擠壓加工技術對食品理化性質、營養成分影響的研究進展

肖洪，李楠楠，閆龍濤，薛勇，2*

（1.中國海洋大學 三亞海洋研究院，海南 三亞 572024；2.中國海洋大學 食品科學與工程學院，山東 青島 266003；3.北京正博和源科技有限公司重慶分公司，重慶 400716）

食品擠壓加工是一種利用螺桿擠壓所產生的高溫、高壓、剪切力、摩擦力等作用對食品原料進行破碎、捏合、混煉、熟化、殺菌、預干燥、成型等加工的技術[1-2]。擠壓加工過程中蛋白質易發生降解，淀粉易發生凝膠化，而且脂肪、淀粉、蛋白質之間會形成復合物，進而導致產品微觀結構、物理化學性質等發生改變。一般來說，物料在機械力的作用下通過高溫擠壓模口，讓產品成型，從而達到所需的產品形狀和組織狀態[3-4]。擠壓技術可分為單螺桿擠壓、雙螺桿擠壓和多螺桿擠壓，冷擠壓和熱擠壓等技術[5]。擠壓加工技術的關鍵設備是擠壓機，包括柱塞式擠壓機、螺桿擠壓機、輥式擠壓機等。20世紀90年代以來，人們對擠壓設備不斷地改進，又出現了超臨界CO2擠壓、雙階或多級擠壓、擠壓-3D打印聯用等新型擠壓技術[6]。

螺桿擠壓機在食品擠壓加工中較為常用，主要包括單螺桿擠壓機和雙螺桿擠壓機。單螺桿擠壓機結構[3]見圖1，在金屬筒內表面通常有螺旋形或軸向凹槽，機筒內僅有一根螺桿，進料后將物料輸送到機筒內，由于筒內通道變窄，使得產品變得致密。單螺桿擠壓機操作容易，成本較低，但混合效果相對較差、容易堵塞、焦糊物料，主要適用于生產工藝較為簡單的膨化食品[7]。雙螺桿擠壓機結構[8]見圖2，其相對復雜且價格較昂貴，但其具有輸送和混合性能良好，能量利用效率較高的優勢。雙螺桿擠壓機的基本構造包括控制裝置、喂料裝置、加水裝置、擠壓裝置、擠出模口以及附帶壓力、溫度和扭矩傳感器等。通過智能化控制裝置，可設置機筒溫度、物料水分、喂料速度和螺桿轉速等基本擠壓參數，實時監測擠壓過程中壓力、扭矩、停留時間分布等設備響應參數[9]。雙螺桿擠壓機可廣泛應用于生產和開發組織蛋白、方便小吃、方便食品、脆皮面包、預煮食品、糕點、糖果等產品[10-11]。本文綜述了影響擠壓加工食品品質的因素，擠壓加工技術對食品的理化性質和營養成分的影響，以期為今后食品擠壓加工技術的研究提供一定的參考。

圖1 單螺桿擠壓機結構[3]Fig.1 Single screw extruder structure

圖2 雙螺桿擠壓機結構[8]Fig.2 Twin-screw extruder structure

1 影響擠壓加工食品品質的因素

1.1 原輔料特性

原料成分、酶處理、物料含水量等原輔料成分均能夠直接影響擠壓產品的品質。研究發現，添加淀粉、蛋白質、膳食纖維和油脂會不同程度影響擠壓秈米粉的糊化特性和黏度[10]。擠壓大米中的脂肪損失、膨脹率、淀粉的糊化程度和吸水指數均隨著淀粉含量的增加而增加，然而，擠壓大米隨著脂肪含量的增加具有更高的脂肪損失和較低的吸水指數和水溶性指數[12]。其中不同品種的淀粉及不同含量的直鏈淀粉均會對擠壓產品的膨脹率、密度及質構有一定的影響[13]。酶處理也會影響擠壓產品的品質。采用淀粉酶對大米、大豆混合料進行預處理，得到的擠壓產品的體積密度和水溶性指數會增加，而吸水指數和黏度則顯著降低[14]。物料含水量也會影響擠壓產品的品質。以含水量為13%～14%的不同比例直鏈淀粉和支鏈淀粉混合物原料進行擠壓加工產品時，得到的產品的膨化度最好，而當玉米淀粉含水量為14%、螺桿轉速150 r/min、喂料速度60 g/min時，擠壓加工的產品膨化度最好，如果原料的含水量過低、物料受到較長時間的擠壓，膨化度則會降低，原因可能是淀粉顆粒完全糊化，物料過度降解[15]。

1.2 擠壓加工工藝參數

螺桿轉速、喂料速度、螺桿構型、加工溫度等擠壓加工工藝參數也會直接影響擠壓產品的品質[9]。一般來說，較高的螺桿轉速和喂料速度會減少淀粉的糊化，從而不利于產品的膨化，直接影響產品的外觀和口感。螺桿構型也會影響食品的品質，螺桿剪切螺旋和反向螺旋對產品的容積密度、膨化度、最大應力均有非常顯著的影響，在螺桿上添加剪切螺旋能讓產品膨化效果更好。擠壓加工溫度是影響產品容積密度和膨化度的主要因素之一，擠壓過程中產品溫度主要取決于筒體的溫度，產品溫度的升高主要是物料在筒體中與螺桿摩擦生熱的原因[16]。孫冰玉等[17]發現擠壓條件為物料水分30%、擠壓溫度180℃、螺桿轉速160 r/min，豆制品中可溶性膳食纖維含量、持水性、持油性最高。

2 擠壓加工技術對食品理化性質的影響

擠壓加工技術對食品理化性質的影響包括產品的體積膨脹、吸水指數和水溶指數、色澤、蒸煮品質、熱性能、糊化性質、組織特性、微觀結構等。

物料在高溫、高螺桿速度、較低的濕度條件下進行擠壓加工，由于高剪切力、膨脹使淀粉結構被破壞，而對于低溫擠壓的食品，情況則相反[18-19]。物料體積的膨脹主要是由于模具壓力和蒸汽壓力所導致的，當物料通過模口時使得物料與周圍環境之間存在巨大的壓力差，同時在壓力差下水分汽化，高分子物質結構發生改變，形成網狀組織結構，使物料變形膨脹，形成多孔狀物質[20]。

吸水指數可用于衡量淀粉冷糊黏度的變化，反映了淀粉吸水腫脹后的持水能力，水溶指數是指溶解于水中的直鏈淀粉質量占總淀粉質量的百分比[21]。通過擠壓膨化加工可顯著地增加萌芽糙米的吸水指數和水溶指數，可能是由于高溫、高壓和高剪切力使淀粉糊化和裂解、纖維素降解以及蛋白質的裂解，從而使產品的水溶性物質增加[22]。

色澤對食品品質非常重要，擠壓加工的食品色澤與原料和筒體溫度等因素都有很重要的關系[23]。擠壓加工制作高蛋白糯米點心，隨著筒體溫度升高及原料水分的降低，產品色澤的亮度（L*）降低，紅度（a*）和黃度（b*）值增加[24]。一般認為擠壓加工中食品色澤的變化是非酶褐變，是由于物料在擠壓加工中發生了美拉德反應和焦糖化反應所致。

擠壓加工食品的蒸煮品質會受到淀粉的糊化、降解、老化等因素的影響。以米粉為主要原料添加不同豆類制作預煮米粉，發現產品的蒸煮損失率較低（＜6%）[25]。添加5.0%大豆分離蛋白擠壓得到的無谷蛋白意大利面其蒸煮時間和蒸煮損失均降低[26]。

擠壓加工使食品的熱性能、糊化性質、組織特性、微觀結構發生極大的變化。研究發現，擠壓處理會使糙米淀粉的峰值黏度、回生值和熱焓值均發生顯著的下降，淀粉發生糊化，擠壓后支鏈淀粉比例減少，糙米淀粉擠壓前淀粉顆粒形狀規則，表明平滑，大小分布較均勻，而擠壓后淀粉體積變大，形態不規則，光滑表面消失，變得粗糙，并且有褶皺和裂痕，淀粉擠壓后的結構有利于水分的吸收和滲透[27]。

3 擠壓加工技術對食品營養成分的影響

3.1 擠壓加工技術對蛋白質的影響

蛋白質是熱不穩定化合物，在擠壓加工中高溫和高壓使物料中蛋白質的結構發生改變，使蛋白質伸展、氫鍵發生斷裂、蛋白質分子降解，部分降解的蛋白質片段又通過二硫鍵形成較大的聚合體，同時也使物料中蛋白質的含量和性質發生一定的改變。如研究發現，擠壓加工會導致小米中水溶性蛋白、鹽溶性蛋白、醇溶性蛋白質含量的降低[28]。其次擠壓加工后能夠提高物料中蛋白質的消化性，主要原因是擠壓加工導致物料中蛋白質變性，使蛋白質的結構和構象均發生一定的改變，使能與蛋白水解酶結合作用的位點增多，另外通過適當的擠壓加工能使植物蛋白中存在的大多數天然蛋白質毒素或抗營養因子發生變性或者鈍化。小扁豆在140℃～160℃、物料含水量14%～22%時進行擠壓加工，隨著擠壓溫度和含水量的增加，植酸、單寧、胰蛋白酶抑制劑等抗營養因子的含量均顯著降低，而產品的蛋白質消化率升高[29]。

3.2 擠壓加工技術對淀粉的影響

淀粉是一種重要的碳水化合物，分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。通過擠壓加工，高剪切力可以將物料中的淀粉轉化為葡萄糖，使淀粉的組成、結構、理化特性發生很大的改變。研究發現，擠壓加工使糙米淀粉發生糊化，淀粉結晶結構由A型轉變為V型，使淀粉相對結晶度下降，淀粉結晶區比例降低，支鏈淀粉發生降解，增加了直鏈淀粉比例[27]。另外擠壓加工可以改善產品中淀粉的消化性能。通過擠壓加工，物料在擠壓過程中受到熱量、高剪切力、壓力、水分等的作用，導致物料在低水分環境下發生氫鍵的斷裂，使擠壓產品的消化性增加，但擠壓過程中形成的淀粉-脂質復合物、淀粉-蛋白質復合物、抗性淀粉又會降低擠壓產品的消化性[30]。

3.3 擠壓加工技術對脂肪的影響

在擠壓加工產品中脂肪具有乳化、增塑的作用，使擠壓加工產品具有適宜的質地和黏性，直接影響著擠壓加工產品的質構、營養品質和口感。將魚干粉和米粉一同擠壓制作食品，將筒體溫度從100℃升高到200℃，原料脂肪含量小于15%，最終得到的擠壓產品中的脂肪含量降低，可能是由于脂肪和蛋白質形成了復合物[31]。擠壓加工中的蛋白質-脂質相互作用包括共價作用、靜電相互作用、氫鍵和范德華力，擠壓加工中的高溫、壓力和二者的混合作用會導致不飽和脂肪發生氧化，此外，擠壓加工的分解產物可能會與蛋白質形成共價鍵，在擠壓加工中脂肪也會與淀粉等大分子形成復合物，在水分含量19%，機筒溫度110℃～140℃時硬脂酸會與玉米淀粉相互作用，形成最多的脂肪-淀粉復合物，擠壓加工可以破壞原料中的脂肪酶，使脂肪酶失去活性，使游離脂肪酸難以生成。研究發現，擠壓溫度為70℃時就可以將原料中的酶破壞，而擠壓溫度達到110℃脂肪就不發生酶促氧化[32]。因此擠壓加工在一定程度上能抑制脂肪的氧化，延緩氧化速度，延長產品的保質期，改善產品的品質。

3.4 擠壓加工技術對酚類及抗氧化物的影響

酚類物質是熱不穩定化合物，擠壓加工一般會導致食品中酚類物質含量的降低，原因是高溫使酚類物質分解，破壞了酚類物質的結構，擠壓加工時酚類物質可能與其他食品成分發生了聚合作用。高粱擠壓蒸煮脫皮后會減少高粱中的酚類物質[33]。未發芽糙米和發芽糙米在100℃條件下擠壓，總酚含量下降了50%以上，當擠壓溫度從100℃上升到120℃時，總酚含量又降低了6%～15%[34]。有研究報道，擠壓增加了麩皮中總酚、花青素含量，但使精米中游離酚、結合酚、花青素含量下降[35]，而擠壓蒸煮降低了大麥、大麥-番茄渣、大麥-葡萄渣擠壓產品中總酚的含量[36]。

3.5 擠壓加工技術對維生素及礦物質的影響

在擠壓過程中，筒體溫度、螺桿轉速、原料水分、模具直徑等因素均會影響維生素在食品中的保留。研究發現，不同谷物擠壓加工后僅能保留44%～62%的B族維生素，其中核黃素和煙酸的穩定性最高，而吡哆醇在玉米中比較穩定但在燕麥和玉米混合豌豆的擠壓產品中則不穩定，硫胺素在擠壓過程中最不穩定[37]。擠壓加工中最易損失的是維生素A、維生素E、維生素C、維生素 B1和葉酸，而維生素 B2、維生素 B6、維生素B12、煙酸、泛酸鈣和生物素比較穩定[38]。

3.6 擠壓加工技術對膳食纖維的影響

膳食纖維被稱為人類必需的“第七營養素”，包括可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維，可溶性膳食纖維具有親水性，能被有益微生物利用，通常認為可溶性膳食纖維具有調節血脂、血糖、控制肥胖等功能。擠壓加工處理對不同產品中膳食纖維含量的影響有差異，但大多報道發現擠壓加工處理會增加擠壓加工產品中可溶性膳食纖維含量。研究發現，對不同品種的大麥進行擠壓加工，β-葡聚糖和可溶性膳食纖維含量增加，但不溶性膳食纖維的含量降低[39]。而對小麥麩皮進行擠壓加工會增加可溶性膳食纖維的含量[40]。對大麥粉進行擠壓加工，產品中可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維含量均增加[41]。

4 結論

原料成分、酶處理、物料含水量、螺桿轉速、喂料速度、螺桿構型、加工溫度等條件均對擠壓效果造成一定的影響。進而影響食品的體積膨脹、吸水指數和水溶指數、色澤、蒸煮品質、熱性能、糊化性質、組織特性、微觀結構等理化性質，在一定程度上改變擠壓加工食品中蛋白質、脂肪、淀粉、纖維素、酚類等營養成分。擠壓加工改善了產品的溶脹性和持水性，提高食品消化性，一定程度上抑制脂肪氧化，脫除和降解食品原料中有毒有害物質。擠壓加工對產品的不利影響包括降低了產品中酚類物質、維生素和抗氧化物等含量。擠壓加工生產食品時受到原輔料成分和擠壓加工工藝參數多種因素的影響，因此實際生產中應對原輔料成分和擠壓加工工藝條件進行優化，才能更好地利用擠壓加工技術生產出優質的食品。目前擠壓加工主要應用在植物蛋白、雜糧等加工中，而水產品也是人們攝取蛋白質的重要來源，因此利用擠壓加工技術開發魚肉蛋白、鳶烏賊肉等水產資源，也具有廣闊的前景。