[科普中國(guó)]-低速蒸煮機(jī)(LVC)

擠壓蒸煮技術(shù)

擠壓蒸煮技術(shù)是將物料從喂料口喂入到低速蒸煮機(jī)中，在螺桿螺旋推動(dòng)下，物料沿著螺桿曲折向前移動(dòng)。同時(shí)，由于螺桿與物料，物料與機(jī)筒，以及物料內(nèi)部自身的機(jī)械摩擦，物料被強(qiáng)烈的擠壓、攪拌、剪切，其結(jié)果使得物料被進(jìn)一步細(xì)化、均化。隨著壓力的逐漸增大，溫度逐漸的升高，在高溫、高壓、高剪切的條件下，物料的物性發(fā)生了變化，淀粉糊化，蛋白質(zhì)變性，纖維質(zhì)部分降解等。當(dāng)熔融的糊狀物料從模孔擠出的瞬間，壓力驟降到常壓，在強(qiáng)大的壓力差作用下物料中的液態(tài)水瞬間汽化，擠出物迅急膨爆，膨化成結(jié)構(gòu)疏散、多孔的結(jié)構(gòu)。擠壓蒸煮加工技術(shù)是當(dāng)今糧油食品工業(yè)的新發(fā)展，將擠壓技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)是農(nóng)產(chǎn)品深加工的重要研究方向之一。

低速蒸煮機(jī)的研究背景谷物食品的傳統(tǒng)加工工藝一般需經(jīng)過粉碎、混合、成型、烘烤或油炸、殺菌、干燥等生產(chǎn)工序，每道工序都需配備相應(yīng)的設(shè)備，生產(chǎn)的流水線長(zhǎng)，占地面積大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，設(shè)備種類多。而采用擠壓技術(shù)來加工谷物食品，在原料經(jīng)初步混合后，即可用一臺(tái)低速蒸煮機(jī)一步完成混煉、熟化、破碎、殺菌、預(yù)干燥、成型等工藝。

與傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相比，擠壓加工極大的改善了谷物食品的加工工藝，縮短了工藝過程，降低了生產(chǎn)費(fèi)用和勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)改善了口感，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。谷物經(jīng)擠壓蒸煮后呈片狀或蜂窩狀結(jié)構(gòu)，體積膨脹，增大了與酶的接觸面積，并且經(jīng)擠壓蒸煮后，脂肪含量大大降低，淀粉及蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)發(fā)生降解，糊精、還原糖和氨基酸等小分子物質(zhì)含量增加，營(yíng)養(yǎng)成份增加，不溶性物質(zhì)變成了可溶性物質(zhì)。低速蒸煮機(jī)為蛋白質(zhì)提供了一種特殊的變性環(huán)境，天然蛋白質(zhì)在低速蒸煮機(jī)內(nèi)受到熱和剪切擠壓的綜合作用，使蛋白質(zhì)三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)的結(jié)合力變?nèi)?，蛋白質(zhì)分子由折疊狀變?yōu)橹本€狀而發(fā)生變性作用，蛋白質(zhì)分子內(nèi)、分子間的化學(xué)鍵和相互作用力發(fā)生了改變。

另外，通過擠壓蒸煮還可以使脂肪酶、過氧化物酶、脂肪氧化酶、黑芥子普酸酶、脈酶等失活。擠壓加工對(duì)酶的作用既有積極的方面，也有消極的方面，消極作用是使淀粉酶、植酸酶失活。脂肪在擠壓過程中能與淀粉形成淀粉脂肪絡(luò)合物，降低了擠出物中游離脂肪的含量。這種絡(luò)合物組織緊密，在糖化過程中很難被酶水解，據(jù)研究結(jié)果表明，淀粉結(jié)構(gòu)可以在擠壓蒸煮過程中發(fā)生重組現(xiàn)象，導(dǎo)致直鏈淀粉的級(jí)分能轉(zhuǎn)換，使型直鏈淀粉脂肪螺旋絡(luò)合物轉(zhuǎn)換成能量更高更趨于穩(wěn)定的型螺旋絡(luò)合物。

現(xiàn)在，以大米、玉米、豆類、薯類等為原料，經(jīng)擠壓蒸煮生產(chǎn)快餐食品、焙烤食品、兒童食品、植物蛋白食品及強(qiáng)化營(yíng)養(yǎng)食品等技術(shù)。在發(fā)酵工業(yè)中，蒸煮技術(shù)在黃酒、食醋、白酒、淀粉糖等方面的實(shí)踐均表明，膨化技術(shù)能提高原料利用率、降低能耗、提高生產(chǎn)率。在國(guó)外，擠壓技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于植物油脂工業(yè)，對(duì)浸出前的大豆和棉籽等油料種子進(jìn)行預(yù)處理，與傳統(tǒng)的浸出制油相比具有簡(jiǎn)化工藝、減少蒸汽和動(dòng)力消耗、易于脫溶、提高設(shè)備生產(chǎn)能力等優(yōu)勢(shì)。

擠壓蒸煮技術(shù)所帶來的好處是顯而易見的，然而目前對(duì)于谷物類食品的低速蒸煮機(jī)理研究還有許多不足，谷物類食品的低速蒸煮機(jī)理研究主要集中在各種物料擠壓蒸煮前、后的質(zhì)構(gòu)、狀態(tài)以及特性分析方面。研究的目標(biāo)主要集中在擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、進(jìn)料速度、原料含水率等因素對(duì)淀粉糊化、降解作用的影響以及對(duì)擠壓物的融解指數(shù)和膨化度影響的研究上。對(duì)于物料在機(jī)筒內(nèi)的變化過程的分析很少，可以說目前國(guó)內(nèi)外都將低速蒸煮機(jī)作為目前對(duì)各種物料的產(chǎn)前、產(chǎn)后分析較多，對(duì)擠壓過程中物料預(yù)測(cè)分析較多，而對(duì)低速蒸煮機(jī)的結(jié)構(gòu)因素對(duì)擠壓過程中物料的變化狀態(tài)影響的分析較少1。

低速蒸煮機(jī)的研發(fā)進(jìn)展北京化工大學(xué)塑料機(jī)械及塑料工程研究所利用可視化單螺桿擠出機(jī)的透明視窗觀察到淀粉擠出過程不同于塑料等合成聚合物，淀粉的擠出沒有明顯的熔融過程，淀粉擠出過程中發(fā)生大分子的降解等生化反應(yīng)。原料含水率和螺桿轉(zhuǎn)速是影響食品單螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)性能指標(biāo)和擠出產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要工作參數(shù)。在木薯淀粉的擠出過程中，原料含水量的減少與低速蒸煮機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速的提高都使產(chǎn)量、產(chǎn)品膨化比、主機(jī)消耗功率增加，使物料滯留時(shí)間縮短。單螺桿擠出過程中物料的機(jī)頭壓力在巧大氣壓至大氣壓范圍內(nèi)變化。此試驗(yàn)擠壓蒸煮木薯淀粉，最佳原料含水率在范圍內(nèi)，最佳螺桿轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，機(jī)筒溫度設(shè)定在℃℃范圍內(nèi)。

何紅借助了宏觀和亞宏觀可視化技術(shù)，描述了所觀察到的聚合物擠出過程中的團(tuán)塊熔融和粒子熔融現(xiàn)象，粒子的運(yùn)動(dòng)和熔融分為兩個(gè)階段滑移階段粘連階段同時(shí)粒子會(huì)被拉長(zhǎng)而發(fā)生變形。提出了粒子熔融的物理模型。

胡冬冬，陳晉南使用刀軟件，對(duì)聚合物熔體在嚙合同向和異向雙螺桿擠出機(jī)中擠出機(jī)中物料粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了可視化模擬，給出了運(yùn)動(dòng)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。

邢應(yīng)生利用可視化擠出機(jī)對(duì)螺桿冷卻情況下的單螺桿擠出熔融機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為擠出過程中固體床始終保持連續(xù)而不會(huì)出現(xiàn)固體床破碎現(xiàn)象，螺槽表面會(huì)出現(xiàn)聚合物的亞穩(wěn)態(tài)相轉(zhuǎn)變行為并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

南京金陵職業(yè)大學(xué)的劉自強(qiáng)通過深入探析膨化動(dòng)力的發(fā)生過程，膨化動(dòng)力的影響因素和外部能量向膨化動(dòng)力轉(zhuǎn)換的機(jī)理，全面闡述了膨化動(dòng)力的發(fā)生機(jī)制。從動(dòng)力學(xué)的角度提出了膨化的定義，膨化的構(gòu)成要素。同時(shí)系統(tǒng)地分析了在膨化過程中，物料的成份、比例和結(jié)構(gòu)的變化及其對(duì)膨化的影響。

王麗瑋和馮玉紅針對(duì)帶胚玉米的研究也表明，擠壓蒸煮物的糊化程度隨低速蒸煮機(jī)模頭溫度的升高而增大，隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高而下降，并認(rèn)為這是由于低速蒸煮機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速升高時(shí)，物料在低速蒸煮機(jī)腔體內(nèi)停留時(shí)間減少而導(dǎo)致的。

楊銘鐸對(duì)谷物淀粉擠壓蒸煮的糊化現(xiàn)象與蒸煮糊化等進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)膨化手段實(shí)現(xiàn)的糊化較蒸煮糊化更為徹底，而且穩(wěn)定、不易老化。且擠壓蒸煮實(shí)現(xiàn)的糊化比蒸煮糊化消耗的總能量小。

丁霄霖和湯堅(jiān)對(duì)擠壓蒸煮玉米淀粉進(jìn)行了特性粘度、凝膠色譜、鐵佩化鉀值的分析，結(jié)果表明擠壓蒸煮后的玉米淀粉平均分子量下降，且淀粉降解主要發(fā)生在淀粉的支鏈部分。

肖志剛以擠壓蒸煮后的玉米為研究對(duì)象，在膨化倍數(shù)、碘藍(lán)值、還原能力等指標(biāo)上行對(duì)照試驗(yàn)，得出結(jié)論玉米經(jīng)過擠壓蒸煮后，淀粉粒解體，糊精和還原糖增加，蛋白質(zhì)變性，氨基酸和縮氨酸含量增加，脂肪減少，水溶性成分增加。

孟爽在可剝分單螺桿低速蒸煮機(jī)的基礎(chǔ)上，研究了螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度、物料含水率、?？组L(zhǎng)度和段長(zhǎng)度五個(gè)因素對(duì)大米的糊化度、淀粉含量和脂肪含量的變化關(guān)系2。