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

中国粮油学报2005年第3期

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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