压差式膨化技术及其在农产品加工中的应用研究进展

王姣斐(武警杭州士官学校军需系，浙江杭州310023)

膨化技术作为一种农产品加工技术广泛地应用在食品生产、发酵工业、饲料生产、生物医药等方面。膨化是指物料在膨化器中从高温高压状态骤释至常态时，物料就朝着能量降低、混乱度增大即熵增加的方向进行的过程。膨化产品具有能源消耗低、无污染、营养损失少、味道好、用途广、有利于储存、防止食品变质等优点，特别是有利于人和动物的消化吸收。膨化食品在体内易受酶的作用从而提高了消化吸收率，膨化谷物在体外受到酶的作用后也应该得到同样的效果。目前膨化的方式主要有挤压式膨化和压差式膨化2种，压差式膨化具有适应范围广、操作简便等特点，笔者主要介绍近年来国内外在压差式膨化技术及其在农产品加工中的应用方面的研究现状，为压差式膨化技术在农产品加工领域的应用提供参考。

1 压差式膨化机理

压差式膨化处理，又可以叫做爆炸膨化处理(Explosion Puffing Processing)，简称气流膨化处理、变温压差膨化等。压差式膨化处理主要基于“爆米花”的产生原理，主要设备由膨化罐、体积大于膨化罐的真空罐和蒸汽发生装置3部分组成。膨化罐与真空罐通过电磁阀连接，需要处理的原料含水率可以为15% ～70%(不同原料要求有所不同)。然后将原料均匀平铺放入膨化罐的物料搁板内，通过电加热或锅炉蒸汽加热膨化罐进行加热处理，此时原料内部的水分由于加热被不断蒸发汽化，罐内压力上升至0.1～0.4 MPa的同时，物料也被加热到70～100℃，处于高温受热状态。预先将真空罐抽至真空，当膨化罐内部的温度和压力到达工艺要求并稳定一段时间后，此时迅速打开泄压阀，真空罐与膨化罐相连接，此时膨化罐的压力下降至－0.1 MPa。瞬间的压力下降使得膨化罐内物料所含有的水分发生“闪蒸”现象，即物料被高温干燥固化，导致组织内部的迅速扩张膨胀，形成了比较均匀的蜂窝状结构。这时继续保持膨化罐内的真空状态一段时间，这一阶段继续加热使物料脱水，当膨化罐内的物料达到工艺要求的安全含水率时可以停止加热，开启冷却设备使膨化罐冷却，当冷却至室温时使膨化罐恢复至常温状态，将物料取出，即得到所需膨化产品［1－2］。

从压差式膨化处理的原理分析，物料特性和外界环境都是影响压差式膨化能否顺利进行的直接因素，物料特性与外界环境如果二者有一个不能达到符合压差式膨化处理所需要的具体要求时，物料的压差式膨化就不能顺利进行。压差式膨化的物料条件可以总结为以下3点:一是需要膨化处理的原料中必须含有大量的水分，同时物料的内部必须含有气化剂，即均匀的可汽化的液体，这要求膨化物料中的水分必须是由自由水和结合水组成而且自由水含量要占大部分，因为压差式膨化所需的气化水分全部来自于物料自身含有的自由水;二是当膨化罐内的压力迅速改变时，物料为满足气体压力升高的需要，物料内部必须要形成大量有弹性的密闭空间，同时要求气体外泄时，压力减小的速度要明显低于这些有弹性的小的密闭空间中压力升高的速度;三是这些小的密闭空间必须是由具有弹性和伸缩性能的材料形成的，并且当气化剂膨胀，导致物料发生膨化后，物料迅速干燥被固定化的过程中，这些密闭小空间不能发生相对回缩，必须保持膨化物料的疏松多孔结构。外界环境对压差式膨化的主要贡献是提供能量，就是要使用加热、微波等合适的加热方式，为物料膨化处理过程中的物料升温、水分汽化蒸发、压力变化、膨化状态的固定化等提供足够的能量，以保证整个压差式膨化过程的顺利完成［3－4］。

2 压差式膨化设备发展历程

压差式膨化处理的设备经历了一个复杂和长期的发展过程。最初用于谷物加工所用的压差式膨化机工作过程如下:首先将谷物原料放入到膨化机的腔体内，加热蒸汽使膨化机的腔体外部受热，加热的同时为了保证膨化机内谷物原料受热均匀，要以合适的速度匀速转到膨化机腔体，这时膨化机腔体内部由于加热处于高温高压状态，当这一状态稳定并持续一段时间后，快速打开膨化机腔体的遮盖物，使得膨化机腔体内部的物料喷出，金属收集装置用来收集从腔体中喷出的物料。这类膨化机的缺点比较明显，设备设计比较简陋粗糙，加热时腔体受热不均匀导致原料十分容易焦糊，物料喷出的方式十分容易造成食品污染，其加工能力较低，只能进行间歇性的分批生产。随后，研究人员对压差式膨化装置进行了改造，安装了一个用于减少膨化机腔体振动的减震器，同时使用镀镍原料改善了膨化机的内部构造，采用可以耐高温的橡胶圈作为原始膨化机中密封用铅制品的替代物。为了专门针对原料的膨化加工而设计出了第3代膨化设备。第3代设备所具有的优势如下:控制气压阀设备开关的安装和加热系统的重新改进，使得物料的加热时间大大缩短，物料到达工艺要求温度的时间缩短至1～2 min，大大降低了加工耗时。同时与第2代的设备相比，腔壁的厚度也有所减少［1］。以上3代设备均为分批加工的干燥设备。为了实现物料压差式膨化过程的连续生产，并且对膨化全过程实现更精确的控制，有效降低生产成本，实现降低费用，增产并能更好地控制膨化干燥的全过程，经过多年对膨化腔的研究和改进之后，1977年J·F·Sullivan等设计制造出了连续式的压差式膨化装置(Continuous Explosion Puffing System，简称CEPS)。随后，美国乔治亚州蓝莓协会于1984年也设计研制出了可以连续式压差式膨化蓝莓成套装置［1，5－7］。

3 膨化处理对物料结构的影响

在膨化过程中，加热为物料提供了大量的能量，当体系内的压力迅速变化时，物料就会朝着熵增加即物料的结构混乱度增大的方向改变，这就是压差式膨化过程的抽象化描述［8］。目前有大量研究表明，压差式膨化干燥技术不仅有利于物料的口感和外观，特别是在果蔬的护色方面起到独特的作用;同时，能够对淀粉含量较高的物料中的淀粉链起到分裂和变性的作用，对物料的组织结构也有一定的影响。杨铭铎等使用玉米粉膨化研究表明，膨化可以使谷物结构发生变化，宏观上谷物的体积增大，比重降低，质地疏松;微观上膨化使淀粉粒解体，淀粉含量减少，糊精和还原糖增加，还原能力增强，碘值增高，α化度升高;同时使蛋白质变性并也使其趋于降解，氨基酸增加，膨化使脂肪分解而减少。上述变化发生的同时，物料中水溶性成分的溶出能力也明显增强［8－9］。

4 压差式膨化在农产品加工中的应用

压差式膨化技术作为一项新兴的食品加工技术，结合了热风干燥和冷冻干燥等方法改良物料特性，同时保留了物料内营养物质。目前主要应用于膨化食品中，尤其是水果及蔬菜等水分含量较高、不利于储藏的食品，利用压差式膨化技术处理可以较好地保留原料内所含有的营养物质和其独特的风味，并使得口感有很大的改善。同时，目前还有利用压差式膨化处理发酵原材料，提高生产工艺中发酵的效率和发酵产品的感官品质的报道［10］。

4.1 压差式膨化在果蔬加工中的应用 A·Nath等对高温短时条件下马铃薯的膨化工艺进行了研究，确定了原料最初含水量、膨化温度、处理时间和淀粉含量对膨化的影响较为显著的因素，并对膨化工艺进行了优化［11］，其最佳工艺条件为:预处理原料含水量为36.74%，膨化温度235.46℃，处理时间51 s。

国外的一些学者也较为深入地研究了马铃薯的膨化前处理，重点研究了不同压差式膨化条件对马铃薯外部干燥层和膨化率的影响，并使用扫描电子显微镜对膨化前后马铃薯的微观结构变化进行了观察。其研究结果表明，马铃薯等原料的膨化前处理十分有必要，因为马铃薯的压差式膨化对膨化压力和温度要求都很高，合适的前处理工艺不仅可以防止原料在加工过程中发生褐变，而且有利于增大产品的膨化效果，降低加工过程中的设备技术要求。A·I·Varnalis等研究了不同前处理工艺对马铃薯膨化效果的影响，结果表明，热烫和热风干燥时间对马铃薯的膨化效果有显著性影响，其中热烫与马铃薯膨化程度呈正相关的关系，热风干燥时间与膨化效果负相关，硫漂处理对马铃薯的膨化效果没有显著影响，但却能有效地防止加工过程中色变;经过热烫处理后再热风干燥，能够提升马铃薯的膨化效果［12－13］。

M·F·Kozempel等广泛地研究了不同果蔬品种的压差式膨化条件，确定了胡萝卜、马铃薯、蘑菇、芹菜、甜菜、苹果、梨、洋芋、洋葱、甘蓝、菠萝、蓝莓等果蔬原料的膨化条件，研究了物料特性、膨化温度、加热时间、膨化物料形状和初始含水率等与膨化效果的关系［2］。以苹果为例，苹果的初始含水量、膨化温度、压力差、真空过程膨化罐温度、真空时间和停滞时间都对原料的膨化效果有显著影响。国外学者研究发现，需要大于70 kPa的压力差才能够对大米、小麦、黑麦等谷物类食物原料进行膨化，蛋白质含量较高的食品例如畜产品膨化难度也比较大［2，14－15］。

石启龙等对苹果的压差式膨化最佳工艺进行了研究，得到最优的工艺参数为:苹果片厚度5 mm，膨化前均湿3 d，膨化苹果初速含水量为18%，膨化压力差120 kPa，膨化温度85～95℃［16］。刘自强对压差式膨化机理深入的进行了探讨，对膨化过程中的主要因素，膨化的主要过程和膨化过程中能量的变化情况进行了细致的阐述，他认为膨化分为相变、增压和固定化3个主要阶段，第1个阶段物料中的气化剂由于外界给予的能力发生汽化，第2个阶段气体的汽化导致物料内部压强变大，这是物料膨化的动力所在，第3个阶段膨胀的气体从物料中泄露出来，这是物料继续被加热干燥，最终形成具有疏松多孔结构的膨化物料［17］。目前我国压差式膨化干燥技术研究还处于较低的发展阶段，压差式膨化过程的理论研究和应用研究都有较大的发展空间。

4.2 压差式膨化在发酵工业中的应用 膨化处理对发酵的有利影响主要有以下几点:首先，谷物呈现的蜂窝状或片状结构，淀粉链和肽链裸露在外，具有极大的作用面积，而且空间位阻小，淀粉链和肽链能主动吸附酶，有利于酶对原料的作用，从而可缩短发酵周期，提高原料利用率［18］。

第二，膨化有利于酶对淀粉的糖化作用，能够提高α化淀粉的比例，可以在一定程度上提高淀粉的糊化比例，简化后续的处理过程的同时也节约了能源，有效地降低了加工过程中可溶性糖损失。膨化有利于蛋白质和淀粉等大分子的降解，加速可溶性成分溶出，为酶和酵母对发酵原料的化学和生物作用提供了便利。

第三，膨化过程瞬间完成，原料中的一部分可溶性糖、氨基酸和维生素被保存下来，一开始就为酵母提供了碳源、氮源和生长素，从而可缩短发酵周期。

第四，膨化是一种高温高压的加工过程，可以在一定程度上减少原料中微生物数量，降低原料发酵过程中被腐败菌污染的概率，可以起到降低成品酸度和提高产品质量的作用。

最后，脂肪在膨化过程中减少很多，对成品的风味带来益处。

张焕等研究指出，谷物经膨化后，脂肪大大降低，淀粉及蛋白成分发生降解，营养成分增加，不溶性物质变成了可溶性物质，对发酵工业提供了有利条件［18］。利用膨化工艺酿酒，可以提高粮食出酒率、减少酒母用量、缩短发酵周期，产品卫生指标符合规定要求。酿制啤酒，需要加入70%的大麦芽，而将其膨化后，只需要加入40%的大麦芽即可达到要求。黑龙江商学院利用玉米为酿造原料制造白酒、黄酒已取得很好的效果，提高了酒的质量。采用膨化技术制醋，在保持产品卫生指标和理论指标的前提下，与原来采用的固体发酵工艺相比，各项指标都有显著提高(表1)。

表1 膨化工艺与传统工艺对比率

李勇等研究膨化原料与传统蒸煮原料生产酱油的差别，表明大豆经压差式膨化后，原料组成发生了一些变化，经测定，水分由于汽化作用减少了6.44%，粗蛋白和粗淀粉由于部分降解下降了4.9%和5.05%、还原糖和灰分含量分别增加了0.65%和0.80%、蛋白质由于受热变性，可溶性蛋白质含量下降4.63%，经膨化后组织结构变得疏松，为微生物和酶的作用提供了更大的作用面积［19］。采用压差膨化大豆后酿造酱油，其蛋白质的利用率可达80.60%，氨基酸生成率达51.67%。该方法简化了工艺，提高了原材料的利用率，并且降低了成本，同时产品具有膨化原料特有的焦香味，风味品质十分独特。江洁等研究了膨化黑豆酱的工艺条件，研究结果表明，使用压差膨化法处理原料，可以替代传统的原料浸泡和高温蒸煮工艺，减少色素和主要营养成分从原料黑豆中流失，节约能源、降低生产成本，提高原料利用率［20］。

杨叶等使用经过双螺杆挤压处理的米糠，将挤压米糠接种米曲霉，采用液体和固体2种方法对挤压米糠进行发酵，测定发酵产物中γ-氨基丁酸的含量［21］。结果表明，无论是液态发酵还是固态发酵，发酵产物中γ-氨基丁酸的含量都有了明显的提高，液态发酵未挤压米糠其产物中γ-氨基丁酸的含量为561.9 mg/kg，挤压膨化后的米糠发酵物中γ-氨基丁酸的含量提高到1 186.0 mg/kg;固态发酵未挤压米糠中γ-氨基丁酸的含量为603.5 mg/kg，经挤压膨化处理后的米糠固态发酵物中γ-氨基丁酸的含量达到1 211.0 mg/kg，均达到了富集γ-氨基丁酸的目的。

5 结论与展望

压差式膨化技术作为一种新型的农产品加工技术，在农产品加工的各个领域应用前景广阔。该研究首先介绍了压差式膨化技术的原理和过程，然后阐述了压差式膨化设备的发展历程，接着对压差式膨化过程中物料结构的变化进行了探讨，最后介绍了国内外运用压差式膨化对农产品进行加工的研究进展，综合探讨了压差式膨化技术在食品、果蔬加工和发酵工业中的应用，展望了产品的应用前景，对进一步研究和推广压差式膨化技术具有重要的指导意义。

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