淀粉质食品挤出物的膨化机理研究进展

范小平，杨公明，周家华

（华南农业大学 食品学院，广东 广州 510642）

0 引言

膨化食品通常是以谷物粉、薯粉或淀粉为主料，利用挤压、油炸、焙烤、热空气、微波等膨化技术加工而成，因具有酥脆的口感而颇受人们的喜爱.其中，将食品原料利用螺杆挤压机加工得到的产品称为挤压膨化食品，常见的有早餐谷物食品、方便食品、休闲食品、组织化仿生食品、调味品、巧克力食品以及宠物食品等种类.通过更换模具，还可方便地改变食品形状，生产出具有不同外形和花色的挤压膨化食品[1].

在各类挤压膨化食品中，淀粉质食品占最主要部分.近年来，大量研究人员致力于淀粉质食品挤压膨化技术研究.就研究内容而言，主要集中在挤压（如挤压机及模具结构、挤压机理与过程、物料受挤压状态）、膨化（如膨化机理与过程）、膨化物（如膨化物结构、质构、品质、营养成分）三方面.在现有的研究中，绝大部分都是以工艺和产品开发为主，在膨化机理方面的研究相对较少.同时，由于挤压膨化过程较复杂，且淀粉质物料在该过程中会产生复杂的物理、化学变化，相关膨化机理研究仍有待进一步深入和完善.作者主要对近年来关于淀粉质食品挤出物的膨化机理的研究进行综述、归纳和分析，在此基础上，对该领域的进一步深入研究作出展望.

1 淀粉质食品挤压膨化过程的一般描述

1.1 食品挤压膨化的“五阶段”

食品挤压膨化的一般过程是：含一定水分的物料在挤压机内部受到螺杆、机筒以及物料内部的机械摩擦作用，被剧烈地挤压、搅拌、剪切而逐步变得均匀和细化.此时，机筒内部的物料因螺杆的高速剪切而处于高温、高压状态，水分呈过饱和液态.当物料从模口被挤出时，压力突然降为大气压，水分发生闪蒸并进入物料体系因挤压过程而产生的气核内部，诱使气泡急剧膨胀；同时，水分的持续蒸发带走了物料内部大量的热量，温度在短时间内显著降低，致使挤出物固化定形，得到多孔、疏松结构和酥脆口感的膨化食品[2].

根据挤压膨化过程的特点，Kokini等[3]提出了人们广为认同的膨化过程理论，其核心内容可概括为“五阶段”，即：物料从有序到无序的转变，气核形成，模口膨胀，气泡生长和气泡塌陷，如图1所示.

图1 食品挤压膨化过程示意图

1.2 淀粉质食品的挤压膨化过程机制

淀粉质挤压膨化食品的加工物料主要来源于高淀粉含量的玉米、小麦、大米等，淀粉是形成膨化产品结构和膨化效果的主要成分.结合淀粉物料的特点及“五阶段”理论，将其挤压膨化过程机制描述如下.

1.2.1 淀粉质物料从有序到无序的转变

淀粉在挤压机机筒内部经受螺杆的高速、高温剪切而导致淀粉颗粒和分子发生不同程度的改变[4-6].因水分的存在，淀粉的原始结构将被破坏，发生糊化和降解.当水分充足时，淀粉受热达到一定的温度会糊化；当水分含量较低时，在通常的糊化温度范围内糊化不完全，但随着温度的升高，未发生糊化的淀粉分子的活动加剧，最后结晶部分发生熔融，使颗粒状或粉末状的淀粉物料最终变成具有黏弹性的熔融体[7-9].

1.2.2 熔融淀粉质物料内部形成气核

淀粉质食品挤出物的膨化过程和最终形成的多孔状结构，均与挤压过程中淀粉熔体内部的气泡成核状态直接有关.气泡的成核指的是液体亚稳态内部形成体积小、热力学不稳定、气态的“泡胚”.一旦“泡胚”达到临界尺寸，将自发生长变成稳定的气泡核.对于淀粉质物料的膨化而言，成核发生的区域可能为包陷的空气，物料表面的尘粒，或者是基质内部存在的自由体积[10].

1.2.3 淀粉质挤出物发生模口膨胀

模口膨胀又称挤出胀大或Barus效应，是指高分子熔体被强迫挤出模口时，挤出物的尺寸大于模口尺寸，截面形状也发生变化的现象.通常，牛顿型流体的模口膨胀效应很弱或者不存在，但高分子液体的模口膨胀现象较为显著，主要是因为高分子熔体的弹性记忆效应所致[11].当熔融淀粉物料进入挤压机模口时，受到强烈的拉伸和剪切形变，其中拉伸形变属于弹性形变.这些形变在模口中只有部分得到松弛，剩余部分在挤出模口后发生弹性恢复，产生模口膨胀.此外，淀粉熔体从模口挤出时逐步冷却，导致弹性力对熔体流变性的影响显著增大，促进了模口膨胀.

1.2.4 挤出物内部发生气泡生长

气泡生长与气核形成阶段紧密相连，直接决定着最终泡孔的大小、形态及膨化物的结构和性能.气泡生长的驱动力为气泡内外压力差.当淀粉熔体到达挤压机模口时，处于高压、高温状态，而从模口挤出时，外界环境为常压、常温，压力的骤降导致淀粉熔体中的水分发生急剧相变（闪蒸），大量水蒸气持续进入气核内部，致使气泡内部压力高于周围环境，气泡随即生长.影响气泡生长的因素是多方面的，主要有：

（1）挤压机结构及操作条件，如螺杆类型、喂料速度、螺杆转速、温度设定、模口几何结构，等.

（2）膨化剂种类与含量，常用的膨化剂有水、乙醇等.

（3）物料组成及其物性，尤其是与膨化剂混熔状态的流变性.

（4）模口外部膨化环境，如温度、湿度、压力等.

1.2.5 挤出物内部发生气泡塌陷

气泡塌陷包括生长停止、收缩或破裂过程.随着气泡的生长，气泡的壁面（淀粉与水的混合熔体）温度和含水率均下降，弹性、黏性等流变性发生改变，致使气泡生长的动力枯竭，逐步停止生长或发生收缩.在气泡生长的后期，如果气泡间的壁发生破裂，将发生气泡聚结现象，而气泡聚结一般认为不会对宏观挤出物的膨化产生影响，但位于表层的气泡发生破裂将导致气泡坍塌，会对膨化产生影响[12].

2 气核形成的研究

淀粉质食品挤出物的膨化过程是由大量气泡快速增长所主导的多物理过程，而初始气泡即气核的形成是发生挤压膨化的基础条件之一.为深入揭示膨化过程机理，一些学者专注于气核的形成及状态研究，但目前相关研究文献报道主要集中在合成高分子领域.

近年来，研究人员针对成核区域的范围和起源开展研究，试图验证有关成核理论，但普遍遇到了实验中的困难.迄今为止，研究人员一般认为气核形成于流体尤其是熔融高分子内部，主要是因为其内部存在溶解的气体或者化学发泡剂[3].在熔融淀粉质物料内部成核方面，Kumagai等[13-14]成功估算了促使小麦淀粉和大米淀粉膨化的临界气泡半径，Hoseney等[15]研究了一种能使局部气泡可视化的小麦淀粉挤出螺杆，并证明了淀粉脐为主要成核区域.根据Hoseney等[15]和Cisneros等[6]的研究结论，熔体内包陷的空气泡有助于挤出物的膨化，主要是因为它们可以充当泡核作为水蒸气气泡的形成.最近，Robin等[16]在研究小麦淀粉与麦麸共挤物的膨化时发现，在小麦淀粉中加入不溶的干性麦麸颗粒有助于提高气核生成数量，进而提高了最终膨化物的孔隙数量.

就成核方式而言，可分为均匀成核和非均匀成核[10].均匀成核是由于亚稳态液相内部的局部热效应和密度变动，导致形成具有类似蒸气能的分子簇，这些分子簇进一步形成气核；非均匀成核的条件是当液相与其他相或外界杂质（如包陷的不可凝结的空气泡，悬浮的固体颗粒等）接触.通常，均匀成核和非均匀成核在挤压机内部的淀粉熔体中共同存在，且非均匀成核的数量少于均匀成核数[17]，而Guy等[18]则在研究中强调，当均匀成核作为主要成核方式时，随着挤出熔体温度上升，膨化物内部的气孔数目没有增加.

在对成核状态的数学模型描述方面，由于淀粉属于生物高分子，在挤压过程中经历连续的较为复杂的转变（主要为糊化），因而不能完全参照合成泡沫塑料高分子的发泡理论.目前，关于淀粉的成核模型基本都采用了适当的简化假设，用以定量地描述成核状态.比如，Kokini等[3]认为在饱和状态下，液体和水蒸气内的压力在气泡界面处相等且保持平衡，并采用Laplace（拉普拉斯）方程进行了建模，对气泡成核和膨胀现象的理解做出了颇有价值的贡献，但他们忽略了黏弹性因素，并假设挤压过程中气泡界面的压力差恒定.

3 熔融淀粉物料的流变性研究

挤压过程中，含有一定水分的淀粉物料被转变为黏弹性面团，其流变性对挤出物在模口外部的膨化产生决定性的影响，因此，自挤压膨化技术产生以来，许多研究人员致力于熔融淀粉（面团）的流变性研究.

近年来，针对熔融淀粉流变性的研究主要集中在量化挤压膨化加工条件参数和物料组分的影响方面：研究人员通常借助流变仪对熔融淀粉物料的流变性（主要为黏弹性）进行检测，以建立流变性与加工条件、淀粉转化与降解程度、物料组分之间的经验或半经验模型.就检测手段而言，较多研究者在挤压机模口安装在线式流变仪[19-22]，也有的采用离线式毛细管流变仪[23-24].

尽管熔融淀粉在挤压机模口附近表现为黏弹性，但其在挤压机内的运动主要靠螺杆的剪切作用，因此黏性是最主要的性能[25].基于此，一些研究者通过忽略熔融淀粉在模口附近的复杂流动、膨化效应和弹性，将其看成为流体，其性能符合Arrhenius式的温度相关性[26-27].但是，随着淀粉挤出物温度的下降并接近玻璃化转变温度时，其黏性更趋于符合Williams-Landel-Ferry模型（本文简称WLF方程），而Arrhenius模型通常在熔体温度高出玻璃化转变温度100℃时较为适用[26，28-29].

为建立熔融淀粉黏度与挤压膨化加工条件的关系模型，一些研究者在传统幂律方程的基础上，不断提出和优化黏性模型.早在20世纪70年代，Harper等[19]便提出了一种包含加工温度、剪切速率和物料含水率影响的理论模型，用于描述挤压蒸煮谷物面团的黏度，并通过实验数据对模型中的参数进行了修正，该模型后来被Wang等[30]和Altomare等[31]用来预测小麦粉、大米粉在低水分含量条件下的黏度变化，而Lai等[32]则通过引入淀粉糊化度、活化能及淀粉转化等因素对Harper模型进行了修正.最近，Dautant等[33]采用毛细管流变仪测定大米淀粉与少量脂肪共挤物在不同加工温度、含水率和表观剪切速率下的黏度，结果表明熔融挤出物符合假塑性流体行为，可采用幂律模型来描述其黏性.

熔融淀粉的流变性除与加工条件参数有关外，还与淀粉物料自身性质有关，比如含直链、支链淀粉分子的比例，是否含其他添加组分（除水外）等.同时，在淀粉中加入其他成分如蛋白质、脂肪等同样会影响熔融淀粉的流变性，进而影响共挤物的膨化，而这方面也有了较多的研究报道.

4 模口膨胀机制研究

目前对于模口膨胀理论模型的研究主要集中在合成高分子领域，对淀粉等生物高分子的模口膨胀研究则较少，主要是因为淀粉本身在挤压时产生的复杂变化和特殊的流变性，使其模口膨胀的量化较为困难.

Chang[34]分别采用Amioca（含98%支链淀粉）、Hylon7（含70%直链淀粉）和玉米粉作为原料对模口膨胀现象进行了理论建模和实验研究，结果表明，第一法向应力差随剪切速率的增加而增大，但随物料温度和含水率的增加而减小，原料Amioca的可恢复剪切应变表现为温度的正相关函数，而玉米粉的可恢复剪切应变表现为温度的负相关函数.此外，Brent等[35]通过数学建模、数值计算和实验确定了模口膨胀对挤出物径向膨化率的影响，Tanner[36]则对其早期提出的模口膨胀模型未能很好地解决高弹性材料在模口处的奇异点问题进行了修正.

5 气泡膨胀机制研究

研究气泡膨胀机制主要是对淀粉质食品挤出物内部气泡增长的动态过程进行观测、量化、分析.气泡膨胀是一个典型的多物理过程——其增长受到熔融态淀粉挤出物流体的流变性以及气泡与熔融态流体之间的质量、动量和热量传递过程控制，并与周围环境存在热量和质量交换[37].

目前关于气泡膨胀动态过程的研究，按照气泡增长的熔体环境可分为两大领域：（1）合成高分子领域，如PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、EPS（聚苯乙烯）等泡沫塑料的发泡成型，通常采用挤出和注射成型[38]；（2）生物高分子领域，如淀粉质食品挤出物的膨化.这两类熔体环境中的气泡增长机制有类似之处，但也有明显差异，主要是不同高分子的流变性本构方程不一样.事实上，学术界针对气泡膨胀机制的研究最初是从合成高分子的发泡成型发展起来的.对于淀粉质食品挤出物的膨化，由于淀粉在挤压膨化过程中存在糊化、降解、转变等特殊变化，熔体的流变性和热力学性质更加复杂，因此加大了对其内部气泡膨胀机制的研究难度.

构建挤压膨化食品多孔结构和质构性能的气泡有水蒸气和化学气体（常见的是CO2），二者还可能混有空气成分.因此，研究淀粉质食品挤出物内部的气泡膨胀机制，通常以这两类气泡为对象.

5.1 由水蒸气扩散所主导的气泡膨胀机制研究

在淀粉质食品挤出物的膨化过程中，水分充当塑化剂和发泡剂的作用[39].当熔融淀粉被挤出模口，水分由液态快速转变为水蒸气（闪蒸），经扩散进入气核内部，促使气泡膨胀.为研究该类气泡的膨胀机制，Kokini等[3]提出了一种简化了的数学模型用于预测玉米淀粉挤压膨化过程中的气泡生长，并将挤出物的比体积与Pvs/η关联起来（Pvs为水蒸气压力，η为熔体黏度）.Kumagai等[14]采用挤出物的杨氏模量和气泡内、外压力差建立了膨化物的临界半径预测模型，且预测结果与实验观测结果基本一致，但该模型忽略了气泡收缩现象.Fan等[28]提出的气泡生长动态模型考虑了膨化过程中气泡与环境的热、质交换，采用幂律模型和WLF方程的组合模型来描述挤出物熔体的流变性，突出了熔体黏性和玻璃化转变温度的影响；其数值计算结果表明，气泡经历了一种快速增长而随后发生收缩的变形阶段，且决定该变形的主要因素是熔体的黏性，表面张力的影响几乎可忽略.但他们的研究没有考虑淀粉熔体的弹性和对水分传递的阻滞效应，也没有考虑气泡破裂与合并的影响，因而与实际情形存在一定的差异.最近，Wang等[39]分别针对淀粉基挤出物在膨化过程中的单个气泡增长过程，气泡增长与挤出物膨化之间的关联，以及宏观层面上的动量、质量、热量传递过程进行建模，采用程序设计对其中的微分方程进行数值求解，并通过相关实验验证了数值分析结果的合理性，但他们建立的熔体黏性本构方程没有很好地反映模口外部的非等温过程特点.

此外，Schwartzberg等[40]系统研究并建立了爆米花（物料为玉米粉）膨化过程中的熔融淀粉流变性与剪切速率、水分含量、温度和预定SME（单位机械能耗）输入的关系方程，以及熔体的平衡水分分压方程，净潜热方程，气泡增长的控制方程（组）等，并利用有限差分法对建立的微分方程组进行数值计算.然而，他们在理论建模时忽略了宏观层面上发生的热量、动量与质量传递现象，而这些会对单个气泡膨胀过程产生影响.他们提出的破裂应力与开孔分数计算模型被后来的Alavi等[41-42]和Wang等[39]在研究宏观挤出物的膨化特性时所采用，并取得了较好的效果.

综上，对于由水蒸气主导的气泡膨胀动态过程，目前大部分文献报道均采用数值方法进行理论研究，完全采用实验研究的较少，主要是因为膨化过程持续时间极短（约几秒钟），导致观测水分的闪蒸现象和其他状态参数非常困难.其中，Arhaliass等[43]采用一套整合有图像处理技术的可视化系统对玉米粉挤出物在双螺杆挤压机模口处的膨化和收缩状态进行观测，为理论研究提供了实验参考.

5.2 由CO2气体扩散所主导的气泡膨胀机制研究

在膨化食品加工时，CO2气体也可使面团类物料形成多孔膨松结构，其通常由酵母或者化学原料（如碳酸氢钠）发酵产生.在熔融淀粉（面团）挤出物内部，由CO2气体扩散所主导的气泡膨胀与由水蒸气扩散所主导的类似，但在建立传质（扩散）、黏弹性及气泡增长模型时须考虑不同气体在溶解性、扩散性等性能上的差异.

目前在挤压膨化时利用CO2气体的研究报道并不多见，比较典型的有：Alavi等[41]对超临界流体挤压膨化时的CO2气泡增长动态过程以及挤出后的干燥过程进行了数学描述，并建立了单个气泡增长与宏观挤出物膨化的关联模型；同时，他们还利用Visual Basic编程工具对所建立的数学模型进行了程序设计和运算，将运算结果与实验结果进行对比（实验采用预糊化玉米淀粉、土豆淀粉及乳清浓缩蛋白的混合物料），二者得到的气泡半径和开孔率大小基本一致.模型预测结果还表明，挤出物的坍塌程度和开孔率均随熔体屈服应力、破损应力的增加而降低[42].此外，Hailemariam等[37]建立了面包面团挤出物内由CO2气体扩散主导的增长过程数学模型，并将模型预测结果分别与Alavi等[42]中的模型预测结果和实验结果进行对比，证明了所建模型的合理性，但该模型同样是在等温膨化假设下建立的，与实际过程存在差异.

6 总结与展望

研究淀粉质食品挤出物的膨化机理对深入认识挤压膨化的发生、过程特点与控制，开展淀粉质挤压膨化食品的质构调控等方面具有重要的基础研究和实践指导意义.作者从气核形成、熔体流变性、模口膨胀、气泡膨胀等方面对近年来学术界关于淀粉质食品挤出物的膨化机理研究进行了系统综述、分析.结合国内外研究进展状况，可在以下方面进一步加强膨化机理研究.

（1）量化气核形成状态.现有的成核研究偏重于理论定性分析，因此可加强对成核状态（主要指位置、方式）的定量研究，建立相应的数学模型，实现对最终挤压膨化食品孔隙分布的预测与控制.

（2）完善淀粉挤出物熔体流变性的定量描述.熔体的流变特性与气泡膨胀的内部环境对应，直接决定了气泡的膨胀状态与结果，但现有研究均不同程度地对熔体采用了理想化处理，影响了对流变性建模的准确度，因此可进一步结合挤压状态、淀粉物料分子结构与性能、模口外部环境等综合因素建立新的流变性模型，或者对现有模型进行修正、优化.

（3）综合运用研究方法.淀粉质食品挤出物的膨化是典型的短时动态过程，目前对膨化过程特征的研究普遍采用数值模拟方法，弥补了该过程难以通过实验准确观测的问题.但数值模拟是基于若干理想化假设的基础上，因此可在进一步研究膨化过程时加强理论分析与建模、数值模拟、实验等方法的综合运用，以提高对膨化过程规律量化的准确度.

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