膨化技術在發酵食品中的研究與應用*

張茜

（山西金龍魚梁汾醋業有限公司，山西晉中 030600）

發酵食品是指人們利用有益微生物加工制造的一類食品，具有獨特的風味，已經成為食品工業中的重要分支。雖然我國傳統發酵食品歷史悠久，但受傳統工藝影響較深。近年來，隨著人民生活水平的日益提高、科學技術的飛速進步、食品發酵工業的迅猛發展，利用先進技術和裝備，保障發酵食品的質量和安全、擴大生產規模、降本節能、改變傳統發酵食品工業面貌、提高行業競爭力，是當下研究應用的重點和難點。

擠壓膨化技術是一種利用熱能和機械能連續工作，集均質、蒸煮、糊化、殺菌、脫毒、膨化及色香味形成等多工序為一體的高新食品加工技術。該技術可提供更高的靈活性，降低生產成本，提高生產效率，改進產品質量，更具生態性（減少了對水添加的需求），已廣泛應用在食品工業、發酵工業、飼料工業、醫藥工業等方面。

1 擠壓膨化技術原理及特點

1.1 擠壓膨化技術原理

當含有淀粉、水分的原料進入膨化機內，螺桿推動原料軸向輸送，在膨化機系統內加熱、摩擦，在消耗大量機械能、熱能而產生的高溫、高壓下，原料被擠壓、均化、剪切，由粉狀變為流動狀態后通過模孔擠出，由高溫高壓轉變為常溫常壓狀態，原料瞬間膨化、體積膨大、多孔疏松、口感酥脆、風味較好。

1.2 擠壓膨化技術對原料的影響

在發酵食品中，用于擠壓膨化的主要原料為糧食谷物。膨化后產品體積增大、比重降低、質地疏松，其原料結構和營養成分也發生了變化。

在高溫、高壓、高剪切作用下，淀粉在低水分狀態下糊化，其本質是自由水分子作用下氫鍵大量斷裂，半晶體解體的過程。淀粉鏈部分被打斷，淀粉降解，生成小分子寡糖（麥芽糖、糊精等小分子物質），導致淀粉含量減少，糊精和還原糖含量增加。

蛋白質由于高溫、高壓變性，化學鍵被破壞，分子結構再次定向排列，蛋白質被降解，水溶性和生物學效價下降，導致蛋白質的含量有所下降，同時美拉德反應易造成氨基酸特別是賴氨酸的損失。

脂肪在擠壓過程中水解生成單甘油和游離脂肪酸。脂肪貫穿于直鏈淀粉螺旋管中，成為淀粉脂肪的復合物，降低了擠出物中游離脂肪酸的含量。使原料中脂肪酶、脂肪氧化酶鈍化，提高食品貯藏的穩定性。

擠壓過程中，膳食纖維被徹底微粒化，纖維分子間的化學鍵斷裂，隱藏在分子內部的活性基團外露，增加了和水分子的接觸面積，部分不溶性纖維向水溶性纖維轉化，改善了纖維食品的口感和部分功能特性，如持水性、持油性、膨脹力等。

1.3 擠壓膨化系統分析模型

擠壓膨化過程是一個復雜的物理、化學過程，系統研究及應用需關注以下關鍵參數（見表1）。

表1 擠壓膨化系統分析模型

1.3.1 重點工藝參數解讀糧食谷物類制品，其主要成分為淀粉和蛋白質，其直、支鏈淀粉比例及蛋白質含量影響著擠壓產品的膨化率。隨著直鏈淀粉含量的增大，膨化率先增大后減小。蛋白質含量較高的原料膨化率較低。

原料粒度要求大小適中、均勻，才能保持適當的摩擦力，便于擠壓膨化的進行，一般為10～60目。粒度過大或過小，會造成機腔內物料推進困難，無法膨化或回流碳化。

水分可減弱物料間相互作用力，有利于機腔內壓力和溫度的平衡。操作應控制系統內最適含水量，一般水分的添加在濕基為5%～12%之間較合適。水分過大或過小，均會造成淀粉回生或碳化。

溫度是促使淀粉熟化、蛋白質變性并使原料變為均勻流體的重要因素。機腔溫度升高，膨化率先增大后減小，一般要求機腔溫度為120℃～180℃，淀粉部分降解，有助于美拉德反應進行。為了最大程度保留物料中維生素等營養成分，升溫和降溫時間盡可能短。

增加螺桿轉速有利于增加物料的剪切速率，提高溫度，降低物料在機腔內滯留時間，色澤變淺，膨化率增加。螺桿轉速過高或過低均會影響膨化效果。

喂料速度和和腔體壓力、摩擦力、溫度呈正比，隨著喂料速度的增加，膨化率先增加后降低。

通過改變不同的螺桿元件、元件長度、元件位置等螺桿結構，以改變物料機械能和熱能，確保產品膨化率。另外，螺桿與螺套的間隙小、螺距小、螺套螺紋錐度大等皆有利于膨化的進行。

模孔直徑小，內外壓差大，出料速度快，有利于提高產品膨化率。

1.3.2 重點系統參數解讀

物料熟化能量來源的2 個重要路徑為：單位機械能（SME）和消耗熱能（STE）。水分含量、機腔溫度、喂料速度和螺桿轉速等參數均會對單位機械能產生顯著影響，膨化過程中，需消耗大量的單位機械能，一般與螺桿轉速呈正比，與水分含量、機腔溫度、喂料速度呈反比。通過消耗大量熱能，滿足原料淀粉的糊化，確保機腔溫度等參數及膨化的正常進行。

物料停留時間和機腔壓力決定最終擠壓制品的質量和物理化學反應程度。

1.3.3 重點目標參數解讀

膨化率指原料膨化后的體積或橫截面積與膨化前原料的體積或橫截面積之比值，用于描述物料膨化程度，是評價膨化制品質量的重要指標。

吸水指數（WAI）指將膨化制品溶于水后，除去上清液，剩余沉淀質量與制品干重的比值。水溶性指數（WSI）指將膨化制品溶于水后，溶解于上清液中制品質量與制品干重的比值，直接影響膨化制品的應用。吸水指數和水溶性指數兩者呈負相關，因為吸水指數（WAI）可以間接反映淀粉的糊化程度，而水溶性指數（WSI）又代表了淀粉的降解程度。

糊化度代表淀粉的熟化程度，影響著后續發酵效率和周期，一般通過酶水解法測定。針對不同發酵工藝應尋找最適糊化度。

容重指單位體積內膨化制品的質量，一般用來表征膨化率大小。

1.4 擠壓膨化技術特點

①擠壓膨化技術可簡化工藝，提高生產效率，實現原料前處理的規模化、連續化生產，改善工作環境，降低勞動強度；②因膨化帶來的營養成分降解及疏松多孔的質構，為酶的作用提供了有利條件，可減少酶的用量，縮短發酵周期，提高原料利用率，降低成本；③因瞬間的高溫高壓，糧食原料營養成分損失少，易產生芳香易揮發成分，起到殺菌及脫毒的作用，提高制品質量，衛生程度高；④拓寬糧食原料的利用種類，無三廢污染，節省能源。

2 擠壓膨化技術在發酵食品中的應用

2.1 白酒行業

何媛媛等以擠壓膨化糯紅高粱為原料，優化酒醅含水率、酒曲添加量、稻殼添加量、發酵時間等發酵工藝參數，應用此發酵工藝釀造白酒并與傳統蒸煮法處理高粱對比，白酒出酒率增加到58.04%，比傳統出酒率高了5.78%，提高了原料利用率。楊官榮等用膨化原料與糧食原料對比，進行濃香型白酒釀造試驗，結果表明，100%膨化原料發酵可比糧食發酵提高14%的出酒率，膨化原料對出酒率的提高有顯著的促進作用。游見明等以大米為原料，經過膨化后直接添加酒曲用于小曲酒發酵生產，當膨化物料與稻殼之比為1∶1，酒曲添加量為2%，發酵溫度30℃時，60%vol 白酒的出酒率由傳統的53.6%提升至67.3%。

2.2 黃酒行業

陸燕等通過對膨化過程中糯米物理、化學性質一系列變化的研究發現：膨化前后，淀粉減少6.72%，還原糖增加1.21 %，糊化度顯著提高76.93%。對比了膨化法和蒸飯法制成的成品黃酒的常規成分，結果表明，膨化法的原料利用率為76.12%，較蒸飯法高10.89%。吳孟等研究了膨化技術在黃酒釀造中的應用，結果表明，擠壓膨化黍米比對照淀粉出酒率提高12.9 %，擠壓膨化玉米比對照淀粉出酒率提高21.7%。新工藝可節省酵母用量50%，發酵時間比原工藝縮短了28%。

2.3 啤酒行業

何媛媛等采用靜態自動頂空進樣結合毛細管氣相色譜法對添加了31%膨化小麥輔料釀造的啤酒風味中揮發性成分進行定性、定量分析。結果表明，膨化小麥輔料啤酒8 種揮發性成分由高到底分別為：異戊醇55.74 mg/L、乙酸乙酯13.51 mg/L、正丙醇10.24 mg/L、異丁醇9.68 mg/L、乙醛4.88 mg/L、乙酸異戊酯4.80 mg/L、辛酸乙酯0.44 mg/L 和己酸乙酯0.40 mg/L，符合淡色啤酒正常含量范圍。王玉露用低溫膨化高粱為輔料釀造啤酒，確定了低溫擠壓膨化高粱的最優參數：物料水分21 %，套筒溫度80 ℃，螺桿轉速210 r/min，模具孔徑10 mm，麥汁中的可發酵性糖的組成及其含量符合淡色啤酒的釀造要求。

申德超通過對啤酒中輔料的不同處理方式：擠壓膨化與傳統蒸煮糊化進行對比，結果表明，膨化啤酒輔料與對照相比，麥汁和醪液除糖化指標、過濾速率基本相同外，麥汁得率高8 %，發酵時間少10%，糖化過程用水量少3%。

2.4 醬油行業

曹燕飛等利用擠壓技術對釀造醬油的芝麻粕和面粉等原料進行處理，通過檢測膨化料的糊化度，優化面粉含量、含水量、擠壓溫度、螺桿轉速等膨化參數，結果表明，面粉含量26%，含水量21%，擠壓溫度90 ℃，螺桿轉速200 r/min，膨化料的糊化度為91.23%。孫言等以面粉為原料進行擠壓膨化，跟蹤對比成曲糖化酶活力，研究擠壓膨化參數對白湯醬油成曲糖化酶活力的影響。結果表明，面粉水分45%，套筒溫度80 ℃，螺桿轉速100 r/min，喂料速度10 kg/h，糖化酶活力1 293.49 U/g。通過使用此曲釀造白湯醬油，還原糖為243.25 mg/moL、氨基酸態氮為0.65 g/dL，醬油口味清甜，醬香濃郁。何媛媛以擠壓膨化豆粕和面粉為原料，跟蹤對比全氮利用率，結果表明，發酵溫度46.0 ℃，鹽水比例94.5%，發酵時間14.5 d 為最優發酵工藝參數，此條件下醬油的全氮利用率達86.5%，比傳統蒸煮工藝提高了6.1%。

2.5 食醋行業

顧建躍對比了以膨化玉米與蒸煮玉米為原料釀造食醋，原料出品率提高26.32%，淀粉出品率提高21.79%，釀造周期縮短了17%，曲子添加減少20%～30%。李大錦在食醋釀造中采用膨化法原料處理技術，摸索膨化大米酒精發酵和醋酸發酵工藝條件，結果表明，使用原料擠壓膨化技術釀造食醋，可省去調漿、液化、糖化等工序；降低a-淀粉酶用量，節省能耗，酒精發酵周期縮短17%，原料中淀粉利用率比傳統工藝提高10.39%，風味無差。馮德一等使用擠壓膨化原料進行食醋釀造，與原工藝相比，原料出品率提高20%；節省曲和酒母用量，發酵周期縮短10 d 左右，噸成本降低54.7 元，食醋感官、理化、衛生指標也符合標準要求。

3 結論

擠壓膨化技術已廣泛應用于方便食品、休閑食品、動物飼料、植物蛋白生產等領域，有著其他技術不可比擬的優勢，并取得顯著的經濟效益。擠壓膨化技術在發酵食品雖有研究和試驗，但是大規模生產應用較少，隨著科技的發展、行業的進步以及對擠壓膨化機理研究的不斷深入，相信擠壓膨化技術一定會取代部分傳統工藝，被食品發酵行業廣泛應用。