第十三章 食品加工中的新技术应用 1. 挤压/膨化-Slide 003 2. 超微粉碎-Slide 019 3. 微胶囊化-Slide 032 4. 超临界萃取技术-Slide 066 5. 电磁波技术-Slide 088 6. 现代生物技术-Slide 099 7. 非破坏性品质评价技术-Slide 113 8. 食品加工领域废水处理技术-Slide 138
第十三章 食品加工中的新技术应用 1. 挤压/膨化-Slide 003 2. 超微粉碎-Slide 019 3. 微胶囊化-Slide 032 4. 超临界萃取技术-Slide 066 5. 电磁波技术-Slide 088 6. 现代生物技术-Slide 099 7. 非破坏性品质评价技术-Slide 113 8. 食品加工领域废水处理技术-Slide 138
膨化是利用相变和气体的热压效应原理，使被加工物料内部的液体迅 速升温汽化、增压膨胀，并依靠气体的膨胀力，带动组分中高分子物质 的结构变性，从而使之成为具有网状组织结构特征，定型的多孔状物质 的过程。以膨化工艺过程生产的食品称之为膨化食品。 按膨化加工的工艺条件对膨化方法进行分类 一类是利用高温，如油炸、热空气、微波膨化等。另一类是利用温度和 压力的共同作用，如挤压膨化、低温真空油炸等。 由于挤压膨化可实现连续化、自动化的操作生产，产量大而稳定，现已 被广泛应用于食品工业中。 挤压膨化（Extrusion Puffng）：一般食品物料在压力作用下，定向地 通过一个模板，连续成型地制成食品的方法，被称为“挤压”。挤压食 品有膨化和非膨化两种。 按膨化加工的工艺过程对膨化方法进行分类 直接膨化法：又称一次膨化法，是指把原料放入加工设备（目前主要是 膨化设 备）中，通过加热、加压再降温减压而使原料膨化。 间接膨化法：又称二次膨化法，就是先用一定的工艺方法制成半熟的食 品毛坯，再把这种坯料通过微波、焙烤、油炸、炒制等方法进行第二次 加工，得到的酥脆的膨化食品。 §13-1 挤压膨化技术
膨化是利用相变和气体的热压效应原理，使被加工物料内部的液体迅 速升温汽化、增压膨胀，并依靠气体的膨胀力，带动组分中高分子物质 的结构变性，从而使之成为具有网状组织结构特征，定型的多孔状物质 的过程。以膨化工艺过程生产的食品称之为膨化食品。 按膨化加工的工艺条件对膨化方法进行分类 一类是利用高温，如油炸、热空气、微波膨化等。另一类是利用温度和 压力的共同作用，如挤压膨化、低温真空油炸等。 由于挤压膨化可实现连续化、自动化的操作生产，产量大而稳定，现已 被广泛应用于食品工业中。 挤压膨化（Extrusion Puffng）：一般食品物料在压力作用下，定向地 通过一个模板，连续成型地制成食品的方法，被称为“挤压”。挤压食 品有膨化和非膨化两种。 按膨化加工的工艺过程对膨化方法进行分类 直接膨化法：又称一次膨化法，是指把原料放入加工设备（目前主要是 膨化设 备）中，通过加热、加压再降温减压而使原料膨化。 间接膨化法：又称二次膨化法，就是先用一定的工艺方法制成半熟的食 品毛坯，再把这种坯料通过微波、焙烤、油炸、炒制等方法进行第二次 加工，得到的酥脆的膨化食品。 §13-1 挤压膨化技术
挤压膨化食品加工 挤压食品的加工工艺主要靠挤压机来完成。 挤压成型的定义：物料经过预处理（粉碎、调湿、预热、混合等） 后，在螺杆的强行输送和推动下，通过一个专门设计的小孔（模具）， 从而形成一定形状和组织状态的产品。 食品挤压膨化的机理：膨化食品的加工原料主要是含淀粉较多的谷 物粉、薯粉或生淀粉等。这些原料由许多排列紧密的胶束组成，胶束间 的间隙很小，在水中加热后因部分溶解空隙增大而使体积膨胀。当物料 通过供料装置进人套筒后，利用螺杆对物料的强制输送，通过压延效应 及加热产生的高温、高压、使物料在挤压筒中被挤压、混合、剪切、混 炼、熔融、杀菌和熟化等一系列复杂的连续处理，胶束即被完全破坏形 成单分子，淀粉糊化，在高温和高压下其晶体结构被破坏，此时物料中 的水分仍处于液体状态。当物料从压力室被挤压到大气压力下后，物料 中的超沸点水分因瞬间的蒸发而产生膨胀力，物料中的溶胶淀粉也瞬间 膨化，这样物料体积也突然被膨化增大而形成了酥松的食品结构。 食品挤压膨化的定义：挤压膨化食品是指将原料经粉碎、混合、调 湿，送入螺旋挤压机，物料在挤压机中经高温蒸煮并通过特殊设计的模 孔而制得的膨化成型的食品。 在实际生产中一般还需将挤压膨化后的食品再经过烘焙或油炸等处 理以降低食品的水分含量，延长食品的保藏期，并使食品获得良好的风 味和质构；同时还可降低对挤压机的要求、延长挤压机的寿命、降低生 产成本
挤压膨化食品加工 挤压食品的加工工艺主要靠挤压机来完成。 挤压成型的定义：物料经过预处理（粉碎、调湿、预热、混合等） 后，在螺杆的强行输送和推动下，通过一个专门设计的小孔（模具）， 从而形成一定形状和组织状态的产品。 食品挤压膨化的机理：膨化食品的加工原料主要是含淀粉较多的谷 物粉、薯粉或生淀粉等。这些原料由许多排列紧密的胶束组成，胶束间 的间隙很小，在水中加热后因部分溶解空隙增大而使体积膨胀。当物料 通过供料装置进人套筒后，利用螺杆对物料的强制输送，通过压延效应 及加热产生的高温、高压、使物料在挤压筒中被挤压、混合、剪切、混 炼、熔融、杀菌和熟化等一系列复杂的连续处理，胶束即被完全破坏形 成单分子，淀粉糊化，在高温和高压下其晶体结构被破坏，此时物料中 的水分仍处于液体状态。当物料从压力室被挤压到大气压力下后，物料 中的超沸点水分因瞬间的蒸发而产生膨胀力，物料中的溶胶淀粉也瞬间 膨化，这样物料体积也突然被膨化增大而形成了酥松的食品结构。 食品挤压膨化的定义：挤压膨化食品是指将原料经粉碎、混合、调 湿，送入螺旋挤压机，物料在挤压机中经高温蒸煮并通过特殊设计的模 孔而制得的膨化成型的食品。 在实际生产中一般还需将挤压膨化后的食品再经过烘焙或油炸等处 理以降低食品的水分含量，延长食品的保藏期，并使食品获得良好的风 味和质构；同时还可降低对挤压机的要求、延长挤压机的寿命、降低生 产成本
食品挤压膨化的工艺流程： 原料→混合→ 调理→挤压蒸煮、膨化、切割→焙烤或油炸→冷却→调味→ 称重、包装 将各种不同配比的原料预先充分混合均匀，然后送入挤 压机，在挤压机中加人适量水，一般控制总水量为15％ 左右。挤压机螺杆转速为200～350转／分，温度为 120～160℃，机内最高工作压力为0.8～1兆帕，食品 在挤压机内的停留时间为10～20秒钟。食品经模孔后因 水蒸汽迅速外逸而使食品体积急剧膨胀，此时食品中的 水分可下降到8％一10％。为便于贮存并获得较好的风 味质构，需经烘焙、油炸等处理使水分降低到3％以下。 为获得不同风味的膨化食品，还需进行调味处理，然后 在较低的空气湿度下，使膨化调味后的产品经传送带冷 却以除去部分水分（目前一般成品冷却包装车间都有空 调设备）再立即进行包装
食品挤压膨化的工艺流程： 原料→混合→ 调理→挤压蒸煮、膨化、切割→焙烤或油炸→冷却→调味→ 称重、包装 将各种不同配比的原料预先充分混合均匀，然后送入挤 压机，在挤压机中加人适量水，一般控制总水量为15％ 左右。挤压机螺杆转速为200～350转／分，温度为 120～160℃，机内最高工作压力为0.8～1兆帕，食品 在挤压机内的停留时间为10～20秒钟。食品经模孔后因 水蒸汽迅速外逸而使食品体积急剧膨胀，此时食品中的 水分可下降到8％一10％。为便于贮存并获得较好的风 味质构，需经烘焙、油炸等处理使水分降低到3％以下。 为获得不同风味的膨化食品，还需进行调味处理，然后 在较低的空气湿度下，使膨化调味后的产品经传送带冷 却以除去部分水分（目前一般成品冷却包装车间都有空 调设备）再立即进行包装
挤压过程中物料成分的变化 物料在挤压机中发生复杂的物理、化学、生物反 应使最终产品在质构、组成、表现等理化特性及营养 上发生很大变化。目前，挤压技术在食品工业，尤其 是在生产快餐、早餐食品、固态饮料及小食品等行业 上应用较广泛。根据挤压特性，就食品中的三大营养 素一一碳水化合物、蛋白质及脂肪在挤压过程中的变 化做一简单阐述
挤压过程中物料成分的变化 物料在挤压机中发生复杂的物理、化学、生物反 应使最终产品在质构、组成、表现等理化特性及营养 上发生很大变化。目前，挤压技术在食品工业，尤其 是在生产快餐、早餐食品、固态饮料及小食品等行业 上应用较广泛。根据挤压特性，就食品中的三大营养 素一一碳水化合物、蛋白质及脂肪在挤压过程中的变 化做一简单阐述
挤压过程中的碳水化合物 碳水化合物是食品中的主要组成成分，通常在食品中占70% 或70% 以上，因此是影响挤压食品特性的主要因素。碳水化合物根据其分子量 大小、结构及理化性质差异常可分为纤维、淀粉、亲水胶体及糖四类， 它们在挤压过程中的变化作用各不相同。 （一）纤维 纤维包括纤维素、半纤维素和木质素，它们在食品中通常充当填充剂。由于用 于挤压的纤维原料及挤压采用的设备和工艺条件不同，对挤压过程中纤维数量的 变化文献报道差异较大。有的对荞麦与大麦的挤压研究，有的对小麦和小麦麩的 研究，挤压后的纤维质量较低；而有的分别对全麦粉及大麦粉的挤压研究结果正 好同上述相反；但也有研究认为全麦粉在挤压过程中其总纤维质量不发生变化。 但对挤压过程中纤维含量变化的研究结果较为一致，均表明纤维经挤压后其可溶 性膳食纤维的量相对增加，一般增加量在3％左右，这是挤压过程中的高温、高压、 高剪切作用促使纤维分子间价键断裂，分子裂解及分子极性变化所致。由于可溶 性膳食纤维对人体健康具有特殊的生理作用，因此采用挤压手段开发膳食性纤维 无疑是一个很好的方法。 食品工业中的纤维原料主要来源于甜菜、玉米、水果、燕麦、豌豆、稻谷、大 豆及小麦等。在挤压过程中纤维主要是影响食品的膨化度，其规律一般是膨化度 随纤维添加量增加而降低．用不同来源的纤维或纤维纯度不同均对膨化度的影响 有明显差异，其中以豌豆和大豆纤维的膨化能力为好，它们在以淀粉为主原料的 食品中添加量达到30％，对最终产品的膨化度也无显著影响；而像燕麦麩及米糖， 由于它们含有较高的蛋白质及脂肪，其膨化能力就很差
挤压过程中的碳水化合物 碳水化合物是食品中的主要组成成分，通常在食品中占70% 或70% 以上，因此是影响挤压食品特性的主要因素。碳水化合物根据其分子量 大小、结构及理化性质差异常可分为纤维、淀粉、亲水胶体及糖四类， 它们在挤压过程中的变化作用各不相同。 （一）纤维 纤维包括纤维素、半纤维素和木质素，它们在食品中通常充当填充剂。由于用 于挤压的纤维原料及挤压采用的设备和工艺条件不同，对挤压过程中纤维数量的 变化文献报道差异较大。有的对荞麦与大麦的挤压研究，有的对小麦和小麦麩的 研究，挤压后的纤维质量较低；而有的分别对全麦粉及大麦粉的挤压研究结果正 好同上述相反；但也有研究认为全麦粉在挤压过程中其总纤维质量不发生变化。 但对挤压过程中纤维含量变化的研究结果较为一致，均表明纤维经挤压后其可溶 性膳食纤维的量相对增加，一般增加量在3％左右，这是挤压过程中的高温、高压、 高剪切作用促使纤维分子间价键断裂，分子裂解及分子极性变化所致。由于可溶 性膳食纤维对人体健康具有特殊的生理作用，因此采用挤压手段开发膳食性纤维 无疑是一个很好的方法。 食品工业中的纤维原料主要来源于甜菜、玉米、水果、燕麦、豌豆、稻谷、大 豆及小麦等。在挤压过程中纤维主要是影响食品的膨化度，其规律一般是膨化度 随纤维添加量增加而降低．用不同来源的纤维或纤维纯度不同均对膨化度的影响 有明显差异，其中以豌豆和大豆纤维的膨化能力为好，它们在以淀粉为主原料的 食品中添加量达到30％，对最终产品的膨化度也无显著影响；而像燕麦麩及米糖， 由于它们含有较高的蛋白质及脂肪，其膨化能力就很差
（二）淀粉 挤压作用能促使淀粉分子内a－1，4苷键断裂而生成葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖 及麦芽糊精等低分子量产物，致使挤压后产物淀粉含量下降，但挤压对淀粉的主要 作用是促使其分子间氢键断裂而糊化。淀粉在挤压过程中糊化度的大小受挤压温度、 物料水分、剪切力、螺杆结构及在挤压机内的滞留时间、模头形状等因素影响。 淀粉有直链淀粉与支链淀粉之分，它们在挤压过程中表现出不同的特征。就膨化 度而言，总的趋势是淀粉中直链淀粉含量升高则膨化度降低，据有关报道说50％直 链淀粉与50％支链淀粉混合挤压可得到最佳的膨化效果。另外，来源不同的淀粉其 挤压效果也存在差异，小麦、玉米、大米中的谷物淀粉具有较好的膨化效果，块茎 淀粉不仅具有很好的膨化性能，而且又具有十分好的粘结能力。 （三）亲水胶体 阿拉伯胶、果胶、琼脂、卡拉胶、海藻酸钠、瓜儿胶、槐豆胶为食品中常用的亲 水胶体，它们经挤压后其成胶能力将普遍下降。在挤压过程中其亲水特性还将影响 常规的挤压条件，降低挤压产品的水分蒸发速率及冷冻速率，提高产品的质构性能。 对于一个特定的产品，在选择亲水胶体时，胶体的粘稠性、成胶性、乳化性、水化 速率、分散性、口感、操作条件、粒径大小及原料来源等因素均得慎重考虑。 （四）糖 糖具有亲水性，在挤压过程中将调控物料的水分活度，从而影响淀粉糊化。挤压 的高温、高剪切作用使糖分解产生羧基化合物，从而同物料中的蛋白质、游离氨基 酸或肽发生美拉德反应，影响产品的颜色。另外，在挤压过程中添加一定量的糖能 提高物料在模口出口时的膨化效果。因此，在挤压食品中糖除了起提供能量作用外， 主要是作为一种风味剂、甜味剂、质构调节剂、水分活度与产品着色调控剂而被应 用，通常使用的糖有蔗糖、糊精、果糖、淀粉糖浆、果汁、糖蜜、木糖和糖醇等
（二）淀粉 挤压作用能促使淀粉分子内a－1，4苷键断裂而生成葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖 及麦芽糊精等低分子量产物，致使挤压后产物淀粉含量下降，但挤压对淀粉的主要 作用是促使其分子间氢键断裂而糊化。淀粉在挤压过程中糊化度的大小受挤压温度、 物料水分、剪切力、螺杆结构及在挤压机内的滞留时间、模头形状等因素影响。 淀粉有直链淀粉与支链淀粉之分，它们在挤压过程中表现出不同的特征。就膨化 度而言，总的趋势是淀粉中直链淀粉含量升高则膨化度降低，据有关报道说50％直 链淀粉与50％支链淀粉混合挤压可得到最佳的膨化效果。另外，来源不同的淀粉其 挤压效果也存在差异，小麦、玉米、大米中的谷物淀粉具有较好的膨化效果，块茎 淀粉不仅具有很好的膨化性能，而且又具有十分好的粘结能力。 （三）亲水胶体 阿拉伯胶、果胶、琼脂、卡拉胶、海藻酸钠、瓜儿胶、槐豆胶为食品中常用的亲 水胶体，它们经挤压后其成胶能力将普遍下降。在挤压过程中其亲水特性还将影响 常规的挤压条件，降低挤压产品的水分蒸发速率及冷冻速率，提高产品的质构性能。 对于一个特定的产品，在选择亲水胶体时，胶体的粘稠性、成胶性、乳化性、水化 速率、分散性、口感、操作条件、粒径大小及原料来源等因素均得慎重考虑。 （四）糖 糖具有亲水性，在挤压过程中将调控物料的水分活度，从而影响淀粉糊化。挤压 的高温、高剪切作用使糖分解产生羧基化合物，从而同物料中的蛋白质、游离氨基 酸或肽发生美拉德反应，影响产品的颜色。另外，在挤压过程中添加一定量的糖能 提高物料在模口出口时的膨化效果。因此，在挤压食品中糖除了起提供能量作用外， 主要是作为一种风味剂、甜味剂、质构调节剂、水分活度与产品着色调控剂而被应 用，通常使用的糖有蔗糖、糊精、果糖、淀粉糖浆、果汁、糖蜜、木糖和糖醇等
挤压过程中的蛋白质 从物理特性来说，挤压使蛋白质转变成一种均匀的结构体 系；从化学观点来说，挤压过程是以某种方式贮藏性蛋白质重 新组合成有一定结构的纤维状蛋白体系。此外，挤压过程还会 引起蛋白质营养的变化。 大豆蛋白经热处理后会发生变化 挤压过程使大豆蛋白处于热、压力和剪切力等综合作用下，在 一定范围内，挤压温度上升，产品的组织化效果好。蛋白质经 高热处理会引起结构的变化，如：肽键的水解、氨基链的变性 和新共价异肽键的形成等。蛋白质在低水份条件下对热的抵抗 力强些。通过一系列的研究得出的结论是挤压对蛋白质最大的 影响在于，首先分离它们，然后又将其重新组合成一种经调整 的纤维状结构
挤压过程中的蛋白质 从物理特性来说，挤压使蛋白质转变成一种均匀的结构体 系；从化学观点来说，挤压过程是以某种方式贮藏性蛋白质重 新组合成有一定结构的纤维状蛋白体系。此外，挤压过程还会 引起蛋白质营养的变化。 大豆蛋白经热处理后会发生变化 挤压过程使大豆蛋白处于热、压力和剪切力等综合作用下，在 一定范围内，挤压温度上升，产品的组织化效果好。蛋白质经 高热处理会引起结构的变化，如：肽键的水解、氨基链的变性 和新共价异肽键的形成等。蛋白质在低水份条件下对热的抵抗 力强些。通过一系列的研究得出的结论是挤压对蛋白质最大的 影响在于，首先分离它们，然后又将其重新组合成一种经调整 的纤维状结构
挤压过程中的脂肪 在相同条件下，挤压食品与其他类型的食品相比往往具有较大的货 架期，其原因与挤压加工的特点有密切关系。 原因一：原料一般经过挤压加工之后，淀粉糊化、蛋白质变性、生长抑 制因子被破坏，脂肪氧化酶和脂肪水解酶也被破坏。挤压过程是一个高 温高压的过程，对产品起到了很好的杀菌作用。 原因二：挤压产品的水分含量一般较低 原因三：由于脂肪在挤压过程中能够与淀粉和蛋白质形成复合物，而这 些复合物又能降低挤压产品在保存时的氧化现象，所以在一定程度上起 到了延长产品货架期的作用。 许多研究表明，在挤压过程中，原料中绝大多数脂肪与淀粉、蛋白 质形成了复合物，降低了挤出物中游离脂肪的含量。例如玉米经挤压之 后，游离脂肪的含量由3.11％下降到0.98％。 研究人员利用挤压机研究了原料经挤压之后，脂肪复合物形成的情 况。所用的挤压原料中含有70％淀粉、9％蛋白质和5％脂肪。对挤压后 的样品，分别测定其膨化率和糊化率以及脂肪的变化。实验所采用的螺 杆转速为700转／分，进料速率为158克／分。从实验结果分析可知，原 料中大约有2／3的游离脂肪在挤压过程中变为复合体。实验中发现复合 体生成量与挤压温度有直接关系，在较低的温度下（100℃以下），随挤 压温度的升高，复合体生成量略有增多，但在高温下（100℃以上），随 着温度升高，复合体生成量反而有较明显的下降
挤压过程中的脂肪 在相同条件下，挤压食品与其他类型的食品相比往往具有较大的货 架期，其原因与挤压加工的特点有密切关系。 原因一：原料一般经过挤压加工之后，淀粉糊化、蛋白质变性、生长抑 制因子被破坏，脂肪氧化酶和脂肪水解酶也被破坏。挤压过程是一个高 温高压的过程，对产品起到了很好的杀菌作用。 原因二：挤压产品的水分含量一般较低 原因三：由于脂肪在挤压过程中能够与淀粉和蛋白质形成复合物，而这 些复合物又能降低挤压产品在保存时的氧化现象，所以在一定程度上起 到了延长产品货架期的作用。 许多研究表明，在挤压过程中，原料中绝大多数脂肪与淀粉、蛋白 质形成了复合物，降低了挤出物中游离脂肪的含量。例如玉米经挤压之 后，游离脂肪的含量由3.11％下降到0.98％。 研究人员利用挤压机研究了原料经挤压之后，脂肪复合物形成的情 况。所用的挤压原料中含有70％淀粉、9％蛋白质和5％脂肪。对挤压后 的样品，分别测定其膨化率和糊化率以及脂肪的变化。实验所采用的螺 杆转速为700转／分，进料速率为158克／分。从实验结果分析可知，原 料中大约有2／3的游离脂肪在挤压过程中变为复合体。实验中发现复合 体生成量与挤压温度有直接关系，在较低的温度下（100℃以下），随挤 压温度的升高，复合体生成量略有增多，但在高温下（100℃以上），随 着温度升高，复合体生成量反而有较明显的下降
另外，研究人员还研究了温度高于100℃时，脂肪复合体的 生成情况。实验在不同温度、不同螺杆转速和不同水分含量的条 件下进行。通过对实验结果的分析发现，挤压温度和水分含量是 影响复合体生成量的主要因素，螺杆转速对复合体生成量的影响 较小。挤压温度越高，挤出样品中的游离脂肪含量就越高，复合 体的生成量越小。与此相仿，水分含量越高，挤出样品中的游离 脂肪含量也越高，复合体的生成量也越小。挤出产品的游离脂肪 含量高，易发生脂肪氧化酸败现象，缩短产品的货架期。 脂肪复合体的作用：使得脂肪受到淀粉和蛋白质的保护作用，对 降低脂肪的氧化速度和氧化程度，延长产品的货架期，起到了积 极的作用；改善产品的质构和口感。 注意挤压过程中，虽然脂肪复合体的生成，降低了产品在保 存过程中的氧化程度，延长了产品的货架期，但不能彻底防止脂 肪的氧化酸败，产品在保存过程中仍会发生氧化现象，有时氧化 现象仍较强烈。加入抗氧化剂可以帮助解决氧化现象的发生
另外，研究人员还研究了温度高于100℃时，脂肪复合体的 生成情况。实验在不同温度、不同螺杆转速和不同水分含量的条 件下进行。通过对实验结果的分析发现，挤压温度和水分含量是 影响复合体生成量的主要因素，螺杆转速对复合体生成量的影响 较小。挤压温度越高，挤出样品中的游离脂肪含量就越高，复合 体的生成量越小。与此相仿，水分含量越高，挤出样品中的游离 脂肪含量也越高，复合体的生成量也越小。挤出产品的游离脂肪 含量高，易发生脂肪氧化酸败现象，缩短产品的货架期。 脂肪复合体的作用：使得脂肪受到淀粉和蛋白质的保护作用，对 降低脂肪的氧化速度和氧化程度，延长产品的货架期，起到了积 极的作用；改善产品的质构和口感。 注意挤压过程中，虽然脂肪复合体的生成，降低了产品在保 存过程中的氧化程度，延长了产品的货架期，但不能彻底防止脂 肪的氧化酸败，产品在保存过程中仍会发生氧化现象，有时氧化 现象仍较强烈。加入抗氧化剂可以帮助解决氧化现象的发生