninghame成功地用双螺杆挤压机 由淀粉生产乙二醇糖苷 Meuser等人在双螺杆挤压机上将淀粉衍生物生成阴离子和阳离子淀粉 2 2蛋白挤压食品在高温高压下 植物蛋白产生组织化 植物蛋白在挤压机螺槽与筒壁之间剪切力的作用下 蛋白质被强烈展开 相对地呈现直线排列 展开后的分子链变得自由而能够进行重新定向和再组台 从而形成纤维状态 纤维组织结构类似瘦肉 复水后有一定的弹性 有咀嚼感 另外 可将鱼糜和干燥鱼粉等鱼肉蛋白质再次组织化 生产模拟对虾 甲鱼 鸡肉风味的食品 利用双螺杆挤压机磨碎剁肉 生产各类工程肉制品 如 牛肉干 猪肉干等 23膨化饲料 1 通过挤压膨化全脂大豆 使其中的脲酶等抗营养因子失活 提高了大豆饲料的适口性和消化吸收性 可将其作为仔猪饲料中蛋白质和能量的来源 2 饲用淀粉原料以玉米为主 我国玉米含淀粉量 71 72 其中直链淀粉占27 支链淀粉占73 饲料中淀粉含量的高低主要影响饲料的膨化度 其中直链淀粉或变性淀粉含量高 就容易膨化 如果饲料配方中淀粉含量低或根本就不含淀粉 则很难达到一定的膨化度 3 各种油料饼粕富含蛋白质 通过高温高压处理 使其中的蛋白质变性 破坏了抗营养因子 提高了能量物质的消化率和利用率且这些饼粕又都含有一定量的有毒成分 用挤压膨化法可有效地脱毒 4 对稻壳 米糠进行挤压膨化处理后 保存期可延长10倍 解脂酶和氧化酶失活 微生物 害虫被杀死 脂肪不易水解 氧化 相对较稳定 5 农作物秸杆作为一种非常规性饲料资源 其质地粗硬 适口性差 消化率低 营养价值不高 但经蒸煮膨化加工后 可提高营养价值和消化率 有报道证明 在5 105 9 105Pa的压力下蒸煮 植物细胞壁被破坏 经高压水蒸汽处理后突然降压 破坏了纤维的结构 对桔杆有较好效果 2 4特殊的化学或生化反应挤压机是一种新型的生物化学反应器 食品在被挤压的过程中 会发生一系列的生化反应 例如大豆粉的挤压过程除了使蛋白质变性外 同时使得脂酶 脂肪氧化酶 抗胰蛋白酶因子及一些自然形成的毒性物质失去活性 也会使贮藏期间能导致食品劣变的各种酶的活性钝化 这样就大大降低了产品的微生物平板记数值 基本上不存在致病菌 沙门氏菌 昆虫及其它污染物 挤压机作为食品加工中的生化反应器来进行研究 还属刚刚起步不久的新技术 在食品加工领域 将挤压机作为生化反应器 研究蛋白质 碳水化台物 脂肪 粗纤维等成分的相互作用 研究挤压过程中物料的营养价值及生化反应规律 更进一步还可从分子水平揭示食品的挤出加工机理 2 5其它应用功能代替搅拌反应器 完成乳制品酪蛋白盐反应物的生产代替蒸煮器和浇模机 用于甘草 水果软糖的生产 代替精磨机用于巧克力的生产代替烤箱用于烘烤调料 焦糖生产代替烤炉用于面包片 饼干的生产作为榨汁机用于生产各种果汁 油料3螺杆挤压机的研究方向3 1螺杆挤压机结构参数的优化设计挤压机的性能在很大程度上取决于螺杆的设计3 1 1确定设计变量和设计常数螺杆优化设计的变量包括螺杆的几何参数 例如螺杆的轴向长度 螺槽深度h 螺距s和挤压工艺参数 如螺杆转速 3 1 2目标函数F X 一0 5 Q QL N式中 Q 从进口加入固体物料的质量流速 kg h QL 熔体流经机头通道的质量流速 它等于熔体输送段的质量流速 kg h N 驱动螺杆时的总功率 KW 3 1 3约束条件根据不同的螺杆类型将有不同的约束条件 常见的约束条件有 1 边界约束 2 强度约束 3 刚度约束 4 压缩比和长径比约束3 1 4数学模型3 1 5优化方法3 2螺杆与机筒耐磨性的分析