挤压膨化食品的生产(修).ppt

挤压膨化食品的生产 1 膨化食品 谷物或蛋白质等原料经加工后体积膨胀许多倍 内部组织成为多孔 疏松的海绵状结构的食品 食品膨化的方法 第一节概述 一 挤压与膨化食品 急热使水分急速气化 膨化 高压加热中突然降压 2 挤压食品 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 3 挤压膨化食品 利用挤压作用 一次性完成原料的熟化 破碎 杀菌 预干燥和膨化成型等工艺制成的食品 第一节概述 4 挤压食品与膨化食品的关系 第一节概述 膨化食品 油炸膨化食品 焙烤膨化食品 挤压膨化食品 挤压食品 挤压非膨化食品 二 挤压膨化食品发展简史 第一节概述 塑料制品的挤压加工 活塞式或柱塞式灌肠机 单螺杆挤压蒸煮机 1936年 膨化玉米圈 双螺杆挤压蒸煮机 多螺杆挤压蒸煮机等 日本在第二次世界大战期间 就用挤压方法加工米 麦 作为军粮 20世纪40年代末期 挤压机的应用在食品领域中进一步扩大 方便食品 小吃食品 断奶制品 儿童营养米粉等 美国用挤压式膨化机生产出小学生课间食品 第一节概述 应用HTST挤压机对食物进行有效热处理 杀菌 钝化酶活力 挤压快餐食品迅速发展起来 挤压加工技术应用领域由单纯生产谷物食品 发展到生产家畜饲料 鱼类饲料 植物组织蛋白等 对挤压机的结构设计 工艺参数和挤压过程机理也进行了研究 60年代中期 挤压机进一步发展完善 第一节概述 研究各种谷物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问题 挤压技术在新领域中的应用又有了扩展 如应用于水产品 仿生制品 调味品 乳品 糖果制品 巧克力制品 方便面等食品的加工 70年代 许多国家纷纷展开挤压机理的探讨 第一节概述 目前 国外挤压食品已成为单独一大类方便食品 有主食类 早点类 儿童食品 各种小食品等方便食品 我国 有悠久历史 爆米花 从70年代中期开始进行研究 1982年无锡轻工大学从法国Clextral公司引进一台BC 45双螺杆挤压机进行挤压技术的研究 近几年来 我国用挤压方法生产食品得到了很大的发展 挤压膨化食品朝着高效节能 产品风味多样化 美味化方向发展 美国的挤压膨化食品年产值达到了十几亿美元 畅销世界各地 日本在1979年生产的挤压膨化食品种类有几百种之多 年产量14 6万吨 三 挤压膨化食品的分类 第一节概述 1 根据原料和加工过程分 1 直接膨化食品 爆米花 爆薯片 爆豆子原料 谷物 薯类 豆类 膨化 调味 2 膨化再制食品 面包 饼干 糕点原料 膨化 粉碎 再制2 根据最终产品的膨化度分 1 轻微膨化食品 通心面条 豆筋 2 半微膨化食品 植物组织蛋白 锅巴 3 全膨化食品 玉米膨化果 麦圈 第一节概述 3 根据加工食品用的主要原料分 1 淀粉质挤压食品 2 蛋白质挤压食品 3 脂肪质挤压食品4 根据生产食品的性状分 1 小吃食品 麦圈 锅巴 2 面食类 空心面条 豆筋 3 快餐食品 早餐谷物 快餐粥 4 风味 形状 四 挤压膨化加工及产品的特点 第一节概述 1 挤压膨化加工的特点 挤压食品的加热 熟化和挤压成形是在一台挤压机内 用很短的时间几乎是同时完成的 食品在被挤出模头时 由于压力的突然下降 水蒸汽迅速膨胀和散发 使产品形成多孔结构 挤压过程中特殊加热 加压方式 能对食品产生有利影响 如使食品的可消化性 速食性 灭霉率等趋于最大 四 挤压膨化加工及产品的特点 第一节概述 2 挤压膨化食品的优点 产品营养素损失少 消化吸收率高 膨化时间3 5秒 大米膨化食品 蛋白质消化率76 84 食用快速方便 不易回生食品风味好 用途广卫生水平高 贮存性能好 高温高压条件下进行 水分含量低于10 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 挤压加工方法是借助挤压机螺杆的推动力 将物料向前挤压 物料受到混合 搅拌和摩擦以及高剪切力作用 使得淀粉粒解体 同时机腔内温度压力升高 温度可达150 200 压力可达到lMPa以上 然后从一定形状的模孔瞬间挤出 由高温高压突然降至常温常压 其中游离水分在此压差下急骤汽化 水的体积可膨胀大约2000倍 膨化的瞬间 谷物结构发生了变化 它由生淀粉 淀粉 转化成熟淀粉 淀粉 同时变成片层状疏松的海绵体 谷物体积膨大几倍到十几倍 一 挤压加工基本原理 1 基本原理 一种挤压膨化食品的温度 时间变化曲线 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 2 挤压机主要部件 挤压系统 主要由机筒和螺杆组成 是挤压设备的关键部分传动系统 作用是驱动挤压机的螺杆 保证传输螺杆在工作过程中所需纽距和转速加热冷却系统 保证蒸煮挤压过程中所需要的温度 主机 一台挤压设备通常由如下主机 辅机及控制系统所组成 进料器 其作用是按需要定量供送原材料入机 并保证安全进料液体进料器 主要是水的加入 也可以加入其他的液体辅料设备冷却系统 保障设备 主要是传动系统 在生产过程中不会升温设备润滑系统 保障设备的五常运转切割器 按照要求 对挤出模具的物料进行切割 配合模具给予产品一定外形模具 给予产品一定形状 辅机 控制系统 主要由电气 仪表和执行机构组成 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 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 二 挤压过程和质构变化 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 图食品挤压生产线设备流程示意图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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 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 二 挤压机内各阶段的工作过程和质构变化 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 2 挤压机内食品原料的压缩和剪切 这段螺旋的变化如图所示 压力 温度 dA dB dC 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 此过程由热引起的变化 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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 4 挤压机内的均压和挤出成形 物料熔融后 在螺杆的推动下进入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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 图5单螺杆小直径挤压机出口简图 1 螺杆2 筒体3 模头 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 如图所示 均压和挤出成形 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 对于大直径的单螺杆挤压机或双螺杆挤压机来说 模头模孔的数量不止一个 孔的形状也较复杂 为保证模头各孔的进口压力相等 物料流速也相同 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 如图6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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 三 挤压中食品成分的变化 1 碳水化合物的变化 碳水化合物 淀粉 纤维素 葡萄糖 蔗糖 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 2 蛋白质在挤压过程中的变化 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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 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 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 3 脂肪在挤压过程中的变化 一般来说 挤压机在生产时 要求原料中的脂肪含量低于12 因为高脂肪含量的物料与筒体之间的摩擦因数小造成打滑 另一方面 对于某些物料 一定量的脂肪可以预防物料在挤压腔里堵塞 所以 脂肪的含量应限定在一定范围之内 不同物料 范围也不相同 从加工工艺性能来讲 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 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 影响挤压过程中的膨化 导致最终产品中淀粉的溶解性和消化率降低 故脂肪对挤压食品的质构重组 成形 口感等影响较大 第二节挤压膨化食品生产的基本理论 典型的食品膨化机由料箱 螺旋送料器 混合调理器 螺杆 蒸汽注入孔 或电加热器 压模 切刀 齿轮变速箱和电动机等部分组成 混合调理器的作用是对物料先进行湿化和预热 螺杆系统的作用是对物料进行输送 压缩 混合 剪切 蒸煮和灭菌等作业 第三节挤压膨化机械 挤压膨化机械的分类 根据螺杆转速 根据机筒装置结构 根据螺杆头数 普通挤压机 高速挤压机 超高速挤压机 整体式挤压机 可分式挤压机 单螺杆挤压机 双螺杆挤压机 多螺杆挤压机 分类 第三节挤压膨化机械 1 单螺杆食品膨化机 为了适应不同的物料 并考虑到便于制造和维修 常将螺杆加工成几段 按需要加以拼接 相应地机筒也可以加工成几段 第三节挤压膨化机械 为了使物料在机筒内承受逐渐增大的压缩力 常将螺杆与机筒配合为如下三种型式 结构简单 制造方便 这种配合方式 应用较为广泛 机筒呈圆锥形 因此机筒制造困难 因此很少采用 螺杆制造较为方便 在单螺杆食品膨化机上应用也较多 第三节挤压膨化机械 2 双螺杆食品膨化机双螺杆食品膨化机是由料斗 机筒 两根螺杆 预热器 压模 传动装置等部分组成 其主要工作部件是机筒和一对相互啮合的螺杆 两根螺杆的啮合型式 可以分为非啮合型 部分啮合型和全啮合型 第三节挤压膨化机械 啮合型双螺杆根据两根螺杆的旋转方向 可分为同向旋转和反向旋转两种 见下图 目前大部分双螺杆食品膨化机采用同向旋转方式 第三节挤压膨化机械 第三节挤压膨化机械 SPJ 40双螺杆挤压机 华南农业大学研发 螺杆构造 可调整的螺旋组合 混合螺旋 揉搓剪切螺旋 双轴联轴器端螺旋 第三节挤压膨化机械 双螺杆食品膨化机的特点是 输送物料的能力强 很少产生物料回流和漏流现象 螺杆的自洁能力较强 螺杆和机筒的磨损量较小 适用于加工水分较低和较高 8 80 的物料 对物料适应性广 而单螺杆食品膨化机加工时 若物料水分超过35 机器就不能正常工作 生产效率高 工作稳定 第三节挤压膨化机械 第三节挤压膨化机械 其研究主要从两方面进行 主要研究原料的配方和加工后产品的营养 口感等特性主要研究设备的结构设计和挤压加工过程 第四节食品挤压生产技术的研究和发展 食品挤压生产技术的发展 未来的研究应重视将食品挤出过程中的营养分析 理化特性 加工工艺和设备等几个不同的研究领域相结合 这样可以更深刻地认识食品的挤出加工机理将可视化技术应用于食品挤出加工过程的研究上 可直观分析食品加工的真实过程将挤出机作为生化反应器 从分子水平揭示食品的挤出加工机理 解决实际生产中提出的配方 工艺 设备等方面的问题是食品挤压技术的发展方向在新型双螺杆挤出机全长上 利用不同原料和加料方法进行实验研究 可优化加工配方 加工工艺 加工设备 利用挤出机开发其他新型食品和饲料资源 第四节食品挤压生产技术的研究和发展 谢谢 挤压膨化原理 膨化准备阶段 挤压型膨化食品的原料主要是含淀粉较多的谷物粉 薯粉或生淀粉等 这些原料由许多排列紧密的胶束组成 胶束间的间隙很小 在水中加热后因部分胶束溶解 空隙增大而使体积膨胀 挤压阶段 当物料通过供料装置进入套筒后 利用螺杆对物料的强制输送 通过压延效应及加热产生的高温和高压 使物料在挤压筒中被挤压 混合 剪切 混炼 熔融 杀菌和熟化等一系列复杂的连续处理 胶束即被完全破坏形成单分子 使淀粉糊化 在高温和高压下其晶体结构被破坏 此时物料中的水分仍处于液体状态 膨化阶段 当物料从压力罐被挤压到大气压力下后 物料中的超沸点水分因瞬间的蒸发而产生巨大的膨胀力 物料中的溶胶淀粉体积也瞬间膨化 这样物料体积也突然被膨化增大 从而形成了疏松的食品结构 返回 挤压组织化原理 含较多蛋白的原料 在挤压机内 由于所受的剪切和摩擦力的作用 使维持蛋白质的三级结构的氢键 范德华力 离子键 双硫键遭到破坏 形成了相对线性的蛋白质分子 当物料通过模具时 较高的剪切力和定向流动作用更加促使蛋白质分子的线性化 纤维化和直线排列 通过氢键 范德华力及酰胺键作用使蛋白质分子重新聚合 从而改变了蛋白质分子微观结构 返回 高温膨化原理 通过油炸 焙烤 微波等热加工处理 使水分迅速汽化 形成膨化压力 从而使物料组织迅速膨胀 并形成具有网状组织结构特征的多孔状物质 返回 气流膨化的原理 谷物原料在瞬间由高温 高压突然降到常温 常压 原料水分突然汽化 发生闪蒸 产生类似 爆炸 的现象 由于水分的突然汽化 闪蒸 使谷物组织呈现海绵状结构 体积突然增大几倍到十几倍 从而完成膨化的过程 返回 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 返回 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 返回 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 返回 其它食品膨化技术简介 微波膨化的原理 微波能量到达物料深层转换成热能 将使物料深层水分迅速蒸发形成较高的内部蒸汽压力 迫使物料膨化 并依靠气体的膨胀力带动组分中高分子物质的结构变性 使之成为具有网状组织结构特征 定型成为多孔状物质的过程 依靠该工艺过程生产的食品统称为微波膨化食品 1 微波膨化技术 2 低温气流膨化技术 原理 将经预处理 水分含量在15 25 的原料 主要果蔬 置于压力罐内 通过加热和加压 使物料内部压力与外部压力平衡 然后突然减压 物料内部水分突然汽化 闪蒸 使物料组织膨胀达到膨化目的 应用 低温气流膨化技术多应用于果蔬脆片的生产 主要由压力罐和一个体积比压力罐大5 10倍的真空罐组成 真空低温膨化系统的结构 工作原理 与低温气流膨化工作原理类似 只是CO2膨化技术膨化的介质是CO2 而低温气流膨化的介质是热蒸汽 3 CO2膨化技术