挤压膨化过程中物料组分的变化分析_杜双奎
2005年6月
第20卷第3期
中国粮油学报
Journal of the Chi n ese Cer eals and O ils Associati o n
Vo.l20,No.3
Jun.2005挤压膨化过程中物料组分的变化分析
杜双奎1魏益民1,2张波2
(西北农林科技大学食品科学与工程学院1，陕西杨凌712100)
(中国农业科学院农产品加工研究所2，北京100094)
摘要挤压膨化加工广泛应用于食品加工业。挤压膨化过程中，物料组分发生了复杂的物化变化。在高温、高压、高剪切力环境下，淀粉分子间的氢键断裂，淀粉发生糊化、降解，生成小分子量物质，淀粉水溶性增强；蛋白质发生变性、重组，发生组织化，蛋白质水溶性和生物学效价下降；脂肪与淀粉以及蛋白质形
成脂肪复合体，淀粉溶解性和消化率降低，脂肪氧化速度减慢，氧化程度减小，产品货架期延长。
关键词挤压膨化淀粉蛋白质脂肪
0前言
食品挤压膨化加工技术是集混合、搅拌、破碎、加热、蒸煮、杀菌、膨化及成型等为一体的高新技术，正广泛地应用于食品与饲料工业。随着人们生活水平的不断提高，随着对挤压机理研究的不断深入和新型挤压设备的研制开发，用挤压膨化法加工富含营养、风味多样、美味、食用方便的新型休闲食品将成为我国食品工业发展的重点，挤压膨化食品以其所具有的特点深受广大消费者喜爱，具有广阔的市场前景112。在整个挤压膨化过程中，食品物料在质构、组织和外观上都发生了很大的变化。国内外研究机构和学者已对挤压过程中食品的质构重组进行了很多研究。本文根据国内外研究成果，对物料中的淀粉、蛋白质、脂肪等主要组分在挤压膨化过程中所发生的变化进行了简单分析，以供挤压膨化食品生产者和研究人员参考。
1挤压膨化加工原理
物料被送入挤压膨化机中，在螺杆、螺旋的推动作用下，物料向前成轴向移动。同时，由于螺旋与物料、物料与机筒以及物料内部的机械摩擦作用，物料被强烈地挤压、搅拌、剪切，其结果使物料进一步细化、均化。随着机腔内部压力的逐渐加大，温度相应的不断升高，在
基金项目：中国农业科学院杰出人才基金资助
收稿日期:2004-06-24
作者简介：杜双奎，男,1972年出生，讲师，博士生，食品与发酵工程教学与科研工作
通讯作者：魏益民，博士生导师，教授，农产品品质与加工工艺研究高温、高压、高剪切力的条件下，物料物性发生了变化，由粉状变成糊状，淀粉发生糊化、裂解，蛋白质发生变性、重组，纤维发生部分降解、细化，致病菌被杀死，有毒成份失活。当糊状物料由模孔喷出的瞬间，在强大压力差的作用下，水分急骤汽化，物料被膨化，形成结构疏松、多孔、酥脆的膨化产品，从而达到挤压膨化的目的112。
食品物料在挤压机腔内主要经历了固体输送、过渡态到熔融态，最后由模头排出。在挤压膨化加工的整个过程中，物料主要组分(如淀粉、蛋白质及脂肪等)发生了复杂理化变化，这些组分的变化情况与挤压膨化加工条件如挤压温度、进料速度、原料水分含量、螺杆转速、模口大小等有密切关系。
2挤压过程中淀粉的变化
挤压膨化技术广泛应用于制造谷物小吃食品。在挤压膨化谷物食品的加工中，挤压膨化原料一般都含有大量淀粉。淀粉在挤压过程中的变化直接影响到小吃食品的质构、碳水化合物在体内的消化程度、所制造挤压食品在贮存过程中的变化等各个方面。淀粉是谷物中的主要组成成分，在挤压膨化加工中，淀粉
主要发生以下变化。
2.1淀粉的糊化
淀粉糊化是食品加工过程中存在的一个重要现象。挤压膨化过程中的淀粉糊化，是一个在低水分状态下的糊化过程，其糊化程度与挤压膨化过程中的工艺参数如螺杆转速、加工温度和物料水分含量有着十
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分密切的关系。La w ton等人研究15个挤压加工变量对玉米淀粉糊化程度的影响，结果表明物料水分含量和挤压机套筒温度对玉米淀粉的糊化度有显著影响，提高物料水分含量和套筒温度可提高产品的糊化度122。Ch i a ng和Johnson研究发现，在喂料水分为18%~27%，转速小于140r/m in，温度大于80e时，小麦淀粉急剧糊化；物料在高水分含量时，其产物糊化度也较高，但随着喂料水分的增大，其糊化度呈下降趋势132。Chiang和Johnson对小麦粉132、Bhatta-charya和H anna对糯性玉米粉(直链淀粉含量10%)和普通玉米粉(直链淀粉含量30%)的糊化与挤压系统参数之间的关系进行研究，结果均表明挤压膨化物的糊化度随着挤压机模头温度和喂料水分的提高而增大，随着挤压机螺杆转速的提高而下降；相同条件下，糯性玉米粉的糊化程度高于普通玉米粉14-52。王丽玮和冯玉红对带胚玉米进行挤压研究，也发现挤压膨化物的糊化度随挤压机模头温度的提高而增大，随着螺杆转速的提高而下降，认为这是由于挤压机螺杆转速提高时，物料在挤压机腔体内停留时间减少而导致的16-72。Go m ez和Aguilera研究
表明，降低玉米淀粉原料中的水分含量，会导致挤出物的糊化度增加，会导致挤出物中的淀粉由糊化状态向降解状态转变；同时他们提出了淀粉在挤压机内的糊化降解模型，强调在生淀粉的糊化过程中也存在淀粉降解，但其降解产物与已糊化淀粉的降解产物有所不同。淀粉降解是由于挤压机内的温度和剪切作用所致，即使在机内温度小于150e，物料水分在12%左右的条件下，玉米淀粉也在挤压机内会发生一定程度的降解18-92。王宁等人研究表明，在高压缩比条件下，螺杆转速较大时，强大的剪切作用将使已充分溶胀的淀粉颗粒过度剪切，不但会使其糊化，还会使其降解，导致糊化度下降1102。杨铭铎研究发现，挤压膨化的糊化程度较蒸煮糊化程度高，而且稳定；认为经膨化而实现的糊化，单位时间内所需能量较大，但为瞬时完成的，因而总消耗能量小；而蒸煮糊化单位时间内消耗的能量较小，但作用时间相对较长，因而消耗总能量较大1112。
淀粉的糊化本质是淀粉分子间的氢键断裂。挤压膨化过程中高温、高压及强大的机械剪切力，很容易使淀粉分子间的氢键断裂，使淀粉产生糊化。Bha ttacharya和H anna以玉米淀粉为原料，采用单螺杆挤压机研究挤压膨化过程中淀粉的糊化动力学时发现，淀粉糊化度随物料水分的降低而升高，随着温度上升而增加，淀粉糊化反应属于假零次级反应，反应速率常数随着温度升高而增大152。La i和Kok i n i 指出挤压膨化中淀粉糊化遵循一级反应模型1122。Ca i和D iosady以小麦淀粉为原料，采用/急停挤压0技术，在4m in~5m in内将挤压机机筒全部拆卸的手段，沿螺杆分段分析了不同挤压条件下淀粉的变化情况，结果表明淀粉在挤压过程中由固态经过渡态而达熔融态，其过渡态沿螺杆只占2c m~2.5c m，且不随挤压条件变化而变化，淀粉糊化发生在熔融态，开始糊
化服从动力学二级方程模型，即
d(1-f)
d t
=-K#(1
-f)2，随后很快转化为一级方程Ln(1-f)=-K#t，整个糊化过程以一级方程模型为主，糊化速率常数是温度与剪切力的函数(注:f为糊化度,K为糊化速率常数,t为由熔融段开始算起的滞留时间)1132。
2.2淀粉的降解
挤压加工过程是一个力化学过程。谷物原料和淀粉在挤压、剪切等机械力的作用下，会发生系列化学变化。在挤压过程中，最明显的化学变化是力降解，即淀粉分子在机腔内部各种机械力的作用下，导致氢键断裂，大分子降解。淀粉降解程度与淀粉分子所受处理的环境条件有关。Ch i a ng和Johnson报道在高温和剪切环境条件下，淀粉链被部分打断，淀粉主要发生降解现象，生成小分子寡糖。M erc ier和Fe ili e t研究表明，在低温(135e)下，水分含量为22%淀粉所挤压出的产物为V型结构，而在185e 下，水分含量为13%时，挤压出的产物为E型结构。E型结构淀粉在30%湿度下会转化成V型结构淀粉11,142。D isoady等人采用螺杆压缩比为3B1，温度为121e，转速在50-100r/m in之间，水分大于25%时，研究发
现淀粉产生明显的降解，这主要是由剪切作用所致1152，而Go m ez和Agu ilera研究发现当物料的水分含量小于20%时，在高压缩比的挤压蒸煮过程中，淀粉的降解是很明显的182。Colonna P.研究发现木薯淀粉挤压后，其平均分子量下降，木薯淀粉在挤压过程中发生了降解1162。W illi a m s等人研究表明，较高的挤压机模头温度和较低的喂料水分可以加大淀粉的降解程度，螺杆转速对淀粉降解的影响则是双方面的，一方面转速越高，剪切强度越大，有利于淀粉的降解；另一方面，转速越高，物料在机筒内的受作用时间越短，从而不利于降解112。王宁等人报道在挤压蒸煮过程中，除了过度剪切作用可导致淀粉分子降解外，长时间的高温加热也可使之降解，这种降解作用既可发生在挤压机的套筒中，也能发生于模头内；挤出产物的糊化度是淀粉糊化和降解综合作用的结果1102。
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此外，许多研究结果表明，玉米淀粉或其它支链淀粉含量较高的淀粉原料在挤压过程中的降解，发生在支链部分的几率显著地高于直链部分，挤压对支链淀粉的降解类似于普鲁兰酶的作用112。丁霄霖和汤坚研究表明，玉米淀粉在挤压过程中，直链部分没有发生显著变化，淀粉降解主要发生在淀粉的支链部分，支链部分的降解位置位于分子内部，挤压施加于淀粉聚合物的剪切力是挤压淀粉中直链淀粉脂肪络合物的V型结构向E型结构转换的根本原因，淀粉的降解过程属于力化学过程；挤压膨化后的淀粉平均分
于膨玮子量明显减小，淀粉通过裂解，可以产生麦芽糊精等小分子物质。在以木薯淀粉作试验时，发现挤压温度愈高、螺杆转速愈快，淀粉的裂解产物愈多。不同品种的淀粉，其裂解产物亦有所不同。马铃薯淀粉有80%的裂解产物可溶于乙醇，而大米、小麦、玉米的膨化物中则多数只溶于水。裂解的结果使淀粉在较低温度下有较强的水溶性和吸水性，使淀粉颗粒结构松散，改变了原有淀粉的理化性质117-192。
2.3其它
淀粉有直链淀粉与支链淀粉之分，它们在挤压膨化过程中表现出不同的特性。淀粉中直链淀粉与支链淀粉的比率影响挤压制品的组织特性。支链淀粉能促进膨化，使产品很轻、很松脆；相反，用直链淀粉含量高的淀粉或块茎植物的淀粉制成的产品质地较硬，膨化程度较小112。淀粉中直链淀粉含量越高，膨化物的膨化指数越小。Bhattacharya和H anna研究发现50%直链淀粉与50%支链淀粉混合挤压时，可得到最佳的膨化效果。另外，来源不同的淀粉其挤压效果也存在差异，小麦、玉米、大米中的谷物淀粉具有较好的膨化效果，块茎淀粉不仅具有很好的膨化性能，而且还具有十分好的粘结能力142。
3挤压过程中蛋白质的变化
蛋白质是由20种氨基酸结合而成的高分子化合物，是挤压原料中的另一主要组分，对富含蛋白质的原料进行挤压加工时，蛋白质亦发生复杂的变化。3.1蛋白质的变性
含蛋白质的食品原料在挤压机内受到高温、高压、高剪切力的综合作用，蛋白质的三级和四级结构的结合力变弱，蛋白质分子结构伸展、重组，表面电荷重新分布趋向均匀化，分子间氢键、二硫键等部分断裂，导致蛋白质最终变性。蛋白质产生变性的程度与挤压过程中的参数有密切关系。M ercier等人研究发现挤压系统参数对蛋白质的变性有重要影响。挤压机套筒温度越低，喂料水分越大，螺杆转速越高，蛋白质变性程度越低；相反，挤压温度高，蛋白质的变性程度大，组织化程度好；温度低，挤出产品的溶解性好。蛋白质经挤压变性后，原先封闭在分子内的疏水性的氨基酸残基暴露在外，使挤压蛋白在水合体系中的溶解性降低，蛋白质的分散指数(PD I值)下降。挤压物料中的其他组分对挤压蛋白的PD I值也有影响。若有大量淀粉存在时，糊化的淀粉会与蛋白质发生给合，从而影响PD I指数的测定112。
另外，在挤压机腔体内，变性的蛋白质分子也可彼此之间发生二硫键和疏水键键合，产生组织化作用。这是植物蛋白挤压组织化的主要原因。
3.2蛋白质生物学效价的变化
挤压过程中，蛋白质的生物学效价会发生变化。温和的挤压条件可以引起蛋白质发生适度变性，增加了对蛋白酶的敏感性，从而提高蛋白质的消化率；但在激烈的挤压条件下，氨基酸可与原料中的一些还原糖或其他羰基化合物发生反应，造成氨基酸损失，特别是赖氨酸损失较大，引起蛋白质的生物学效价和消化率下降。Cheng等人报道，在经挤压加工的大麦、玉米面筋粉和小麦中，粗蛋白质的表观消化率均
有下降，但挤压处理豆粕时，表观消化率变化不大，这可能是谷物原料在高温挤压过程中更容易产生还原糖的缘故而引起的。适当改变挤压工艺条件，如降低原料中葡萄糖、乳糖等还原糖的含量，提高原料水分含量，可有效的减少美拉德反应，提高蛋白质消化率1202。
D ahli n等人对不同条件下挤压膨化加工的玉米、小麦、黑麦、高粱等8种谷物进行分析，结果表明，在原料水分含量为15%，挤压温度为150e，螺杆转速为100r/m in的条件下，挤压产品的蛋白质生物学效价相比未处理原料得到了显著提高1202。
此外，挤压过程中，蛋白质的含量也有所变化。一般情况下，经挤压后，蛋白质(总氮)含量有所下降，但并不是以氨基酸按比例下降的，有些氨基酸下降程度大，损失多，而有些氨基酸损失少。B jorck利用双螺杆挤压机研究了挤压过程中蛋白质的变化，分析结果表明，赖氨酸损失程度的大小，在很大程度上取决于加工温度和水分。在温和的条件下加工
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(170e、水分13%)，其赖氨酸损失为13%；在最剧烈的条件下加工(210e、水分13%)，赖氨酸损失37%，蛋氨酸、精氨酸和胱氨酸损失分别为28%、21%、17%；然而，在剧烈条件下(210e)，水分含量
增加(18%)时，则赖氨酸的损失为28%，赖氨酸损失减少了9%，表明水分含量对于赖氨酸的保留有显著的影响。除此之外，其余的氨基酸在整个挤压过程中变化不大121-222。Il o S.和Berghofer E.研究玉米粗粉挤压膨化加工中赖氨酸和其它氨基酸损失动力学时发现，赖氨酸、精氨酸、胱氨酸和蛋氨酸是不稳定的氨基酸，挤压蒸煮中氨基酸的损失遵循一级反应，一级反应常数大小取决于产品温度和喂料水分含量，而螺杆转速没有影响，赖氨酸对温度敏感，剪应力显著影响速率常数1232。
挤压加工过程中，原料中所含的还原糖对氨基酸损失有影响。Beufrand试验发现，挤压混有蔗糖的谷物混合物时，有效赖氨酸损失明显增加；在糖含量相同的情况下，氨基酸损失随温度的升高而增大，而水分含量的提高则有利于氨基酸的保留，糖对氨基酸含量变化的影响主要来自美拉德反应112。
总之，要提高挤压食品的营养价值和蛋白质利用率，减少有效赖氨酸损失，应选择合适的加工条件，采用强化氨基酸的方法来提高蛋白质的综合利用率，从而提高产品的营养价值。
4挤压过程中脂肪的变化
脂肪在食品的挤压过程中是一敏感组分，它对食品的质构重组、成型、口感影响较大。一般认为，在挤压过程中，原料中的脂肪能够与淀粉形成复合物，不仅影响产品的膨化效果，还会影响淀粉的溶解性和消化率。Linko等人研究发现，在挤压膨化中直链淀粉与脂肪形成的复合物能够由V型结构转换成更趋于稳定的E型结构，经X-射线衍射光谱分析表明，挤压机内的剪切力是引起复合物由V型结构向E型结构转
换的根本原因1242。不同挤压膨化条件下，形成的淀粉脂肪复合物的含量是不同的。Lucy B Guz m an 等人利用W enger X-5型挤压机研究原料挤压后淀粉脂肪复合物的形成情况，试验结果表明，原料中大约有2/3的游离脂肪在挤压过程中变成了复合体。挤压温度为50~60e，游离脂肪从挤压前的81.34%下降到24.66%，而脂肪复合体由18.66%增加到75. 34%；挤压温度为85~90e时，脂肪复合体所占比例与50-60e时相比无明显变化；挤压温度120~ 125e时，脂肪复合体所占比例有所下降，而游离脂肪所占比例有所升高。总之，在较低的温度下(100e 以下)，随着挤压温度的升高，复合体的生成量略有增多，但在高温(100e以上)条件下，随着温度的升高，复合体的生成量相反有较明显的下降112。何其傥等人在不同温度、不同螺杆转速和不同水分含量的条件下，研究温度高于100e时脂肪复合体的生成情况。实验分析表明，挤压温度和水分含量是影响复合体生成量的主要因素，而螺杆转速对复合体生成量的影响较小。随着挤压温度和水分含量的上升，挤出样品中的游离脂肪含量也越高，复合体生成量减少112。另据H ahn D.E.和H ood L.F.研究表明，在套筒温度为110~140e、水分含量19%左右、螺杆转速为240r/m in时，淀粉脂肪复合物生成量较多；利用X-射线衍射图和碘蓝图证实，温度是影响淀粉脂肪复合物形成的最显著的因素1252。
脂肪在挤压过程中，除了生成脂肪复合体外，还会产生不饱和脂肪酸发生的顺-反异构现象。W i-l lian在挤压过程中发现，不饱和脂肪酸发生的顺-反异构变化随着挤压温度的变化而变化，当挤压温度由55e增至171e，反式脂肪酸的量会由1%增至1.5%112。
在相同的条件下，挤压食品相比其他类型食品具有较长的货架期，其原因是由于脂肪在挤压过程中能够与淀粉和蛋白质形成复合体，脂肪复合体的生成，使得脂肪受到淀粉和蛋白质的保护作用，对降低脂肪的氧化速度和氧化程度，延长产品的货架期起到了积极的作用。Rao和A rtz研究了脂肪复合体的生成量与保存过程中氧化程度的关系。结果表明，挤压温度越高，复合体生产量越少，产品在保存中越易发生氧化；挤压温度越低，复合体生成量越高，产品保存中氧化程度越小；在温度为115e和135e以下时，产品在保存过程中氧化程度增加很少；挤压加工后，油脂过氧化物值、共轭氧化产物等是挤压温度的函数，认为挤压后脂肪稳定性的下降与金属Fe的含量增加有关1262。Chefte l研究表明挤压可使脂肪酶和脂肪氧化酶失活，从而提高了脂肪的稳定性。随着挤压温度的增加，影响脂类稳定性的酶类失活速率也增加。但是随着挤压产品的水分活性和温度的增大，脂类的氧化作用随之增加，油脂稳定性会明显下降1272。徐学明分析挤压加工食品中油脂的稳定性时认为，挤压可使原料中的脂氧酶、脂解酶钝化，从而提高了油脂的贮藏稳定性1282。
脂肪对蛋白质的作用取决于脂肪液滴在蛋白质中的分配情况、脂肪数量以及混合前蛋白质的受热程
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度等等。在挤压加工中，当脂肪含量在0-15%时，大豆蛋白可发生组织化；脂肪含量大于15%时，脂肪
对大豆蛋白的组织化有显著抑制作用；脂肪含量达20%时，蛋白质则不能发生组织化1292。
原料中混入一定量脂肪，虽可改善产品质构和口感，但会影响到产品的膨化率。脂肪含量在10%以下时，它对产品膨化率的影响很小，但含量较高时，会使产品的膨化率明显下降。脂肪含量相同的情况下，脂肪复合体的生成量越多，产品膨化率越高，脂肪复合体的生成量与产品膨化率之间有密切的相关关系。
5小结
挤压膨化加工技术作为食品加工高新技术之一，将广泛地应用于食品加工业。挤压膨化过程是一个复杂的物理化学生物反应过程，物料组分所发生的变化主要同物料性质、挤压前物料的预处理、挤压过程中物料水分含量、挤压机螺杆长度、挤压加工温度分布、螺杆结构、螺杆转速、喂料速度、模头结构等多方面因素有关。了解物料主要组分在挤压加工中的变化，对于指导挤压膨化食品的生产具有重要的意义。在整个挤压膨化过程中，物料主要组分的变化是十分复杂的，这些变化还有待国内外研究者继续深入观察和研究。
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