食品擠壓技術(shù)裝備及工藝機(jī)理研究進(jìn)展

張金闖，劉 麗，劉紅芝，石愛民，胡 暉，王 強(qiáng)

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

·農(nóng)產(chǎn)品加工工程·

食品擠壓技術(shù)裝備及工藝機(jī)理研究進(jìn)展

張金闖，劉 麗，劉紅芝，石愛民，胡 暉，王 強(qiáng)※

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

以營養(yǎng)、低能耗、快捷為特點(diǎn)的新型食品擠壓技術(shù)如超臨界流體擠壓（supercritical fluid extrusion）、雙階或多級(jí)擠壓、擠壓機(jī)與3D打印機(jī)等設(shè)備聯(lián)用、智能化控制模擬技術(shù)受到關(guān)注。該文梳理了食品擠壓技術(shù)裝備發(fā)展概況；比較了普通低水分和高水分?jǐn)D壓、超臨界CO2擠壓、雙階或多級(jí)擠壓以及擠壓-3D打印聯(lián)用等工藝技術(shù)的特點(diǎn)；總結(jié)了食品擠壓能量輸入與蛋白構(gòu)象變化關(guān)系機(jī)理。結(jié)果認(rèn)為：1）通過改進(jìn)擠壓設(shè)備材料和結(jié)構(gòu)及與中近紅外設(shè)備、流變儀、拉曼光譜儀等設(shè)備聯(lián)用，提高其通用性、可視性和智能性，實(shí)現(xiàn)擠壓過程全程監(jiān)控，是今后擠壓設(shè)備研發(fā)的方向。2）控制擠壓過程中能量輸入方式或大小，是擠壓工藝研究要解決的主要問題，也是擠壓工藝放大生產(chǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)。3）建立擠壓能量輸入方式或大小、物料組分結(jié)構(gòu)變化及產(chǎn)品品質(zhì)形成研究體系，研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)擠壓過程中能量輸入精準(zhǔn)調(diào)控提供參考。

擠壓；技術(shù)；裝備；工藝；機(jī)理

0 引 言

食品擠壓技術(shù)集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、膨化及成型等過程為一體，具有高效率、低能耗，少排放、低成本，高溫短時(shí)、營養(yǎng)損失小等特點(diǎn)。擠壓法生產(chǎn)的組織化植物蛋白具有優(yōu)良的吸水性和吸油性等功能特性，膽固醇含量為0，可作為肉制品添加物或模擬肉供人們食用[1]。目前國內(nèi)已有50余家企業(yè)從事組織化植物蛋白生產(chǎn)，年銷量超過50萬t，市場前景良好[2]。此外，食品擠壓技術(shù)還廣泛應(yīng)用于膨化型休閑食品、谷物早餐、糖果系列產(chǎn)品、改性淀粉以及發(fā)酵、制油等工業(yè)原料的預(yù)處理等[3]。Harper等[4]學(xué)者在食品擠壓技術(shù)方面做了大量研究，并出版了相關(guān)著作，為食品擠壓技術(shù)奠定了良好的設(shè)備、工藝等理論基礎(chǔ)，但依然不能完全用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。不同設(shè)備廠家生產(chǎn)的擠壓機(jī)千差萬別，給后期的研究應(yīng)用帶來了技術(shù)難題，研究擠壓設(shè)備的構(gòu)造及功能進(jìn)展，有利于提高擠壓設(shè)備及配件的通用性，促進(jìn)擠壓設(shè)備研發(fā)朝著共性方向發(fā)展。20世紀(jì)90年代以來，人們對(duì)擠壓機(jī)不斷改進(jìn)創(chuàng)新，出現(xiàn)了許多新型擠壓技術(shù)及新型擠壓方法如超臨界CO2擠壓[5]、雙階或多級(jí)擠壓[6]、擠壓-3D打印聯(lián)用[7]等。而由于擠壓設(shè)備研發(fā)比較困難，再加上高昂的制造成本，擠壓新設(shè)備和新方法在食品領(lǐng)域的推廣應(yīng)用還不廣泛。闡述新設(shè)備或新方法的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，對(duì)提升擠壓設(shè)備技術(shù)研究水平具有重要意義。

不少學(xué)者做了擠壓工藝研究，其中普通低水分?jǐn)D壓和高水分?jǐn)D壓工藝較為成熟。以擠壓組織化植物蛋白為例，大豆蛋白、花生蛋白、面筋蛋白、乳清蛋白等植物蛋白為主要原料，粉碎過篩、蒸汽預(yù)熱、酸堿調(diào)節(jié)、添加食品添加劑等為主要預(yù)處理手段，喂料速度、機(jī)筒溫度、水分含量和螺桿轉(zhuǎn)速等擠壓參數(shù)已得到優(yōu)化[1,8-9]。在擠壓機(jī)理方面，能量輸入是其本質(zhì)，但由于擠壓過程是溫度、剪切力和壓力綜合作用的結(jié)果，導(dǎo)致機(jī)理仍不清晰，主流的觀點(diǎn)認(rèn)為，擠壓能量的輸入使得蛋白質(zhì)等分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最后趨于穩(wěn)定，形成穩(wěn)定擠出物的纖維結(jié)構(gòu)、色澤等[3,4,9]。而超臨界CO2擠壓、雙階或多級(jí)擠壓、擠壓-3D打印聯(lián)用等往往通過改變擠壓過程能量的輸入，從而影響蛋白等組分結(jié)構(gòu)變化及功能品質(zhì)的形成，新技術(shù)或新方法的工藝機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。

本文解析了雙螺桿擠壓機(jī)的構(gòu)造及功能，梳理了擠壓技術(shù)及裝備發(fā)展概況；整理、闡述了普通低水分和高水分?jǐn)D壓、超臨界CO2擠壓、雙階或多級(jí)擠壓以及擠壓-3D打印聯(lián)用等工藝技術(shù)的研究現(xiàn)狀；總結(jié)了擠壓能量輸入與蛋白構(gòu)象變化關(guān)系機(jī)理，為食品擠壓裝備研發(fā)及新型擠壓技術(shù)及新型擠壓方法的推廣應(yīng)用提供參考。

1 食品擠壓技術(shù)裝備發(fā)展概況

1.1 擠壓機(jī)的構(gòu)造及功能

擠壓機(jī)是食品擠壓技術(shù)的主要設(shè)備，被稱為生化反應(yīng)器，包括柱塞式擠壓機(jī)、輥式擠壓機(jī)和螺桿擠壓機(jī)等。食品工業(yè)中使用最廣泛的是螺桿擠壓機(jī)，其中最常見的是單螺桿擠壓機(jī)和雙螺桿擠壓機(jī)，雙螺桿擠壓機(jī)因其良好的輸送、混合性能，相對(duì)較高的能量利用效率，受到專家學(xué)者和生產(chǎn)商的青睞[10]。

以德國布拉本德集團(tuán)公司、法國克萊斯特羅集團(tuán)公司、美國維爾納-弗萊德爾工業(yè)有限公司、美國APV貝克公司等為代表的國際知名擠壓機(jī)生產(chǎn)商生產(chǎn)的單螺桿和雙螺桿擠壓機(jī)已被廣泛應(yīng)用于植物蛋白擠壓組織化、谷物膨化等研究領(lǐng)域[3]。美國Wenger公司、瑞士Buhler 集團(tuán)公司、濟(jì)南賽信膨化機(jī)械有限公司、濟(jì)南賽百諾科技開發(fā)有限公司、湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司等生產(chǎn)的擠壓機(jī)，可經(jīng)過改造或直接用于組織化/拉絲蛋白或膨化食品生產(chǎn)，國內(nèi)代表企業(yè)有浙江百川地道控股有限公司、山東御馨生物科技有限公司、秦皇島金海食品工業(yè)有限公司、哈高科大豆食品有限責(zé)任公司等[2]。圖1為德國布拉本德集團(tuán)公司生產(chǎn)的 DSE-25型雙螺桿擠壓機(jī)的基本構(gòu)造，包括控制裝置、喂料裝置、加水裝置、擠壓裝置（機(jī)筒、螺桿）、擠出?？谝约案綆У膲毫?、溫度和扭矩傳感器等。通過智能化控制裝置，可設(shè)置機(jī)筒溫度、物料水分、喂料速度和螺桿轉(zhuǎn)速等基本擠壓參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測擠壓過程中壓力、扭矩、停留時(shí)間分布（residence time distribution）等設(shè)備響應(yīng)參數(shù)，也可進(jìn)行一些數(shù)據(jù)處理等[10]。喂料裝置可分為單螺桿喂料器和雙螺桿喂料器 2種，前者容易出現(xiàn)“架橋”現(xiàn)象，適合粒料，而后者喂料穩(wěn)定、準(zhǔn)確，適合粒料和粉料[11]。物料加水一般通過恒流泵、蠕動(dòng)泵或隔膜泵等輔助完成，進(jìn)水區(qū)溫度不宜高于80 ℃[12]。常見的擠壓機(jī)機(jī)筒由5區(qū)段、6區(qū)段或 8區(qū)段金屬材料組合而成，機(jī)筒溫度通過電加熱或水浴加熱等方式分別控制，主要分為混合區(qū)、蒸煮區(qū)和冷卻成型區(qū)[13-15]。螺桿是擠壓機(jī)的關(guān)鍵部件之一，物料通過它完成輸送、混合、剪切、熔融、成型并擠出的過程[4]。螺桿元件在芯軸上的排列與組合被稱為螺桿構(gòu)型，不同螺桿元件具有不同的功能，常見的螺桿元件包括輸送元件、嚙合元件和齒形元件，如圖 2所示[16]。正向螺紋輸送元件用于混合和輸送；反向螺紋輸送元件的輸送方向與擠出方向相反，用于形成密封和建立高壓；嚙合元件具有很強(qiáng)的剪切和混合作用，常見嚙合塊組合錯(cuò)列角有45°、60°、90° 3種，其中 90°組合剪切強(qiáng)度最大，但其幾乎無輸送能力；齒形元件主要起攪亂料流、均化和混合作用，使?jié)舛群艿偷奶砑觿┗旌系酶鶆騕10]。?？谝彩强刂茢D出產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，不同的模口設(shè)計(jì)，可獲得形狀各異的擠出產(chǎn)品，以扁條形和圓柱形常見[4]。

圖1 雙螺桿擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of twin-screw extruder

圖2 常見的3種螺桿元件Fig.2 Three common screw components

1.2 食品擠壓技術(shù)裝備研發(fā)概況

食品擠壓技術(shù)的發(fā)展歷史大約經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一個(gè)階段是在20世紀(jì)40年代以前，主要以成型為目的，如使用活塞式或柱塞式擠壓機(jī)制作灌腸、饸饹等，同時(shí)，單螺桿擠壓機(jī)開始在谷物膨化加工中得到應(yīng)用。第二階段是在20世紀(jì)40年代以后，擠壓被認(rèn)為是高溫短時(shí)的生物反應(yīng)過程，可以對(duì)多種原材料進(jìn)行改性，種類多樣的方便食品、休閑食品、兒童營養(yǎng)食品等擠壓食品相繼問世。第三階段是自20世紀(jì)80年代開始至今，擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)、擠壓過程監(jiān)控技術(shù)和產(chǎn)品特性分析等方面取得突破，擠壓機(jī)運(yùn)行過程逐漸實(shí)現(xiàn)了智能化控制，雙螺桿擠壓機(jī)以其巨大的優(yōu)勢(shì)，開始呈現(xiàn)出取代單螺桿擠壓機(jī)的趨勢(shì)[1]。

1.2.1 普通低水分和高水分?jǐn)D壓技術(shù)

根據(jù)物料含水率的不同，食品擠壓技術(shù)可分為低水分?jǐn)D壓技術(shù)（20%～40%）和高水分?jǐn)D壓技術(shù)（40%～80%）[1]。20世紀(jì)90年代以前，食品擠壓技術(shù)以低水分為主，對(duì)設(shè)備要求較低，單螺桿和雙螺桿擠壓機(jī)均可，產(chǎn)品多為普通組織化植物蛋白、休閑食品等，以低端消費(fèi)為主[17]。1996年，中國科學(xué)家林炳鑒等[18]發(fā)明了一種可視化雙螺桿擠壓機(jī)，在機(jī)筒的頂部和兩側(cè)以及底部均設(shè)有玻璃視窗，可用于大豆組織蛋白、淀粉食品等研究生產(chǎn)，但尚未見相關(guān)應(yīng)用報(bào)道。浙江百川食品有限公司江旭海等[19]將螺桿螺距由大到小排列，并在水化區(qū)和成熟區(qū)的螺桿上設(shè)有增壓裝置，獲得低水分拉絲植物蛋白，改善了組織化植物蛋白纖維化程度，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

Cheftel等[20]認(rèn)為，高水分?jǐn)D壓條件下（>40%）擠壓植物蛋白，可獲得類似動(dòng)物肉的絲狀結(jié)構(gòu)，較長的冷卻?？谑谦@得絲狀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。Hsieh等[8]將擠壓水分提高到 60%以上，生產(chǎn)出大豆蛋白模擬肉，此后高水分?jǐn)D壓技術(shù)得到迅速發(fā)展。湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司晏文會(huì)等[21]設(shè)計(jì)出一種特殊的冷卻成型?？?，可用于素肉等即食食品生產(chǎn)，屬國內(nèi)首例。

低水分?jǐn)D壓設(shè)備在運(yùn)行過程中材料磨損嚴(yán)重，往往導(dǎo)致不能穩(wěn)定生產(chǎn)，共性設(shè)備與個(gè)性設(shè)備的銜接配套問題在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中依然突出。而高水分?jǐn)D壓設(shè)備還處于研發(fā)階段，?？谠O(shè)計(jì)是今后需要研究的關(guān)鍵部件。

1.2.2 超臨界CO2擠壓技術(shù)

超臨界 CO2流體具有類似氣體的擴(kuò)散性及液體的溶解能力，同時(shí)兼具低黏度，低表面張力的特性，已廣泛用于組分萃取分離等[22]。1992年，Rizvi等[5]首次將超臨界 CO2流體與雙螺桿擠壓機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)用，用于組織化乳清蛋白[23]、果渣膳食纖維利用[24]、無酵母面包制備等[25]，標(biāo)志著以營養(yǎng)、低能耗和快捷為主要特點(diǎn)的低溫?cái)D壓技術(shù)（cold extrusion）的開始[22]。Common等[26]將超臨界CO2流體與單螺桿擠壓機(jī)聯(lián)用，并引入拉曼光譜技術(shù)，對(duì)淀粉、果膠等物料在擠壓機(jī)中混合效果做了研究，擠壓技術(shù)自動(dòng)化水平得到提高。Wang等[27]研究了在雙螺桿擠壓過程中注入 CO2對(duì)玉米等低溫?cái)D壓膨化產(chǎn)品理化特性的改善作用，認(rèn)為CO2的注入可輔助膨化，但還未見CO2注入在組織化植物蛋白方面的報(bào)道。

超臨界 CO2發(fā)生器與擠壓機(jī)銜接要求比較高，一般的設(shè)備材料難以滿足要求，銜接處壓力的控制尤為重要。如何保證超臨界 CO2流體在擠壓機(jī)運(yùn)行過程中平穩(wěn)流動(dòng)是今后應(yīng)該解決的重要問題。

1.2.3 其他擠壓設(shè)備聯(lián)用技術(shù)

其他擠壓設(shè)備聯(lián)用技術(shù)，包括擠壓機(jī)與擠壓機(jī)聯(lián)用、擠壓機(jī)與其他設(shè)備或技術(shù)的聯(lián)用。Fishman等[28]將多級(jí)擠壓技術(shù)用于淀粉材料加工，而美國Wenger公司[6]也曾采用雙階擠壓法生產(chǎn)模擬肉，雙階或多級(jí)擠壓技術(shù)受到關(guān)注。閻仲黎[29]采用生物酶解預(yù)處理技術(shù)，申請(qǐng)了以高溫脫脂豆粕為原料制備擠壓組織蛋白的專利。與此同時(shí)，Mesa-Stonestreet等[30]又將生物酶解與雙螺桿擠壓機(jī)結(jié)合，獲得了高純度高粱濃縮蛋白，為擠壓技術(shù)高效發(fā)展提供了新思路。Karunanithy等[31-32]相繼研究了單螺桿擠壓機(jī)-微波聯(lián)用和單螺桿擠壓機(jī)-臭氧聯(lián)用技術(shù)，并在多糖提取等方面得到應(yīng)用，使得總糖回收率分別達(dá)到 60%和70%以上。2016年，Tiwari 等[7]提出了將3D打印機(jī)與雙螺桿擠壓機(jī)連接的想法，并在制藥方面得到應(yīng)用，為蛋白擠壓組織化技術(shù)新發(fā)展提供了參考。

而這些擠壓設(shè)備聯(lián)用技術(shù)具有一定的局限性，且尚未見在工業(yè)化大生產(chǎn)中的應(yīng)用，這與其設(shè)備制造的復(fù)雜性及生產(chǎn)成本有關(guān)，仍需要進(jìn)一步研究。

1.2.4 智能化控制與模擬技術(shù)

擠壓機(jī)的控制系統(tǒng)與其壽命和擠出產(chǎn)品的質(zhì)量息息相關(guān)，目前各公司生產(chǎn)的擠壓機(jī)都已安裝了智能控制裝置[8,10,12]。井延波[33]設(shè)計(jì)了一種分布控制（distributed control system）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的精準(zhǔn)調(diào)控。美國Thermo Fisher Scientific公司生產(chǎn)的雙螺桿擠壓機(jī)配備有報(bào)警裝置，可有效防止過載對(duì)機(jī)器的損壞[12]。此外，通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)擠壓過程模擬也是實(shí)現(xiàn)智能化控制的重要手段，Harper等[4]從物料的流變性能出發(fā)，對(duì)均化段進(jìn)行了數(shù)字仿真，描述了雙螺桿擠壓機(jī)腔體內(nèi)物料的表觀黏度與溫度、剪切強(qiáng)度、物料水分等操作參數(shù)之間的關(guān)系，提出了表觀黏度計(jì)算模型。陳合玉[34]通過構(gòu)建螺桿單元的流動(dòng)模型，并在此基礎(chǔ)上完成熔體單元的全局模型，模擬擠壓過程得到的壓力降、黏度、剪切速率等與實(shí)際擠出過程相吻合。Emin[35]以淀粉為原料的膨化食品擠壓過程進(jìn)行建模分析，提出3D流體力學(xué)建模方法。Fan等[36]根據(jù)擠出物表面圖像，通過計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)（computer vision system），可直接判斷出其質(zhì)構(gòu)特性。

迄今為止，智能化控制技術(shù)僅可控制擠壓過程中相應(yīng)參數(shù)的變化，還未實(shí)現(xiàn)對(duì)擠出物品質(zhì)形成過程的控制[37-38]。原料組分千差萬別，且在擠壓過程中發(fā)生復(fù)雜變化，表現(xiàn)為扭矩、壓力等不同，這制約了擠壓設(shè)備智能化研究進(jìn)程[39]。開發(fā)更完備的在線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)擠壓過程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，對(duì)工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要意義。

2 食品擠壓工藝研究現(xiàn)狀

2.1 普通低水分和高水分?jǐn)D壓工藝

以植物蛋白擠壓組織化技術(shù)為例，食品擠壓技術(shù)主要分為低水分?jǐn)D壓技術(shù)（20%～40%）和高水分?jǐn)D壓技術(shù)（40%～80%），其生產(chǎn)工藝如圖3所示[40]。低水分?jǐn)D壓技術(shù)主要熟化能是機(jī)械能，沿?cái)D出方向的溫度分布為低-高-高，擠壓溫度多在 150 ℃以上[3,41]，擠出物稱之為低水分組織蛋白，呈海綿狀結(jié)構(gòu)，色澤、大小、形狀和風(fēng)味多樣，是市場上的主流產(chǎn)品，復(fù)水后主要作為肉制品添加物。高水分?jǐn)D壓技術(shù)是國際上新興的蛋白重組技術(shù)，主要熟化能是水蒸氣熱能，沿?cái)D出方向的溫度分布為低-高-低，與低水分?jǐn)D壓技術(shù)相比，區(qū)別在于模口的不同，而且加工溫度較低（低于130 ℃）[42]，其優(yōu)勢(shì)在于產(chǎn)品不需要復(fù)水，具有組織化程度高，彈性強(qiáng)的特點(diǎn)，質(zhì)地更接近畜禽肉，營養(yǎng)成分和生理活性成分損失少，可以作為模擬肉，經(jīng)過鹵制直接食用[17]。

圖3 植物蛋白低水分和高水分?jǐn)D壓組織化生產(chǎn)工藝Fig.3 Production process of low and high moisture extruded-texturized vegetable protein

無論是高水分組織化/拉絲蛋白，還是低水分組織化/拉絲蛋白，目前國內(nèi)均沒有統(tǒng)一的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[2]。研究多以組織化度或纖維化程度、纖維絲強(qiáng)度、持水性、色澤等為主要質(zhì)量要素并結(jié)合感官評(píng)價(jià)展開，實(shí)際應(yīng)用以客戶需求為主。根據(jù)Yao[43]、魏益民[44]、Osen[12]、洪濱[45]等對(duì)高水分組織化/拉絲蛋白的研究報(bào)道，原料蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 50%～75%之間，擠壓溫度在 120 ℃以上，物料含水率在 60%以上是促進(jìn)成絲的必要條件。張波[16]、江旭海[19]等通過螺桿構(gòu)型改造，延長物料停留時(shí)間（residence time distribution），認(rèn)為提供足夠的剪切力可增強(qiáng)纖維絲強(qiáng)度。而色澤也是其要考慮的質(zhì)量要素，受擠壓溫度和物料含率影響較大。陳曦娟[11]、李誠[46]、郎珊珊[47]等研究認(rèn)為，要獲得質(zhì)構(gòu)特性較好的低水分組織化/拉絲蛋白，需要擠壓溫度在150 ℃左右，含水率在30%以上，對(duì)螺桿轉(zhuǎn)速要求較高，一般需要200 r/min以上，不同蛋白原料要求不盡相同。復(fù)水或持水性、持油性同樣為其要考慮的質(zhì)量要素，受擠壓溫度影響較大[46,48]。

目前，國際上僅美國、歐洲等幾個(gè)國家的少數(shù)企業(yè)在進(jìn)行高水分組織化/拉絲植物蛋白的研發(fā)，中國對(duì)該技術(shù)的研究仍處于理論階段。不同生產(chǎn)廠家、不同設(shè)備型號(hào)的擠壓工藝不盡相同，原料質(zhì)量性狀參差不齊，預(yù)處理手段也各式各樣，擠出產(chǎn)品后期的干燥和貯藏鮮有報(bào)道。如何在獲得高品質(zhì)組織化植物蛋白的基礎(chǔ)上，對(duì)其品質(zhì)保藏進(jìn)行研究，將填補(bǔ)低水分和高水分?jǐn)D壓工藝的空缺。

2.2 超臨界CO2擠壓工藝

超臨界 CO2擠壓技術(shù)最大的特點(diǎn)是在接近?？谔幾⑷氤R界 CO2作為發(fā)泡劑，在低溫、低剪切條件下輔助膨化，分為超臨界CO2單螺桿擠壓和超臨界CO2雙螺桿擠壓，目前主要用于谷物、果蔬膨化等方面，擠壓工藝如圖4所示[22]。

圖4 超臨界CO2擠壓工藝[23]Fig.4 Production process of extrusion assisted by supercritical carbon dioxide

Common等[26]通過在線拉曼光譜技術(shù)測定淀粉、果膠等組分在超臨界 CO2單螺桿擠壓過程中的停留時(shí)間（residence time distribution）分布，認(rèn)為螺桿轉(zhuǎn)速和超臨界 CO2僅對(duì)流體流動(dòng)過程的平均時(shí)間起作用，而并不會(huì)分散流體和改變流體流動(dòng)行為，擠出物膨化率在 15%～70%之間。Cho等[49]通過 X-射線顯微成像技術(shù)研究了超臨界 CO2雙螺桿擠壓玉米膨化物的微觀結(jié)構(gòu)，證實(shí)當(dāng)超臨界CO2注入量由0.25%提高到0.75%時(shí)，玉米膨化物的蜂窩結(jié)構(gòu)變得致密均勻。Afizah等[23]改進(jìn)美國Wenger設(shè)備，將超臨界 CO2雙螺桿擠壓技術(shù)用于組織化乳清蛋白研究，提高了組織化乳清蛋白的乳化穩(wěn)定性，50～70 ℃為最佳擠壓溫度條件。Ruttarattanamongkol等[25]將面團(tuán)在37 ℃條件下擠壓，并注入 1%的超臨界 CO2，使得面團(tuán)醒發(fā)時(shí)間縮短至2 min，制備出無酵母面包，整個(gè)過程無乙醇排放。Paraman等[24]在乳清蛋白中加入蘋果渣，研究得出，在雙螺桿擠壓機(jī)中注入1%的超臨界CO2，擠出物中蘋果渣的色澤得以保留，當(dāng)蘋果渣加入量由 22%提高到28%時(shí)，擠出物的抗氧化活性從68.5%提高到 74%。Sharif等[50]在大豆蛋白、米粉混合物中添加鐵、鋅、維生素A、維生素C等，證實(shí)超臨界CO2的注入，使得鐵、鋅在擠出物中全部得以保留，50%的維生素A、維生素C未被損壞，與Paraman等[51]的研究結(jié)果一致。

可見，在擠壓機(jī)中注入超臨界 CO2流體，一方面作為發(fā)泡劑促進(jìn)擠出物的膨化成型，一方面又可以減弱擠壓過程對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的破壞程度。超臨界 CO2擠壓技術(shù)極大降低了生產(chǎn)過程的能耗，應(yīng)用前景廣闊，但尚未見工業(yè)化生產(chǎn)，工藝放大或成難題。闡明超臨界 CO2在擠壓過程中對(duì)擠出物品質(zhì)形成的影響機(jī)理，對(duì)指導(dǎo)其工藝研究具有重要意義。

2.3 雙階或多級(jí)擠壓工藝

雙階或多級(jí)擠壓實(shí)質(zhì)為兩臺(tái)或多臺(tái)擠壓機(jī)的并聯(lián)或串聯(lián)，最后從一個(gè)?？跀D出，擠壓工藝示意圖如圖5所示。

圖5 擠壓機(jī)串聯(lián)和并聯(lián)擠壓工藝[7]Fig.5 Production process of extrusion by series and parallel connection of extruders

美國Wenger公司[6]曾采用雙階擠壓法加工生產(chǎn)模擬肉如圖5a所示，在一級(jí)擠壓過程中采用無?？诘臄D壓機(jī)，擠壓溫度約 100 ℃，得到非定向的未組織化的蛋白一級(jí)擠出物；蛋白一級(jí)擠出物在二級(jí)擠壓過程中形成密實(shí)的片狀模擬肉。擠壓機(jī)并聯(lián)擠壓在制藥領(lǐng)域受到關(guān)注，如圖5b所示，Tiwari等[7]認(rèn)為在擠壓機(jī)并聯(lián)擠壓過程中，不同原料可以單獨(dú)擠壓，最后通過一個(gè)模口擠出，但兩種物料黏度、流動(dòng)性等需要接近。Fishman等[28]將雙螺桿擠壓機(jī)與單螺桿擠壓機(jī)聯(lián)用，用于淀粉材料 加工，認(rèn)為雙階擠壓過程可促進(jìn)高直鏈淀粉中的α-螺旋形成。

雙階或多級(jí)擠壓使得擠壓機(jī)能量輸入得到有效控制。而多個(gè)擠壓機(jī)之間銜接穩(wěn)定性問題仍需考慮，工藝研究鮮有報(bào)道，實(shí)際操作難度較大，擠壓機(jī)機(jī)筒設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步研究。

2.4 擠壓-3D打印聯(lián)用工藝

近些年，3D打印技術(shù)受到熱捧，已用于巧克力等食品制造領(lǐng)域[52]。擠壓-3D打印機(jī)聯(lián)用，充分結(jié)合了擠壓機(jī)對(duì)物料組分結(jié)構(gòu)、黏度等功能特性的改變作用和3D打印機(jī)的快速成型技術(shù)，擠壓工藝示意圖如圖6所示。

Pietrzak等[53]率先將微型擠壓機(jī)與3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)用，用于藥物制備，與普通低水分?jǐn)D壓技術(shù)相比，溫度需提高 40~50 ℃。Tiwari 等[7]認(rèn)為，擠壓機(jī)-3D 打印技術(shù)制備的藥物，提高了其運(yùn)載能力，這一觀點(diǎn)被Melocchi等[54]證實(shí)。

擠出物特性與 3D打印機(jī)對(duì)原料特性的需求對(duì)接依然是一個(gè)難題，未見擠壓-3D打印聯(lián)用技術(shù)在食品方面的應(yīng)用報(bào)道。分析食品原料的流變學(xué)等特性，通過擠壓-3D打印聯(lián)用技術(shù)，加工出各式各樣的食品，可豐富擠壓食品的種類。

圖6 擠壓機(jī)與3D打印機(jī)聯(lián)用工藝[7]Fig.6 Production process of extrusion by combination of extruder and 3D printer

3 擠壓能量輸入與蛋白構(gòu)象變化關(guān)系

擠壓過程中輸入的能量包括溫度、剪切力和壓力，在這 3種能量的綜合作用下，物料在擠壓機(jī)腔內(nèi)經(jīng)歷固體輸送、過渡態(tài)到熔融態(tài)，最后由模頭排出等階段，整個(gè)過程一般在2 min內(nèi)完成[4,9]。擠壓過程中，通過擠壓工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，改變擠壓過程中壓力、剪切力的大小、加工溫度的高低以及作用時(shí)間的長短，從而加工出人們所需的擠壓產(chǎn)品[3]。

3.1 溫度輸入與蛋白構(gòu)象變化關(guān)系

溫度是改變蛋白質(zhì)等分子構(gòu)象的有效手段[55]。高溫改變了天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)伸展，暴露出硫醇基團(tuán)和疏水性殘基，氫鍵發(fā)生斷裂，使蛋白質(zhì)分子降解成分子質(zhì)量相對(duì)較小的片段，片段間通過二硫鍵形成較大的聚合體，使得蛋白質(zhì)聚集速度增加[56-57]。擠壓過程中起主要作用的溫度為蒸煮區(qū)的擠壓溫度和?？跍囟萚58]。

高水分?jǐn)D壓與低水分?jǐn)D壓的擠壓溫度分別為 120 ℃和150 ℃，?？跍囟确謩e為100 ℃左右和150 ℃左右，與產(chǎn)品質(zhì)量要求有關(guān)[59-60]。Liu等[61]在利用擠壓法制備高水分組織化大豆蛋白過程中，采用突然停機(jī)的方法，分區(qū)段取樣，研究認(rèn)為二硫鍵是維持高水分組織化大豆蛋白的主要作用力，其在溫度和水分急劇升高的蒸煮區(qū)形成，后期不再變化，與Chen等[62]的研究結(jié)果一致。而擠壓溫度高于 150 ℃的擠壓處理對(duì)二硫鍵有破壞作用，并引起自由巰基含量的增加，促進(jìn)擠出物的膨脹[56,63]?？盗嶽64]認(rèn)為，擠壓溫度逐漸升高過程中（120～160 ℃），α-螺旋最不穩(wěn)定，會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，而β-折疊結(jié)構(gòu)基本保持不變，但隨著溫度的進(jìn)一步升高（高于140 ℃），次穩(wěn)定的β-折疊開始轉(zhuǎn)化為無規(guī)則卷曲，轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)基本保持不變。

超臨界CO2擠壓的擠壓溫度和?？跍囟染?00℃以下，這是由于超臨界CO2的注入降低了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等，提高了溫度改變蛋白構(gòu)象的效率[22]。雙階或多級(jí)擠壓過程中一級(jí)擠壓溫度較低（100 ℃），使蛋白質(zhì)分子在機(jī)筒內(nèi)發(fā)生定向排列，二級(jí)擠壓中，溫度升高，定向排列的蛋白分子交聯(lián)[6]。3D打印機(jī)的擠出成型與物料的熔融溫度密切相關(guān)，因此，擠壓-3D打印聯(lián)用過程中，對(duì)擠出物的溫度要求較高，這與流體流變學(xué)特性有關(guān)[53]。

3.2 剪切力輸入與蛋白構(gòu)象變化關(guān)系

剪切力能顯著地改變蛋白質(zhì)分子質(zhì)量，機(jī)械剪切可以使蛋白質(zhì)分子暴露出更多的巰基基團(tuán)，在氧氣的參與下，巰基基團(tuán)發(fā)生氧化反應(yīng)形成二硫鍵，進(jìn)而促進(jìn)形成分子質(zhì)量較大的蛋白質(zhì)聚集體。而高速剪切作用可以對(duì)蛋白質(zhì)顆粒產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切、拉伸和擠壓作用，使蛋白質(zhì)顆粒發(fā)生破裂，粒徑變小，分子質(zhì)量減小[56,63-64]。擠壓過程中擠壓剪切力的大小由螺桿轉(zhuǎn)速和螺桿構(gòu)型調(diào)控，螺桿轉(zhuǎn)速越高，嚙合元件組合錯(cuò)列角越大，擠壓機(jī)提供的剪切力越強(qiáng)，剪切強(qiáng)度可用單位機(jī)械能耗表征（specific mechanical energy）[16]。

低水分?jǐn)D壓對(duì)剪切力要求較高，需要打破由于高溫形成的二硫鍵，促進(jìn)膨化，形成空隙[46]。Vaz等[65]測定的大豆?jié)饪s蛋白擠出物電泳結(jié)果顯示，低水分?jǐn)D壓（25%）由于蛋白質(zhì)受到強(qiáng)烈的剪切，會(huì)導(dǎo)致分子量降低。相對(duì)比低水分?jǐn)D壓，高水分?jǐn)D壓過程中，較弱的剪切力打破了蛋白的聚集，促進(jìn)交聯(lián)成絲[66]。超臨界 CO2擠壓不需要強(qiáng)的剪切力，螺桿轉(zhuǎn)速多在100 r/min左右，這是由于超臨界 CO2的注入降低了流體黏度等，輔助剪切變稀過程[22]。

3.3 壓力輸入與蛋白構(gòu)象變化關(guān)系

壓力對(duì)蛋白分子鏈的伸展和壓縮具有重要作用，較低的壓力（<200 MPa使球狀蛋白分子展開，三維結(jié)構(gòu)局部變化，有利于蛋白交聯(lián)反應(yīng)，起泡性增加[67]。而較高的壓力（>400 MPa），使得蛋白質(zhì)聚集體解聚，造成其向小分子質(zhì)量方向轉(zhuǎn)變[68]。擠壓過程中壓力的作用主要體現(xiàn)在模口處的壓力，導(dǎo)致水分、超臨界 CO2、乙醇等塑化劑的氣化，形成多孔或纖維結(jié)構(gòu)。

水是常用的塑化劑和發(fā)泡劑，魏益民等[10]提出了“膜狀氣腔”理論，認(rèn)為在擠壓過程中，流體中的氣泡隨著在模口處壓力的釋放逐漸擴(kuò)大，最后在擠出的瞬間膨脹，形成孔狀結(jié)構(gòu)。不同的?？谠O(shè)計(jì)會(huì)影響壓力大小和壓力釋放時(shí)間，Liu等[61]認(rèn)為高水分?jǐn)D壓過程中，較長的?？谘娱L了壓力釋放時(shí)間，從而有利于蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。而低水分?jǐn)D壓過程中，?？陂L度較短，導(dǎo)致壓力突然釋放，形成大小不一的小孔[69-70]。超臨界 CO2流體既具有液體的溶解能力，又具有氣體的擴(kuò)散性，在擠壓過程中代替水作為塑化劑和發(fā)泡劑，與流體混合更為均勻[22]。其在?？谔幫蝗粴饣?，相比水分蒸發(fā)形成的氣孔數(shù)量更多，且大小更加均勻[23]。相對(duì)于水，乙醇具有較低的沸點(diǎn)，容易氣化，Vo等[71]以乙醇為發(fā)泡劑，降低了藥物制備過程?？谔幍膲毫?。

由此可見，溫度是促進(jìn)蛋白等組分結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)定轉(zhuǎn)變的基本驅(qū)動(dòng)因素，剪切力促進(jìn)分子鏈展開、斷裂并發(fā)生相互作用，壓力是多孔或纖維結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵因素。由于不同研究者使用的設(shè)備、采用的參數(shù)不完全相同，導(dǎo)致食品擠壓過程機(jī)理研究存在一定分歧，組分結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變和擠出產(chǎn)品品質(zhì)形成的臨界點(diǎn)有進(jìn)一步研究的必要。

4 結(jié)論與展望

食品擠壓技術(shù)發(fā)展過程中，新設(shè)備、新方法不斷涌現(xiàn)，特別是在設(shè)備聯(lián)用方面，如超臨界 CO2擠壓聯(lián)用、雙階或多級(jí)擠壓、擠壓-3D打印等，由于其較低的擠壓溫度、較高的能量利用率和較快的成型速度等受到研究者的青睞。目前僅低水分?jǐn)D壓技術(shù)得到了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，高水分?jǐn)D壓技術(shù)、超臨界 CO2擠壓技術(shù)、雙階或多級(jí)擠壓技術(shù)等由于其對(duì)原料及設(shè)備的特殊要求，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高，僅停留在試驗(yàn)研究階段，共性設(shè)備與個(gè)性設(shè)備聯(lián)用成為問題。通過改進(jìn)設(shè)備材料和結(jié)構(gòu)，提高擠壓及配套設(shè)備的通用性、可視性；通過擠壓機(jī)與中近紅外設(shè)備、流變儀、拉曼光譜儀等設(shè)備聯(lián)用，提高擠壓過程智能化控制水平；通過軟件模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)擠壓過程的全程監(jiān)控，是今后擠壓設(shè)備研發(fā)的方向。

普通低水分和高水分?jǐn)D壓工藝不盡相同，溫度和含水率是高水分?jǐn)D壓關(guān)鍵控制點(diǎn)，低水分?jǐn)D壓對(duì)剪切力要求較高。超臨界 CO2擠壓工藝不需要較高的溫度和剪切力，具有膨化效果好、營養(yǎng)損失小的特點(diǎn)。雙階或多級(jí)擠壓工藝將擠壓機(jī)進(jìn)行了串聯(lián)或并聯(lián)，可根據(jù)物料特性分別控制能量輸入，工作效率較高。擠壓-3D打印聯(lián)用工藝的擠壓溫度較高，可快速獲得不同形狀的擠出產(chǎn)品。擠壓設(shè)備能量輸入的控制與調(diào)節(jié)是擠壓工藝優(yōu)化過程中主要解決的問題，這其中一些關(guān)鍵技術(shù)保密嚴(yán)格，制約了其工藝優(yōu)化及應(yīng)用進(jìn)展。如何將擠壓工藝完善，實(shí)現(xiàn)從原料端到產(chǎn)品端的穩(wěn)定生產(chǎn)等問題亟待解決。實(shí)現(xiàn)擠壓過程中能量輸入的精準(zhǔn)調(diào)控，有利于工業(yè)化生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)放大，也將為擠出產(chǎn)品貯藏保鮮研究提供依據(jù)。

擠壓產(chǎn)品色、香、味、形等的形成，需要蛋白質(zhì)等生物大分子參與作為物質(zhì)基礎(chǔ)，更需要擠壓能量的催化，實(shí)質(zhì)則為組分構(gòu)象的轉(zhuǎn)變和最終的穩(wěn)定。超臨界 CO2流體在蛋白等組分結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中起重要輔助作用，降低了能量輸入。雙階或多級(jí)擠壓可分段控制組分結(jié)構(gòu)改變，提高能量利用率。擠壓-3D打印聯(lián)用技術(shù)對(duì)能量輸入要求較高。不同原料或不同批次原料在蛋白含量、構(gòu)象和功能性質(zhì)等方面存在差異，不同擠壓工藝和設(shè)備由于能量輸入或作用方式的不同，對(duì)蛋白結(jié)構(gòu)修飾能力不盡相同，導(dǎo)致工藝優(yōu)化的普適性還不具備，使得構(gòu)建擠壓產(chǎn)品品質(zhì)形成機(jī)理模型的理論研究尚不充足。建立擠壓能量輸入方式或大小、物料組分結(jié)構(gòu)變化及產(chǎn)品品質(zhì)形成三者之間的關(guān)系，將會(huì)豐富食品擠壓技術(shù)理論基礎(chǔ)。

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Research advances on food extrusion equipment,technology and its mechanism

Zhang Jinchuang, Liu Li, Liu Hongzhi, Shi Aimin, Hu Hui, Wang Qiang※
(Institute of Food Science and Technology, Chinese Academy of Agriculture Sciences/Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture, Beijing100193,China)

Extrusion technology has a potential for becoming the most important food processing technology in future which can be exploited. Food extrusion technology with the characteristics of high efficiency, energy saving and pollution free, can be used for processing the extruded texturized vegetable protein and puffing food. The aim of this review was to give the detailed outlines about the research advances of food extrusion equipment and technologies, and the relationship and mechanism between inputting energy and protein conformational transition during food extrusion process. The tendency on the development of food extraction technology was proposed, with the following 3 areas being advanced: (1) Supercritical fluid extrusion (SCFX), two-stage or multi-stage extrusion and the combination of extruder and 3D (three-dimensional) printer, with rich nutrient, high efficiency and low energy consumption as characteristics, have attracted great attention. In the future,through improving the construction of extrusion equipment, and combining infrared device, rheometer, Raman spectrometer and other equipment, it will help extruder to improve the level of intelligent controlling with the advantage of versatility and visibility. Through the software simulation system, the whole extrusion process can be fully controlled. (2) The extrusion way and inputting energy were the key points of extrusion process. For high moisture extrusion, temperature as well as moisture and die aperture significantly influenced the quality of products, while low moisture extrusion usually required high shear force. Extrusion assisted with supercritical carbon dioxide (SC-CO2) did not need high extrusion temperature and high shear force, and the nutrient loss was small. For two-stage or multi-stage extrusion, the extruders were connected in series or in parallel and the inputting energy could be controlled according to the material properties. When combined with 3D printer, the shaping speed of the extruder would be faster, but the extruder required high extrusion temperature to run. Currently,controlling the way or the amount of inputting energy in the extrusion process was the main problem to be solved, which was also the key point for the process amplification. (3) It was necessary to build the theoretical model related to the inputting energy, the change of food structure and the quality of products, in order to realize the precise and scientific regulation for extrusion process. Extrusion processing could improve or change protein quality. In the extrusion process, the temperature was the promoting power for the stable transition of protein conformation, the pressure was the key factor for the formation of porous or fibrous structure, and the shear force promoted the molecular chains to unfold, break down and interact with each other. The SC-CO2played an important role in the process of protein conformational transition, which helped to reduce the inputting energy. In the two-stage or multi-stage extrusion process, the protein conformational transition happened respectively,which improved the work efficiency. But high inputting energy was required for changing the rheological properties of vegetable protein in the process of extruding with 3D printer.

extrusion; technology; equipment; process; mechanism

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.037

TS219；TQ021.5

A

1002-6819(2017)-14-0275-09

張金闖，劉 麗，劉紅芝，石愛民，胡 暉，王 強(qiáng). 食品擠壓技術(shù)裝備及工藝機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(14)：275－283.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.037 http://www.tcsae.org

Zhang Jinchuang, Liu Li, Liu Hongzhi, Shi Aimin, Hu Hui, Wang Qiang. Research advances on food extrusion equipment,technology and its mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2017, 33(14): 275－283. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.037 http://www.tcsae.org

2017-01-16

2017-05-18

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0400205）

張金闖，男，河北大名人，博士生，主要從事食品擠壓技術(shù)研究。Email：zhangjinchuang1002@163.com

※通信作者：王 強(qiáng)，男，山東高密人，博士，研究員，主要從事油料加工與品質(zhì)調(diào)控研究。Email：wangqiang06@caas.cn