影響淀粉類擠壓膨化產(chǎn)品膨化率的因素研究進(jìn)展

劉 超 張 波 魏益民

（中國(guó)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1，北京 100193）

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所2，太原 030031）

淀粉類擠壓膨化產(chǎn)品的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括膨化率、質(zhì)構(gòu)特性、吸水性指數(shù)、水溶性指數(shù)、容積密度、表觀密度以及糊化度等［1］。膨化率是評(píng)價(jià)淀粉類擠壓膨化產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，與其他指標(biāo)相關(guān)。杜雙奎等［2］研究表明玉米珍子擠壓產(chǎn)品的截面膨化率與容積密度、抗剪切力呈極顯著負(fù)相關(guān)，與吸水性指數(shù)呈顯著正相關(guān)。Mezreb等［3］研究表明玉米粉、小麥粉擠壓產(chǎn)品的膨化率與脆度呈顯著負(fù)相關(guān)。膨化率反映了擠壓產(chǎn)品的膨化效果、質(zhì)地和口感，是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。

擠壓膨化產(chǎn)品的膨化率可以用截面膨化率（Sectional Expansion Indices，SEI）、軸向膨化率（Longitudinal Expansion Indices，LEI）和體積膨化率（Volumetric Expansion Indices，VEI）表示［4］。截面膨化率是指擠壓產(chǎn)品的橫截面積與擠壓機(jī)模孔截面積之比。對(duì)于柱狀擠出物，截面膨化率是指擠壓產(chǎn)品的直徑與模孔直徑之比的平方。軸向膨化率是指擠壓產(chǎn)品離開(kāi)模頭的線速度與擠壓原料在擠壓機(jī)內(nèi)的線速度的比值。體積膨化率為截面膨化率與軸向膨化率的乘積。通常用截面膨化率來(lái)描述擠壓產(chǎn)品的膨脹程度［4］。

影響淀粉類擠壓產(chǎn)品膨化率的因素主要有原料的理化特性，譬如直／支鏈淀粉的比例、物料粒度等；添加劑，如 NaHCO3、Ca（OH）2、蔗糖等；擠壓設(shè)備參數(shù)，如螺桿構(gòu)型、模頭結(jié)構(gòu)等；擠壓工藝參數(shù)，如機(jī)筒溫度、物料含水率、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度等。

1 淀粉擠壓膨化機(jī)理

淀粉的擠壓膨化是指以淀粉或富含淀粉（≥65%）的原料和水在一定的溫度、壓力、擠壓螺桿的剪切作用下混合，淀粉發(fā)生糊化、降解形成均勻的熔融體。當(dāng)熔融體離開(kāi)擠壓機(jī)模頭的一瞬間，通過(guò)水分的閃蒸作用，使擠出的物料形成多孔狀結(jié)構(gòu)，隨著擠出物表面溫度的降低，物料固化，最終形成多孔、疏松的質(zhì)地結(jié)構(gòu)［5－6］。

前人將這一過(guò)程分為物料從無(wú)序到有序的轉(zhuǎn)變、氣核生成、模口膨脹、氣泡生長(zhǎng)和氣泡塌陷5個(gè)階段［7－11］。第一階段：淀粉質(zhì)物料進(jìn)入擠壓機(jī)后，淀粉發(fā)生糊化和降解，粒狀或粉狀的物料轉(zhuǎn)變成具有黏彈性的熔融體。第二階段：氣體在熔融體內(nèi)部形成熱力不穩(wěn)定的小氣泡，在輸送的過(guò)程中氣泡不斷生長(zhǎng)。第三階段：熔融體離開(kāi)模口時(shí)彈性應(yīng)力釋放，在模口處熔融體出現(xiàn)膨脹。第四階段：當(dāng)熔融體離開(kāi)模口時(shí)，水分發(fā)生閃蒸轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵猓瑲馀莶粩嗌L(zhǎng)，其動(dòng)力來(lái)自氣泡壁內(nèi)外的壓力差。第五階段：當(dāng)氣泡壁的強(qiáng)度不能承受內(nèi)部的壓力時(shí)，氣泡開(kāi)始爆裂，或者隨著溫度降低，氣泡收縮，熔融體由無(wú)定形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，氣泡停止變化。

擠壓過(guò)程中的高溫和高剪切力使物料轉(zhuǎn)變?yōu)橛叙椥缘娜廴隗w，熔融體的黏度對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品的膨化率有重要影響。大量研究表明，熔融體的黏度過(guò)高，會(huì)阻礙氣泡生長(zhǎng)，不利于產(chǎn)品膨化。但熔融體的黏度過(guò)低會(huì)使氣泡容易塌陷，造成膨化率減小［7］。熔融體的彈性有助于氣泡生長(zhǎng)，有利于產(chǎn)品膨化。熔融體的黏彈性受原料本身特性和擠壓加工參數(shù)的影響［11］，原料不同，熔融體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不同，氣泡收縮時(shí)間不一樣，擠壓產(chǎn)品的膨化率不同［12］。加工參數(shù)不同，淀粉的糊化降解程度不同，熔融體的黏彈性不同，擠壓產(chǎn)品膨化率不同。

2 原料理化特性對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品膨化率的影響

2.1 直鏈淀粉含量對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品膨化率的影響

直、支鏈淀粉比例影響擠壓產(chǎn)品的膨化率。隨著直鏈淀粉含量的增大，擠壓產(chǎn)品的膨化率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。Chinnaswamy等［14］比較了不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉擠壓膨化物的截面膨化率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加到50%時(shí)，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率呈上升趨勢(shì)，由8.0增大到16.4。直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，截面膨化率達(dá)到最大值16.4。當(dāng)直鏈淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)50%，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率呈下降趨勢(shì)。Della Valle等［15］研究直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 23.5%、47.0%、70.0%的玉米淀粉擠壓產(chǎn)品膨化率，結(jié)果表明隨著直鏈淀粉含量的增加，擠壓產(chǎn)品的體積膨化率增大。研究認(rèn)為是由于直鏈淀粉含量增大，在熔融體沖出模頭后，氣泡壁破裂的臨界張力增大，氣泡不易破裂。

2.2 物料粒度對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品膨化率的影響

物料粒度大小對(duì)擠壓產(chǎn)品的膨化率有一定的影響。物料粒徑越大，所獲得的擠壓產(chǎn)品的膨化率越小［16］。Garber等［17］分別以平均粒徑為 50.2、94.2、593.0、988.3、1 622.1μm的玉米粉為原料進(jìn)行擠壓，其擠壓產(chǎn)品的截面膨化率分別為22.0、20.3、19.8、20.0、15.9。Mathew等［18］用錘式磨粉碎制得的粒徑分別為0.75、1.12、1.50 mm的玉米原料擠壓，其對(duì)應(yīng)的擠壓產(chǎn)品體積膨化率為2.49、2.47、2.37。

3 添加劑對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品膨化率的影響

淀粉擠壓膨化過(guò)程中，為了改善擠壓膨化食品的營(yíng)養(yǎng)、質(zhì)構(gòu)或感官性狀，通常向原料中添加微量添加劑。如PH調(diào)節(jié)劑、糖、營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑等，它們也會(huì)對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品的膨化率有影響。CO2經(jīng)常作為發(fā)泡劑用于提高擠壓產(chǎn)品的膨化率。Singh等［19］研究NaHCO3對(duì)玉米粉擠壓特性的影響表明，在擠壓的過(guò)程中NaHCO3分解生成CO2，在模口處氣體逸出，提高了擠壓產(chǎn)品的截面膨化率。

蔗糖能增加熔融體的表面張力，降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，一方面使氣泡生長(zhǎng)減弱，另一方面使氣泡收縮時(shí)間延長(zhǎng)，收縮程度增加，減小擠壓產(chǎn)品的膨化率。Mezreb等［20］研究了添加蔗糖對(duì)玉米粉和小麥粉擠壓產(chǎn)品膨化率的影響，表明當(dāng)蔗糖濃度由5%增大到12.5%時(shí)，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率、軸向膨化率均呈減小趨勢(shì)。

鈣離子可與淀粉的結(jié)晶區(qū)形成復(fù)合物，從而減小擠壓產(chǎn)品的截面膨化率。Marthinez－Bustos等［21］研究擠壓玉米粉中加入Ca（OH）2對(duì)擠壓產(chǎn)品膨化率的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%，機(jī)筒溫度為130℃，Ca（OH）2溶液的質(zhì)量濃度分別為0、1.5%、3.5 mg／L時(shí)，產(chǎn)品截面膨化率分別為 3.5、2.9、2.8。隨著Ca（OH）2增加，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率減小。

4 擠壓設(shè)備參數(shù)對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品膨化率的影響

4.1 螺桿構(gòu)型對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品膨化率的影響

螺桿構(gòu)型是不同螺桿元件在螺桿芯軸上的排列組合。通過(guò)改變不同的螺桿元件、元件的位置、元件的長(zhǎng)度以改變螺桿對(duì)物料的機(jī)械力作用，從而影響擠壓產(chǎn)品的膨化率。Sokhey等［22］研究齒形元件對(duì)玉米淀粉擠壓產(chǎn)品膨化率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在輸送元件中加入齒形元件后，擠壓產(chǎn)品的體積膨化率減小，截面膨化率增大。Choudhury等［23］研究了29種螺桿構(gòu)型對(duì)大米擠壓產(chǎn)品膨化率的影響，結(jié)果表明只有采用輸送元件的螺桿構(gòu)型時(shí)，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率為6.0。當(dāng)螺桿構(gòu)型中加入捏合元件時(shí)，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率增加至8.0以上。

4.2 模頭結(jié)構(gòu)對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品膨化率的影響

較小的模孔直徑有利于增大淀粉擠壓產(chǎn)品的截面膨化率。Arhaliass等［24］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模孔直徑減小時(shí)，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率增大，認(rèn)為模孔直徑的減小，增加了模頭前壓力，因而導(dǎo)致擠壓產(chǎn)品膨化率增大。

模孔長(zhǎng)徑比對(duì)淀粉擠壓產(chǎn)品的膨化率有顯著影響。王寧等［25］采用Brabender DC 2000型試驗(yàn)擠壓機(jī)對(duì)大米淀粉進(jìn)行擠壓膨化，發(fā)現(xiàn)模孔長(zhǎng)徑比與擠壓產(chǎn)品的體積膨化率呈顯著負(fù)相關(guān)。Chinnaswamy等［26］研究發(fā)現(xiàn)，玉米淀粉擠壓產(chǎn)品的膨化率隨著模孔長(zhǎng)徑比變化而變化。當(dāng)長(zhǎng)徑比由2.5上升到3.4時(shí)，玉米淀粉擠出物的截面膨化率由4.5上升到了13.0；但是當(dāng)長(zhǎng)徑比繼續(xù)增加至10.3時(shí)，擠出物的截面膨化率下降至 8.5［26］。

5 擠壓工藝參數(shù)對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品膨化率的影響

5.1 機(jī)筒溫度對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品膨化率的影響

隨著機(jī)筒溫度的升高，淀粉擠壓產(chǎn)品的膨化率呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。機(jī)筒溫度一方面通過(guò)改變?nèi)廴隗w的流變學(xué)特性影響膨化率，另一方面使水分轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵猓瑸榕蚧峁﹦?dòng)力影響膨化率。Ali等［27］研究玉米淀粉擠壓時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)筒溫度由100℃上升到160℃時(shí)，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率由3.5增至8.8；當(dāng)機(jī)筒溫度由160℃增至200℃，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率由8.8降至3.8。Chinnaswamy等［26］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)筒溫度從110℃上升到140℃時(shí)，玉米淀粉擠壓產(chǎn)品的截面膨化率從11.5增大到13.2。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率開(kāi)始下降。研究認(rèn)為擠壓產(chǎn)品的截面膨化率與淀粉的糊化程度有關(guān)。較高的溫度有利于提高淀粉的糊化程度，從而得到較大的截面膨化率，過(guò)高的溫度會(huì)增加膨化動(dòng)力，導(dǎo)致氣泡破裂，截面膨化率下降［26］。

5.2 物料含水率對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品膨化率的影響

擠壓過(guò)程中的水分為擠壓膨化提供了驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)水在擠壓膨化過(guò)程中會(huì)降低淀粉的濃度和黏度，起到了增塑劑的作用。Ilo等［28］研究玉米粉擠壓時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)筒溫度在150～160℃之間，物料含水率由13%增至17%，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率由3.8降至1.8。Chinnaswamy等［26］研究擠壓玉米淀粉發(fā)現(xiàn)，原料的物料含水率由15%增至20%時(shí)，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率由8.4增至9.3，當(dāng)物料含水率由20%增至40%時(shí)，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率由9.3下降至6.0。Parsons等［29］研究小麥淀粉擠壓發(fā)現(xiàn)，原料的物料含水率由19.5%增至21.5%，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率下降。

5.3 喂料速度對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品膨化率的影響

關(guān)于喂料速度對(duì)淀粉擠壓產(chǎn)品膨化率影響的研究較少。Ilo等［30］研究大米粉－筧菜混合擠壓發(fā)現(xiàn)，與水分和溫度相比，喂料速度對(duì)截面膨化率的影響較小，對(duì)軸向膨化率影響較大，在喂料速度為31 kg／h時(shí)能得到最大的軸向膨化率。Qing－Bo等［31］研究大米擠壓時(shí)發(fā)現(xiàn)，增加喂料速度，可獲得較高的截面膨化率。在喂料速度由20 kg／h增加到32 kg／h，擠出物的截面膨化率由2.0增大到3.9，認(rèn)為較高的喂料速度縮短了物料的滯留時(shí)間，降低了淀粉的降解，改變了物料在擠壓機(jī)內(nèi)的流變學(xué)特性，從而改變了擠出物的截面膨化率。

5.4 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠壓膨化產(chǎn)品膨化率的影響

螺桿轉(zhuǎn)速增加，物料受的剪切速率增加，擠壓產(chǎn)品膨化率先增加后降低。Bhattacharya研究擠壓大米粉和綠豆粉中發(fā)現(xiàn)，在較高溫度（140～175℃）下提高螺桿轉(zhuǎn)速會(huì)提高膨化率，在較低溫度（110～130℃）下提高螺桿轉(zhuǎn)速會(huì)降低膨化率［32］。Mazreb等［33］研究發(fā)現(xiàn)，雙螺桿擠壓機(jī)擠壓玉米粉和小麥粉時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)速在200～500 r／min之間，螺桿轉(zhuǎn)速增加，玉米粉和小麥粉擠壓產(chǎn)品的軸向膨化率都隨之增加；玉米粉擠壓產(chǎn)品的截面膨化率隨之下降，小麥粉擠壓產(chǎn)品的截面膨化率變化不大。Ali等［27］采用單螺桿擠壓機(jī)擠壓脫胚玉米粉，當(dāng)機(jī)筒溫度分別為120℃和160℃時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)速由80 r／min增大到200 r／min時(shí)，擠壓產(chǎn)品的截面膨化率分別由5.8增至12.9和由 10.5增至 13.1［27］。

6 結(jié)論

物料理化特性、添加劑、擠壓設(shè)備參數(shù)和擠壓工藝參數(shù)影響擠壓產(chǎn)品膨化率的本質(zhì)原因可能有以下幾方面。

通過(guò)改變擠壓膨化動(dòng)力改變擠壓產(chǎn)品的膨化率。擠壓膨化動(dòng)力越大，擠壓產(chǎn)品膨化率越大；但過(guò)高的膨化動(dòng)力會(huì)使氣泡過(guò)于生長(zhǎng)而破裂［13］。提高擠壓膨化動(dòng)力的方法有升高機(jī)筒溫度，提高物料含水率，減小模孔直徑，提高模口處壓力等。

通過(guò)改變?nèi)廴隗w黏度或表面張力改變擠壓產(chǎn)品的膨化率。熔融體黏度或表面張力增加，氣泡不易生長(zhǎng)，也不易破裂。提高物料直鏈淀粉含量，升高溫度，降低物料含水率都會(huì)提高熔融體黏度。

通過(guò)改變淀粉在機(jī)筒內(nèi)的降解程度改變擠壓產(chǎn)品的膨化率。淀粉降解會(huì)使熔融體黏度和表面張力降低，氣泡容易生長(zhǎng)，也容易破裂。升高溫度，加大剪切速率，減小模孔直徑都會(huì)促進(jìn)淀粉降解。

通過(guò)改變?nèi)廴隗w的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度改變擠壓產(chǎn)品的膨化率。熔融體在模口處的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越低，氣泡收縮時(shí)間延長(zhǎng)，擠壓產(chǎn)品膨化率越低。提高水分，降低原料直鏈淀粉含量都會(huì)降低熔融體在模口處的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使產(chǎn)品膨化率降低。

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