影響淀粉類擠壓膨化產品膨化率的因素研究進展

劉 超 張 波 魏益民

（中國農業科學院農產品加工研究所／農業部農產品加工綜合性重點實驗室1，北京 100193）

（山西省農業科學院農產品加工研究所2，太原 030031）

淀粉類擠壓膨化產品的質量評價指標主要包括膨化率、質構特性、吸水性指數、水溶性指數、容積密度、表觀密度以及糊化度等［1］。膨化率是評價淀粉類擠壓膨化產品質量的重要指標，與其他指標相關。杜雙奎等［2］研究表明玉米珍子擠壓產品的截面膨化率與容積密度、抗剪切力呈極顯著負相關，與吸水性指數呈顯著正相關。Mezreb等［3］研究表明玉米粉、小麥粉擠壓產品的膨化率與脆度呈顯著負相關。膨化率反映了擠壓產品的膨化效果、質地和口感，是衡量產品質量的一個重要指標。

擠壓膨化產品的膨化率可以用截面膨化率（Sectional Expansion Indices，SEI）、軸向膨化率（Longitudinal Expansion Indices，LEI）和體積膨化率（Volumetric Expansion Indices，VEI）表示［4］。截面膨化率是指擠壓產品的橫截面積與擠壓機?？捉孛娣e之比。對于柱狀擠出物，截面膨化率是指擠壓產品的直徑與?？字睆街鹊钠椒?。軸向膨化率是指擠壓產品離開模頭的線速度與擠壓原料在擠壓機內的線速度的比值。體積膨化率為截面膨化率與軸向膨化率的乘積。通常用截面膨化率來描述擠壓產品的膨脹程度［4］。

影響淀粉類擠壓產品膨化率的因素主要有原料的理化特性，譬如直／支鏈淀粉的比例、物料粒度等；添加劑，如 NaHCO3、Ca（OH）2、蔗糖等；擠壓設備參數，如螺桿構型、模頭結構等；擠壓工藝參數，如機筒溫度、物料含水率、螺桿轉速、喂料速度等。

1 淀粉擠壓膨化機理

淀粉的擠壓膨化是指以淀粉或富含淀粉（≥65%）的原料和水在一定的溫度、壓力、擠壓螺桿的剪切作用下混合，淀粉發生糊化、降解形成均勻的熔融體。當熔融體離開擠壓機模頭的一瞬間，通過水分的閃蒸作用，使擠出的物料形成多孔狀結構，隨著擠出物表面溫度的降低，物料固化，最終形成多孔、疏松的質地結構［5－6］。

前人將這一過程分為物料從無序到有序的轉變、氣核生成、模口膨脹、氣泡生長和氣泡塌陷5個階段［7－11］。第一階段：淀粉質物料進入擠壓機后，淀粉發生糊化和降解，粒狀或粉狀的物料轉變成具有黏彈性的熔融體。第二階段：氣體在熔融體內部形成熱力不穩定的小氣泡，在輸送的過程中氣泡不斷生長。第三階段：熔融體離開?？跁r彈性應力釋放，在?？谔幦廴隗w出現膨脹。第四階段：當熔融體離開模口時，水分發生閃蒸轉變為水蒸氣，氣泡不斷生長，其動力來自氣泡壁內外的壓力差。第五階段：當氣泡壁的強度不能承受內部的壓力時，氣泡開始爆裂，或者隨著溫度降低，氣泡收縮，熔融體由無定形態轉變為玻璃態，氣泡停止變化。

擠壓過程中的高溫和高剪切力使物料轉變為有黏彈性的熔融體，熔融體的黏度對擠壓膨化產品的膨化率有重要影響。大量研究表明，熔融體的黏度過高，會阻礙氣泡生長，不利于產品膨化。但熔融體的黏度過低會使氣泡容易塌陷，造成膨化率減小［7］。熔融體的彈性有助于氣泡生長，有利于產品膨化。熔融體的黏彈性受原料本身特性和擠壓加工參數的影響［11］，原料不同，熔融體的玻璃化轉變溫度不同，氣泡收縮時間不一樣，擠壓產品的膨化率不同［12］。加工參數不同，淀粉的糊化降解程度不同，熔融體的黏彈性不同，擠壓產品膨化率不同。

2 原料理化特性對擠壓膨化產品膨化率的影響

2.1 直鏈淀粉含量對擠壓膨化產品膨化率的影響

直、支鏈淀粉比例影響擠壓產品的膨化率。隨著直鏈淀粉含量的增大，擠壓產品的膨化率呈現先增大后減小的趨勢。Chinnaswamy等［14］比較了不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉擠壓膨化物的截面膨化率，發現當直鏈淀粉質量分數從0%增加到50%時，擠壓產品的截面膨化率呈上升趨勢，由8.0增大到16.4。直鏈淀粉質量分數為50%時，截面膨化率達到最大值16.4。當直鏈淀粉的質量分數超過50%，擠壓產品的截面膨化率呈下降趨勢。Della Valle等［15］研究直鏈淀粉質量分數為 23.5%、47.0%、70.0%的玉米淀粉擠壓產品膨化率，結果表明隨著直鏈淀粉含量的增加，擠壓產品的體積膨化率增大。研究認為是由于直鏈淀粉含量增大，在熔融體沖出模頭后，氣泡壁破裂的臨界張力增大，氣泡不易破裂。

2.2 物料粒度對擠壓膨化產品膨化率的影響

物料粒度大小對擠壓產品的膨化率有一定的影響。物料粒徑越大，所獲得的擠壓產品的膨化率越?。?6］。Garber等［17］分別以平均粒徑為 50.2、94.2、593.0、988.3、1 622.1μm的玉米粉為原料進行擠壓，其擠壓產品的截面膨化率分別為22.0、20.3、19.8、20.0、15.9。Mathew等［18］用錘式磨粉碎制得的粒徑分別為0.75、1.12、1.50 mm的玉米原料擠壓，其對應的擠壓產品體積膨化率為2.49、2.47、2.37。

3 添加劑對擠壓膨化產品膨化率的影響

淀粉擠壓膨化過程中，為了改善擠壓膨化食品的營養、質構或感官性狀，通常向原料中添加微量添加劑。如PH調節劑、糖、營養強化劑等，它們也會對擠壓膨化產品的膨化率有影響。CO2經常作為發泡劑用于提高擠壓產品的膨化率。Singh等［19］研究NaHCO3對玉米粉擠壓特性的影響表明，在擠壓的過程中NaHCO3分解生成CO2，在模口處氣體逸出，提高了擠壓產品的截面膨化率。

蔗糖能增加熔融體的表面張力，降低玻璃化轉變溫度，一方面使氣泡生長減弱，另一方面使氣泡收縮時間延長，收縮程度增加，減小擠壓產品的膨化率。Mezreb等［20］研究了添加蔗糖對玉米粉和小麥粉擠壓產品膨化率的影響，表明當蔗糖濃度由5%增大到12.5%時，擠壓產品的截面膨化率、軸向膨化率均呈減小趨勢。

鈣離子可與淀粉的結晶區形成復合物，從而減小擠壓產品的截面膨化率。Marthinez－Bustos等［21］研究擠壓玉米粉中加入Ca（OH）2對擠壓產品膨化率的影響發現，當水分質量分數為18%，機筒溫度為130℃，Ca（OH）2溶液的質量濃度分別為0、1.5%、3.5 mg／L時，產品截面膨化率分別為 3.5、2.9、2.8。隨著Ca（OH）2增加，擠壓產品的截面膨化率減小。

4 擠壓設備參數對擠壓膨化產品膨化率的影響

4.1 螺桿構型對擠壓膨化產品膨化率的影響

螺桿構型是不同螺桿元件在螺桿芯軸上的排列組合。通過改變不同的螺桿元件、元件的位置、元件的長度以改變螺桿對物料的機械力作用，從而影響擠壓產品的膨化率。Sokhey等［22］研究齒形元件對玉米淀粉擠壓產品膨化率的影響，結果發現在輸送元件中加入齒形元件后，擠壓產品的體積膨化率減小，截面膨化率增大。Choudhury等［23］研究了29種螺桿構型對大米擠壓產品膨化率的影響，結果表明只有采用輸送元件的螺桿構型時，擠壓產品的截面膨化率為6.0。當螺桿構型中加入捏合元件時，擠壓產品的截面膨化率增加至8.0以上。

4.2 模頭結構對擠壓膨化產品膨化率的影響

較小的模孔直徑有利于增大淀粉擠壓產品的截面膨化率。Arhaliass等［24］研究發現，當模孔直徑減小時，擠壓產品的截面膨化率增大，認為模孔直徑的減小，增加了模頭前壓力，因而導致擠壓產品膨化率增大。

?？组L徑比對淀粉擠壓產品的膨化率有顯著影響。王寧等［25］采用Brabender DC 2000型試驗擠壓機對大米淀粉進行擠壓膨化，發現?？组L徑比與擠壓產品的體積膨化率呈顯著負相關。Chinnaswamy等［26］研究發現，玉米淀粉擠壓產品的膨化率隨著?？组L徑比變化而變化。當長徑比由2.5上升到3.4時，玉米淀粉擠出物的截面膨化率由4.5上升到了13.0；但是當長徑比繼續增加至10.3時，擠出物的截面膨化率下降至 8.5［26］。

5 擠壓工藝參數對擠壓膨化產品膨化率的影響

5.1 機筒溫度對擠壓膨化產品膨化率的影響

隨著機筒溫度的升高，淀粉擠壓產品的膨化率呈現先增大后減小趨勢。機筒溫度一方面通過改變熔融體的流變學特性影響膨化率，另一方面使水分轉變為水蒸氣，為膨化提供動力影響膨化率。Ali等［27］研究玉米淀粉擠壓時發現當機筒溫度由100℃上升到160℃時，擠壓產品的截面膨化率由3.5增至8.8；當機筒溫度由160℃增至200℃，擠壓產品的截面膨化率由8.8降至3.8。Chinnaswamy等［26］研究發現，當機筒溫度從110℃上升到140℃時，玉米淀粉擠壓產品的截面膨化率從11.5增大到13.2。當溫度繼續升高時，擠壓產品的截面膨化率開始下降。研究認為擠壓產品的截面膨化率與淀粉的糊化程度有關。較高的溫度有利于提高淀粉的糊化程度，從而得到較大的截面膨化率，過高的溫度會增加膨化動力，導致氣泡破裂，截面膨化率下降［26］。

5.2 物料含水率對擠壓膨化產品膨化率的影響

擠壓過程中的水分為擠壓膨化提供了驅動力，同時水在擠壓膨化過程中會降低淀粉的濃度和黏度，起到了增塑劑的作用。Ilo等［28］研究玉米粉擠壓時發現機筒溫度在150～160℃之間，物料含水率由13%增至17%，擠壓產品的截面膨化率由3.8降至1.8。Chinnaswamy等［26］研究擠壓玉米淀粉發現，原料的物料含水率由15%增至20%時，擠壓產品的截面膨化率由8.4增至9.3，當物料含水率由20%增至40%時，擠壓產品的截面膨化率由9.3下降至6.0。Parsons等［29］研究小麥淀粉擠壓發現，原料的物料含水率由19.5%增至21.5%，擠壓產品的截面膨化率下降。

5.3 喂料速度對擠壓膨化產品膨化率的影響

關于喂料速度對淀粉擠壓產品膨化率影響的研究較少。Ilo等［30］研究大米粉－筧菜混合擠壓發現，與水分和溫度相比，喂料速度對截面膨化率的影響較小，對軸向膨化率影響較大，在喂料速度為31 kg／h時能得到最大的軸向膨化率。Qing－Bo等［31］研究大米擠壓時發現，增加喂料速度，可獲得較高的截面膨化率。在喂料速度由20 kg／h增加到32 kg／h，擠出物的截面膨化率由2.0增大到3.9，認為較高的喂料速度縮短了物料的滯留時間，降低了淀粉的降解，改變了物料在擠壓機內的流變學特性，從而改變了擠出物的截面膨化率。

5.4 螺桿轉速對擠壓膨化產品膨化率的影響

螺桿轉速增加，物料受的剪切速率增加，擠壓產品膨化率先增加后降低。Bhattacharya研究擠壓大米粉和綠豆粉中發現，在較高溫度（140～175℃）下提高螺桿轉速會提高膨化率，在較低溫度（110～130℃）下提高螺桿轉速會降低膨化率［32］。Mazreb等［33］研究發現，雙螺桿擠壓機擠壓玉米粉和小麥粉時，螺桿轉速在200～500 r／min之間，螺桿轉速增加，玉米粉和小麥粉擠壓產品的軸向膨化率都隨之增加；玉米粉擠壓產品的截面膨化率隨之下降，小麥粉擠壓產品的截面膨化率變化不大。Ali等［27］采用單螺桿擠壓機擠壓脫胚玉米粉，當機筒溫度分別為120℃和160℃時，螺桿轉速由80 r／min增大到200 r／min時，擠壓產品的截面膨化率分別由5.8增至12.9和由 10.5增至 13.1［27］。

6 結論

物料理化特性、添加劑、擠壓設備參數和擠壓工藝參數影響擠壓產品膨化率的本質原因可能有以下幾方面。

通過改變擠壓膨化動力改變擠壓產品的膨化率。擠壓膨化動力越大，擠壓產品膨化率越大；但過高的膨化動力會使氣泡過于生長而破裂［13］。提高擠壓膨化動力的方法有升高機筒溫度，提高物料含水率，減小?？字睆剑岣吣？谔帀毫Φ?。

通過改變熔融體黏度或表面張力改變擠壓產品的膨化率。熔融體黏度或表面張力增加，氣泡不易生長，也不易破裂。提高物料直鏈淀粉含量，升高溫度，降低物料含水率都會提高熔融體黏度。

通過改變淀粉在機筒內的降解程度改變擠壓產品的膨化率。淀粉降解會使熔融體黏度和表面張力降低，氣泡容易生長，也容易破裂。升高溫度，加大剪切速率，減小?？字睆蕉紩龠M淀粉降解。

通過改變熔融體的玻璃化轉變溫度改變擠壓產品的膨化率。熔融體在模口處的玻璃化轉變溫度越低，氣泡收縮時間延長，擠壓產品膨化率越低。提高水分，降低原料直鏈淀粉含量都會降低熔融體在?？谔幍牟ＡЩD變溫度，使產品膨化率降低。

［1］魏益民，蔣長興，張波.擠壓膨化工藝參數對產品質量影響概述［J］.中國糧油學報，2005，20（2）：33－36

［2］杜雙奎，魏益民，張波，等.玉米籽粒品質性狀與擠壓膨化特性的關系［J］.中國農業科學，2005，38（9）：1876－1881

［3］Mezreb K，Goullieux A，Ralainirina R，Queneudec M.Application of image analysis to measure screw speed influence on physical properties of corn and wheat extrudates［J］.Journal of Food Engineering，2003，57：145－152

［4］Alvaez L，Kondury K P，Happer J M.A general model for expansion of extruded products［J］.Journal of Food Science，1998，53（2）：609－615

［5］金征宇.國內外擠壓膨化飼料的最新研究進展［C］.廈門飼料學術交流研討會，2005

［6］杜雙奎，魏益民，張波.擠壓膨化過程中物料組分的變化分析［J］.中國糧油學報，2005，20（3）：40－43

［7］Kokini J L，Chang C N，Lai L S.The role of rheological properties on extrudate expansion［A］.Kokini J L，Ho Chi－Tang，Karwe M V.Food Extrusion Science and Technology，Marcel Dekker INC，New York，1992，631－653

［8］闞建全，謝筆鈞.食品化學［M］.北京：中國農業大學出版社，2008：128－136

［9］金征宇.擠壓膨化與后添加技術在飼料工業中的應用［J］.飼料前沿，2005，23：31－34

［10］Kumagai Hitomi，Kumagai Hitoshi，Yano T.Critical bubble radius for expansion in extrusion cooking［J］.Journal Food Engineering，1993，20：325－338

［11］Strahm B.Fundamentals of poly science as an applied extrusion tool［J］.Cereal Food World，1998，43（8）：621－625

［12］Moraru C.I，Kokini J L.Nucleation and expansion during extrusion and microwave heating of cereal foods［J］.Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety，2003（2）：120－138

［13］Van Lengerich B.Influence of extrusion processing on inline rhological behavior，structure and function of wheat.in：Faridi H，Faubion J M.Dough rheology and baked products texture［M］.New York，Van：Nostrand Reinhold，1990：35－53

［14］Chinnaswammy R，Hanna M A.Relationship between amylose content and expansion properties of corn starches［J］.Cereal Chemistry，1988，65：138－143

［15］Della Valle G，Vergnes B，Colonna P，Patria A.Relations between rheological properties of molten starches and their expansion behaviour in extrusion［J］.Journal of Food Engineering，1997，31：277－296

［16］趙學偉，魏益民.加工參數對擠壓膨化食品膨脹度的影響［J］.糧食與飼料工業，2008（1）：24－25

［17］Garber B W，Hsieh F，Huff H E.Influence of particle size on the twin－screw extrusion of corn meal［J］.Cereal Chemistry，1997，74（5）：656－661

［18］Mathew J M，Hoseney R C，Faubion J M.Effects of corn sample，mill type，and particle size on corn curl and pet Food extrudates［J］.Cereal Chemistry，1999，76（5）：621－624

［19］Singh N，Sharma S，Singh B.The effect of sodium bicarbonate and glycerol monostearate addition on the extrusion behaviour of maize grits［J］.Journal of Food Engineering，2000，46（1）：61－66

［20］Mezreb K，Goullieux A，Ralainirina R，Queneudec M.Effect of sucrose on the textural properties of corn and wheat extrudates［J］.Carbohydrate Polymers，2006，64：1－8

［21］Martínez－Bustos F，Chang Y K，Bannwart A C，Rodríguez M E，Guedes P A，Gaiotti E R.Effects of calcium hydroxide and processing conditions on corn meal extrudates［J］.Cereal Chemistry，1998，75（6）：796－801

［22］Sokhey S，Kollengode A，Hanna M A.Screw configuration effects on corn starch expansion during extrusion［J］.Journal of Food Science，1994，59（4）：895－898

［23］Choudhury G S，Gautam A.Screw configuration effects on macroscopic characteristics of extrudates produced by twinscrew extrusion of rice flour［J］.Journal of Food Science，1999，64（3）：479－487

［24］Arhaliass A，Bouvier J M，Legrand J.Melt growth and shrinkage at the exit of the die in the extrusion－cooking process［J］.Journal of Food Engineering，2003，60：185－192

［25］王寧，盧承前，薛禾生，等.模頭規格對大米淀粉擠出物性狀的影響［J］.食品科學，1994（8）：58－62

［26］Chinnaswamy R，Hanna M A.Optimum extrusion－cooking conditions for maximum expansion of corn starch［J］.Journal of Food Science，1998，53（3）：834－836

［27］Ali Y，Hanna A，Chinnaswamy R.Expansion characteristics of extruded corn grits［J］.LWT－Food Science and Technology，1996，29：702－707

［28］Ilo S，Tomschik U，Berghofer E，Mundigler N.The effect of extrusion operating conditions on the apparent viscosity and properties of extrudates in twin－screw extrusion cooking of maize grits［J］.LWT－Food Science and Technology，1996，29（7）：593－598

［29］Parsons M H，Hsieh F，Huff H E.Extrusion cooking of corn meal with sodium bicarbonate and sodium aluminum phosphate［J］.Journal Food Processing Preservation，1996，20（3）：221－34

［30］Ilo S，Liu Y，Berghofer E.Extrusion Cooking of Rice Flour and Amaranth Blends［J］.LWT－Food Science and Technology，1999，32：79－88

［31］Ding Q B，Ainsworth P，Tucker G，Marson H.The effect of extrusion conditions on the physic－chemical properties and sensory characteristics of rice－based expanded snacks［J］.Journal of Food Engineering，2005，73：142－148

［32］Bhattacharya S.Twin－screw extrusion of rice－green gram blend：extrusion and extrudate characteristics［J］.Journal of Food Engineering，1997，32：83－99

［33］Mezreb K，Goullieux A，Ralainirina R，Queneudec M.Application of image analysis to measure screw speed influence on physical properties of corn and wheat extrudates［J］.Journal of Food Engineering，2003，57：145－152