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食品和饲料挤压(膨化)技术进展 狗粮加工设备

  • 发布日期:2010-01-11      浏览次数:4352
    • 食品和饲料挤压(膨化)技术进展
      RECENT ADVANCES IN FOOD-FEED EXTRUSION
       
       
       
       
       
      谢富弘  博士
      美国密苏里大学  教授
       
      Fu-hung Hsieh,Ph. D.
      Professor,University of Missouri
      Columbia, MO 65211 
       

       
          前    言
          挤压是一个由若干作业单元综合一起的工艺过程,其中包括搅拌、揉合、剪切、加热、冷却、成形、和造型。该工艺过程也是将一种材料在多种不同条件下压缩加工成半固体物,再迫使它以预定速度通过一个成形孔或缝隙之类的局限口子(Dziezak, 1989; Hsieh, 1999a & b)。关于挤压的*个为人所知的记录是在1797年,当时Joseph Bramah用一个活塞驱动的装置制造无缝铅管(Janssen, 1978)。后来食品工业将该发明用于通心粉制作。*台双螺杆挤压机是Follows 和 Bates在1869年研制的,用来制作肉肠(Janssen, 1978)。1873年为Phoenix Gummiwerke A.G.开发了有浅螺片的、在固定圆筒机镗中转动的单螺杆挤压机(Linko et al., 1981)。
          上世纪三十年代中期,造型挤压机被用来将粗粒面粉和水搅拌压制成各种通心粉产品。几年之后,综合了输送、搅拌和成形作业的挤压技术被用来制作以预熟燕麦粉为原料的即食早餐粮(Harper, 1981)。上世纪三十年代后期,Robert Colombo 和 Carlo Pasquetti开发了同向旋转并相互啮合的双螺杆挤压机,可以不使用溶剂而进行纤维素搅拌(Marli, 1983)。四十年代中期,*种挤压-熟化的膨化食品,玉米小食品,用单螺杆挤压机进行商业化生产(Hauck and Huber, 1989)。用单螺杆挤压机生产的干膨化宠物饲料、干膨化即食早餐粮和组织化植物蛋白分别是在五十年代、六十年代、七十年代引入市场的(Harper, 1981; Hauck and Huber, 1989)。在七十年代早期,Creusot-Loire开发了双螺杆塑料挤压机应用到食品方面。zui后,八十年代把用挤压工艺生产的水产饲料带入了飞速商业化进程(Hauck and Huber, 1989)。关于食品挤压技术的历史zui近已在中文出版物中得以阐述(Liu, 2000; Zhu et al., 2000)。
          食品和饲料挤压技术应用
          用挤压技术已经直接或间接生产出许多种类的食品和饲料。挤压在食品方面的应用分为两类,即半成品和成品(Wiedmann and Strobel, 1987)。在半成品方面,用挤压熟化制作预糊化粮谷粉类、马铃薯淀粉和粮谷淀粉,比用鼓式烘干之类的传统工艺的经济效益更好。通过控制工艺条件达到所要求的淀粉糊化与分子降解的平衡,可以制作出有很宽范围冷水溶解度的淀粉和化学变性淀粉(Fitton, 1985)。发表了大量的文献论述挤压早餐粮(Daniels, 1970; Miller, 1994; Fast, 2000)、小食品(Gutcho, 1973a; Cosgriff et al., 1985; Moore, 1994)和组织化食品(Gutcho, 1973b, 1977a & b)。在食品和饲料其他方面的应用有水产饲料(Kiang, 1999a & b; Rokey, 1994)、干的和半湿的宠物饲料(Williams, 1999; Rokey, 1994)、啤酒花(Westwood, 1994)、预熟淀粉和变性淀粉、小面包干(Antila et al., 1983)、烹炸用滚面包屑(Smith et al, 1985; Noakes and Yacu, 1988)、油炸碎面包片、全脂大豆粉、预熟面条、饮品基料、汤和浇卤基料,还有甘草味、果味软糖和巧克力之类的糖果(Harper, 1981; Smith, 1982; Best, 1994)。
          食品和饲料挤压技术进展
        一、 挤压机硬件和软件


        1.挤压工艺过程监测、控制和故障排除
          对于挤压工艺过程监测和控制来说,测定主要的产品质量特性和工艺变数是必要的。与某项挤压应用相称的仪器配备数量取决于该产品的经济效益和使用该仪器所得信息的能力(Chessari end Shellahewa, 2001)。一般地说,挤压机仪器有测定驱动设备电机马力的安培表、简单的或复杂的固体/液体原料喂入系统及其有关的流量计、蒸汽压力表、测定压模熔化温度的热电偶。有的情况下,压模处配备一个压力表。工艺过程监测方面,在一个可视仪器上显示实时信息,并记录下分析数据。操作员根据实时信息作决定并对工艺参数进行手工控制,以尽量减少质量不合格产品。记录下的数据可用来分析该厂的生产状况。
      目前市场有各种各样价格上可以承受的记录数据的软件。zui普通的用于工艺过程检测的软件叫做SCADA(Supervisory, Control and Data Acquisition,即监督、控制和数据获取) 系统, 该系统也具备一定的监控能力。 图1显示的是典型的工艺过程检测监控系统。 很多新型挤
          压机工程都有SCADA系统,可以做实时工艺过程检测,并与一个更先进的控制系统联接。很多稍旧一些的挤压机通过一个适合的连接装置也能接上SCADA系统。设计SCADA系统应考虑以下几个方面(Chessari and Shellahewa, 2001):

        图1 典型的工艺过程检测监控系统(Chessari and Shellahewa,2001)
        1) 与本机控制系统易于对接。

        2) 该系统应有工艺过程检测和监控能力。

        3) “开放式结构”,这样的系统容易修改,而不必大动硬件和电路。

        4) “本机”控制板应能操作挤压机(例如,有“本机”/ 遥控旋扭),这样,如果运行SCADA的电脑和其他控制软件失灵,挤压机还能运行。

        5) 所有的安全联锁装置都必须是电线连接的,或者是通过程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller ,缩写PLC)控制, 而不是通过SCADA电脑,因为PLC在工业环境比PC更可靠。

        6) 系统应当可以扩充(加装另外的传感器、本机控制器)。


          SCADA系统的一个实例是 Concept One系统,其开发公司是Measurerex System, Inc. (Cupertino, Calif.)[参考Plastics Technol., 42(8), 17-19, 1996]。它让操作员通过一台PC电脑中的系统即可对挤压工艺过程和产品进行监测和控制。
          能够对出现的问题作出判断并提出解决办法的新软件也已有售。举例说,Xtru-Xpert (Polydynamics Inc., Hamilton, Ont.)可协助排除13种普通挤压故障,包括波涌、螺杆和机镗磨损、熔体堵塞、水分、凝胶、共挤时料层厚度不匀[参考Plastics Technol., 45(2), 17, 1999]。该软件在PC电脑中运行只要求用户提供很少数据,如机器尺寸、机镗温度和喂入料的流变学特性。该系统能计算挤压机产量、动力消耗、马力和扭矩,以及料流通过各种压模的压差、剪切率和剪切应力。
        2. 滚动喂料斗
          American Kuhne, Inc. (Norwich, CT)公司设计的一种新型料斗(图2),可以更快地改换喂入料 [参考Plastics Technol., 47(11), 15, 2001]。料斗有三个位置:喂料、关闭、翻卸。报道说,翻卸位置是流线型的,所以当挤压机清扫时易于腾空。
        3. 快速更换的机镗
      Merritt Davis Corp.(Hamden,CT)公司推出了新型可换机镗,将
       

      图2 Kuhne, Inc. 公司 (Norwich, CT)新型转动料斗
      挤压机机镗的L/D从15:1换为36:1 [参考Plastics Techno l., 47(5), 16, 2001]。可换机镗单元 (每个单元都有外壳、加热器和风机)用螺栓固定在挤压机的喂料斗喉部(图3)。通过一种有新型凸缘的设计和简化栓接以及电路安排,可以使机镗迅速升举落位。电路从机镗外壳下行到一个单一出口,而不是将几个加热器分别接上一条引线,这样即可在几分钟内迅速改装。
      4. 通用可改型变速箱装置
      Merrill Davis (Hamden, CT)公司推出了*套通用可改型变速箱装置 (universally retrofittable assemblies),适合于几乎所有类型的11.43㎝、15.24㎝和20.32㎝的挤 压 机 [参考Plastics Technol., 
      7, 2001]。对于当今标准来说马力不够的旧挤压 机,或

      角的,声称可减少螺杆磨损30% [参考Plastics Technol., 45(10), 17, 1999]。报道说,负卷边角可显著减少压力并减轻在放气孔与压模间卸料区与机镗壁的磨擦。负相角螺片在螺根处比上面的螺片表面要窄,与常规螺片的设计相反(图4)。反向角加大了表面积,推动更多的物料与螺杆接触而使温度更均匀;还可加大螺片

      念挤压机
      比,可节省能量达50% [参考PlasticTechnol.,43(4),15-17,1997]。该机器的能量效率,据称是由于给原料输入刚够熔化的热量而不过分加热。常规机器消的能量超过了需要,而多余的热量还需用更多的能量通过水或空气冷却去除。 与标准挤压机不同,该系统主要依赖穿过机镗的热传导,而不是剪切热
      有一个短而高速的深槽螺杆,这螺杆的设计是为了将喂入料压实并往前输送。在*阶段没有熔化。压实的物料移送到第二阶段,这里一个长122-152㎝绝热良好的机镗利用外源的电热板加热器或传导加热器熔化喂入物料。第三也是zui后阶段,一台低剪力固定搅拌机进行分散个别搅拌 (dispersive and distributive mixing.)。这种新概念挤压机不同于常规挤压机有两点:*,产量随螺杆转速直线上升,不受熔体流变学影响;第二,机镗外加热器的能量消耗比驱动螺杆的电机的能量消耗大得多,这与常规挤压机的情况正好相反。这种挤压机的传输能力有限,在加工高粘度原料和压模高压力情况下,这可能会削弱挤压机的表现。这种挤压机的压模可达到的zui大熔化压力是3000psi(204 atm),而标准挤压机是5000 psi (340 atm.)。 7. 对压模作冷冻清理 Genca Corp.(Clearwater, FL)公司近来申报了一个进行工具清
      工艺过程的。[参考


      除了由其他清理方法,如喷灯和刮削,所造成的工具伤害。Genca新CVC(cryogenic vibrational cleaning,即冷冻振荡清理)的工艺装置是一个处理容量为721㎝3 的不锈钢筒,将一个零件通过热力振荡进行清理,即用液氮冷却,随后逐渐暖热和振荡。这种工具清理过程在一个箱室中将压模、刀具和其他金属工具零件进行冷冻、然后加热、振荡,直到烤上的物质被刷除。这种冷却循环也可增进工具的表面硬度。Genca打算将来推出清理螺杆的大型装置。 二、挤压工艺与产品 1.组织化蛋白像肉制品
      Harper (1981)提出,挤
      *类是肉品增补剂(meat
      短时(HTST)挤压工艺制做,原料是小麦面筋、脱脂大豆粉或大豆餷(soy grits),并混合多种添加剂。制得的产品是高度膨化的,有明显的纤维成形。这种制品复水后可用来补充肉馅或肉制品 ,在比萨饼顶料   (toping)、肉肠

      analog)。这类制品必须是致密的,具有像真肉一样的
      ,在长时间烹调或高压加热处理后仍保持肉的特征,具有像真肉一样的外观和口味。Atkinson (1970)描述了这类制品给挤压-组织化蛋白进入商业化带来的巨大效应。脱脂大豆薄片或大豆粉(蛋白50%)与水、氯化钙、盐、牛肉调味料及过氧化氢溶液混合,使产品有可口的风味,zui后含水30%,在177°C下挤压加工。该制品挤出压模即迅速膨胀,获得干的蛋白质错综薄层绞合结构,然后切成12.7 mm长度。将所得制品在103 kPa蒸汽中高压处理60min。该水合的产品外观像牛肉,质地紧实有咬劲。含水30%左右用热塑挤压制得的仿肉品必须用水或加香/调味液进行复水。关于大豆蛋白低水分挤压的文献,包括美国文献,是几十年的研究积累,数量繁多(Bhattacharya et al., 1986; Burgess and Stanley; 1976; Cumming et al., 1972 & 1973; Gutcho, 1977a& b; Maurice et al., 1976; Maurice and Stanley, 1978; Sheard et al., 1984; Simonsky and Stanley, 1982; Stanley, 1989)。 热塑挤压时单螺杆挤压机能够运行的zui高水分是35%或还要低一些。这是因为单螺杆
      机镗内打滑。另一方面,双螺杆挤压机像一个正压泵,喂入料水分不受限制。作者实验室的一项研究表明,低水分单螺杆挤压制得的组织化大豆蛋白的海绵结构,可以用高水分(60-80%)双螺杆挤压工艺改变成更像肉的纤维结构(Kelly et al., 1999; Lin et al., 2000 & 2002)。所用的主要原料是分离大豆蛋白和小麦淀粉。先将大豆分离蛋白与小麦淀粉的混合物在挤压机内以一定水分(60-80%)进行水合,然后在130°C以上的温度中变成熔化态,此时迫使通过一个长的狭缝压模,在此处蛋白熔体温度降到100℃以下(Noguchi, 1989;Chef etal., 1992)。这样的高水分双螺杆挤压工艺制成的产品具有十分有趣的像肉的纤维结构(图,b)。肉调味剂可在挤压前或挤压后添加。因为有像肉一样的纤  维结构,制品就有吸收美味的能力。
      品蛋白的挤压乳化胶凝或微细凝结(Microcoagula


      产品
      螺杆挤压工艺制成的产品(Chef etal, 1992)。因水分和脂肪含量不同,有硬块制品和软涂制品。该挤压工艺有以下作业:搅拌、熔化、油脂乳化、灭菌、局部冷却。压出挤压机的加工奶酪温度大约在80℃,为粘滞流体,冷却时发生胶凝作用,在80℃温度下保温一段时间后,凝胶网络固化。产品的油脂乳化程度、干酪素“重联合”(reassociation)程度和熔化度(meltability)取决于其成分和工艺参数。用食品蛋白挤压熟化方法还可以制成半固体的脂肪代用品(图6),具有像涂抹品一样的稠度和细滑的质地(Chef et al., 1992)。这是用在Ph 3.5-4.0条件下分离的一种20%水分散乳清蛋白经热机械加工制成的,机镗温度85-110℃,螺杆转速75-200 rpm。在双螺杆挤压机的剪力影响下,适度加热促使Э-乳球蛋白部分凝结成小颗粒(<20μm)。在pH 3.5-3.9范围内可获得zui佳硬度、附着性和滑爽度;提高温度可加大硬度;提高螺杆转速可显著增加小的凝结蛋白颗粒的比例。

       
       
      3.
      直接膨化的食品和饲料的挤压往往是在低水分、高剪力条件下进
      ,因为获得所要求温升的能量主要靠电机能量消散到面团体中。在剪切机械能量输入较高的情况下,挤压机机镗磨损快,维生素、氨基酸之类价值高的养分以及其他对热和/或剪切敏感的较贵重物质,如食品和饲料的香味,也会损失更多。这些缺陷可以用一种新工艺,即临界液体挤压(SCFE)加以克服(Mulvaney and Rizvi, 1993)。 采用SCFE时,超临界液体与制作直接膨化产品的挤压工艺伴随
      7)。把准备用来溶于超临界CO2中的物质(香味剂、着色剂和其他添加剂)装进提取容器中,在要求的压力下进行提取。同时,干喂入料与水在预

      (Mulvaney and Rizvi,1993)

      注入结合在挤压机长度的前半段完成熟化。熟化后,让物流放气冷却机镗后 半段,使
      一端注入挤压物中。由于超临界CO2的浓度在挤压机内下降,香味剂、着色剂和其他添加剂沉积下来,超临界CO2或者被溶解,或者以小泡散布在挤压物中。在压模出口压力进一步下降,集结的小泡膨胀而使产品膨化。膨化度和溶解物添加的程度取决于zui初导入挤压机的超临界液体的数量和压力,以及螺杆和压模的结构。 SCFE膨化挤压物的容重(> 300 kg/m3)大于蒸
      00-200 kg/m3)。电子显微镜显示,SCFE膨化挤压物的表面通常比蒸汽膨化挤压物光滑;SCFE膨化挤压物的横截面有分布均匀的薄壁封闭气泡,而蒸汽膨化挤压物有不规则的开放气泡(Mulvaney and Rizvi, 1993; Sokhey et al., 1996; Lee et al, 1999)。 4. 耐储挤压果粒 
      很多食品中加入真的水果有时会出现问
      工果粒来克服。以往克服这种问题的办法,有的是将果料浸渍(Bradshaw et al., 1978; Fulger and Morfee, 1978; Agarwala 1985; Tucker 1997),也有关于仿制果粒的(Chesnut and Epstein, 1977; Lugay et al, 1990; Walter and Funk, 1996; Rollins and Fontana, 2000)。但这些产品都只含很少或根本不含真水果。要解决的问题是用真水果制出一种水活度适宜的果粒,添加到即食(Ready-To-Eat ,缩写RTE)谷类食品中不会使食品绵软也不会让果粒发硬(Shanbhag and Szczesniak, 1981; Lugay et al, 1990)。已经达到这要求的制品在配方上有很大比例的甘油(Chesnut and Epstein, 1977; Lugay et al, 1990; Walter and Funk, 1996)。 Akdogan and McHugh (1999) 以及 McHug
       
      )报道了他们关于改制桃和桃
      (1989)研究过将干果和浓缩果汁添加到米粉小食品中的效果。我们的实验室开发了一种挤压果粒,至少使用50%的真水果,其水活度适宜于添加到即食谷类食品或其他如烘焙类的食品中。在其搅拌、熟化和改制果粒的成形作业都采用挤压工艺(Moore, 1989)。所用原料有鼓式烘干的草莓粉、草莓果泥、甘油、卡拉胶和果胶。这种挤压果粒不但能保持所要的质地,还不利于致腐微生物的生长;此外,这种产品不仅能延长货架寿命,还避免了季节性的价格涨落,因为可以在水果收获季节进行生产,然后周年储藏、出售、使用。 5. 共挤压食品和饲料
      另一类值得注意的新开发
      压制品,即用一种特殊设计的压模将两种不同的原料经过共挤压形成一个整体产品。这种方法可以制成外焦里嫩的新型小食品或宠物饲料。共挤压工艺在面类食品和糖果制造中早已为人所知。先挤压后填料的产品在市场上也能看到(Millauer, 1999)。 共挤压要同时喂入两种原料:一种是谷类混合料
      ;另一种是夹心料,可能按产品要求而大不相同(de Cindio 等, 2002a & b)。需要用两台挤压机,但如果第2种原料是可以泵压的,其中一台挤压机可以用高压齿轮泵代替(Hsieh, 1999b)。还需要有特殊设计的共挤压模系统(图8,Millauer,1999)。共挤压技术可以开发出许多种新的小食品,例如双料挤压小食品。两台挤压机的料流速度和两种原料的粘稠度必须很好地加以调整。靠控制两种原料的粘稠度可以制出一些很有趣的新产品(图9、10)。 6. 用酶技术提高挤压机产量
      酶类被普遍用来制作水解物或消
      ;而用酶来作为一种辅助工艺手段以提高挤压机产量,则是相对新鲜
       


      到预调制器中。淀粉酶类将淀粉部分分解,使喂入料的粘稠度和水吸附力下降,螺杆转动所需扭矩和推动同样数量挤压物通过压模所需的压力也 随之减小。表1(Ziggers, 2002)说明了这个概念,即提高产量是基于加大螺杆的通过量而又同时保持螺杆的实际能量负荷。 作为参照饲料的粗碾物淀粉分析表明,总淀粉量的平均熟化率
      而酶处理产品的淀粉熟化率是95-99.9%,因所用的酶制品不同而异。残留酶活力(Residual enzyme activity)在5-80%之间,也因酶的种类而异。酶处理制品还表现了更好的适口性。在挤压工艺中使用淀粉酶类、新生酶类(Novozymes)的挤压酶(Extruzyme)的成本/利润列示于表2 (Ziggers, 2002)。

      得克萨斯农工大学试验
      荷,% 喂料
       
      度,kg/h 注水速
       
      度,l/h
       
      调制器/挤压机
       

       
       
      表2  挤压过程用酶处理的计算效益
      挤压机作业费用(欧元/ton)
       40
       43
       46
       49
       52
       55
       
      作业费用降低(欧元/ton)
       8.00
       8.60
       9.20
       9.80
       10.40
       11.00
       
      酶费用(欧元/ton)
       4.88
       4.88
       4.88
       4.88
       4.88
       4.88
       
      费用净降低(欧元/ton)
       3.13
       3.73
       4.33
       4.93
       5.53
       6.13
       
      产量增加(%)时持平
       12.2
       11.3
       10.6
       10.0
       9.4
       8.9
       
      提高产量:20%
       
       
       
       
       
       
       
      酶用量:1.5kg/ton
       
       
       
       
       
       
       
      酶价格 3.26欧元/kg折合酶费用 4.88欧元/ton饲料
       

      参考文献
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      美国大豆协会
      美国大豆协会,总部设在美国的密苏里州圣路易斯市,于1920年在印第安纳州召开的*届“农业州大豆会议”上成立。作为一个非盈利性组织,大豆协会代表其主要会员:农业公司及个体农民,进行广泛的促销、研究和教育活动,以求达到其宗旨:推动美国大豆业的发展。它的主要活动包括:
      ——在全球范围内推广使用大豆及大豆制品;
      ——代表国内外大豆种植业主的利益,积极同美国政府和其他国家就大豆业的发展进行沟通:
      ——赞助科研活动,开发大豆和大豆制品的新用途,培育新品种。
      迄今为止,美国大豆协会已有32,000名会员,遍及美国的29个州,并在海外设有14个办事处,其中包括在中国北京和上海的两个办事处。
      自1982年在北京成立办事处以来,美国大豆协会一直同中国农业界密切合作,致力于提高家畜饲养的效率和生产能力。在过去的20年中,美国大豆协会驻中国办事处举办了数以百计的技术研讨会和饲养试验,出版了数百种技术资料,并为中国数万农民提供了直接帮助。
      美国大豆协会举办的专题研讨会包括饲养猪、家禽、鱼以及饲料的生产和科学使用等问题,还专门为中国饲料加工厂举办了关于质量控制、工厂管理和营养学的研讨会。它还与遍布全国的农场及饲料公司合作,进行饲养试验,帮助解决牲畜营养学、生产手段和动物健康等方面的问题。
      在技术交流方面,美国大豆协会也作出了突出的贡献。它平均每年赞助4个访问团赴美参观访问。这些访问使中国农业界人士与美国同行有机会就各方面信息及技术知识进行交流、探讨,使他们在活动中受益非浅。
      大豆协会平均每年编纂或翻译21份技术刊物,并免费发放;制作大量针对中国畜牧业的录像带,以帮助那些需要的公司与个体农民。
      为提高生产能力和效率,美国大豆协会对3,000个农场和饲料加工厂以及1,000多个水产养殖场提供免费咨询服务,由美国大豆协会的技术主管及的外国科学家、研究员负责实施。除指导饲养试验外,该服务还包括对畜棚设计、畜牧生产手段、饲料厂经营、营养学和牲畜健康提出建议。
      美国大豆协会用以推广美国大豆及其制品所举办的各种活动,其资金来自于美国大豆基金会和各州大豆委员会会员的部分收入,以及美国政府农业处提供的资金支持。

       

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