單螺桿擠壓技術在食品工業中的應用研究進展

孟祥澤，呂博，付洪玲，李佳芯，楊曉晴，季雷，王祎，于寒松*

（1.吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118；2.國家大豆產業技術體系加工研究室，吉林 長春 130118；3.東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

擠壓技術是指在擠壓機中給予物料一定的速度，使物料勻速通過模頭擠壓，從而實現產品加工的技術，采用這種加工技術生產的食品稱為擠壓食品[1]。當機器運轉時，食品中的營養物質會在高溫和強剪切力的作用下發生部分反應[2]，如淀粉糊化和降解、蛋白質變性、維生素降解、抗營養因子的形成等。擠壓機擁有諸多優勢，例如可實現自動化生產，處理大量物料，操作簡便，機器能持續運行，產品生產率高等。除此以外，利用擠壓技術可以研發出一些獨特風味的新型食品，也能夠幫助修飾產品的結構，提高產品的溶解性和持水性，使產品的營養成分更加豐富，通過擠壓技術得到的產品會膨脹后迅速冷卻，并可通過更換模具制造各種形狀的產品[3]。綜上，擠壓技術可以賦予食品更多的可加工空間。

擠壓技術作為一種經濟簡便的食品加工技術，它具有高速短時的特點，并涉及廣泛的熱化學過程，包括淀粉糊化、蛋白質變性、脂質改性、酶水解、微生物和許多抗營養因子的失活。目前擠壓技術已廣泛應用在食品工業中[4]，是集混合、熟化、蒸煮、傳熱傳質、預干燥、膨化及成型為一體的新型加工方法。擠壓技術作為一種成熟的技術，用于開發新產品，如肉制品、植物蛋白產品、谷物食品、動物飼料、纖維食品等[5]，利用擠壓技術能夠生產出營養全面、食用方便的食品，是我國食品工業一個新興產業。

從當前國內外食品發展程度來看，擠壓技術能為人們提供色香味俱全、營養豐富的食品，因此擠壓技術在食品加工領域具有很高的地位。擠壓技術起源于英國[6]，英國對此項技術的研究較深，我國雖然也在這一領域也開展了研究工作，但尚缺乏經驗。因此隨著對擠壓機理的深入研究，擠壓技術將得到更進一步的發展。

1 擠壓技術在食品行業的應用發展

西方國家對于擠壓技術的研究起步很早。在19世紀70年代末，英國工匠Gray憑借擠壓原理，設計并制造出了世界上第一臺能夠用于生產橡膠的擠壓機，促進了擠壓機的發展[7]。20世紀40年代，美國設計并制造了第一臺應用于食品工業的單螺桿擠壓機[8]，實現了擠壓技術在食品加工領域的創新與突破，單螺桿擠壓機上市就得到了好評。到20世紀80年代時，擠壓技術已經在食品生產中具有重要的地位，從事食品研發的人員也依據擠壓技術，相繼研制和開發了許多不同類型的擠壓膨化食品。1980年底，國外針對擠壓技術在食品中的運用，在食品熱處理的國際協作計劃中[9]，第一次明確了擠壓技術在食品生產過程中的重要地位。隨后，歐美一些發達國家對于新型食品擠壓機的研制步入正軌，許多用于生產新型食品的擠壓機相繼問世。

自熱式PJ1型谷物膨化機[10]是由北京市食品研究所制造的中國首臺擠壓機，但對于擠壓機的研究存在一定的問題，與發達國家相比，存在差距。20世紀90年代后，隨著對國外技術的引進，這一領域某些技術難題逐漸被攻克。自此我國的膨化食品企業如雨后春筍，開始了蓬勃的發展。

21世紀以來，隨著國內外科研人員不斷對擠壓技術進行深入研究，科研人員發現通過調整原料的持水量、改變擠壓機運行的溫度和轉速可以使得原料分子發生一些化學反應，以此來使食品中的功能性物質在擠壓過程中發生變化，可以提高食品的品質，使產品營養價值更高，口感更豐富，科研人員對擠壓機的研究主要在淀粉、谷物、浸油、釀造和植物蛋白5個方面。

在淀粉應用方面，由于擠壓過程中溫度升高，會導致淀粉顆粒吸收熱量的能力升高，高熱量會提高淀粉顆粒中非結晶區分子鏈的運動性，以致淀粉顆粒晶體結構不夠穩定，導致晶體結構排列松散，減小了淀粉的結晶度。擠壓過程中較高含水量和較高溫度會造成淀粉顆粒的微晶束發生熔融現象，直鏈淀粉的不斷溶出，會加速淀粉的雙螺旋結構的伸展，加快形成淀粉無定型凝膠。Logié等[11]在使用擠壓機擠壓豌豆淀粉和馬鈴薯淀粉時發現，其平均分子質量和分子的大小都發生了相應的變化。通過增加擠壓機的輸出機械能，能夠使原料中的大分子鏈加速裂解，進而可以減小物料中淀粉的結晶度，最后增大了直鏈淀粉的比例，改善了淀粉的品質。有研究表明[12]，單螺桿擠壓加工可以提高淀粉的消化性，增加物料的營養價值。劉云飛[13]發現擠壓技術通過改變大米淀粉各層次結構，可有效改變大米淀粉的糊化和消化的情況，使其適用于不同產品。

在谷物應用方面，谷物原料通過擠壓技術后，原料纖維素在高溫、高壓狀態下發生降解，分子結構變化，呈海綿狀結構，水溶性增加，口感改善。Koa等[14]以高粱和大麥為原料通過單螺桿擠出機復合擠壓，研究發現控制原料的水分含量，調整溫度，產品的消化率受到影響較大。Honcu 等[15]研究表明，通過利用單螺桿擠壓機對不同種類的大麥進行擠壓，在擠壓后獲得的麥麩中發現可溶性膳食纖維的含量增加，且通過單螺桿擠壓之后，小麥的一些理化特性發生了變化。王丹丹[16]以麥麩、豆渣及麥胚為原料，通過采用螺桿擠壓技術，探究上述原料在高纖維食品成型中的應用，發現所有采用擠壓技術進行的生產，都會在一定程度上影響產品的理化性質，比如產品的硬度、持水性、水溶蛋白含量等。

在浸油應用方面，張佳麗[17]研究發現采用擠壓技術加工食用油，可以更好地保留維生素、抗氧化劑等的營養物質，減少化學添加物，該方法較化學法生產食用油更加安全健康。徐紅華等[18]發現擠壓技術生產食用油時，擠壓設備的生產能力、油脂出油率、能耗、溶劑料胚比和食用油的品質等方面皆好于溶劑浸油法。

在釀造應用方面，孫言[19]在研究白湯醬油釀造時發現，采用擠壓技術對醬油原料擠壓，可使原料中的淀粉迅速糊化，降低其中的抗營養因子，提高原料的利用率，減少發酵時間，降低生產成本等。

在植物蛋白應用方面，Nisov等[20]以谷朊粉、大米蛋白和豌豆濃縮蛋白為原料，通過高水分擠壓技術，形成具有纖維結構的植物蛋白，發現擠壓溫度對其纖維結構、拉伸強度有較大的影響，提高pH值有利于纖維結構形成。

除了能夠提高營養價值，改善理化特性之外，擠壓技術還越來越符合人們對食品營養健康的追求，國內外加大了對擠壓技術的研究，更多的科研團隊和企業對擠壓技術更加關注。并隨著我國擠壓技術的不斷進步，可以運用擠壓技術生產的產品越來越多，其產品營養價值也越來越高，但是由此引起的技術問題也越來越多，因此需要對擠壓技術進行不斷地完善。

2 擠壓方法

1990年以后，隨著擠壓機技術的不斷創新，許多新型擠壓技術和擠壓方法應運而生，其中具有代表性的技術有超臨界CO2擠壓[21]、雙階或多級擠壓[22]以及擠壓-3D打印聯用[23]等。在進行擠壓設備研發的過程中有許多問題是無法避免的，比如高昂的設備制造成本，以及對于新型擠壓技術的研發投入都使得擠壓技術、設備以及方法的應用不是很廣泛。在現有的生產過程中，操作人員一般都是通過調整擠壓階段輸入的能量，改變蛋白組分結構和產品的功能性，區別于現有工藝的新工藝機理還在研究中。單、雙螺桿擠壓機性能對比見表1。

表1 單、雙螺桿擠壓機性能對比Table 1 Comparison between single-and twin-screw extruders

就目前而言，擠壓技術改變了傳統的加工方式，其中較為成熟的擠壓技術是單螺桿擠壓技術和雙螺桿擠壓技術[24]。雙螺桿擠壓機是以單螺桿擠壓機為基礎開發出來的，由于其良好的加工性能及較強的耐久性深受歡迎，但是單螺桿擠壓機依靠著應用范圍廣泛，操作簡單，制造成本低，對原料和設備的要求不高等優點依舊受到食品行業的認可，并且單螺桿擠壓技術比雙螺桿擠壓技術更加適合應用在廉價食品或者低水分食品的加工中，比如使用脫脂豆粉生產植物肉時使用單螺桿擠壓機可以降低產品成本，并且更易操控[25-26]。

3 單螺桿擠壓機結構特點

單螺桿擠壓機主要包括進料裝置、加熱系統、膨化機主體和傳動部分[27]。進料裝置由一個進料斗組成，加熱系統由電加熱器及控制線路組成，控制可手動和自動，并有加熱電流及溫度顯示，機筒體、螺桿、成型模具組成擠壓膨化機主體，傳動部分由一個電機及其控制線路組成[28-29]。物料在擠壓過程中，螺桿的外徑變大，擠壓機內部空間變小，因此擠壓力增大，摩擦升溫，物料伴隨著模具擠出，瞬間壓力減少，物料急劇膨脹，形成膨松結構，圖1為單螺桿食品擠出機的示意圖[30]。

圖1 單螺桿食品擠出機的機械部分Fig.1 Structure of a single-screw food extruder

4 單螺桿擠壓技術在食品工業中的應用

4.1 在肉制品生產中的應用

肉制品中的氨基酸和蛋白質含量較高，經過單螺桿擠壓膨化后的肉制品形成纖維結構，具有良好的咀嚼性和持水性，并且提高了肉品的營養價值，國內外使用單螺桿擠壓膨化機生產擠壓膨化肉制品成為新的趨勢。有研究表明[31]，將牛肉和玉米粉為原料混合，通過單螺桿擠壓膨化，發現擠壓溫度對產品的水分和密度影響較大。Park等[32]在牛肉中添加不同比例的脫脂大豆粉和玉米粉，擠壓制備牛肉膨化食品，結果表明，擠壓技術可以大大改善產品的膨化度，產品體積變大，易于人體吸收。李福泉等[33]通過單螺桿擠壓機對重組牛肉進行擠壓膨化，發現擠壓前后氨基酸含量相對變化不大，而牛肉的脂肪酸含量變化較大。王文賢等[34]用雞肉和淀粉混合，利用單螺桿擠壓機擠壓，并通過響應面分析法開發了一種膨化度適中，結構良好的休閑食品，為肉制品加工提供了新的方法。劉學文等[35]以鮮雞肉和淀粉為基礎，通過單螺桿擠壓膨化，制備了一種營養豐富，口感細膩的新型肉制品。Giri等[36]將大米粉和魚肉混合后擠壓，發現產品膨化度、容積密度和進料濕度受到擠壓溫度影響較大，受螺桿轉速影響較小，并且制備后的產品營養成分顯著提高。Jaya等[37]發現進料濕度、機筒溫度對產品的性質有極顯著影響。

目前單螺桿技術在市場上應用主要是碎肉重組，通過將調配均勻的食品原料進行輸送、相互混合、重新組織以及清除病菌等多個環節，將碎肉擠壓，形成纖維結構，經過包裝形成新的產品，不僅提高了碎肉的利用價值，還改善了產品的外觀，口感更好并且利于消化，具有降低生產成本、減少資源浪費的優點[38]。不過在擠壓混合時使用食品添加劑會降低產品的安全性，并且產品中氧含量會增加，食品保質期縮短。肉類食品食用過多會引起高血壓、高血脂、高血糖和肥胖癥。因此，今后健康型肉制品是擠壓機發展的重要領域，開發營養、健康、功能性重組碎肉制品成為今后單螺桿擠壓技術的發展方向。

4.2 在植物蛋白加工中的應用

植物蛋白[39]具有良好平衡的氨基酸組成，具有高蛋白、低飽和脂肪、無膽固醇等特點。食品行業正在尋找從外觀，口感和氣味各方面能夠代替動物蛋白的肉類替代品，既能夠滿足人們日益增長的肉品需求，也給素食主義和減肥人士提供了一個全新的選擇。在這種背景下植物肉得到了快速發展，植物肉[40]是以植物蛋白或植物性成分為原料，通過擠壓技術，將植物組織蛋白加工成類似肉類的纖維結構，模仿肉制品的口感與特性。植物肉制品具有高蛋白、低脂肪、不含膽固醇等優點，可有效規避食用動物肉的潛在風險，因此可有效防治高血壓、冠心病、糖尿病等慢性疾病的發生，長期食用可有效增強體質，有益于身體健康[41]。Manski等[42]利用單螺桿擠壓技術生產植物肉，其生產工藝成型效果好，不焦化，切割不會黏合，口感好營養價值高。金鑫[43]在植物蛋白擠壓組織化性質，工藝優化及應用研究中使用單螺桿擠壓技術，確定了高溫能提高物料的混合程度，較低的喂料速度和螺桿轉速能提高物料的組織化度。朱銀月[44]通過對豆粕進行二次擠壓，并在第二次擠壓時添加豬血，制備的產品營養全面，可食性強，實現了動植物蛋白的完美結合。吉林豆花[45]是運用單螺桿擠壓技術生產的大豆組織化食品。該產品以全脂大豆為原料，經過脫皮，粉碎，拌水，經自動加料裝置及單螺桿擠壓機，高溫下擠壓成纖維狀，再經成型機加工成各種形狀，經干燥、保霉處理及包裝成產品；制備豆花的大豆經擠壓膨化內部組織發生變化，大分子的蛋白質、脂肪和碳水化含物都會發生降解，還原糖增加，使制品更有利于人體吸收，用物理手段去除了豆腥味，具有加工簡單，保存期長的特點。吉林豆花保留了大豆中的全部營養，而且不含膽固醇，是一種利于人體健康的食品[46]。呂斌[47]以豆渣為原料加工素肉，利用單螺桿非膨化擠壓技術生產的素肉具有類似肉的口感，營養成分沒有流失，產品極易成型。Chiang等[48]研究發現小麥面筋的比例對超微結構的影響不顯著。Zhang等[49]研究發現，目前制備大豆蛋白肉類替代品的主要原料是大豆蛋白和小麥面筋，除了主要蛋白質成分外，淀粉、纖維等輔料的添加對大豆蛋白肉類替代品的纖維結構發展和營養豐富度也有重要影響。

單螺桿擠壓技術生產的植物蛋白有許多特性，如吸水性、咀嚼性、保油性、纖維狀結構優異等。這些特性使組織蛋白具有類似肉類的口感，而且植物蛋白富含多種氨基酸，氨基酸評分接近動物蛋白，不僅可以降低生產成本，同時生產的產品營養全面、價格便宜，深受生產企業及消費者的青睞，而且順應了當今食品發展的兩大趨勢：高質量和低脂肪食品需求的增加、功能性食品和營養強化食品的興起。不過單螺桿擠壓機生產的植物蛋白制品的口感與傳統肉品仍有差異，傳統肉品具有豐富且致密的纖維結構，口感鮮嫩多汁，植物蛋白產品中風味較差，未來單螺桿擠壓機生產植物蛋白制品時，需對大豆蛋白的異味物質及產生機制進行深入研究，找到安全、高效且能將異味物質徹底清除的方法，并且開發單一品種所需設備，滿足大眾對植物蛋白產品的需要。

4.3 在谷物食品加工中的應用

谷物食品中含有豐富的蛋白質、碳水化合物、維生素、礦物質等。谷物食品的加工方式多樣，不同的加工方式對谷物的營養價值影響不同。鄧潔紅等[50]在試驗中發現原料水分含量、擠壓機螺桿轉速、擠壓膨化溫度等指標對產品品質有很大影響。由于玉米具有較好的膨化性能，因此，單螺桿生產的玉米類膨化食品具有廣闊的開發前景。張飛俊[51]在玉米人參米的研究中，向玉米粉中加入人參粉，釆用單螺桿擠壓技術生產玉米人參米，生產的產品不僅耐煮性好，感官評分高，并且便于貯存運輸。劉相陽[52]在玉米減肥面包的研究中，利用單螺桿擠出技術對玉米粉進行有效改性處理，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麥粉應用于谷物工程食品的加工，制得的產品營養豐富，感官品質達到最佳，對人體無毒無害且具有減肥等生理功能。王研[53]在高纖維即食玉米片生產新工藝的研究中，利用單螺桿生產的玉米片形狀整齊，薄厚及大小一致，斷面組織結構均勻，風味良好，易于咀嚼。王丹洋[54]用黑米、黑豆為原料，并添加其他輔料，運用單螺桿擠壓技術擠壓，得到的擠壓面條具有感官評價良好，食用品質較好等優點。Detchewa等[55]采用快速成型技術的方法提高了無谷蛋白米意大利面的烹飪質量、理化特性和感官特性，用大米蛋白濃縮物代替米粉，通過單螺桿擠出機進行加工，結果表明，使用單螺桿擠壓機生產出的面條能降低蒸煮時間和蒸煮損失，并且感官品質更好，能提高面條的烹飪質量和理化性能。喬明鋒等[56]在生產速凍青稞魚面時發現，單螺桿擠壓技術可有效提高速凍青稞魚面的蒸煮吸水率、彈性、硬度、咀嚼性，優化了凍青稞魚面的品質。Butt等[57]研究了單螺桿擠壓淀粉（天然和修飾）的物理化學和流變行為，擠壓后除明膠化外，水稻淀粉的理化特性和流變特性發生了顯著變化。

近年來，單螺桿擠壓技術以其獨具特色的加工特性成為生產營養谷物食品的有效方法，得到了人們的認可，并且生產的谷物食品富含膳食纖維，營養價值高，能夠防止脂肪氧化，提高蛋白消化率，可以保持原有食品中的風味物質[58]。不過在實際生產中應對3個方面加以重視，一是原料處理時控制水分含量；二是嚴格控制機筒溫度；三是迅速降低擠壓后的膨化食品溫度，讓產品擁有特殊氣味，并對產品進行調味，改善口感。未來谷物食品的加工，應開發專用谷物的專用設備，推動傳統食品的工業化生產，充分高效地利用谷物資源，提升糧食加工業的經濟增長，為豐富人們的食品消費需求，改善人體健康，提供更多、更好的產品與服務。

4.4 在富含膳食纖維食品加工中的應用

目前，人們已經意識到膳食纖維對人體健康的重要性。當食用的膳食纖維含量增加后，一些慢性疾病的發病率明顯下降，并且膳食纖維能夠控制體重、提高免疫力、加速人體有毒物質的排出、降低血糖、降低膽固醇、降低血脂、防治高血壓等。目前通過化學改性法來處理纖維樣品，控制pH值、溫度及反應時間等因素，使纖維分子中的不溶性成分轉化成可溶性成分。單螺桿擠壓技術因為在擠壓過程中會產生高溫可以使其改性，因此可以用于纖維食品的加工。宋云禹[59]采用單螺桿擠壓對毛蔥膳食纖維進行擠壓改性，發現可以提高水溶性膳食纖維的提取量，并且使膳食纖維結構變得疏松，大大提高吸附性，并且對產品物理性質和功能特性進行評價比較，擠壓改性法要比酶解改性法效果更好。周愛麗[60]在對綠豆皮膳食纖維工藝優化時發現綠豆皮粉粒度程度對膳食纖維含量影響最大，水分添加量對膳食纖維含量影響較小，擠壓改性使綠豆皮膳食纖維的表面結構和面積發生了改變，并且保護了官能團，提高了綠豆皮膳食纖維的膨脹力、吸水力以及持水力。戴龍[61]通過單螺桿擠出技術對香菇柄進行改性處理，發現擠出后香菇柄纖維結構疏松多孔、表面積增大，提高了持水力、膨脹力和持油力，并且提高了可溶性膳食纖維的含量，并制備出膳食纖維香菇米。二次擠出香菇柄提高了產品的口感和耐煮性，并且合理的使用資源，提高了經濟效益，實現了副產物可持續生產。楊哲等[62]研究了單螺桿擠壓技術對蘋果渣中膳食纖維的影響，發現含量與物理結構所受影響較大，生產的產品疏松多孔。王旭[63]以新鮮米糠為原料,使用擠壓膨化技術提取米糠膳食纖維，提高了米糠膳食纖維提取率，優化了膳食纖維改性提取工藝。王紅等[64]使用單螺桿擠壓改性工藝制備高品質金針菇膳食纖維，發現擠壓后的可溶性膳食纖維含量，持水力、持油力、膨脹力、結合水力均有明顯提升，擠壓后的膽固醇吸附能力、結合甘氨膽酸鈉和牛磺膽酸鈉能力相對較好，并且改善了產品的理化特性。

以單螺桿為主的擠壓改性技術已經成為食品加工中的重要的方法。擠壓技術并不能引發膳食纖維高聚物的結構出現深層降解或破壞，但在機筒內較強作用力下，部分不半纖維素會出現熔融現象，轉變成水溶性聚合物成分，所以要嚴格控制設備和反應條件[65]。不過，在擠壓過程中，高溫、高壓和強剪切作用可以引起膳食纖維微觀網狀結構的改善和不溶性膳食纖維的降解，其內部分子之間的化學鍵裂解，能夠使水溶性物質增多，連接的結構表面積增大，并最終導致膳食纖維溶解性、持水力和膨脹性得以顯著提高，同時又改善了物料的色澤和風味，起到了高溫短時殺菌的作用，改善了口感，可以更好發揮膳食纖維的生理功能[66]。充分利用該技術進行生產，符合國家倡導的資源節約型及環境友好型生產模式。

5 單螺桿擠壓技術的發展瓶頸及發展趨勢

長期以來，單螺桿擠出機發展的主要方向是高質、高產、快速。從技術角度看，單螺桿擠出高速化會使物料溫度急劇升高，造成擠出溫度控制困難、擠出產品大小不均勻等一系列難題。并且單螺桿擠壓機擠壓膨化過程中混合均質效果差，混合性能得不到改善，這為單螺桿擠出機的發展帶來了不可忽視的障礙。從發展角度看，我國單螺桿擠出機開發及研究工作起步較晚，并且行業中普遍存在雙螺桿擠壓機全方面優于單螺桿擠壓機的錯誤認識，因此應該按照擠壓產品的價格、性能來選擇擠壓機。

近年來隨著科技快速發展和人民生活水平的提高，單螺桿擠壓技術成為我國食品擠壓加工領域的主導發展方向，并且由于現代社會對新型加工技術的高度重視，單螺桿擠壓技術在我國將占有長時間的市場，并在食品加工中具有很高的應用前景，未來可以在以下兩個方面對單螺桿擠壓機進行改進。

1）在節能和穩定上加大研究力度，改進結構參數，來彌補蛋白產品以前采用渦旋、活塞造成的堵塞，提高生產能力和適應范圍，加強對單螺桿擠壓機理的深入研究，提高擠壓過程的自動控制能力，提高生產效率。

2）可以開發專用產品的專用設備，調整螺桿長度，改變機筒材料，完善結構設計，升級擠壓機使其較少依賴所使用的原材料性質，實現擠壓過程中機筒內部可視化，可清楚看見物料擠壓時的狀態，向市場展現單螺桿擠壓技術的巨大潛力。