10.1.2.1 挤压加工原理
随着挤压技术的应用日益广泛，国内外科技工作者逐渐开始对食品的挤压机理有了 一定的研究和了解。挤压研究内容包括原料经挤压后微观结构及物理化学性质的变化、 挤压机性能及原料本身特性对产品质量的影响等，为挤压技术在新领域的开发应用奠定 了基础。挤压机有多种型式，本章所论述的是螺杆挤压机，它主要由一个机筒和可在机筒 内旋转的螺杆等部件所组成。
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、常压下，使物料内部结构和性质发生突然变化的过程。这些物料通常是以谷 物为原料如大米、糯米、小麦、豆类、玉米、高粱等为主体，添加水、脂肪、蛋白质、微量元素 等配料混合而成。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1MPa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、常压下，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，生淀粉(β-淀粉)转化成熟淀粉(α-淀粉)，同时 变成片层状疏松的海绵体，谷物体积膨胀几倍到十几倍。
如图10-1所示，当疏松的食品原料从加料斗进入机筒内时，随着螺杆的转动，沿着 螺槽方向向前输送，称为加料输送段;与此同时，由于受到机头的阻力作用，固体物料逐渐 被压实，又由于物料受到来自机筒的外部加热以及物料在螺杆与机筒的强烈搅拌、混合、 剪切等作用下，温度升高、开始熔融，直至全部熔融，称为压缩熔融段;由于螺槽逐渐变浅， 继续升温升压，食品物料得到蒸煮，出现淀粉糊化，脂肪、蛋白质变性等一系列复杂的生化 反应，组织进一步均化，最后定量、定压地由机头通道均匀挤出，称为计量均化段。上述即 为食品挤压加工的三段过程。
图10-2较详细地说明了以膨化为主的食品的挤压加工过程。在第一级螺旋输送区 内，物料的物理、化学性质基本保持不变。在混合区内，物料受到轻微的低剪切，但其本质 仍基本不变。在第二级螺旋输送区内，物料被压缩得十分致密，螺旋翅片的旋转又对物料 进行挤压和剪切，进而引起摩擦生热以及大小谷物颗粒的机械变形。在剪切区内，高剪切 的结果使物料温度升高，并由固态向塑性态转化，最终形成黏稠的塑性熔融体。所有含水 量在25%以下的粉状或颗粒状食品物料，在剪切区内均会产生由压缩粉体向塑性态的明 显转化，对于强力小麦面粉、玉米碎粒或淀粉来说，这种转化可能在剪切区的起始部分;而 对于弱力面粉或那些配方中谷物含量少于80%的物料来说，转化则发生在剪切区的深入 区段。转化时，淀粉颗粒内部的晶状结构先发生熔融，进而引起颗粒软化，再被压缩在一 起形成黏稠的塑性熔融体。这种塑性熔融体前进至成型模头前的高温、高压区内，物料已 完成全流态化，最后被挤出模孔，压力降至常压而迅速膨化。
图10-1 挤压加工过程示意图
1—加料输送段 2—压缩熔融段
3—计量均化段
图10-2 挤压膨化过程示意图
1—第一级螺旋输送区 2—混合区 3—第二级 螺旋输送区 4—剪切区 5—高温、高压区
有的产品不需要过大膨化率，就用冷却的方法控制受挤压物料的温度不至过热(一般 不超过100℃)，以达到挤压产品不膨化或少膨化的目的。
在挤压过程中将各种食品物料加温、加压，使淀粉糊化、蛋白变性，并使贮藏期间能导 致食品劣变的各种酶的活力钝化，一些自然形成的毒性物质，例如大豆中的胰蛋白酶抑制 剂也被破坏，最终产品中微生物的数量也减少了。在挤压期间，食品可以达到相当高的温 度，但在这样高的温度下滞(停)留时间却极短(5～10s)。因此挤压加工过程常被称为 HTST过程。它们使食品加热的有利影响(改进消化性)趋于最大，而使有害影响(褐变、 各种维生素和必需氨基酸的破坏、不良风味的产生等)趋于最小。
10.1.2.2 挤压加工特点
食品挤压加工有许多特点，现主要归纳为如下六大方面：
(1) 应用范围广 采用挤压技术可加工各种膨化和强化食品，适合于小吃食品、即席 谷物食品、方便食品、乳制品、肉类制品、水产制品、调味品、糖制品、巧克力制品等许多食 品的加工，并且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样的产品， 因而产品范围广、种类多、花色齐，可形成系列化产品，产、销灵活。还可以用于酿造食品 的原料处理，提高出品率。
(2) 生产效率高 由于挤压加工集供料、输送、加热、成型为一体，又是连续生产，因 此生产效率高。小型挤压机生产能力为几十千克/小时，而大型挤压机生产能力可达十几 吨/小时以上，而且能耗仅是传统生产方法的60%～80%。
(3)原料利用率高，无污染 挤压加工是在密闭容器内进行的，在生产过程中，除了开 机和停机时需投入少许原料作头料和尾料，使设备操作过渡到稳定生产状态和顺利停机 外，一般无原料浪费现象(头、尾料可进行综合利用)，也不会向环境排放废气和废水而造 成污染。
(4) 营养素损失小，有利于消化吸收 由于挤压膨化属于高温短时的加工过程，食品 中的营养成分几乎不被破坏。由于外形发生变化，而且也改变了内部的分子结构和性质， 其中一部分淀粉转化为糊精和麦芽糖，便于人体吸收。又因挤压膨化后食品的质构呈多 孔状，分子之间出现间隙有利于人体消化酶的进入。如未经膨化的粗大米，其蛋白质的消 化率为75%，经膨化处理后可提高到83%。
(5) 口感好，食用方便 谷物中含有较多的纤维素、维生素以及微量元素钙、磷等， 这些对人体极为有益，但口感较差。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。 经膨化处理后，由于产生了一系列的质构变化而使其体轻、松酥、具有独特的焦香味 道。如把粗大米膨化后制成的米粉中加入少量的小麦粉生产的“大米面包”具有独特的 香味。大豆制品的豆腥味是由于大豆内部的脂肪氧化酶催化产生氧化反应的结果。挤 压过程中的瞬间高温已将该酶破坏，从而也就避免了异味的产生。另外，一些自然形成 的毒性物质，如大豆中的胰蛋白酶抑制因子等，也同样遭到破坏。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。
(6) 不易回生，便于贮藏 通常主食加工的方法是采用蒸煮的方法，如刚做好的米饭 软而可口，但放置一段时间后即变硬而不好吃，即所谓“回生”。该现象的产生主要是糊化 后的淀粉在保存放置期间慢慢失水，淀粉分子之间重新形成氢键而相互结合在一起，由糊 化后无序的分子排布状态重新变为有序的分子排布状态，即α-淀粉β化。利用挤压技 术加工，由于加工过程中的高强度的挤压、剪切、摩擦、受热作用，淀粉颗粒在水分含量较 低的情况下，充分溶胀、糊化和部分降解，再加上挤出模具后，物料由处于高温、高压状态 突变到常压状态下，便发生瞬间的“闪蒸”，这就使糊化之后的α-淀粉不易恢复其β-淀 粉的颗粒结构，而仍保持其α-淀粉分子结构，故不易产生“回生”现象。若将大米膨化后 再制成各种食品，即可避免回生。挤压食品加工过程时间短，原料水分含量一般较低，不 利于微生物生长繁殖。从原料到产品，生产工艺简单，流水线短，基本上无污染的可能。 挤压过程温度可高达200℃左右，即使时间很短(通常在10s以下)，也可以破坏原料中的 微生物。膨化后的产品含水量低，一般为5%～8%，这种状态也不利于微生物的生长繁 殖。因此只要保存方法得当，便可较长时间保存。