农产品高值化挤压加工利用技术

金征宇， 田耀旗

(江南大学食品科学与技术国家重点实验室/食品学院，江苏无锡 214122)

农产品高值化挤压加工利用技术

金征宇， 田耀旗

(江南大学食品科学与技术国家重点实验室/食品学院，江苏无锡 214122)

挤压是一种连续、高效、低耗，集温度、压力、剪切综合作用于一体的加工方法，是食品、饲料等农产品制造中常用的重要加工手段．简述了农产品螺杆挤压机的结构特点和挤压膨化原理;阐述了挤压技术在碎米原料的综合利用、变性淀粉干法生产、酿造和饲料原料预处理及特种饲料生产等重要领域的研究进展，提出了挤压技术在上述领域应用面临的科学问题，并针对农产品高值化挤压加工利用技术的发展趋势进行了展望．

食品;饲料;挤压;膨化

2011年，全国农产品加工业产值突破15万亿元，与农业总产值比约为1.5∶1(国外约为4.5∶1)，从业人员达2 500万人．可见，我国农产品加工业逐渐成为国民经济发展中总量最大、发展最快、对“三农”带动最大的支柱型产业之一．

挤压是一种温度、压力、剪切综合作用的加工方法，是食品、饲料等农产品制造中常用的重要加工手段．它大大地简化了生产工艺，降低了能耗，且无废水、废气，减少了农产品原料预处理及农产品生产过程中的污染源［1］．基于挤压加工的种种优势，挤压在材料、工程、医药、生物化学、农学、环境等领域也得到广泛应用，见图1．

图1 挤压技术研究在不同领域的分布情况Fig．1 Extrusion techniques used in different areas

目前，挤压技术相关的基础科研炙手可热，见图2，主要集中在加拿大多伦多大学、英国剑桥大学、美国阿克伦大学、新加坡国立大学、国内吉林大学、江南大学、华南理工大学等高等院校．部分院校和科研院所在20世纪50年代以前，就将挤压技术应用在宠物食品生产、预煮面条、谷物和油料种子的消毒灭菌等农产品加工领域［2］;20世纪60年代至20世纪80年代，挤压技术相关的研究有了突飞猛进的增长，主要体现在饲料膨化、谷物食品生产和组织化蛋白的挤压预处理技术等方面［3］;然而20世纪末期至21世纪初期，科学家在农产品挤压加工领域侧重于挤压机可视化研究、挤压作为生化反应器原理以及挤压机内物料特性变化的数学模型等基础研究［4］．可见，挤压技术基础研究的发展和深入是挤压技术提升的必经阶段．本文即对农产品螺杆挤压机的膨化原理、典型农产品挤压加工机理及关键技术进行了简要阐述，以期对农产品高值化挤压加工利用技术的提升与推广起一定的推动作用．

图2 挤压技术研究论文发表情况(数据来源于Scopus数据库，至2012年8月)Fig．2 Published papers in extrusion technologies(data from Scopus database，up to Aug，2012)

1 螺杆挤压机构造及挤压膨化原理

1.1 农产品螺杆挤压机结构及挤压系统选择

根据螺杆数目，适用于农产品加工的螺杆挤压机分为单螺杆、双螺杆和多螺杆挤压机．其中，多螺杆挤压机由于制造加工困难，对传动系统要求高，因而在农产品加工行业中极少使用．单螺杆挤压机中物料围绕在螺杆周围形成连续带状物料，当物料与螺杆间的摩擦力大于机筒与物料的摩擦力时，物料将与螺杆一起旋转，造成物料的输送中断．对于双螺杆挤压机而言，由于在C形开口处总有另一螺杆的螺旋齿板旋转着，起到了挡板作用，物料不会出现共转［5］．因此，双螺杆挤压机可将内壁做成光滑的表面，避免不必要的摩擦，降低运转能耗．表1列出了单螺杆挤压机与双螺杆挤压机的主要差别．显然，其中物料的允许水分范围以及加工能力的差别应是最值得注意的方面．实际上，农产品原料一般多是不定形、不均匀、高水分、高油分、多成分类的物料．因此，单螺杆挤压机用于农产品加工，可以说在机理上还存在着一定的问题，农产品的挤压膨化、成型加工，更理想的选择是采用双螺杆挤压机，如表1［6］．

表1 单螺杆与双螺杆挤压机的主要区别Tab．1 Major differences between single and twin screw extruders

挤压机的整体操作成本亦是挤压系统选择的重要指标，见表2．新一代挤压机操作费用较低，主要是因为资金投入的减少和能源效率的提高．由于每吨产量高出25%的资金投入，所以新一代挤压机的资本投入可与天生高操作费用的双螺杆挤压机相媲美［7］．双螺杆挤压系统若要降低操作费用并提高它的适用性，则需要在挤压机关键部件上不断改进，比如套筒内壁使用低摩擦系数材料，减少螺杆与机筒的间隙等．

表2 挤压系统操作费用概算Tab．2 General operation price of different extruding systems

1.2 农产品挤压膨化机理

Kokini等［8］认为农产品挤压膨化包括5个阶段:物料从有序到无序的转变、气核生成、模口膨胀、气泡生长和气泡塌陷，如图3．物料由有序到无序的转变，主要指物料在挤压机内的压力、热和剪切作用下发生多种变化，有原料自然结构的破坏和重组，有生物大分子的变性，也有分子水平上的化学变化．其中主要是淀粉的糊化和降解、蛋白的变性，使颗粒状或粉状的物料转变成具有黏弹性的熔融体．最后阶段，由于气泡生长停止后也可能不发生收缩，且气泡塌陷也只是导致收缩的一个原因，故最后一个阶段称为“生长停止或收缩”更合适［9－10］．下面主要从气核生长的角度论述农产品挤压膨化的机理．

图3 挤压膨化过程示意Fig．3 Schematic diagram of extrusion-expanding process

研究表明，挤压过程中捕获于熔融体内的小气泡也可以作为“气核”［11］．如图3，由于食品挤压中通常采用饥饿式喂料，挤压机内不会全部充满物料，根据喂料速度、螺杆转速等挤压条件的不同，挤压机内物料充满段的长度也不一样．物料向前输送到一定位置时开始熔融，其中的一些空气被“捕获”在熔融体中．这时如果充满段的长度大于熔融段的长度，一些物料就会在喂料口和融体输送区之间相成阻隔，防止被捕获的空气返回到喂料口而后逸出．被捕获的空气就可以作为“气核”形成气泡，在随熔融体排出模口后发生膨胀，使挤压产品中气泡较多;相反，如果充满段的长度小于熔融段的长度，喂料口和熔融区之间没有物料形成阻隔，熔融体中的空气就会通过物料与挤压腔内壁之间的间隙经喂料口逃逸出去，挤压产品中的气泡数量就少，如图 4［10－11］．

图4 基于充满段长度的空气捕获机理Fig．4 Air-capturing mechanism based on full degree

1.3 系统分析模型及相关参数

Meuser等［12］提出的挤压机系统分析模型把影响挤压机加工参数分为操作参数、系统参数和目标参数三个部分，如图5．过程参数(X)就是挤压机操作过程中加工物料的特性参数和挤压机的特性参数．系统参数(Y)直接受过程参数的影响和控制，对于不同的过程参数，系统参数随之而改变，可以用Y=f(X)来表示．而目标参数(Z)可以用系统参数来表示成Z=g(Y)，系统参数直接影响和控制着目标参数．系统分析模型就是将挤压加工参数分成这三大部分．在研究过程中，可以将挤压机分成两部分进行研究，一部分为过程参数与系统参数之间Y=f(X)的关系研究，另一部分为系统参数与目标参数之间Z=g(Y)的关系研究．这样挤压机的大量参数分析与研究就变得简单化了．

每一种物料配方都有各自的特性，这会影响到怎样准确地利用所给的挤压机操作得到产品目标性质．Strahm提出，高分子科学的原理可以应用于物料配方中的生物聚合体，比如蛋白质和淀粉［13］．通过这种方式，可以将总能输入(以机筒内物料温度代替)和物料温度的关系表示出来，得到描述典型的挤压过程的曲线图，如图6［13］．可以看到，一开始生物料处于玻璃化曲线下方的一点．在进入挤压机机筒前，通过预处理的增塑作用得到又软又湿的原料．在预处理之后，热能和机械能的输入使物料进一步加热和湿化．在模头处失去的水分使物料冷却和脱水，成为柔韧而潮湿的产物．然后，进行干燥和冷却就得到了酥脆(玻璃状)的成品．

图5 挤压系统分析模型Fig．5 Analyzing models of extruding systems

图6 典型挤压过程的玻璃化和熔化曲线Fig．6 Glass and melting state curves of classical extrusion process

2 挤压技术在典型农产品高值化加工过程中的应用实例

2.1 碎米挤压生产复合营养米技术

复合营养米挤压蒸煮技术，是指以碎米或者作为饲料原料的早籼米为原料，添加合理的营养成分或品质改良剂，通过螺杆挤压蒸煮、造粒过程得到具有米饭质构和口感的复合营养米［14］．具体挤压蒸煮工艺如图 7［14］．

图7 复合营养米的螺杆挤压蒸煮系统Fig．7 Extrusion cooking system of nutrition-fortified rice

在这一领域，国外主要采用单螺杆、双螺杆蒸煮挤压机研究原料在挤压过程中各种营养成分的变化．比如，Moretti等［15］利用米粉为载体原料，使用单螺杆挤压机研究了不同的铁化合物对挤压人造米的营养素稳定性的影响，发现通过加入硫酸亚铁挤压强化的人造米，其颜色、口感以及内部结构与没有经过强化的普通大米没有差异，而且其在漂洗过程中铁元素损失率小于3%．Lee等［16］利用豆类与谷物作为原料，使用双螺杆挤压机制作出挤压“人造米”，并研究了其物理特性及煮制特性．研究表明人造米的形状为中形或长形，在电子显微镜下观察，其内部结构非常紧密，在挤压蒸煮过程中，其外形尺寸增大了1.2～1.3倍．加水煮制后，人造米比碾制的颜色更加鲜亮．在质构特性方面，重组米的硬度、咀嚼性、胶着性比普通碾制米低，而在黏性和弹性方面则要比普通碾制米高．Su等［17］研究了利用双螺杆挤压机将蛋壳粉添加到大米中的挤压过程，但是对人造米挤压蒸煮过程中基础问题的报道相对较少．

相比而言，国内更侧重于复合营养米挤压蒸煮过程和造粒的研究，特别是如何针对最终产品形态，改进挤压机蒸煮系统的关键部件，并根据产品目标参数建立挤压机操作参数与目标参数之间的联系．比如，江南大学金征宇教授团队针对复合营养米挤压蒸煮技术，发明了复合营养米的造粒模头，图8［14］，得到复合营养米形状与大米形状极其相似［14］．

图8 模头装置示意图和产品Fig．8 Schematic drawing of die

同时，基于BP神经网络的 PTW－24/25D实验型双螺杆挤压机的人造米挤压系统参数与目标参数预测模型，开发了基于Matlab GUI的具有友好的可视化用户交互界面、操作简单、使用方便的挤压蒸煮过程监控系统，如图9［14］．从监控图上可以非常直观地看出，各个条件下的扭矩、压强、螺杆转速等指标都是比较平缓的，机筒内物料的温度很好地控制在±5℃范围内，说明复合营养米挤压蒸煮过程控制稳定，系统参数对操作参数的反应非常灵敏，螺杆转速的变化会引起扭矩和压强的明显改变．

图9 复合营养米挤压蒸煮过程实时监控图Fig．9 Real-time extrusion process monitoring system of nutrition-fortified rice

2.2 螺杆挤压机用作生化反应器技术

2.2.1 螺杆挤压机作为生化反应器原理

把挤压机与生物、化学转化联系起来始于20世纪80年代，这一构思突破了传统把挤压机仅仅作为食品加工机械的观念，将挤压机用于以蛋白质、淀粉、纤维素等聚合物为基质的生物材料进行直接或间接的生物或化学转化，大大拓宽了挤压技术的应用领域．目前，螺杆挤压机作为反应器主要应用在淀粉干法变性和酿酒辅料处理等重要领域［18－19］．图10展示了挤压预处理酿造原料的示意图(W，水入口;S，谷物或淀粉喂料口;E，酶入口;SP，取样点)［19］．A区主要用来混合酿造用谷物或淀粉，以获得30%～70%湿度的混合物以便淀粉糊化，其中物料通过单螺杆或双螺杆传送器从喂料口投料，水分通过蠕动泵泵入，根据实际情况确定进料速度和进水量;B区主要通过温度控制，实现淀粉糊化，并且将物料温度控制在90～120℃，以方便后续酶的作用;C区为酶液化反应区，此时酶和糊化的淀粉混合、作用，对淀粉或谷物进行预液化;发酵反应器主要对挤压预处理的酿造原料进行发酵和酿造，如加入α-淀粉酶和糖化酶进行糖化反应生成淀粉糖、加入酵母发酵生产酒精等．

图10 双螺杆挤压机用作生化反应器示意Fig．10 Schematic diagram of twin-screw extruder as biochemical reactor

2.2.2 挤压催化干法制备变性淀粉

淀粉和化学试剂经催化剂作用在挤压的过程中发生了系列反应，包括环氧化合物的开环、酯化、磷酸化作用、甲基化等反应，从而实现制备氧化淀粉、酯化淀粉、交联淀粉、阳离子淀粉、降解糊精等变性淀粉［18］．采用挤压催化的方法，具有同时完成多步物理化学反应，工艺简单，生产周期短，设备简单，可以连续化生产，不产生废水，不污染环境，生产成本低等优势．表3总结了部分变性淀粉的反应条件及最终产品性质．

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2.2.3 酿酒辅料的挤压预处理

淀粉糊化和降解液化是谷物在加酶挤压中最重要的变化．水分对淀粉的液化有重要影响．Hakulin等［27］发现增加水分，提高温度可以使淀粉完全糊化并且提高液化程度．Chouvel等［28］也发现液化程度随水分含量增加而增加，而且在较低的酶/底物时液化程度更依赖于水分含量;温度对于反应的影响是双面的，一方面温度影响糊化度，另一方面温度还应控制在酶最适温度范围内．Tomas等［29］研究发现在合适的温度范围内，DE值随温度增加呈线性增长;酶的种类、用量及物料pH都对液化有显著影响，最初的相关研究都集中在温和挤压条件下进行，而随着耐高温α-淀粉酶的应用，液化程度得到很大提高．Govindasamy等［30］用单螺杆挤压机作为生物反应器研究西米淀粉降解及物化性质的影响，发现水分含量和酶浓度是影响所测物化特性的最显著影响因素，而且支链淀粉优先与酶作用发生降解，其中挤出物中麦芽三糖、五糖和六糖是最主要低聚糖．Vasanthan等［31］用耐高温α-淀粉酶对大麦粉进行加酶挤压，测定挤压条件对淀粉水解程度、DE值以及单糖/二糖/低聚糖组分的影响，研究表明水解度和DE值随酶浓度和水分含量增加而增加，而且挤出物中麦芽二糖含量最多，葡萄糖含量最少．酿造原料的挤压预处理具体实例见表4．

表4 酿造用原料挤压预处理应用实例Tab．4 Examples of extruding-pretreatment of brewing materials

2.3 饲料膨化技术

2.3.1 饲料原料预处理

饲料原料在膨化过程中的热、湿、压力和各种机械作用下，能够提高饲料中淀粉的糊化度，破坏和软化纤维结构的细胞壁部分，使蛋白质变性、脂肪稳定，在饲料资源的开发利用上发挥出了重要作用．目前这些原料包括大豆、玉米、米糠、豆粕、蓖麻粕、田菁籽粉、羽毛粉等．具体膨化目的体现在:膨化玉米粉可以让乳猪料变得疏松，适口性好，消化率提高;膨化大豆、豆粕、蓖麻粕、田菁籽粉、羽毛主要目的是达到安全饲喂的要求和增加可消化物质，比如羽毛膨化提高蛋白质的消化率;将膨化料与其他原料混合制成配合饲料，可以提高仔猪生长效率、养分消化率以及成活率等特点．表5总结了部分饲料原料膨化技术原理及获得的技术参数．

表5 部分饲料原料膨化技术原理及目标参数Tab．5 Expansion mechanism and targeted parameters of raw feed materials

2.3.2 特种饲料膨化生产

用挤压蒸煮法加工水产饲料、乳猪饲料、宠物饲料、动物园动物及试验室动物饲料等特种饲料能更好地满足饲喂对象对饲料的各种不同要求．大量文献资料表明:用双螺杆挤压机为主设备所建立的湿法、中温、中剪切的挤压环境尤其有利于获得所需要的产品特性．挤压蒸煮法相比于其他生产方法具有许多优越的加工特点:原料选择范围大、产品物理和机械性质优良、产品生化性能改善、挤出过程稳定和工艺成熟等．特别是双螺杆挤压膨化技术，基于双螺杆的啮合螺旋结构，既可以用来输送高黏性的物料，也可以用来输送低黏性物料，并具有自清理功能．比如，谢正军等人对国产PHG135膨化机进行结构改造及，以充当膨胀器生产膨化乳猪料．确定了用PHG135挤压机生产膨化乳猪的设备改造要求和生产工艺，打破了乳猪膨化料生产设备完全进口化的现状，为膨胀器的国产化提供了可靠的技术路线和参数［44］．赵建伟等人建立了沉性/浮性水产饲料的膨化生产关键技术，最终所生产的沉性虾饲料淀粉糊化度达到90%，浮性牛蛙料30 min颗粒漂浮粒达到 95%［45］．

3 农产品高值化挤压加工利用技术领域的发展方向

螺杆挤压机最早应用于材料科学，其基础理论起步较早，形成了多种用于描述挤压过程中流动和传热基本原理的数学模型．运用这些模型，可以实现了精确的挤压机模拟设计．然而农产品工业应用挤压技术落后于材料科学行业，单纯材料体系的模型不能简单用来应用于复杂的农产品加工体系．这就要求农产品加工领域的工程师和科学家更多注重工程实践，研究特殊物料在挤压过程中的变化规律及挤压参数与农产品性质间的相互关联，并开发相应监控软件，实现挤压过程的自动化控制．因此，笔者认为以下几点值得思考．

3.1 特定农产品挤压膨化过程中的目标参数与过程参数关系研究

产品目标形状和性质如何在复杂的挤压过程中得到保证?这需要挤压物料的基础性质数据和物料在挤压过程中变化的数学模型，并构建物料性质、挤压机参数、系统参数、目标参数间的关联数据库，这也是挤压机自动化控制研究的先决条件．

3.2 农产品螺杆挤压机的自动化控制研究

积极探索计算机在挤压膨化机及其生产线设计、模拟、自动化控制方面的应用，提高整机的自动化水平、稳定性和可靠性，实现自动化开机，研究自动开机阀，简化挤压机在开、停机时的操作步骤，降低物料损失和能量损失．在这一领域，金征宇教授团队和江苏牧羊集团研究了高度柔性分散控制检测和多级分布式通信网络技术与挤压机操作的相互关系，实现了挤压工艺参数自动选择、自动修正和存储，使开机进入稳态时间由传统6 min缩短为4 min．

3.3 农产品挤压加工过程的可视化研究

可视化技术在航空工业的基础研究中很早得到应用，在聚合物成型加工中的研究还属刚起步不久的新技术．若应用于农产品挤压加工过程研究，可以实现直观分析农产品加工的真实过程．

3.4 农产品螺杆挤压机关键部件及挤压机耐磨材料的研发与设计

挤压机的性能在很大程度上取决于螺杆和模头的设计．螺杆参数较多，相互之间关系复杂，其参数的确定与加工物料、产品的性能均有关系．目前，设计螺杆的主要方法是经验性的，且多数是参照塑料挤压机的设计方法，在适用于农产品的螺杆挤压机中，还缺乏一套成熟的方法．其次，挤压机本身材料也是关键因素．比如，江苏牧羊集团构建了高性能陶瓷涂层和金属陶瓷复合涂层制备新工艺，运用等离子喷涂技术将TiO2、SiO2和Cr2O3系列氧化物陶瓷复合涂层应用于金属表面改性处理，使螺杆使用寿命由6 000 h提高至12 000 h．

3.5 研制系列多功能、多用途农产品加工膨化机

在挤压机具体设计过程中，要考虑一机多用，如一种规格的挤压机可与几种规格的螺杆或几十种挤压模头相配合，这样即可满足不同用途和要求的用户的需要．还需要重点开发更先进的双螺杆挤压机，提高挤压机的多功能性，扩大挤压机的应用领域．

4 结论

挤压技术研究依旧炙手可热，将在作为生化反应器、农产品原料预处理、挤压食品和膨化饲料等领域发挥不可替代的作用．尽管国内外围绕农产品挤压过程中的原料性质变化，挤压过程黑箱的揭示等方面取得了明显成绩，但挤压机作为生化反应器具体应用过程中的反应原理、挤压机自动化操作、一机多用等核心问题上还有大量的理论和技术瓶颈亟须突破．本文建议未来在农产品挤压过程可视化研究、农产品目标参数与挤压参数间的关系、基于目标参数和挤压参数关联的自动化控制等方面加强基础研究和设计工作，为推动农产品高值化加工利用进程提供必要的理论指导和新的技术方法．

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［44］谢正军，徐学明，刘国华．乳猪料膨化工艺的研究［J］．粮食与饲料工业，1998(12):22-25．

［45］赵建伟，金征宇．单螺杆挤压沉性膨化饲料的工艺研究［J］．饲料工业，2004，25(5):30-34．

(责任编辑:李 宁)

Extrusion Processing and Utilization of High-value Agricultural Products

JIN Zheng-yu， TIAN Yao-qi
(The State Key Laboratory of Food Science and Technology/School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

Extrusion technology is a continuous，effective，low-energy method with combined effect of temperature，pressure and shear and it is an important tool to produce agricultural products，such as foods and feeds．The structure properties and expansion mechanism of screw extruder were illustrated during processing agricultural products．The application of extrusion technology was also summarized，such as utilization of broken rice，modified starch，pretreatment of fermentation and feed raw materials，and production of special feeds．In the end of the article，The prospective of application of extrusion technology in relevant fields was proposed．These could provide some basis for accelerating process of agricultural products with high value．

foods;feeds;extrusion;expansion

TS210.3

A

1671-1513(2012)06-0001-09

2012-09-10

国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD37B01，2012BAD37B02)．

金征宇，男，教授，博士，博士生导师，江南大学副校长，主要从事碳水化合物资源开发与利用方面的研究．