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食品和飼料擠壓（膨化）技術(shù)進展
閱讀：1369 發(fā)布時間：2012-9-27
擠壓是一個由若干作業(yè)單元綜合一起的工藝過程，其中包括攪拌、揉合、剪切、加熱、冷卻、成形、和造型。該工藝過程也是將一種材料在多種不同條件下壓縮加工成半固體物，再迫使它以預(yù)定速度通過一個成形孔或縫隙之類的局限口子（Dziezak,1989;Hsieh,1999a&b）。關(guān)于擠壓的*個為人所知的記錄是在1797年，當時JosephBramah用一個活塞驅(qū)動的裝置制造無縫鉛管（Janssen,1978）。后來食品工業(yè)將該發(fā)明用于通心粉制作。*臺雙螺桿擠壓機是Follows和Bates在1869年研制的，用來制作肉腸（Janssen,1978）。1873年為PhoenixGummiwerkeA.G.開發(fā)了有淺螺片的、在固定圓筒機鏜中轉(zhuǎn)動的單螺桿擠壓機（Linkoetal.,1981）。
上世紀三十年代中期，造型擠壓機被用來將粗粒面粉和水攪拌壓制成各種通心粉產(chǎn)品。幾年之后，綜合了輸送、攪拌和成形作業(yè)的擠壓技術(shù)被用來制作以預(yù)熟燕麥粉為原料的即食早餐糧（Harper,1981）。上世紀三十年代后期，RobertColombo和CarloPasquetti開發(fā)了同向旋轉(zhuǎn)并相互嚙合的雙螺桿擠壓機，可以不使用溶劑而進行纖維素攪拌（Marli,1983）。四十年代中期，*種擠壓-熟化的膨化食品，玉米小食品，用單螺桿擠壓機進行商業(yè)化生產(chǎn)（HauckandHuber,1989）。用單螺桿擠壓機生產(chǎn)的干膨化寵物飼料、干膨化即食早餐糧和組織化植物蛋白分別是在五十年代、六十年代、七十年代引入市場的（Harper,1981;HauckandHuber,1989）。在七十年代早期，Creusot-Loire開發(fā)了雙螺桿塑料擠壓機應(yīng)用到食品方面。zui后，八十年代把用擠壓工藝生產(chǎn)的水產(chǎn)飼料帶入了飛速商業(yè)化進程（HauckandHuber,1989）。關(guān)于食品擠壓技術(shù)的歷史zui近已在中文出版物中得以闡述（Liu,2000;Zhuetal.,2000）。
食品和飼料擠壓技術(shù)應(yīng)用
用擠壓技術(shù)已經(jīng)直接或間接生產(chǎn)出許多種類的食品和飼料。擠壓在食品方面的應(yīng)用分為兩類，即半成品和成品（WiedmannandStrobel,1987）。在半成品方面，用擠壓熟化制作預(yù)糊化糧谷粉類、馬鈴薯淀粉和糧谷淀粉，比用鼓式烘干之類的傳統(tǒng)工藝的經(jīng)濟效益更好。通過控制工藝條件達到所要求的淀粉糊化與分子降解的平衡，可以制作出有很寬范圍冷水溶解度的淀粉和化學變性淀粉（Fitton,1985）。發(fā)表了大量的文獻論述擠壓早餐糧（Daniels,1970;Miller,1994;Fast,2000）、小食品（Gutcho,1973a;Cosgriffetal.,1985;Moore,1994）和組織化食品（Gutcho,1973b,1977a&b）。在食品和飼料其他方面的應(yīng)用有水產(chǎn)飼料（Kiang,1999a&b;Rokey,1994）、干的和半濕的寵物飼料（Williams,1999;Rokey,1994）、啤酒花（Westwood,1994）、預(yù)熟淀粉和變性淀粉、小面包干（Antilaetal.,1983）、烹炸用滾面包屑（Smithetal,1985;NoakesandYacu,1988）、油炸碎面包片、全脂大豆粉、預(yù)熟面條、飲品基料、湯和澆鹵基料，還有甘草味、果味軟糖和巧克力之類的糖果（Harper,1981;Smith,1982;Best,1994）。
食品和飼料擠壓技術(shù)進展
一、擠壓機硬件和軟件
１．擠壓工藝過程監(jiān)測、控制和故障排除
對于擠壓工藝過程監(jiān)測和控制來說，測定主要的產(chǎn)品質(zhì)量特性和工藝變數(shù)是必要的。與某項擠壓應(yīng)用相稱的儀器配備數(shù)量取決于該產(chǎn)品的經(jīng)濟效益和使用該儀器所得信息的能力（ChessariendShellahewa,2001）。一般地說，擠壓機儀器有測定驅(qū)動設(shè)備電機馬力的安培表、簡單的或復雜的固體/液體原料喂入系統(tǒng)及其有關(guān)的流量計、蒸汽壓力表、測定壓模熔化溫度的熱電偶。有的情況下，壓模處配備一個壓力表。工藝過程監(jiān)測方面，在一個可視儀器上顯示實時信息，并記錄下分析數(shù)據(jù)。操作員根據(jù)實時信息作決定并對工藝參數(shù)進行手工控制，以盡量減少質(zhì)量不合格產(chǎn)品。記錄下的數(shù)據(jù)可用來分析該廠的生產(chǎn)狀況。
目前市場有各種各樣價格上可以承受的記錄數(shù)據(jù)的軟件。zui普通的用于工藝過程檢測的軟件叫做SCADA（Supervisory,ControlandDataAcquisition，即監(jiān)督、控制和數(shù)據(jù)獲?。┫到y(tǒng)，該系統(tǒng)也具備一定的監(jiān)控能力。圖1顯示的是典型的工藝過程檢測監(jiān)控系統(tǒng)。很多新型擠
壓機工程都有SCADA系統(tǒng)，可以做實時工藝過程檢測，并與一個更*的控制系統(tǒng)聯(lián)接。很多稍舊一些的擠壓機通過一個適合的連接裝置也能接上SCADA系統(tǒng)。設(shè)計SCADA系統(tǒng)應(yīng)考慮以下幾個方面（ChessariandShellahewa,2001）:
圖1典型的工藝過程檢測監(jiān)控系統(tǒng)（ChessariandShellahewa,2001）
１）與本機控制系統(tǒng)易于對接。
２）該系統(tǒng)應(yīng)有工藝過程檢測和監(jiān)控能力。
３）“開放式結(jié)構(gòu)”，這樣的系統(tǒng)容易修改，而不必大動硬件和電路。
４）“本機”控制板應(yīng)能操作擠壓機（例如，有“本機”/遙控旋扭），這樣，如果運行SCADA的電腦和其他控制軟件失靈，擠壓機還能運行。
５）所有的安全聯(lián)鎖裝置都必須是電線連接的，或者是通過程序邏輯控制器（ProgrammableLogicController，縮寫PLC）控制，而不是通過SCADA電腦，因為PLC在工業(yè)環(huán)境比PC更可靠。
６）系統(tǒng)應(yīng)當可以擴充（加裝另外的傳感器、本機控制器）。
SCADA系統(tǒng)的一個實例是ConceptOne系統(tǒng)，其開發(fā)公司是MeasurerexSystem,Inc.（Cupertino,Calif.）[參考PlasticsTechnol.,42（8）,17-19,1996]。它讓操作員通過一臺PC電腦中的系統(tǒng)即可對擠壓工藝過程和產(chǎn)品進行監(jiān)測和控制。
能夠?qū)Τ霈F(xiàn)的問題作出判斷并提出解決辦法的新軟件也已有售。舉例說，Xtru-Xpert（PolydynamicsInc.,Hamilton,Ont.）可協(xié)助排除13種普通擠壓故障，包括波涌、螺桿和機鏜磨損、熔體堵塞、水分、凝膠、共擠時料層厚度不勻[參考PlasticsTechnol.,45（2）,17,1999]。該軟件在PC電腦中運行只要求用戶提供很少數(shù)據(jù)，如機器尺寸、機鏜溫度和喂入料的流變學特性。該系統(tǒng)能計算擠壓機產(chǎn)量、動力消耗、馬力和扭矩，以及料流通過各種壓模的壓差、剪切率和剪切應(yīng)力。
2.滾動喂料斗
AmericanKuhne,Inc.（Norwich,CT）公司設(shè)計的一種新型料斗（圖2），可以更快地改換喂入料[參考PlasticsTechnol.,47（11）,15,2001]。料斗有三個位置：喂料、關(guān)閉、翻卸。報道說，翻卸位置是流線型的，所以當擠壓機清掃時易于騰空。
3.快速更換的機鏜
MerrittDavisCorp.（Hamden,CT）公司推出了新型可換機鏜，將
圖２Kuhne,Inc.公司（Norwich,CT）新型轉(zhuǎn)動料斗
擠壓機機鏜的L/D從15：1換為36：1[參考PlasticsTechnol.,47（5）,16,2001]。可換機鏜單元（每個單元都有外殼、加熱器和風機）用螺栓固定在擠壓機的喂料斗喉部（圖3）。通過一種有新型凸緣的設(shè)計和簡化栓接以及電路安排，可以使機鏜迅速升舉落位。電路從機鏜外殼下行到一個單一出口，而不是將幾個加熱器分別接上一條引線，這樣即可在幾分鐘內(nèi)迅速改裝。
4.通用可改型變速箱裝置
MerrillDavis（Hamden,CT）公司推出了*套通用可改型變速箱裝置（universallyretrofittableassemblies），適合于幾乎所有類型的11.43㎝、15.24㎝和20.32㎝的擠壓機[參考PlasticsTechnol.,
7,2001]。對于當今標準來說馬力不夠的舊擠壓機，或
角的，聲稱可減少螺桿磨損30%[參考PlasticsTechnol.,45（10）,17,1999]。報道說，負卷邊角可顯著減少壓力并減輕在放氣孔與壓模間卸料區(qū)與機鏜壁的磨擦。負相角螺片在螺根處比上面的螺片表面要窄，與常規(guī)螺片的設(shè)計相反（圖4）。反向角加大了表面積，推動更多的物料與螺桿接觸而使溫度更均勻；還可加大螺片
念擠壓機
比，可節(jié)省能量達50%[參考PlasticTechnol.,43（4）,15-17,1997]。該機器的能量效率，據(jù)稱是由于給原料輸入剛夠熔化的熱量而不過分加熱。常規(guī)機器消的能量超過了需要，而多余的熱量還需用更多的能量通過水或空氣冷卻去除。與標準擠壓機不同，該系統(tǒng)主要依賴穿過機鏜的熱傳導，而不是剪切熱
有一個短而高速的深槽螺桿，這螺桿的設(shè)計是為了將喂入料壓實并往前輸送。在*階段沒有熔化。壓實的物料移送到第二階段，這里一個長122-152㎝絕熱良好的機鏜利用外源的電熱板加熱器或傳導加熱器熔化喂入物料。第三也是zui后階段，一臺低剪力固定攪拌機進行分散個別攪拌（dispersiveanddistributivemixing.）。這種新概念擠壓機不同于常規(guī)擠壓機有兩點：*，產(chǎn)量隨螺桿轉(zhuǎn)速直線上升，不受熔體流變學影響；第二，機鏜外加熱器的能量消耗比驅(qū)動螺桿的電機的能量消耗大得多，這與常規(guī)擠壓機的情況正好相反。這種擠壓機的傳輸能力有限，在加工高粘度原料和壓模高壓力情況下，這可能會削弱擠壓機的表現(xiàn)。這種擠壓機的壓?？蛇_到的zui大熔化壓力是3000psi（204atm），而標準擠壓機是5000psi（340atm.）。7.對壓模作冷凍清理GencaCorp.（Clearwater,FL）公司近來申報了一個進行工具清
工藝過程的。[參考
除了由其他清理方法，如噴燈和刮削，所造成的工具傷害。Genca新CVC（cryogenicvibrationalcleaning，即冷凍振蕩清理）的工藝裝置是一個處理容量為721㎝3的不銹鋼筒，將一個零件通過熱力振蕩進行清理，即用液氮冷卻，隨后逐漸暖熱和振蕩。這種工具清理過程在一個箱室中將壓模、刀具和其他金屬工具零件進行冷凍、然后加熱、振蕩，直到烤上的物質(zhì)被刷除。這種冷卻循環(huán)也可增進工具的表面硬度。Genca打算將來推出清理螺桿的大型裝置。二、擠壓工藝與產(chǎn)品1．組織化蛋白像肉制品
Harper（1981）提出，擠
*類是肉品增補劑（meat
短時（HTST）擠壓工藝制做，原料是小麥面筋、脫脂大豆粉或大豆餷（soygrits），并混合多種添加劑。制得的產(chǎn)品是高度膨化的，有明顯的纖維成形。這種制品復水后可用來補充肉餡或肉制品，在比薩餅頂料（toping）、肉腸
第
analog）。這類制品必須是致密的，具有像真肉一樣的
，在長時間烹調(diào)或高壓加熱處理后仍保持肉的特征，具有像真肉一樣的外觀和口味。Atkinson（1970）描述了這類制品給擠壓-組織化蛋白進入商業(yè)化帶來的巨大效應(yīng)。脫脂大豆薄片或大豆粉（蛋白50%）與水、氯化鈣、鹽、牛肉調(diào)味料及*混合，使產(chǎn)品有可口的風味，zui后含水30%，在177°C下擠壓加工。該制品擠出壓模即迅速膨脹，獲得干的蛋白質(zhì)錯綜薄層絞合結(jié)構(gòu)，然后切成12.7mm長度。將所得制品在103kPa蒸汽中高壓處理60min。該水合的產(chǎn)品外觀像牛肉，質(zhì)地緊實有咬勁。含水30%左右用熱塑擠壓制得的仿肉品必須用水或加香/調(diào)味液進行復水。關(guān)于大豆蛋白低水分擠壓的文獻，包括美國文獻，是幾十年的研究積累，數(shù)量繁多（Bhattacharyaetal.,1986;BurgessandStanley;1976;Cummingetal.,1972&1973;Gutcho,1977a&b;Mauriceetal.,1976;MauriceandStanley,1978;Sheardetal.,1984;SimonskyandStanley,1982;Stanley,1989）。熱塑擠壓時單螺桿擠壓機能夠運行的zui高水分是35%或還要低一些。這是因為單螺桿
機鏜內(nèi)打滑。另一方面，雙螺桿擠壓機像一個正壓泵，喂入料水分不受限制。作者實驗室的一項研究表明，低水分單螺桿擠壓制得的組織化大豆蛋白的海綿結(jié)構(gòu)，可以用高水分（60-80%）雙螺桿擠壓工藝改變成更像肉的纖維結(jié)構(gòu)（Kellyetal.,1999;Linetal.,2000&2002）。所用的主要原料是分離大豆蛋白和小麥淀粉。先將大豆分離蛋白與小麥淀粉的混合物在擠壓機內(nèi)以一定水分（60-80%）進行水合，然后在130°C以上的溫度中變成熔化態(tài)，此時迫使通過一個長的狹縫壓模，在此處蛋白熔體溫度降到100℃以下（Noguchi,1989;Chefetal.,1992）。這樣的高水分雙螺桿擠壓工藝制成的產(chǎn)品具有十分有趣的像肉的纖維結(jié)構(gòu)（圖，b）。肉調(diào)味劑可在擠壓前或擠壓后添加。因為有像肉一樣的纖維結(jié)構(gòu)，制品就有吸收美味的能力。
品蛋白的擠壓乳化膠凝或微細凝結(jié)（Microcoagula
產(chǎn)品
螺桿擠壓工藝制成的產(chǎn)品（Chefetal,1992）。因水分和脂肪含量不同，有硬塊制品和軟涂制品。該擠壓工藝有以下作業(yè)：攪拌、熔化、油脂乳化、滅菌、局部冷卻。壓出擠壓機的加工奶酪溫度大約在80℃，為粘滯流體，冷卻時發(fā)生膠凝作用，在80℃溫度下保溫一段時間后，凝膠網(wǎng)絡(luò)固化。產(chǎn)品的油脂乳化程度、干酪素“重聯(lián)合”（reassociation）程度和熔化度（meltability）取決于其成分和工藝參數(shù)。用食品蛋白擠壓熟化方法還可以制成半固體的脂肪代用品（圖6），具有像涂抹品一樣的稠度和細滑的質(zhì)地（Chefetal.,1992）。這是用在Ph3.5-4.0條件下分離的一種20%水分散乳清蛋白經(jīng)熱機械加工制成的，機鏜溫度85-110℃，螺桿轉(zhuǎn)速75-200rpm。在雙螺桿擠壓機的剪力影響下，適度加熱促使Э-乳球蛋白部分凝結(jié)成小顆粒（<20μm）。在pH3.5-3.9范圍內(nèi)可獲得*硬度、附著性和滑爽度；提高溫度可加大硬度；提高螺桿轉(zhuǎn)速可顯著增加小的凝結(jié)蛋白顆粒的比例。
3.
直接膨化的食品和飼料的擠壓往往是在低水分、高剪力條件下進
，因為獲得所要求溫升的能量主要靠電機能量消散到面團體中。在剪切機械能量輸入較高的情況下，擠壓機機鏜磨損快，維生素、氨基酸之類價值高的養(yǎng)分以及其他對熱和/或剪切敏感的較貴重物質(zhì)，如食品和飼料的香味，也會損失更多。這些缺陷可以用一種新工藝，即臨界液體擠壓（SCFE）加以克服（MulvaneyandRizvi,1993）。采用SCFE時，超臨界液體與制作直接膨化產(chǎn)品的擠壓工藝伴隨
7）。把準備用來溶于超臨界CO2中的物質(zhì)（香味劑、著色劑和其他添加劑）裝進提取容器中，在要求的壓力下進行提取。同時，干喂入料與水在預(yù)
（MulvaneyandRizvi,1993）
調(diào)
注入結(jié)合在擠壓機長度的前半段完成熟化。熟化后，讓物流放氣冷卻機鏜后半段，使
一端注入擠壓物中。由于超臨界CO2的濃度在擠壓機內(nèi)下降，香味劑、著色劑和其他添加劑沉積下來，超臨界CO2或者被溶解，或者以小泡散布在擠壓物中。在壓模出口壓力進一步下降，集結(jié)的小泡膨脹而使產(chǎn)品膨化。膨化度和溶解物添加的程度取決于zui初導入擠壓機的超臨界液體的數(shù)量和壓力，以及螺桿和壓模的結(jié)構(gòu)。SCFE膨化擠壓物的容重（>300kg/m3）大于蒸
00-200kg/m3）。電子顯微鏡顯示，SCFE膨化擠壓物的表面通常比蒸汽膨化擠壓物光滑；SCFE膨化擠壓物的橫截面有分布均勻的薄壁封閉氣泡，而蒸汽膨化擠壓物有不規(guī)則的開放氣泡（MulvaneyandRizvi,1993;Sokheyetal.,1996;Leeetal,1999）。4.耐儲擠壓果粒
很多食品中加入真的水果有時會出現(xiàn)問
工果粒來克服。以往克服這種問題的辦法，有的是將果料浸漬（Bradshawetal.,1978;FulgerandMorfee,1978;Agarwala1985;Tucker1997），也有關(guān)于仿制果粒的（ChesnutandEpstein,1977;Lugayetal,1990;WalterandFunk,1996;RollinsandFontana,2000）。但這些產(chǎn)品都只含很少或根本不含真水果。要解決的問題是用真水果制出一種水活度適宜的果粒，添加到即食（Ready-To-Eat，縮寫RTE）谷類食品中不會使食品綿軟也不會讓果粒發(fā)硬（ShanbhagandSzczesniak,1981;Lugayetal,1990）。已經(jīng)達到這要求的制品在配方上有很大比例的甘油（ChesnutandEpstein,1977;Lugayetal,1990;WalterandFunk,1996）。AkdoganandMcHugh（1999）以及McHug
）報道了他們關(guān)于改制桃和桃
（1989）研究過將干果和濃縮果汁添加到米粉小食品中的效果。我們的實驗室開發(fā)了一種擠壓果粒，至少使用50%的真水果，其水活度適宜于添加到即食谷類食品或其他如烘焙類的食品中。在其攪拌、熟化和改制果粒的成形作業(yè)都采用擠壓工藝（Moore,1989）。所用原料有鼓式烘干的草莓粉、草莓果泥、甘油、卡拉膠和果膠。這種擠壓果粒不但能保持所要的質(zhì)地，還不利于致腐微生物的生長；此外，這種產(chǎn)品不僅能延長貨架壽命，還避免了季節(jié)性的價格漲落，因為可以在水果收獲季節(jié)進行生產(chǎn)，然后周年儲藏、出售、使用。5.共擠壓食品和飼料
另一類值得注意的新開發(fā)
壓制品，即用一種特殊設(shè)計的壓模將兩種不同的原料經(jīng)過共擠壓形成一個整體產(chǎn)品。這種方法可以制成外焦里嫩的新型小食品或?qū)櫸镲暳?。共擠壓工藝在面類食品和糖果制造中早已為人所知。先擠壓后填料的產(chǎn)品在市場上也能看到（Millauer,1999）。共擠壓要同時喂入兩種原料：一種是谷類混合料
；另一種是夾心料，可能按產(chǎn)品要求而大不相同（deCindio等,2002a&b）。需要用兩臺擠壓機，但如果第2種原料是可以泵壓的，其中一臺擠壓機可以用高壓齒輪泵代替（Hsieh,1999b）。還需要有特殊設(shè)計的共擠壓模系統(tǒng)（圖8，Millauer,1999）。共擠壓技術(shù)可以開發(fā)出許多種新的小食品，例如雙料擠壓小食品。兩臺擠壓機的料流速度和兩種原料的粘稠度必須很好地加以調(diào)整。靠控制兩種原料的粘稠度可以制出一些很有趣的新產(chǎn)品（圖9、10）。6.用酶技術(shù)提高擠壓機產(chǎn)量
酶類被普遍用來制作水解物或消
；而用酶來作為一種輔助工藝手段以提高擠壓機產(chǎn)量，則是相對新鮮
到預(yù)調(diào)制器中。*類將淀粉部分分解，使喂入料的粘稠度和水吸附力下降，螺桿轉(zhuǎn)動所需扭矩和推動同樣數(shù)量擠壓物通過壓模所需的壓力也隨之減小。表1（Ziggers,2002）說明了這個概念，即提高產(chǎn)量是基于加大螺桿的通過量而又同時保持螺桿的實際能量負荷。作為參照飼料的粗碾物淀粉分析表明，總淀粉量的平均熟化率
而酶處理產(chǎn)品的淀粉熟化率是95-99.9%，因所用的酶制品不同而異。殘留酶活力（Residualenzymeactivity）在5-80%之間，也因酶的種類而異。酶處理制品還表現(xiàn)了更好的適口性。在擠壓工藝中使用*類、新生酶類（Novozymes）的擠壓酶（Extruzyme）的成本/利潤列示于表2（Ziggers,2002）。
得克薩斯農(nóng)工大學試驗
荷,%喂料
度,kg/h注水速
度,l/h
調(diào)制器/擠壓機
表2擠壓過程用酶處理的計算效益
擠壓機作業(yè)費用（歐元/ton）
40
43
46
49
52
55
作業(yè)費用降低（歐元/ton）
8.00
8.60
9.20
9.80
10.40
11.00
酶費用（歐元/ton）
4.88
4.88
4.88
4.88
4.88
4.88
費用凈降低（歐元/ton）
3.13
3.73
4.33
4.93
5.53
6.13
產(chǎn)量增加（%）時持平
12.2
11.3
10.6
10.0
9.4
8.9
提高產(chǎn)量:20%
酶用量:1.5kg/ton
酶價格3.26歐元/kg折合酶費用4.88歐元/ton飼料
上世紀三十年代中期，造型擠壓機被用來將粗粒面粉和水攪拌壓制成各種通心粉產(chǎn)品。幾年之后，綜合了輸送、攪拌和成形作業(yè)的擠壓技術(shù)被用來制作以預(yù)熟燕麥粉為原料的即食早餐糧（Harper,1981）。上世紀三十年代后期，RobertColombo和CarloPasquetti開發(fā)了同向旋轉(zhuǎn)并相互嚙合的雙螺桿擠壓機，可以不使用溶劑而進行纖維素攪拌（Marli,1983）。四十年代中期，*種擠壓-熟化的膨化食品，玉米小食品，用單螺桿擠壓機進行商業(yè)化生產(chǎn)（HauckandHuber,1989）。用單螺桿擠壓機生產(chǎn)的干膨化寵物飼料、干膨化即食早餐糧和組織化植物蛋白分別是在五十年代、六十年代、七十年代引入市場的（Harper,1981;HauckandHuber,1989）。在七十年代早期，Creusot-Loire開發(fā)了雙螺桿塑料擠壓機應(yīng)用到食品方面。zui后，八十年代把用擠壓工藝生產(chǎn)的水產(chǎn)飼料帶入了飛速商業(yè)化進程（HauckandHuber,1989）。關(guān)于食品擠壓技術(shù)的歷史zui近已在中文出版物中得以闡述（Liu,2000;Zhuetal.,2000）。
食品和飼料擠壓技術(shù)應(yīng)用
用擠壓技術(shù)已經(jīng)直接或間接生產(chǎn)出許多種類的食品和飼料。擠壓在食品方面的應(yīng)用分為兩類，即半成品和成品（WiedmannandStrobel,1987）。在半成品方面，用擠壓熟化制作預(yù)糊化糧谷粉類、馬鈴薯淀粉和糧谷淀粉，比用鼓式烘干之類的傳統(tǒng)工藝的經(jīng)濟效益更好。通過控制工藝條件達到所要求的淀粉糊化與分子降解的平衡，可以制作出有很寬范圍冷水溶解度的淀粉和化學變性淀粉（Fitton,1985）。發(fā)表了大量的文獻論述擠壓早餐糧（Daniels,1970;Miller,1994;Fast,2000）、小食品（Gutcho,1973a;Cosgriffetal.,1985;Moore,1994）和組織化食品（Gutcho,1973b,1977a&b）。在食品和飼料其他方面的應(yīng)用有水產(chǎn)飼料（Kiang,1999a&b;Rokey,1994）、干的和半濕的寵物飼料（Williams,1999;Rokey,1994）、啤酒花（Westwood,1994）、預(yù)熟淀粉和變性淀粉、小面包干（Antilaetal.,1983）、烹炸用滾面包屑（Smithetal,1985;NoakesandYacu,1988）、油炸碎面包片、全脂大豆粉、預(yù)熟面條、飲品基料、湯和澆鹵基料，還有甘草味、果味軟糖和巧克力之類的糖果（Harper,1981;Smith,1982;Best,1994）。
食品和飼料擠壓技術(shù)進展
一、擠壓機硬件和軟件
１．擠壓工藝過程監(jiān)測、控制和故障排除
對于擠壓工藝過程監(jiān)測和控制來說，測定主要的產(chǎn)品質(zhì)量特性和工藝變數(shù)是必要的。與某項擠壓應(yīng)用相稱的儀器配備數(shù)量取決于該產(chǎn)品的經(jīng)濟效益和使用該儀器所得信息的能力（ChessariendShellahewa,2001）。一般地說，擠壓機儀器有測定驅(qū)動設(shè)備電機馬力的安培表、簡單的或復雜的固體/液體原料喂入系統(tǒng)及其有關(guān)的流量計、蒸汽壓力表、測定壓模熔化溫度的熱電偶。有的情況下，壓模處配備一個壓力表。工藝過程監(jiān)測方面，在一個可視儀器上顯示實時信息，并記錄下分析數(shù)據(jù)。操作員根據(jù)實時信息作決定并對工藝參數(shù)進行手工控制，以盡量減少質(zhì)量不合格產(chǎn)品。記錄下的數(shù)據(jù)可用來分析該廠的生產(chǎn)狀況。
目前市場有各種各樣價格上可以承受的記錄數(shù)據(jù)的軟件。zui普通的用于工藝過程檢測的軟件叫做SCADA（Supervisory,ControlandDataAcquisition，即監(jiān)督、控制和數(shù)據(jù)獲?。┫到y(tǒng)，該系統(tǒng)也具備一定的監(jiān)控能力。圖1顯示的是典型的工藝過程檢測監(jiān)控系統(tǒng)。很多新型擠
壓機工程都有SCADA系統(tǒng)，可以做實時工藝過程檢測，并與一個更*的控制系統(tǒng)聯(lián)接。很多稍舊一些的擠壓機通過一個適合的連接裝置也能接上SCADA系統(tǒng)。設(shè)計SCADA系統(tǒng)應(yīng)考慮以下幾個方面（ChessariandShellahewa,2001）:
圖1典型的工藝過程檢測監(jiān)控系統(tǒng)（ChessariandShellahewa,2001）
１）與本機控制系統(tǒng)易于對接。
２）該系統(tǒng)應(yīng)有工藝過程檢測和監(jiān)控能力。
３）“開放式結(jié)構(gòu)”，這樣的系統(tǒng)容易修改，而不必大動硬件和電路。
４）“本機”控制板應(yīng)能操作擠壓機（例如，有“本機”/遙控旋扭），這樣，如果運行SCADA的電腦和其他控制軟件失靈，擠壓機還能運行。
５）所有的安全聯(lián)鎖裝置都必須是電線連接的，或者是通過程序邏輯控制器（ProgrammableLogicController，縮寫PLC）控制，而不是通過SCADA電腦，因為PLC在工業(yè)環(huán)境比PC更可靠。
６）系統(tǒng)應(yīng)當可以擴充（加裝另外的傳感器、本機控制器）。
SCADA系統(tǒng)的一個實例是ConceptOne系統(tǒng)，其開發(fā)公司是MeasurerexSystem,Inc.（Cupertino,Calif.）[參考PlasticsTechnol.,42（8）,17-19,1996]。它讓操作員通過一臺PC電腦中的系統(tǒng)即可對擠壓工藝過程和產(chǎn)品進行監(jiān)測和控制。
能夠?qū)Τ霈F(xiàn)的問題作出判斷并提出解決辦法的新軟件也已有售。舉例說，Xtru-Xpert（PolydynamicsInc.,Hamilton,Ont.）可協(xié)助排除13種普通擠壓故障，包括波涌、螺桿和機鏜磨損、熔體堵塞、水分、凝膠、共擠時料層厚度不勻[參考PlasticsTechnol.,45（2）,17,1999]。該軟件在PC電腦中運行只要求用戶提供很少數(shù)據(jù)，如機器尺寸、機鏜溫度和喂入料的流變學特性。該系統(tǒng)能計算擠壓機產(chǎn)量、動力消耗、馬力和扭矩，以及料流通過各種壓模的壓差、剪切率和剪切應(yīng)力。
2.滾動喂料斗
AmericanKuhne,Inc.（Norwich,CT）公司設(shè)計的一種新型料斗（圖2），可以更快地改換喂入料[參考PlasticsTechnol.,47（11）,15,2001]。料斗有三個位置：喂料、關(guān)閉、翻卸。報道說，翻卸位置是流線型的，所以當擠壓機清掃時易于騰空。
3.快速更換的機鏜
MerrittDavisCorp.（Hamden,CT）公司推出了新型可換機鏜，將
圖２Kuhne,Inc.公司（Norwich,CT）新型轉(zhuǎn)動料斗
擠壓機機鏜的L/D從15：1換為36：1[參考PlasticsTechnol.,47（5）,16,2001]。可換機鏜單元（每個單元都有外殼、加熱器和風機）用螺栓固定在擠壓機的喂料斗喉部（圖3）。通過一種有新型凸緣的設(shè)計和簡化栓接以及電路安排，可以使機鏜迅速升舉落位。電路從機鏜外殼下行到一個單一出口，而不是將幾個加熱器分別接上一條引線，這樣即可在幾分鐘內(nèi)迅速改裝。
4.通用可改型變速箱裝置
MerrillDavis（Hamden,CT）公司推出了*套通用可改型變速箱裝置（universallyretrofittableassemblies），適合于幾乎所有類型的11.43㎝、15.24㎝和20.32㎝的擠壓機[參考PlasticsTechnol.,
7,2001]。對于當今標準來說馬力不夠的舊擠壓機，或
角的，聲稱可減少螺桿磨損30%[參考PlasticsTechnol.,45（10）,17,1999]。報道說，負卷邊角可顯著減少壓力并減輕在放氣孔與壓模間卸料區(qū)與機鏜壁的磨擦。負相角螺片在螺根處比上面的螺片表面要窄，與常規(guī)螺片的設(shè)計相反（圖4）。反向角加大了表面積，推動更多的物料與螺桿接觸而使溫度更均勻；還可加大螺片
念擠壓機
比，可節(jié)省能量達50%[參考PlasticTechnol.,43（4）,15-17,1997]。該機器的能量效率，據(jù)稱是由于給原料輸入剛夠熔化的熱量而不過分加熱。常規(guī)機器消的能量超過了需要，而多余的熱量還需用更多的能量通過水或空氣冷卻去除。與標準擠壓機不同，該系統(tǒng)主要依賴穿過機鏜的熱傳導，而不是剪切熱
有一個短而高速的深槽螺桿，這螺桿的設(shè)計是為了將喂入料壓實并往前輸送。在*階段沒有熔化。壓實的物料移送到第二階段，這里一個長122-152㎝絕熱良好的機鏜利用外源的電熱板加熱器或傳導加熱器熔化喂入物料。第三也是zui后階段，一臺低剪力固定攪拌機進行分散個別攪拌（dispersiveanddistributivemixing.）。這種新概念擠壓機不同于常規(guī)擠壓機有兩點：*，產(chǎn)量隨螺桿轉(zhuǎn)速直線上升，不受熔體流變學影響；第二，機鏜外加熱器的能量消耗比驅(qū)動螺桿的電機的能量消耗大得多，這與常規(guī)擠壓機的情況正好相反。這種擠壓機的傳輸能力有限，在加工高粘度原料和壓模高壓力情況下，這可能會削弱擠壓機的表現(xiàn)。這種擠壓機的壓?？蛇_到的zui大熔化壓力是3000psi（204atm），而標準擠壓機是5000psi（340atm.）。7.對壓模作冷凍清理GencaCorp.（Clearwater,FL）公司近來申報了一個進行工具清
工藝過程的。[參考
除了由其他清理方法，如噴燈和刮削，所造成的工具傷害。Genca新CVC（cryogenicvibrationalcleaning，即冷凍振蕩清理）的工藝裝置是一個處理容量為721㎝3的不銹鋼筒，將一個零件通過熱力振蕩進行清理，即用液氮冷卻，隨后逐漸暖熱和振蕩。這種工具清理過程在一個箱室中將壓模、刀具和其他金屬工具零件進行冷凍、然后加熱、振蕩，直到烤上的物質(zhì)被刷除。這種冷卻循環(huán)也可增進工具的表面硬度。Genca打算將來推出清理螺桿的大型裝置。二、擠壓工藝與產(chǎn)品1．組織化蛋白像肉制品
Harper（1981）提出，擠
*類是肉品增補劑（meat
短時（HTST）擠壓工藝制做，原料是小麥面筋、脫脂大豆粉或大豆餷（soygrits），并混合多種添加劑。制得的產(chǎn)品是高度膨化的，有明顯的纖維成形。這種制品復水后可用來補充肉餡或肉制品，在比薩餅頂料（toping）、肉腸
第
analog）。這類制品必須是致密的，具有像真肉一樣的
，在長時間烹調(diào)或高壓加熱處理后仍保持肉的特征，具有像真肉一樣的外觀和口味。Atkinson（1970）描述了這類制品給擠壓-組織化蛋白進入商業(yè)化帶來的巨大效應(yīng)。脫脂大豆薄片或大豆粉（蛋白50%）與水、氯化鈣、鹽、牛肉調(diào)味料及*混合，使產(chǎn)品有可口的風味，zui后含水30%，在177°C下擠壓加工。該制品擠出壓模即迅速膨脹，獲得干的蛋白質(zhì)錯綜薄層絞合結(jié)構(gòu)，然后切成12.7mm長度。將所得制品在103kPa蒸汽中高壓處理60min。該水合的產(chǎn)品外觀像牛肉，質(zhì)地緊實有咬勁。含水30%左右用熱塑擠壓制得的仿肉品必須用水或加香/調(diào)味液進行復水。關(guān)于大豆蛋白低水分擠壓的文獻，包括美國文獻，是幾十年的研究積累，數(shù)量繁多（Bhattacharyaetal.,1986;BurgessandStanley;1976;Cummingetal.,1972&1973;Gutcho,1977a&b;Mauriceetal.,1976;MauriceandStanley,1978;Sheardetal.,1984;SimonskyandStanley,1982;Stanley,1989）。熱塑擠壓時單螺桿擠壓機能夠運行的zui高水分是35%或還要低一些。這是因為單螺桿
機鏜內(nèi)打滑。另一方面，雙螺桿擠壓機像一個正壓泵，喂入料水分不受限制。作者實驗室的一項研究表明，低水分單螺桿擠壓制得的組織化大豆蛋白的海綿結(jié)構(gòu)，可以用高水分（60-80%）雙螺桿擠壓工藝改變成更像肉的纖維結(jié)構(gòu)（Kellyetal.,1999;Linetal.,2000&2002）。所用的主要原料是分離大豆蛋白和小麥淀粉。先將大豆分離蛋白與小麥淀粉的混合物在擠壓機內(nèi)以一定水分（60-80%）進行水合，然后在130°C以上的溫度中變成熔化態(tài)，此時迫使通過一個長的狹縫壓模，在此處蛋白熔體溫度降到100℃以下（Noguchi,1989;Chefetal.,1992）。這樣的高水分雙螺桿擠壓工藝制成的產(chǎn)品具有十分有趣的像肉的纖維結(jié)構(gòu)（圖，b）。肉調(diào)味劑可在擠壓前或擠壓后添加。因為有像肉一樣的纖維結(jié)構(gòu)，制品就有吸收美味的能力。
品蛋白的擠壓乳化膠凝或微細凝結(jié)（Microcoagula
產(chǎn)品
螺桿擠壓工藝制成的產(chǎn)品（Chefetal,1992）。因水分和脂肪含量不同，有硬塊制品和軟涂制品。該擠壓工藝有以下作業(yè)：攪拌、熔化、油脂乳化、滅菌、局部冷卻。壓出擠壓機的加工奶酪溫度大約在80℃，為粘滯流體，冷卻時發(fā)生膠凝作用，在80℃溫度下保溫一段時間后，凝膠網(wǎng)絡(luò)固化。產(chǎn)品的油脂乳化程度、干酪素“重聯(lián)合”（reassociation）程度和熔化度（meltability）取決于其成分和工藝參數(shù)。用食品蛋白擠壓熟化方法還可以制成半固體的脂肪代用品（圖6），具有像涂抹品一樣的稠度和細滑的質(zhì)地（Chefetal.,1992）。這是用在Ph3.5-4.0條件下分離的一種20%水分散乳清蛋白經(jīng)熱機械加工制成的，機鏜溫度85-110℃，螺桿轉(zhuǎn)速75-200rpm。在雙螺桿擠壓機的剪力影響下，適度加熱促使Э-乳球蛋白部分凝結(jié)成小顆粒（<20μm）。在pH3.5-3.9范圍內(nèi)可獲得*硬度、附著性和滑爽度；提高溫度可加大硬度；提高螺桿轉(zhuǎn)速可顯著增加小的凝結(jié)蛋白顆粒的比例。
3.
直接膨化的食品和飼料的擠壓往往是在低水分、高剪力條件下進
，因為獲得所要求溫升的能量主要靠電機能量消散到面團體中。在剪切機械能量輸入較高的情況下，擠壓機機鏜磨損快，維生素、氨基酸之類價值高的養(yǎng)分以及其他對熱和/或剪切敏感的較貴重物質(zhì)，如食品和飼料的香味，也會損失更多。這些缺陷可以用一種新工藝，即臨界液體擠壓（SCFE）加以克服（MulvaneyandRizvi,1993）。采用SCFE時，超臨界液體與制作直接膨化產(chǎn)品的擠壓工藝伴隨
7）。把準備用來溶于超臨界CO2中的物質(zhì)（香味劑、著色劑和其他添加劑）裝進提取容器中，在要求的壓力下進行提取。同時，干喂入料與水在預(yù)
（MulvaneyandRizvi,1993）
調(diào)
注入結(jié)合在擠壓機長度的前半段完成熟化。熟化后，讓物流放氣冷卻機鏜后半段，使
一端注入擠壓物中。由于超臨界CO2的濃度在擠壓機內(nèi)下降，香味劑、著色劑和其他添加劑沉積下來，超臨界CO2或者被溶解，或者以小泡散布在擠壓物中。在壓模出口壓力進一步下降，集結(jié)的小泡膨脹而使產(chǎn)品膨化。膨化度和溶解物添加的程度取決于zui初導入擠壓機的超臨界液體的數(shù)量和壓力，以及螺桿和壓模的結(jié)構(gòu)。SCFE膨化擠壓物的容重（>300kg/m3）大于蒸
00-200kg/m3）。電子顯微鏡顯示，SCFE膨化擠壓物的表面通常比蒸汽膨化擠壓物光滑；SCFE膨化擠壓物的橫截面有分布均勻的薄壁封閉氣泡，而蒸汽膨化擠壓物有不規(guī)則的開放氣泡（MulvaneyandRizvi,1993;Sokheyetal.,1996;Leeetal,1999）。4.耐儲擠壓果粒
很多食品中加入真的水果有時會出現(xiàn)問
工果粒來克服。以往克服這種問題的辦法，有的是將果料浸漬（Bradshawetal.,1978;FulgerandMorfee,1978;Agarwala1985;Tucker1997），也有關(guān)于仿制果粒的（ChesnutandEpstein,1977;Lugayetal,1990;WalterandFunk,1996;RollinsandFontana,2000）。但這些產(chǎn)品都只含很少或根本不含真水果。要解決的問題是用真水果制出一種水活度適宜的果粒，添加到即食（Ready-To-Eat，縮寫RTE）谷類食品中不會使食品綿軟也不會讓果粒發(fā)硬（ShanbhagandSzczesniak,1981;Lugayetal,1990）。已經(jīng)達到這要求的制品在配方上有很大比例的甘油（ChesnutandEpstein,1977;Lugayetal,1990;WalterandFunk,1996）。AkdoganandMcHugh（1999）以及McHug
）報道了他們關(guān)于改制桃和桃
（1989）研究過將干果和濃縮果汁添加到米粉小食品中的效果。我們的實驗室開發(fā)了一種擠壓果粒，至少使用50%的真水果，其水活度適宜于添加到即食谷類食品或其他如烘焙類的食品中。在其攪拌、熟化和改制果粒的成形作業(yè)都采用擠壓工藝（Moore,1989）。所用原料有鼓式烘干的草莓粉、草莓果泥、甘油、卡拉膠和果膠。這種擠壓果粒不但能保持所要的質(zhì)地，還不利于致腐微生物的生長；此外，這種產(chǎn)品不僅能延長貨架壽命，還避免了季節(jié)性的價格漲落，因為可以在水果收獲季節(jié)進行生產(chǎn)，然后周年儲藏、出售、使用。5.共擠壓食品和飼料
另一類值得注意的新開發(fā)
壓制品，即用一種特殊設(shè)計的壓模將兩種不同的原料經(jīng)過共擠壓形成一個整體產(chǎn)品。這種方法可以制成外焦里嫩的新型小食品或?qū)櫸镲暳?。共擠壓工藝在面類食品和糖果制造中早已為人所知。先擠壓后填料的產(chǎn)品在市場上也能看到（Millauer,1999）。共擠壓要同時喂入兩種原料：一種是谷類混合料
；另一種是夾心料，可能按產(chǎn)品要求而大不相同（deCindio等,2002a&b）。需要用兩臺擠壓機，但如果第2種原料是可以泵壓的，其中一臺擠壓機可以用高壓齒輪泵代替（Hsieh,1999b）。還需要有特殊設(shè)計的共擠壓模系統(tǒng)（圖8，Millauer,1999）。共擠壓技術(shù)可以開發(fā)出許多種新的小食品，例如雙料擠壓小食品。兩臺擠壓機的料流速度和兩種原料的粘稠度必須很好地加以調(diào)整。靠控制兩種原料的粘稠度可以制出一些很有趣的新產(chǎn)品（圖9、10）。6.用酶技術(shù)提高擠壓機產(chǎn)量
酶類被普遍用來制作水解物或消
；而用酶來作為一種輔助工藝手段以提高擠壓機產(chǎn)量，則是相對新鮮
到預(yù)調(diào)制器中。*類將淀粉部分分解，使喂入料的粘稠度和水吸附力下降，螺桿轉(zhuǎn)動所需扭矩和推動同樣數(shù)量擠壓物通過壓模所需的壓力也隨之減小。表1（Ziggers,2002）說明了這個概念，即提高產(chǎn)量是基于加大螺桿的通過量而又同時保持螺桿的實際能量負荷。作為參照飼料的粗碾物淀粉分析表明，總淀粉量的平均熟化率
而酶處理產(chǎn)品的淀粉熟化率是95-99.9%，因所用的酶制品不同而異。殘留酶活力（Residualenzymeactivity）在5-80%之間，也因酶的種類而異。酶處理制品還表現(xiàn)了更好的適口性。在擠壓工藝中使用*類、新生酶類（Novozymes）的擠壓酶（Extruzyme）的成本/利潤列示于表2（Ziggers,2002）。
得克薩斯農(nóng)工大學試驗
荷,%喂料
度,kg/h注水速
度,l/h
調(diào)制器/擠壓機
表2擠壓過程用酶處理的計算效益
擠壓機作業(yè)費用（歐元/ton）
40
43
46
49
52
55
作業(yè)費用降低（歐元/ton）
8.00
8.60
9.20
9.80
10.40
11.00
酶費用（歐元/ton）
4.88
4.88
4.88
4.88
4.88
4.88
費用凈降低（歐元/ton）
3.13
3.73
4.33
4.93
5.53
6.13
產(chǎn)量增加（%）時持平
12.2
11.3
10.6
10.0
9.4
8.9
提高產(chǎn)量:20%
酶用量:1.5kg/ton
酶價格3.26歐元/kg折合酶費用4.88歐元/ton飼料