食品擠壓技術裝備及工藝機理研究進展

張金闖，劉 麗，劉紅芝，石愛民，胡 暉，王 強

（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，北京 100193）

·農產品加工工程·

食品擠壓技術裝備及工藝機理研究進展

張金闖，劉 麗，劉紅芝，石愛民，胡 暉，王 強※

（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，北京 100193）

以營養、低能耗、快捷為特點的新型食品擠壓技術如超臨界流體擠壓（supercritical fluid extrusion）、雙階或多級擠壓、擠壓機與3D打印機等設備聯用、智能化控制模擬技術受到關注。該文梳理了食品擠壓技術裝備發展概況；比較了普通低水分和高水分擠壓、超臨界CO2擠壓、雙階或多級擠壓以及擠壓-3D打印聯用等工藝技術的特點；總結了食品擠壓能量輸入與蛋白構象變化關系機理。結果認為：1）通過改進擠壓設備材料和結構及與中近紅外設備、流變儀、拉曼光譜儀等設備聯用，提高其通用性、可視性和智能性，實現擠壓過程全程監控，是今后擠壓設備研發的方向。2）控制擠壓過程中能量輸入方式或大小，是擠壓工藝研究要解決的主要問題，也是擠壓工藝放大生產的關鍵點。3）建立擠壓能量輸入方式或大小、物料組分結構變化及產品品質形成研究體系，研究結果為實現擠壓過程中能量輸入精準調控提供參考。

擠壓；技術；裝備；工藝；機理

0 引 言

食品擠壓技術集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、膨化及成型等過程為一體，具有高效率、低能耗，少排放、低成本，高溫短時、營養損失小等特點。擠壓法生產的組織化植物蛋白具有優良的吸水性和吸油性等功能特性，膽固醇含量為0，可作為肉制品添加物或模擬肉供人們食用[1]。目前國內已有50余家企業從事組織化植物蛋白生產，年銷量超過50萬t，市場前景良好[2]。此外，食品擠壓技術還廣泛應用于膨化型休閑食品、谷物早餐、糖果系列產品、改性淀粉以及發酵、制油等工業原料的預處理等[3]。Harper等[4]學者在食品擠壓技術方面做了大量研究，并出版了相關著作，為食品擠壓技術奠定了良好的設備、工藝等理論基礎，但依然不能完全用于指導實際生產。不同設備廠家生產的擠壓機千差萬別，給后期的研究應用帶來了技術難題，研究擠壓設備的構造及功能進展，有利于提高擠壓設備及配件的通用性，促進擠壓設備研發朝著共性方向發展。20世紀90年代以來，人們對擠壓機不斷改進創新，出現了許多新型擠壓技術及新型擠壓方法如超臨界CO2擠壓[5]、雙階或多級擠壓[6]、擠壓-3D打印聯用[7]等。而由于擠壓設備研發比較困難，再加上高昂的制造成本，擠壓新設備和新方法在食品領域的推廣應用還不廣泛。闡述新設備或新方法的特點及優勢，對提升擠壓設備技術研究水平具有重要意義。

不少學者做了擠壓工藝研究，其中普通低水分擠壓和高水分擠壓工藝較為成熟。以擠壓組織化植物蛋白為例，大豆蛋白、花生蛋白、面筋蛋白、乳清蛋白等植物蛋白為主要原料，粉碎過篩、蒸汽預熱、酸堿調節、添加食品添加劑等為主要預處理手段，喂料速度、機筒溫度、水分含量和螺桿轉速等擠壓參數已得到優化[1,8-9]。在擠壓機理方面，能量輸入是其本質，但由于擠壓過程是溫度、剪切力和壓力綜合作用的結果，導致機理仍不清晰，主流的觀點認為，擠壓能量的輸入使得蛋白質等分子結構發生變化，最后趨于穩定，形成穩定擠出物的纖維結構、色澤等[3,4,9]。而超臨界CO2擠壓、雙階或多級擠壓、擠壓-3D打印聯用等往往通過改變擠壓過程能量的輸入，從而影響蛋白等組分結構變化及功能品質的形成，新技術或新方法的工藝機理尚需進一步研究。

本文解析了雙螺桿擠壓機的構造及功能，梳理了擠壓技術及裝備發展概況；整理、闡述了普通低水分和高水分擠壓、超臨界CO2擠壓、雙階或多級擠壓以及擠壓-3D打印聯用等工藝技術的研究現狀；總結了擠壓能量輸入與蛋白構象變化關系機理，為食品擠壓裝備研發及新型擠壓技術及新型擠壓方法的推廣應用提供參考。

1 食品擠壓技術裝備發展概況

1.1 擠壓機的構造及功能

擠壓機是食品擠壓技術的主要設備，被稱為生化反應器，包括柱塞式擠壓機、輥式擠壓機和螺桿擠壓機等。食品工業中使用最廣泛的是螺桿擠壓機，其中最常見的是單螺桿擠壓機和雙螺桿擠壓機，雙螺桿擠壓機因其良好的輸送、混合性能，相對較高的能量利用效率，受到專家學者和生產商的青睞[10]。

以德國布拉本德集團公司、法國克萊斯特羅集團公司、美國維爾納-弗萊德爾工業有限公司、美國APV貝克公司等為代表的國際知名擠壓機生產商生產的單螺桿和雙螺桿擠壓機已被廣泛應用于植物蛋白擠壓組織化、谷物膨化等研究領域[3]。美國Wenger公司、瑞士Buhler 集團公司、濟南賽信膨化機械有限公司、濟南賽百諾科技開發有限公司、湖南富馬科食品工程技術有限公司等生產的擠壓機，可經過改造或直接用于組織化/拉絲蛋白或膨化食品生產，國內代表企業有浙江百川地道控股有限公司、山東御馨生物科技有限公司、秦皇島金海食品工業有限公司、哈高科大豆食品有限責任公司等[2]。圖1為德國布拉本德集團公司生產的 DSE-25型雙螺桿擠壓機的基本構造，包括控制裝置、喂料裝置、加水裝置、擠壓裝置（機筒、螺桿）、擠出模口以及附帶的壓力、溫度和扭矩傳感器等。通過智能化控制裝置，可設置機筒溫度、物料水分、喂料速度和螺桿轉速等基本擠壓參數，實時監測擠壓過程中壓力、扭矩、停留時間分布（residence time distribution）等設備響應參數，也可進行一些數據處理等[10]。喂料裝置可分為單螺桿喂料器和雙螺桿喂料器 2種，前者容易出現“架橋”現象，適合粒料，而后者喂料穩定、準確，適合粒料和粉料[11]。物料加水一般通過恒流泵、蠕動泵或隔膜泵等輔助完成，進水區溫度不宜高于80 ℃[12]。常見的擠壓機機筒由5區段、6區段或 8區段金屬材料組合而成，機筒溫度通過電加熱或水浴加熱等方式分別控制，主要分為混合區、蒸煮區和冷卻成型區[13-15]。螺桿是擠壓機的關鍵部件之一，物料通過它完成輸送、混合、剪切、熔融、成型并擠出的過程[4]。螺桿元件在芯軸上的排列與組合被稱為螺桿構型，不同螺桿元件具有不同的功能，常見的螺桿元件包括輸送元件、嚙合元件和齒形元件，如圖 2所示[16]。正向螺紋輸送元件用于混合和輸送；反向螺紋輸送元件的輸送方向與擠出方向相反，用于形成密封和建立高壓；嚙合元件具有很強的剪切和混合作用，常見嚙合塊組合錯列角有45°、60°、90° 3種，其中 90°組合剪切強度最大，但其幾乎無輸送能力；齒形元件主要起攪亂料流、均化和混合作用，使濃度很低的添加劑混合得更均勻[10]。模口也是控制擠出產品質量的關鍵，不同的模口設計，可獲得形狀各異的擠出產品，以扁條形和圓柱形常見[4]。

圖1 雙螺桿擠壓機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of twin-screw extruder

圖2 常見的3種螺桿元件Fig.2 Three common screw components

1.2 食品擠壓技術裝備研發概況

食品擠壓技術的發展歷史大約經歷了三個階段。第一個階段是在20世紀40年代以前，主要以成型為目的，如使用活塞式或柱塞式擠壓機制作灌腸、饸饹等，同時，單螺桿擠壓機開始在谷物膨化加工中得到應用。第二階段是在20世紀40年代以后，擠壓被認為是高溫短時的生物反應過程，可以對多種原材料進行改性，種類多樣的方便食品、休閑食品、兒童營養食品等擠壓食品相繼問世。第三階段是自20世紀80年代開始至今，擠壓機結構、擠壓過程監控技術和產品特性分析等方面取得突破，擠壓機運行過程逐漸實現了智能化控制，雙螺桿擠壓機以其巨大的優勢，開始呈現出取代單螺桿擠壓機的趨勢[1]。

1.2.1 普通低水分和高水分擠壓技術

根據物料含水率的不同，食品擠壓技術可分為低水分擠壓技術（20%～40%）和高水分擠壓技術（40%～80%）[1]。20世紀90年代以前，食品擠壓技術以低水分為主，對設備要求較低，單螺桿和雙螺桿擠壓機均可，產品多為普通組織化植物蛋白、休閑食品等，以低端消費為主[17]。1996年，中國科學家林炳鑒等[18]發明了一種可視化雙螺桿擠壓機，在機筒的頂部和兩側以及底部均設有玻璃視窗，可用于大豆組織蛋白、淀粉食品等研究生產，但尚未見相關應用報道。浙江百川食品有限公司江旭海等[19]將螺桿螺距由大到小排列，并在水化區和成熟區的螺桿上設有增壓裝置，獲得低水分拉絲植物蛋白，改善了組織化植物蛋白纖維化程度，達到國際領先水平。

Cheftel等[20]認為，高水分擠壓條件下（>40%）擠壓植物蛋白，可獲得類似動物肉的絲狀結構，較長的冷卻模口是獲得絲狀結構的關鍵。Hsieh等[8]將擠壓水分提高到 60%以上，生產出大豆蛋白模擬肉，此后高水分擠壓技術得到迅速發展。湖南富馬科食品工程技術有限公司晏文會等[21]設計出一種特殊的冷卻成型模口，可用于素肉等即食食品生產，屬國內首例。

低水分擠壓設備在運行過程中材料磨損嚴重，往往導致不能穩定生產，共性設備與個性設備的銜接配套問題在產業化應用中依然突出。而高水分擠壓設備還處于研發階段，模口設計是今后需要研究的關鍵部件。

1.2.2 超臨界CO2擠壓技術

超臨界 CO2流體具有類似氣體的擴散性及液體的溶解能力，同時兼具低黏度，低表面張力的特性，已廣泛用于組分萃取分離等[22]。1992年，Rizvi等[5]首次將超臨界 CO2流體與雙螺桿擠壓機實現聯用，用于組織化乳清蛋白[23]、果渣膳食纖維利用[24]、無酵母面包制備等[25]，標志著以營養、低能耗和快捷為主要特點的低溫擠壓技術（cold extrusion）的開始[22]。Common等[26]將超臨界CO2流體與單螺桿擠壓機聯用，并引入拉曼光譜技術，對淀粉、果膠等物料在擠壓機中混合效果做了研究，擠壓技術自動化水平得到提高。Wang等[27]研究了在雙螺桿擠壓過程中注入 CO2對玉米等低溫擠壓膨化產品理化特性的改善作用，認為CO2的注入可輔助膨化，但還未見CO2注入在組織化植物蛋白方面的報道。

超臨界 CO2發生器與擠壓機銜接要求比較高，一般的設備材料難以滿足要求，銜接處壓力的控制尤為重要。如何保證超臨界 CO2流體在擠壓機運行過程中平穩流動是今后應該解決的重要問題。

1.2.3 其他擠壓設備聯用技術

其他擠壓設備聯用技術，包括擠壓機與擠壓機聯用、擠壓機與其他設備或技術的聯用。Fishman等[28]將多級擠壓技術用于淀粉材料加工，而美國Wenger公司[6]也曾采用雙階擠壓法生產模擬肉，雙階或多級擠壓技術受到關注。閻仲黎[29]采用生物酶解預處理技術，申請了以高溫脫脂豆粕為原料制備擠壓組織蛋白的專利。與此同時，Mesa-Stonestreet等[30]又將生物酶解與雙螺桿擠壓機結合，獲得了高純度高粱濃縮蛋白，為擠壓技術高效發展提供了新思路。Karunanithy等[31-32]相繼研究了單螺桿擠壓機-微波聯用和單螺桿擠壓機-臭氧聯用技術，并在多糖提取等方面得到應用，使得總糖回收率分別達到 60%和70%以上。2016年，Tiwari 等[7]提出了將3D打印機與雙螺桿擠壓機連接的想法，并在制藥方面得到應用，為蛋白擠壓組織化技術新發展提供了參考。

而這些擠壓設備聯用技術具有一定的局限性，且尚未見在工業化大生產中的應用，這與其設備制造的復雜性及生產成本有關，仍需要進一步研究。

1.2.4 智能化控制與模擬技術

擠壓機的控制系統與其壽命和擠出產品的質量息息相關，目前各公司生產的擠壓機都已安裝了智能控制裝置[8,10,12]。井延波[33]設計了一種分布控制（distributed control system）計算機控制系統，實現了對溫度的精準調控。美國Thermo Fisher Scientific公司生產的雙螺桿擠壓機配備有報警裝置，可有效防止過載對機器的損壞[12]。此外，通過計算機軟件對擠壓過程模擬也是實現智能化控制的重要手段，Harper等[4]從物料的流變性能出發，對均化段進行了數字仿真，描述了雙螺桿擠壓機腔體內物料的表觀黏度與溫度、剪切強度、物料水分等操作參數之間的關系，提出了表觀黏度計算模型。陳合玉[34]通過構建螺桿單元的流動模型，并在此基礎上完成熔體單元的全局模型，模擬擠壓過程得到的壓力降、黏度、剪切速率等與實際擠出過程相吻合。Emin[35]以淀粉為原料的膨化食品擠壓過程進行建模分析，提出3D流體力學建模方法。Fan等[36]根據擠出物表面圖像，通過計算機視覺系統（computer vision system），可直接判斷出其質構特性。

迄今為止，智能化控制技術僅可控制擠壓過程中相應參數的變化，還未實現對擠出物品質形成過程的控制[37-38]。原料組分千差萬別，且在擠壓過程中發生復雜變化，表現為扭矩、壓力等不同，這制約了擠壓設備智能化研究進程[39]。開發更完備的在線控制系統，實現擠壓過程實時在線監測，對工業化穩定生產具有重要意義。

2 食品擠壓工藝研究現狀

2.1 普通低水分和高水分擠壓工藝

以植物蛋白擠壓組織化技術為例，食品擠壓技術主要分為低水分擠壓技術（20%～40%）和高水分擠壓技術（40%～80%），其生產工藝如圖3所示[40]。低水分擠壓技術主要熟化能是機械能，沿擠出方向的溫度分布為低-高-高，擠壓溫度多在 150 ℃以上[3,41]，擠出物稱之為低水分組織蛋白，呈海綿狀結構，色澤、大小、形狀和風味多樣，是市場上的主流產品，復水后主要作為肉制品添加物。高水分擠壓技術是國際上新興的蛋白重組技術，主要熟化能是水蒸氣熱能，沿擠出方向的溫度分布為低-高-低，與低水分擠壓技術相比，區別在于模口的不同，而且加工溫度較低（低于130 ℃）[42]，其優勢在于產品不需要復水，具有組織化程度高，彈性強的特點，質地更接近畜禽肉，營養成分和生理活性成分損失少，可以作為模擬肉，經過鹵制直接食用[17]。

圖3 植物蛋白低水分和高水分擠壓組織化生產工藝Fig.3 Production process of low and high moisture extruded-texturized vegetable protein

無論是高水分組織化/拉絲蛋白，還是低水分組織化/拉絲蛋白，目前國內均沒有統一的質量評價標準[2]。研究多以組織化度或纖維化程度、纖維絲強度、持水性、色澤等為主要質量要素并結合感官評價展開，實際應用以客戶需求為主。根據Yao[43]、魏益民[44]、Osen[12]、洪濱[45]等對高水分組織化/拉絲蛋白的研究報道，原料蛋白質量分數在 50%～75%之間，擠壓溫度在 120 ℃以上，物料含水率在 60%以上是促進成絲的必要條件。張波[16]、江旭海[19]等通過螺桿構型改造，延長物料停留時間（residence time distribution），認為提供足夠的剪切力可增強纖維絲強度。而色澤也是其要考慮的質量要素，受擠壓溫度和物料含率影響較大。陳曦娟[11]、李誠[46]、郎珊珊[47]等研究認為，要獲得質構特性較好的低水分組織化/拉絲蛋白，需要擠壓溫度在150 ℃左右，含水率在30%以上，對螺桿轉速要求較高，一般需要200 r/min以上，不同蛋白原料要求不盡相同。復水或持水性、持油性同樣為其要考慮的質量要素，受擠壓溫度影響較大[46,48]。

目前，國際上僅美國、歐洲等幾個國家的少數企業在進行高水分組織化/拉絲植物蛋白的研發，中國對該技術的研究仍處于理論階段。不同生產廠家、不同設備型號的擠壓工藝不盡相同，原料質量性狀參差不齊，預處理手段也各式各樣，擠出產品后期的干燥和貯藏鮮有報道。如何在獲得高品質組織化植物蛋白的基礎上，對其品質保藏進行研究，將填補低水分和高水分擠壓工藝的空缺。

2.2 超臨界CO2擠壓工藝

超臨界 CO2擠壓技術最大的特點是在接近模口處注入超臨界 CO2作為發泡劑，在低溫、低剪切條件下輔助膨化，分為超臨界CO2單螺桿擠壓和超臨界CO2雙螺桿擠壓，目前主要用于谷物、果蔬膨化等方面，擠壓工藝如圖4所示[22]。

圖4 超臨界CO2擠壓工藝[23]Fig.4 Production process of extrusion assisted by supercritical carbon dioxide

Common等[26]通過在線拉曼光譜技術測定淀粉、果膠等組分在超臨界 CO2單螺桿擠壓過程中的停留時間（residence time distribution）分布，認為螺桿轉速和超臨界 CO2僅對流體流動過程的平均時間起作用，而并不會分散流體和改變流體流動行為，擠出物膨化率在 15%～70%之間。Cho等[49]通過 X-射線顯微成像技術研究了超臨界 CO2雙螺桿擠壓玉米膨化物的微觀結構，證實當超臨界CO2注入量由0.25%提高到0.75%時，玉米膨化物的蜂窩結構變得致密均勻。Afizah等[23]改進美國Wenger設備，將超臨界 CO2雙螺桿擠壓技術用于組織化乳清蛋白研究，提高了組織化乳清蛋白的乳化穩定性，50～70 ℃為最佳擠壓溫度條件。Ruttarattanamongkol等[25]將面團在37 ℃條件下擠壓，并注入 1%的超臨界 CO2，使得面團醒發時間縮短至2 min，制備出無酵母面包，整個過程無乙醇排放。Paraman等[24]在乳清蛋白中加入蘋果渣，研究得出，在雙螺桿擠壓機中注入1%的超臨界CO2，擠出物中蘋果渣的色澤得以保留，當蘋果渣加入量由 22%提高到28%時，擠出物的抗氧化活性從68.5%提高到 74%。Sharif等[50]在大豆蛋白、米粉混合物中添加鐵、鋅、維生素A、維生素C等，證實超臨界CO2的注入，使得鐵、鋅在擠出物中全部得以保留，50%的維生素A、維生素C未被損壞，與Paraman等[51]的研究結果一致。

可見，在擠壓機中注入超臨界 CO2流體，一方面作為發泡劑促進擠出物的膨化成型，一方面又可以減弱擠壓過程對營養物質的破壞程度。超臨界 CO2擠壓技術極大降低了生產過程的能耗，應用前景廣闊，但尚未見工業化生產，工藝放大或成難題。闡明超臨界 CO2在擠壓過程中對擠出物品質形成的影響機理，對指導其工藝研究具有重要意義。

2.3 雙階或多級擠壓工藝

雙階或多級擠壓實質為兩臺或多臺擠壓機的并聯或串聯，最后從一個模口擠出，擠壓工藝示意圖如圖5所示。

圖5 擠壓機串聯和并聯擠壓工藝[7]Fig.5 Production process of extrusion by series and parallel connection of extruders

美國Wenger公司[6]曾采用雙階擠壓法加工生產模擬肉如圖5a所示，在一級擠壓過程中采用無模口的擠壓機，擠壓溫度約 100 ℃，得到非定向的未組織化的蛋白一級擠出物；蛋白一級擠出物在二級擠壓過程中形成密實的片狀模擬肉。擠壓機并聯擠壓在制藥領域受到關注，如圖5b所示，Tiwari等[7]認為在擠壓機并聯擠壓過程中，不同原料可以單獨擠壓，最后通過一個模口擠出，但兩種物料黏度、流動性等需要接近。Fishman等[28]將雙螺桿擠壓機與單螺桿擠壓機聯用，用于淀粉材料 加工，認為雙階擠壓過程可促進高直鏈淀粉中的α-螺旋形成。

雙階或多級擠壓使得擠壓機能量輸入得到有效控制。而多個擠壓機之間銜接穩定性問題仍需考慮，工藝研究鮮有報道，實際操作難度較大，擠壓機機筒設計還需進一步研究。

2.4 擠壓-3D打印聯用工藝

近些年，3D打印技術受到熱捧，已用于巧克力等食品制造領域[52]。擠壓-3D打印機聯用，充分結合了擠壓機對物料組分結構、黏度等功能特性的改變作用和3D打印機的快速成型技術，擠壓工藝示意圖如圖6所示。

Pietrzak等[53]率先將微型擠壓機與3D打印機實現聯用，用于藥物制備，與普通低水分擠壓技術相比，溫度需提高 40~50 ℃。Tiwari 等[7]認為，擠壓機-3D 打印技術制備的藥物，提高了其運載能力，這一觀點被Melocchi等[54]證實。

擠出物特性與 3D打印機對原料特性的需求對接依然是一個難題，未見擠壓-3D打印聯用技術在食品方面的應用報道。分析食品原料的流變學等特性，通過擠壓-3D打印聯用技術，加工出各式各樣的食品，可豐富擠壓食品的種類。

圖6 擠壓機與3D打印機聯用工藝[7]Fig.6 Production process of extrusion by combination of extruder and 3D printer

3 擠壓能量輸入與蛋白構象變化關系

擠壓過程中輸入的能量包括溫度、剪切力和壓力，在這 3種能量的綜合作用下，物料在擠壓機腔內經歷固體輸送、過渡態到熔融態，最后由模頭排出等階段，整個過程一般在2 min內完成[4,9]。擠壓過程中，通過擠壓工藝參數的調節，改變擠壓過程中壓力、剪切力的大小、加工溫度的高低以及作用時間的長短，從而加工出人們所需的擠壓產品[3]。

3.1 溫度輸入與蛋白構象變化關系

溫度是改變蛋白質等分子構象的有效手段[55]。高溫改變了天然蛋白質的結構，蛋白質伸展，暴露出硫醇基團和疏水性殘基，氫鍵發生斷裂，使蛋白質分子降解成分子質量相對較小的片段，片段間通過二硫鍵形成較大的聚合體，使得蛋白質聚集速度增加[56-57]。擠壓過程中起主要作用的溫度為蒸煮區的擠壓溫度和模口溫度[58]。

高水分擠壓與低水分擠壓的擠壓溫度分別為 120 ℃和150 ℃，模口溫度分別為100 ℃左右和150 ℃左右，與產品質量要求有關[59-60]。Liu等[61]在利用擠壓法制備高水分組織化大豆蛋白過程中，采用突然停機的方法，分區段取樣，研究認為二硫鍵是維持高水分組織化大豆蛋白的主要作用力，其在溫度和水分急劇升高的蒸煮區形成，后期不再變化，與Chen等[62]的研究結果一致。而擠壓溫度高于 150 ℃的擠壓處理對二硫鍵有破壞作用，并引起自由巰基含量的增加，促進擠出物的膨脹[56,63]。康立寧[64]認為，擠壓溫度逐漸升高過程中（120～160 ℃），α-螺旋最不穩定，會逐漸轉化為穩定的轉角結構，而β-折疊結構基本保持不變，但隨著溫度的進一步升高（高于140 ℃），次穩定的β-折疊開始轉化為無規則卷曲，轉角結構基本保持不變。

超臨界CO2擠壓的擠壓溫度和模口溫度均在100℃以下，這是由于超臨界CO2的注入降低了玻璃化轉變溫度等，提高了溫度改變蛋白構象的效率[22]。雙階或多級擠壓過程中一級擠壓溫度較低（100 ℃），使蛋白質分子在機筒內發生定向排列，二級擠壓中，溫度升高，定向排列的蛋白分子交聯[6]。3D打印機的擠出成型與物料的熔融溫度密切相關，因此，擠壓-3D打印聯用過程中，對擠出物的溫度要求較高，這與流體流變學特性有關[53]。

3.2 剪切力輸入與蛋白構象變化關系

剪切力能顯著地改變蛋白質分子質量，機械剪切可以使蛋白質分子暴露出更多的巰基基團，在氧氣的參與下，巰基基團發生氧化反應形成二硫鍵，進而促進形成分子質量較大的蛋白質聚集體。而高速剪切作用可以對蛋白質顆粒產生強烈的剪切、拉伸和擠壓作用，使蛋白質顆粒發生破裂，粒徑變小，分子質量減小[56,63-64]。擠壓過程中擠壓剪切力的大小由螺桿轉速和螺桿構型調控，螺桿轉速越高，嚙合元件組合錯列角越大，擠壓機提供的剪切力越強，剪切強度可用單位機械能耗表征（specific mechanical energy）[16]。

低水分擠壓對剪切力要求較高，需要打破由于高溫形成的二硫鍵，促進膨化，形成空隙[46]。Vaz等[65]測定的大豆濃縮蛋白擠出物電泳結果顯示，低水分擠壓（25%）由于蛋白質受到強烈的剪切，會導致分子量降低。相對比低水分擠壓，高水分擠壓過程中，較弱的剪切力打破了蛋白的聚集，促進交聯成絲[66]。超臨界 CO2擠壓不需要強的剪切力，螺桿轉速多在100 r/min左右，這是由于超臨界 CO2的注入降低了流體黏度等，輔助剪切變稀過程[22]。

3.3 壓力輸入與蛋白構象變化關系

壓力對蛋白分子鏈的伸展和壓縮具有重要作用，較低的壓力（<200 MPa使球狀蛋白分子展開，三維結構局部變化，有利于蛋白交聯反應，起泡性增加[67]。而較高的壓力（>400 MPa），使得蛋白質聚集體解聚，造成其向小分子質量方向轉變[68]。擠壓過程中壓力的作用主要體現在模口處的壓力，導致水分、超臨界 CO2、乙醇等塑化劑的氣化，形成多孔或纖維結構。

水是常用的塑化劑和發泡劑，魏益民等[10]提出了“膜狀氣腔”理論，認為在擠壓過程中，流體中的氣泡隨著在模口處壓力的釋放逐漸擴大，最后在擠出的瞬間膨脹，形成孔狀結構。不同的模口設計會影響壓力大小和壓力釋放時間，Liu等[61]認為高水分擠壓過程中，較長的模口延長了壓力釋放時間，從而有利于蛋白網絡結構的形成。而低水分擠壓過程中，模口長度較短，導致壓力突然釋放，形成大小不一的小孔[69-70]。超臨界 CO2流體既具有液體的溶解能力，又具有氣體的擴散性，在擠壓過程中代替水作為塑化劑和發泡劑，與流體混合更為均勻[22]。其在模口處突然氣化，相比水分蒸發形成的氣孔數量更多，且大小更加均勻[23]。相對于水，乙醇具有較低的沸點，容易氣化，Vo等[71]以乙醇為發泡劑，降低了藥物制備過程模口處的壓力。

由此可見，溫度是促進蛋白等組分結構發生穩定轉變的基本驅動因素，剪切力促進分子鏈展開、斷裂并發生相互作用，壓力是多孔或纖維結構形成的關鍵因素。由于不同研究者使用的設備、采用的參數不完全相同，導致食品擠壓過程機理研究存在一定分歧，組分結構發生轉變和擠出產品品質形成的臨界點有進一步研究的必要。

4 結論與展望

食品擠壓技術發展過程中，新設備、新方法不斷涌現，特別是在設備聯用方面，如超臨界 CO2擠壓聯用、雙階或多級擠壓、擠壓-3D打印等，由于其較低的擠壓溫度、較高的能量利用率和較快的成型速度等受到研究者的青睞。目前僅低水分擠壓技術得到了產業化應用，高水分擠壓技術、超臨界 CO2擠壓技術、雙階或多級擠壓技術等由于其對原料及設備的特殊要求，導致生產成本較高，僅停留在試驗研究階段，共性設備與個性設備聯用成為問題。通過改進設備材料和結構，提高擠壓及配套設備的通用性、可視性；通過擠壓機與中近紅外設備、流變儀、拉曼光譜儀等設備聯用，提高擠壓過程智能化控制水平；通過軟件模擬系統，實現擠壓過程的全程監控，是今后擠壓設備研發的方向。

普通低水分和高水分擠壓工藝不盡相同，溫度和含水率是高水分擠壓關鍵控制點，低水分擠壓對剪切力要求較高。超臨界 CO2擠壓工藝不需要較高的溫度和剪切力，具有膨化效果好、營養損失小的特點。雙階或多級擠壓工藝將擠壓機進行了串聯或并聯，可根據物料特性分別控制能量輸入，工作效率較高。擠壓-3D打印聯用工藝的擠壓溫度較高，可快速獲得不同形狀的擠出產品。擠壓設備能量輸入的控制與調節是擠壓工藝優化過程中主要解決的問題，這其中一些關鍵技術保密嚴格，制約了其工藝優化及應用進展。如何將擠壓工藝完善，實現從原料端到產品端的穩定生產等問題亟待解決。實現擠壓過程中能量輸入的精準調控，有利于工業化生產過程中工藝參數放大，也將為擠出產品貯藏保鮮研究提供依據。

擠壓產品色、香、味、形等的形成，需要蛋白質等生物大分子參與作為物質基礎，更需要擠壓能量的催化，實質則為組分構象的轉變和最終的穩定。超臨界 CO2流體在蛋白等組分結構轉變過程中起重要輔助作用，降低了能量輸入。雙階或多級擠壓可分段控制組分結構改變，提高能量利用率。擠壓-3D打印聯用技術對能量輸入要求較高。不同原料或不同批次原料在蛋白含量、構象和功能性質等方面存在差異，不同擠壓工藝和設備由于能量輸入或作用方式的不同，對蛋白結構修飾能力不盡相同，導致工藝優化的普適性還不具備，使得構建擠壓產品品質形成機理模型的理論研究尚不充足。建立擠壓能量輸入方式或大小、物料組分結構變化及產品品質形成三者之間的關系，將會豐富食品擠壓技術理論基礎。

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Research advances on food extrusion equipment,technology and its mechanism

Zhang Jinchuang, Liu Li, Liu Hongzhi, Shi Aimin, Hu Hui, Wang Qiang※
(Institute of Food Science and Technology, Chinese Academy of Agriculture Sciences/Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture, Beijing100193,China)

Extrusion technology has a potential for becoming the most important food processing technology in future which can be exploited. Food extrusion technology with the characteristics of high efficiency, energy saving and pollution free, can be used for processing the extruded texturized vegetable protein and puffing food. The aim of this review was to give the detailed outlines about the research advances of food extrusion equipment and technologies, and the relationship and mechanism between inputting energy and protein conformational transition during food extrusion process. The tendency on the development of food extraction technology was proposed, with the following 3 areas being advanced: (1) Supercritical fluid extrusion (SCFX), two-stage or multi-stage extrusion and the combination of extruder and 3D (three-dimensional) printer, with rich nutrient, high efficiency and low energy consumption as characteristics, have attracted great attention. In the future,through improving the construction of extrusion equipment, and combining infrared device, rheometer, Raman spectrometer and other equipment, it will help extruder to improve the level of intelligent controlling with the advantage of versatility and visibility. Through the software simulation system, the whole extrusion process can be fully controlled. (2) The extrusion way and inputting energy were the key points of extrusion process. For high moisture extrusion, temperature as well as moisture and die aperture significantly influenced the quality of products, while low moisture extrusion usually required high shear force. Extrusion assisted with supercritical carbon dioxide (SC-CO2) did not need high extrusion temperature and high shear force, and the nutrient loss was small. For two-stage or multi-stage extrusion, the extruders were connected in series or in parallel and the inputting energy could be controlled according to the material properties. When combined with 3D printer, the shaping speed of the extruder would be faster, but the extruder required high extrusion temperature to run. Currently,controlling the way or the amount of inputting energy in the extrusion process was the main problem to be solved, which was also the key point for the process amplification. (3) It was necessary to build the theoretical model related to the inputting energy, the change of food structure and the quality of products, in order to realize the precise and scientific regulation for extrusion process. Extrusion processing could improve or change protein quality. In the extrusion process, the temperature was the promoting power for the stable transition of protein conformation, the pressure was the key factor for the formation of porous or fibrous structure, and the shear force promoted the molecular chains to unfold, break down and interact with each other. The SC-CO2played an important role in the process of protein conformational transition, which helped to reduce the inputting energy. In the two-stage or multi-stage extrusion process, the protein conformational transition happened respectively,which improved the work efficiency. But high inputting energy was required for changing the rheological properties of vegetable protein in the process of extruding with 3D printer.

extrusion; technology; equipment; process; mechanism

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.037

TS219；TQ021.5

A

1002-6819(2017)-14-0275-09

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10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.037 http://www.tcsae.org

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2017-01-16

2017-05-18

國家重點研發計劃（2016YFD0400205）

張金闖，男，河北大名人，博士生，主要從事食品擠壓技術研究。Email：zhangjinchuang1002@163.com

※通信作者：王 強，男，山東高密人，博士，研究員，主要從事油料加工與品質調控研究。Email：wangqiang06@caas.cn