单螺杆挤压技术在食品工业中的应用研究进展

孟祥泽，吕博，付洪玲，李佳芯，杨晓晴，季雷，王祎，于寒松*

（1.吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130118；2.国家大豆产业技术体系加工研究室，吉林 长春 130118；3.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

挤压技术是指在挤压机中给予物料一定的速度，使物料匀速通过模头挤压，从而实现产品加工的技术，采用这种加工技术生产的食品称为挤压食品[1]。当机器运转时，食品中的营养物质会在高温和强剪切力的作用下发生部分反应[2]，如淀粉糊化和降解、蛋白质变性、维生素降解、抗营养因子的形成等。挤压机拥有诸多优势，例如可实现自动化生产，处理大量物料，操作简便，机器能持续运行，产品生产率高等。除此以外，利用挤压技术可以研发出一些独特风味的新型食品，也能够帮助修饰产品的结构，提高产品的溶解性和持水性，使产品的营养成分更加丰富，通过挤压技术得到的产品会膨胀后迅速冷却，并可通过更换模具制造各种形状的产品[3]。综上，挤压技术可以赋予食品更多的可加工空间。

挤压技术作为一种经济简便的食品加工技术，它具有高速短时的特点，并涉及广泛的热化学过程，包括淀粉糊化、蛋白质变性、脂质改性、酶水解、微生物和许多抗营养因子的失活。目前挤压技术已广泛应用在食品工业中[4]，是集混合、熟化、蒸煮、传热传质、预干燥、膨化及成型为一体的新型加工方法。挤压技术作为一种成熟的技术，用于开发新产品，如肉制品、植物蛋白产品、谷物食品、动物饲料、纤维食品等[5]，利用挤压技术能够生产出营养全面、食用方便的食品，是我国食品工业一个新兴产业。

从当前国内外食品发展程度来看，挤压技术能为人们提供色香味俱全、营养丰富的食品，因此挤压技术在食品加工领域具有很高的地位。挤压技术起源于英国[6]，英国对此项技术的研究较深，我国虽然也在这一领域也开展了研究工作，但尚缺乏经验。因此随着对挤压机理的深入研究，挤压技术将得到更进一步的发展。

1 挤压技术在食品行业的应用发展

西方国家对于挤压技术的研究起步很早。在19世纪70年代末，英国工匠Gray凭借挤压原理，设计并制造出了世界上第一台能够用于生产橡胶的挤压机，促进了挤压机的发展[7]。20世纪40年代，美国设计并制造了第一台应用于食品工业的单螺杆挤压机[8]，实现了挤压技术在食品加工领域的创新与突破，单螺杆挤压机上市就得到了好评。到20世纪80年代时，挤压技术已经在食品生产中具有重要的地位，从事食品研发的人员也依据挤压技术，相继研制和开发了许多不同类型的挤压膨化食品。1980年底，国外针对挤压技术在食品中的运用，在食品热处理的国际协作计划中[9]，第一次明确了挤压技术在食品生产过程中的重要地位。随后，欧美一些发达国家对于新型食品挤压机的研制步入正轨，许多用于生产新型食品的挤压机相继问世。

自热式PJ1型谷物膨化机[10]是由北京市食品研究所制造的中国首台挤压机，但对于挤压机的研究存在一定的问题，与发达国家相比，存在差距。20世纪90年代后，随着对国外技术的引进，这一领域某些技术难题逐渐被攻克。自此我国的膨化食品企业如雨后春笋，开始了蓬勃的发展。

21世纪以来，随着国内外科研人员不断对挤压技术进行深入研究，科研人员发现通过调整原料的持水量、改变挤压机运行的温度和转速可以使得原料分子发生一些化学反应，以此来使食品中的功能性物质在挤压过程中发生变化，可以提高食品的品质，使产品营养价值更高，口感更丰富，科研人员对挤压机的研究主要在淀粉、谷物、浸油、酿造和植物蛋白5个方面。

在淀粉应用方面，由于挤压过程中温度升高，会导致淀粉颗粒吸收热量的能力升高，高热量会提高淀粉颗粒中非结晶区分子链的运动性，以致淀粉颗粒晶体结构不够稳定，导致晶体结构排列松散，减小了淀粉的结晶度。挤压过程中较高含水量和较高温度会造成淀粉颗粒的微晶束发生熔融现象，直链淀粉的不断溶出，会加速淀粉的双螺旋结构的伸展，加快形成淀粉无定型凝胶。Logié等[11]在使用挤压机挤压豌豆淀粉和马铃薯淀粉时发现，其平均分子质量和分子的大小都发生了相应的变化。通过增加挤压机的输出机械能，能够使原料中的大分子链加速裂解，进而可以减小物料中淀粉的结晶度，最后增大了直链淀粉的比例，改善了淀粉的品质。有研究表明[12]，单螺杆挤压加工可以提高淀粉的消化性，增加物料的营养价值。刘云飞[13]发现挤压技术通过改变大米淀粉各层次结构，可有效改变大米淀粉的糊化和消化的情况，使其适用于不同产品。

在谷物应用方面，谷物原料通过挤压技术后，原料纤维素在高温、高压状态下发生降解，分子结构变化，呈海绵状结构，水溶性增加，口感改善。Koa等[14]以高粱和大麦为原料通过单螺杆挤出机复合挤压，研究发现控制原料的水分含量，调整温度，产品的消化率受到影响较大。Honcu 等[15]研究表明，通过利用单螺杆挤压机对不同种类的大麦进行挤压，在挤压后获得的麦麸中发现可溶性膳食纤维的含量增加，且通过单螺杆挤压之后，小麦的一些理化特性发生了变化。王丹丹[16]以麦麸、豆渣及麦胚为原料，通过采用螺杆挤压技术，探究上述原料在高纤维食品成型中的应用，发现所有采用挤压技术进行的生产，都会在一定程度上影响产品的理化性质，比如产品的硬度、持水性、水溶蛋白含量等。

在浸油应用方面，张佳丽[17]研究发现采用挤压技术加工食用油，可以更好地保留维生素、抗氧化剂等的营养物质，减少化学添加物，该方法较化学法生产食用油更加安全健康。徐红华等[18]发现挤压技术生产食用油时，挤压设备的生产能力、油脂出油率、能耗、溶剂料胚比和食用油的品质等方面皆好于溶剂浸油法。

在酿造应用方面，孙言[19]在研究白汤酱油酿造时发现，采用挤压技术对酱油原料挤压，可使原料中的淀粉迅速糊化，降低其中的抗营养因子，提高原料的利用率，减少发酵时间，降低生产成本等。

在植物蛋白应用方面，Nisov等[20]以谷朊粉、大米蛋白和豌豆浓缩蛋白为原料，通过高水分挤压技术，形成具有纤维结构的植物蛋白，发现挤压温度对其纤维结构、拉伸强度有较大的影响，提高pH值有利于纤维结构形成。

除了能够提高营养价值，改善理化特性之外，挤压技术还越来越符合人们对食品营养健康的追求，国内外加大了对挤压技术的研究，更多的科研团队和企业对挤压技术更加关注。并随着我国挤压技术的不断进步，可以运用挤压技术生产的产品越来越多，其产品营养价值也越来越高，但是由此引起的技术问题也越来越多，因此需要对挤压技术进行不断地完善。

2 挤压方法

1990年以后，随着挤压机技术的不断创新，许多新型挤压技术和挤压方法应运而生，其中具有代表性的技术有超临界CO2挤压[21]、双阶或多级挤压[22]以及挤压-3D打印联用[23]等。在进行挤压设备研发的过程中有许多问题是无法避免的，比如高昂的设备制造成本，以及对于新型挤压技术的研发投入都使得挤压技术、设备以及方法的应用不是很广泛。在现有的生产过程中，操作人员一般都是通过调整挤压阶段输入的能量，改变蛋白组分结构和产品的功能性，区别于现有工艺的新工艺机理还在研究中。单、双螺杆挤压机性能对比见表1。

表1 单、双螺杆挤压机性能对比Table 1 Comparison between single-and twin-screw extruders

就目前而言，挤压技术改变了传统的加工方式，其中较为成熟的挤压技术是单螺杆挤压技术和双螺杆挤压技术[24]。双螺杆挤压机是以单螺杆挤压机为基础开发出来的，由于其良好的加工性能及较强的耐久性深受欢迎，但是单螺杆挤压机依靠着应用范围广泛，操作简单，制造成本低，对原料和设备的要求不高等优点依旧受到食品行业的认可，并且单螺杆挤压技术比双螺杆挤压技术更加适合应用在廉价食品或者低水分食品的加工中，比如使用脱脂豆粉生产植物肉时使用单螺杆挤压机可以降低产品成本，并且更易操控[25-26]。

3 单螺杆挤压机结构特点

单螺杆挤压机主要包括进料装置、加热系统、膨化机主体和传动部分[27]。进料装置由一个进料斗组成，加热系统由电加热器及控制线路组成，控制可手动和自动，并有加热电流及温度显示，机筒体、螺杆、成型模具组成挤压膨化机主体，传动部分由一个电机及其控制线路组成[28-29]。物料在挤压过程中，螺杆的外径变大，挤压机内部空间变小，因此挤压力增大，摩擦升温，物料伴随着模具挤出，瞬间压力减少，物料急剧膨胀，形成膨松结构，图1为单螺杆食品挤出机的示意图[30]。

图1 单螺杆食品挤出机的机械部分Fig.1 Structure of a single-screw food extruder

4 单螺杆挤压技术在食品工业中的应用

4.1 在肉制品生产中的应用

肉制品中的氨基酸和蛋白质含量较高，经过单螺杆挤压膨化后的肉制品形成纤维结构，具有良好的咀嚼性和持水性，并且提高了肉品的营养价值，国内外使用单螺杆挤压膨化机生产挤压膨化肉制品成为新的趋势。有研究表明[31]，将牛肉和玉米粉为原料混合，通过单螺杆挤压膨化，发现挤压温度对产品的水分和密度影响较大。Park等[32]在牛肉中添加不同比例的脱脂大豆粉和玉米粉，挤压制备牛肉膨化食品，结果表明，挤压技术可以大大改善产品的膨化度，产品体积变大，易于人体吸收。李福泉等[33]通过单螺杆挤压机对重组牛肉进行挤压膨化，发现挤压前后氨基酸含量相对变化不大，而牛肉的脂肪酸含量变化较大。王文贤等[34]用鸡肉和淀粉混合，利用单螺杆挤压机挤压，并通过响应面分析法开发了一种膨化度适中，结构良好的休闲食品，为肉制品加工提供了新的方法。刘学文等[35]以鲜鸡肉和淀粉为基础，通过单螺杆挤压膨化，制备了一种营养丰富，口感细腻的新型肉制品。Giri等[36]将大米粉和鱼肉混合后挤压，发现产品膨化度、容积密度和进料湿度受到挤压温度影响较大，受螺杆转速影响较小，并且制备后的产品营养成分显著提高。Jaya等[37]发现进料湿度、机筒温度对产品的性质有极显著影响。

目前单螺杆技术在市场上应用主要是碎肉重组，通过将调配均匀的食品原料进行输送、相互混合、重新组织以及清除病菌等多个环节，将碎肉挤压，形成纤维结构，经过包装形成新的产品，不仅提高了碎肉的利用价值，还改善了产品的外观，口感更好并且利于消化，具有降低生产成本、减少资源浪费的优点[38]。不过在挤压混合时使用食品添加剂会降低产品的安全性，并且产品中氧含量会增加，食品保质期缩短。肉类食品食用过多会引起高血压、高血脂、高血糖和肥胖症。因此，今后健康型肉制品是挤压机发展的重要领域，开发营养、健康、功能性重组碎肉制品成为今后单螺杆挤压技术的发展方向。

4.2 在植物蛋白加工中的应用

植物蛋白[39]具有良好平衡的氨基酸组成，具有高蛋白、低饱和脂肪、无胆固醇等特点。食品行业正在寻找从外观，口感和气味各方面能够代替动物蛋白的肉类替代品，既能够满足人们日益增长的肉品需求，也给素食主义和减肥人士提供了一个全新的选择。在这种背景下植物肉得到了快速发展，植物肉[40]是以植物蛋白或植物性成分为原料，通过挤压技术，将植物组织蛋白加工成类似肉类的纤维结构，模仿肉制品的口感与特性。植物肉制品具有高蛋白、低脂肪、不含胆固醇等优点，可有效规避食用动物肉的潜在风险，因此可有效防治高血压、冠心病、糖尿病等慢性疾病的发生，长期食用可有效增强体质，有益于身体健康[41]。Manski等[42]利用单螺杆挤压技术生产植物肉，其生产工艺成型效果好，不焦化，切割不会黏合，口感好营养价值高。金鑫[43]在植物蛋白挤压组织化性质，工艺优化及应用研究中使用单螺杆挤压技术，确定了高温能提高物料的混合程度，较低的喂料速度和螺杆转速能提高物料的组织化度。朱银月[44]通过对豆粕进行二次挤压，并在第二次挤压时添加猪血，制备的产品营养全面，可食性强，实现了动植物蛋白的完美结合。吉林豆花[45]是运用单螺杆挤压技术生产的大豆组织化食品。该产品以全脂大豆为原料，经过脱皮，粉碎，拌水，经自动加料装置及单螺杆挤压机，高温下挤压成纤维状，再经成型机加工成各种形状，经干燥、保霉处理及包装成产品；制备豆花的大豆经挤压膨化内部组织发生变化，大分子的蛋白质、脂肪和碳水化含物都会发生降解，还原糖增加，使制品更有利于人体吸收，用物理手段去除了豆腥味，具有加工简单，保存期长的特点。吉林豆花保留了大豆中的全部营养，而且不含胆固醇，是一种利于人体健康的食品[46]。吕斌[47]以豆渣为原料加工素肉，利用单螺杆非膨化挤压技术生产的素肉具有类似肉的口感，营养成分没有流失，产品极易成型。Chiang等[48]研究发现小麦面筋的比例对超微结构的影响不显著。Zhang等[49]研究发现，目前制备大豆蛋白肉类替代品的主要原料是大豆蛋白和小麦面筋，除了主要蛋白质成分外，淀粉、纤维等辅料的添加对大豆蛋白肉类替代品的纤维结构发展和营养丰富度也有重要影响。

单螺杆挤压技术生产的植物蛋白有许多特性，如吸水性、咀嚼性、保油性、纤维状结构优异等。这些特性使组织蛋白具有类似肉类的口感，而且植物蛋白富含多种氨基酸，氨基酸评分接近动物蛋白，不仅可以降低生产成本，同时生产的产品营养全面、价格便宜，深受生产企业及消费者的青睐，而且顺应了当今食品发展的两大趋势：高质量和低脂肪食品需求的增加、功能性食品和营养强化食品的兴起。不过单螺杆挤压机生产的植物蛋白制品的口感与传统肉品仍有差异，传统肉品具有丰富且致密的纤维结构，口感鲜嫩多汁，植物蛋白产品中风味较差，未来单螺杆挤压机生产植物蛋白制品时，需对大豆蛋白的异味物质及产生机制进行深入研究，找到安全、高效且能将异味物质彻底清除的方法，并且开发单一品种所需设备，满足大众对植物蛋白产品的需要。

4.3 在谷物食品加工中的应用

谷物食品中含有丰富的蛋白质、碳水化合物、维生素、矿物质等。谷物食品的加工方式多样，不同的加工方式对谷物的营养价值影响不同。邓洁红等[50]在试验中发现原料水分含量、挤压机螺杆转速、挤压膨化温度等指标对产品品质有很大影响。由于玉米具有较好的膨化性能，因此，单螺杆生产的玉米类膨化食品具有广阔的开发前景。张飞俊[51]在玉米人参米的研究中，向玉米粉中加入人参粉，釆用单螺杆挤压技术生产玉米人参米，生产的产品不仅耐煮性好，感官评分高，并且便于贮存运输。刘相阳[52]在玉米减肥面包的研究中，利用单螺杆挤出技术对玉米粉进行有效改性处理，改善玉米的加工性能，提高可食度，使其可部分或全部替代小麦粉应用于谷物工程食品的加工，制得的产品营养丰富，感官品质达到最佳，对人体无毒无害且具有减肥等生理功能。王研[53]在高纤维即食玉米片生产新工艺的研究中，利用单螺杆生产的玉米片形状整齐，薄厚及大小一致，断面组织结构均匀，风味良好，易于咀嚼。王丹洋[54]用黑米、黑豆为原料，并添加其他辅料，运用单螺杆挤压技术挤压，得到的挤压面条具有感官评价良好，食用品质较好等优点。Detchewa等[55]采用快速成型技术的方法提高了无谷蛋白米意大利面的烹饪质量、理化特性和感官特性，用大米蛋白浓缩物代替米粉，通过单螺杆挤出机进行加工，结果表明，使用单螺杆挤压机生产出的面条能降低蒸煮时间和蒸煮损失，并且感官品质更好，能提高面条的烹饪质量和理化性能。乔明锋等[56]在生产速冻青稞鱼面时发现，单螺杆挤压技术可有效提高速冻青稞鱼面的蒸煮吸水率、弹性、硬度、咀嚼性，优化了冻青稞鱼面的品质。Butt等[57]研究了单螺杆挤压淀粉（天然和修饰）的物理化学和流变行为，挤压后除明胶化外，水稻淀粉的理化特性和流变特性发生了显著变化。

近年来，单螺杆挤压技术以其独具特色的加工特性成为生产营养谷物食品的有效方法，得到了人们的认可，并且生产的谷物食品富含膳食纤维，营养价值高，能够防止脂肪氧化，提高蛋白消化率，可以保持原有食品中的风味物质[58]。不过在实际生产中应对3个方面加以重视，一是原料处理时控制水分含量；二是严格控制机筒温度；三是迅速降低挤压后的膨化食品温度，让产品拥有特殊气味，并对产品进行调味，改善口感。未来谷物食品的加工，应开发专用谷物的专用设备，推动传统食品的工业化生产，充分高效地利用谷物资源，提升粮食加工业的经济增长，为丰富人们的食品消费需求，改善人体健康，提供更多、更好的产品与服务。

4.4 在富含膳食纤维食品加工中的应用

目前，人们已经意识到膳食纤维对人体健康的重要性。当食用的膳食纤维含量增加后，一些慢性疾病的发病率明显下降，并且膳食纤维能够控制体重、提高免疫力、加速人体有毒物质的排出、降低血糖、降低胆固醇、降低血脂、防治高血压等。目前通过化学改性法来处理纤维样品，控制pH值、温度及反应时间等因素，使纤维分子中的不溶性成分转化成可溶性成分。单螺杆挤压技术因为在挤压过程中会产生高温可以使其改性，因此可以用于纤维食品的加工。宋云禹[59]采用单螺杆挤压对毛葱膳食纤维进行挤压改性，发现可以提高水溶性膳食纤维的提取量，并且使膳食纤维结构变得疏松，大大提高吸附性，并且对产品物理性质和功能特性进行评价比较，挤压改性法要比酶解改性法效果更好。周爱丽[60]在对绿豆皮膳食纤维工艺优化时发现绿豆皮粉粒度程度对膳食纤维含量影响最大，水分添加量对膳食纤维含量影响较小，挤压改性使绿豆皮膳食纤维的表面结构和面积发生了改变，并且保护了官能团，提高了绿豆皮膳食纤维的膨胀力、吸水力以及持水力。戴龙[61]通过单螺杆挤出技术对香菇柄进行改性处理，发现挤出后香菇柄纤维结构疏松多孔、表面积增大，提高了持水力、膨胀力和持油力，并且提高了可溶性膳食纤维的含量，并制备出膳食纤维香菇米。二次挤出香菇柄提高了产品的口感和耐煮性，并且合理的使用资源，提高了经济效益，实现了副产物可持续生产。杨哲等[62]研究了单螺杆挤压技术对苹果渣中膳食纤维的影响，发现含量与物理结构所受影响较大，生产的产品疏松多孔。王旭[63]以新鲜米糠为原料,使用挤压膨化技术提取米糠膳食纤维，提高了米糠膳食纤维提取率，优化了膳食纤维改性提取工艺。王红等[64]使用单螺杆挤压改性工艺制备高品质金针菇膳食纤维，发现挤压后的可溶性膳食纤维含量，持水力、持油力、膨胀力、结合水力均有明显提升，挤压后的胆固醇吸附能力、结合甘氨胆酸钠和牛磺胆酸钠能力相对较好，并且改善了产品的理化特性。

以单螺杆为主的挤压改性技术已经成为食品加工中的重要的方法。挤压技术并不能引发膳食纤维高聚物的结构出现深层降解或破坏，但在机筒内较强作用力下，部分不半纤维素会出现熔融现象，转变成水溶性聚合物成分，所以要严格控制设备和反应条件[65]。不过，在挤压过程中，高温、高压和强剪切作用可以引起膳食纤维微观网状结构的改善和不溶性膳食纤维的降解，其内部分子之间的化学键裂解，能够使水溶性物质增多，连接的结构表面积增大，并最终导致膳食纤维溶解性、持水力和膨胀性得以显著提高，同时又改善了物料的色泽和风味，起到了高温短时杀菌的作用，改善了口感，可以更好发挥膳食纤维的生理功能[66]。充分利用该技术进行生产，符合国家倡导的资源节约型及环境友好型生产模式。

5 单螺杆挤压技术的发展瓶颈及发展趋势

长期以来，单螺杆挤出机发展的主要方向是高质、高产、快速。从技术角度看，单螺杆挤出高速化会使物料温度急剧升高，造成挤出温度控制困难、挤出产品大小不均匀等一系列难题。并且单螺杆挤压机挤压膨化过程中混合均质效果差，混合性能得不到改善，这为单螺杆挤出机的发展带来了不可忽视的障碍。从发展角度看，我国单螺杆挤出机开发及研究工作起步较晚，并且行业中普遍存在双螺杆挤压机全方面优于单螺杆挤压机的错误认识，因此应该按照挤压产品的价格、性能来选择挤压机。

近年来随着科技快速发展和人民生活水平的提高，单螺杆挤压技术成为我国食品挤压加工领域的主导发展方向，并且由于现代社会对新型加工技术的高度重视，单螺杆挤压技术在我国将占有长时间的市场，并在食品加工中具有很高的应用前景，未来可以在以下两个方面对单螺杆挤压机进行改进。

1）在节能和稳定上加大研究力度，改进结构参数，来弥补蛋白产品以前采用涡旋、活塞造成的堵塞，提高生产能力和适应范围，加强对单螺杆挤压机理的深入研究，提高挤压过程的自动控制能力，提高生产效率。

2）可以开发专用产品的专用设备，调整螺杆长度，改变机筒材料，完善结构设计，升级挤压机使其较少依赖所使用的原材料性质，实现挤压过程中机筒内部可视化，可清楚看见物料挤压时的状态，向市场展现单螺杆挤压技术的巨大潜力。