金征宇， 田耀旗

(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/食品學(xué)院，江蘇無錫 214122)

農(nóng)產(chǎn)品高值化擠壓加工利用技術(shù)

金征宇， 田耀旗

(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/食品學(xué)院，江蘇無錫 214122)

擠壓是一種連續(xù)、高效、低耗，集溫度、壓力、剪切綜合作用于一體的加工方法，是食品、飼料等農(nóng)產(chǎn)品制造中常用的重要加工手段．簡述了農(nóng)產(chǎn)品螺桿擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和擠壓膨化原理;闡述了擠壓技術(shù)在碎米原料的綜合利用、變性淀粉干法生產(chǎn)、釀造和飼料原料預(yù)處理及特種飼料生產(chǎn)等重要領(lǐng)域的研究進(jìn)展，提出了擠壓技術(shù)在上述領(lǐng)域應(yīng)用面臨的科學(xué)問題，并針對農(nóng)產(chǎn)品高值化擠壓加工利用技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望．

食品;飼料;擠壓;膨化

2011年，全國農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)產(chǎn)值突破15萬億元，與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值比約為1.5∶1(國外約為4.5∶1)，從業(yè)人員達(dá)2 500萬人．可見，我國農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)逐漸成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中總量最大、發(fā)展最快、對“三農(nóng)”帶動(dòng)最大的支柱型產(chǎn)業(yè)之一．

擠壓是一種溫度、壓力、剪切綜合作用的加工方法，是食品、飼料等農(nóng)產(chǎn)品制造中常用的重要加工手段．它大大地簡化了生產(chǎn)工藝，降低了能耗，且無廢水、廢氣，減少了農(nóng)產(chǎn)品原料預(yù)處理及農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的污染源［1］．基于擠壓加工的種種優(yōu)勢，擠壓在材料、工程、醫(yī)藥、生物化學(xué)、農(nóng)學(xué)、環(huán)境等領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，見圖1．

圖1 擠壓技術(shù)研究在不同領(lǐng)域的分布情況Fig．1 Extrusion techniques used in different areas

目前，擠壓技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)科研炙手可熱，見圖2，主要集中在加拿大多倫多大學(xué)、英國劍橋大學(xué)、美國阿克倫大學(xué)、新加坡國立大學(xué)、國內(nèi)吉林大學(xué)、江南大學(xué)、華南理工大學(xué)等高等院校．部分院校和科研院所在20世紀(jì)50年代以前，就將擠壓技術(shù)應(yīng)用在寵物食品生產(chǎn)、預(yù)煮面條、谷物和油料種子的消毒滅菌等農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域［2］;20世紀(jì)60年代至20世紀(jì)80年代，擠壓技術(shù)相關(guān)的研究有了突飛猛進(jìn)的增長，主要體現(xiàn)在飼料膨化、谷物食品生產(chǎn)和組織化蛋白的擠壓預(yù)處理技術(shù)等方面［3］;然而20世紀(jì)末期至21世紀(jì)初期，科學(xué)家在農(nóng)產(chǎn)品擠壓加工領(lǐng)域側(cè)重于擠壓機(jī)可視化研究、擠壓作為生化反應(yīng)器原理以及擠壓機(jī)內(nèi)物料特性變化的數(shù)學(xué)模型等基礎(chǔ)研究［4］．可見，擠壓技術(shù)基礎(chǔ)研究的發(fā)展和深入是擠壓技術(shù)提升的必經(jīng)階段．本文即對農(nóng)產(chǎn)品螺桿擠壓機(jī)的膨化原理、典型農(nóng)產(chǎn)品擠壓加工機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡要闡述，以期對農(nóng)產(chǎn)品高值化擠壓加工利用技術(shù)的提升與推廣起一定的推動(dòng)作用．

圖2 擠壓技術(shù)研究論文發(fā)表情況(數(shù)據(jù)來源于Scopus數(shù)據(jù)庫，至2012年8月)Fig．2 Published papers in extrusion technologies(data from Scopus database，up to Aug，2012)

1 螺桿擠壓機(jī)構(gòu)造及擠壓膨化原理

1.1 農(nóng)產(chǎn)品螺桿擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)及擠壓系統(tǒng)選擇

根據(jù)螺桿數(shù)目，適用于農(nóng)產(chǎn)品加工的螺桿擠壓機(jī)分為單螺桿、雙螺桿和多螺桿擠壓機(jī)．其中，多螺桿擠壓機(jī)由于制造加工困難，對傳動(dòng)系統(tǒng)要求高，因而在農(nóng)產(chǎn)品加工行業(yè)中極少使用．單螺桿擠壓機(jī)中物料圍繞在螺桿周圍形成連續(xù)帶狀物料，當(dāng)物料與螺桿間的摩擦力大于機(jī)筒與物料的摩擦力時(shí)，物料將與螺桿一起旋轉(zhuǎn)，造成物料的輸送中斷．對于雙螺桿擠壓機(jī)而言，由于在C形開口處總有另一螺桿的螺旋齒板旋轉(zhuǎn)著，起到了擋板作用，物料不會(huì)出現(xiàn)共轉(zhuǎn)［5］．因此，雙螺桿擠壓機(jī)可將內(nèi)壁做成光滑的表面，避免不必要的摩擦，降低運(yùn)轉(zhuǎn)能耗．表1列出了單螺桿擠壓機(jī)與雙螺桿擠壓機(jī)的主要差別．顯然，其中物料的允許水分范圍以及加工能力的差別應(yīng)是最值得注意的方面．實(shí)際上，農(nóng)產(chǎn)品原料一般多是不定形、不均勻、高水分、高油分、多成分類的物料．因此，單螺桿擠壓機(jī)用于農(nóng)產(chǎn)品加工，可以說在機(jī)理上還存在著一定的問題，農(nóng)產(chǎn)品的擠壓膨化、成型加工，更理想的選擇是采用雙螺桿擠壓機(jī)，如表1［6］．

表1 單螺桿與雙螺桿擠壓機(jī)的主要區(qū)別Tab．1 Major differences between single and twin screw extruders

擠壓機(jī)的整體操作成本亦是擠壓系統(tǒng)選擇的重要指標(biāo)，見表2．新一代擠壓機(jī)操作費(fèi)用較低，主要是因?yàn)橘Y金投入的減少和能源效率的提高．由于每噸產(chǎn)量高出25%的資金投入，所以新一代擠壓機(jī)的資本投入可與天生高操作費(fèi)用的雙螺桿擠壓機(jī)相媲美［7］．雙螺桿擠壓系統(tǒng)若要降低操作費(fèi)用并提高它的適用性，則需要在擠壓機(jī)關(guān)鍵部件上不斷改進(jìn)，比如套筒內(nèi)壁使用低摩擦系數(shù)材料，減少螺桿與機(jī)筒的間隙等．

表2 擠壓系統(tǒng)操作費(fèi)用概算Tab．2 General operation price of different extruding systems

1.2 農(nóng)產(chǎn)品擠壓膨化機(jī)理

Kokini等［8］認(rèn)為農(nóng)產(chǎn)品擠壓膨化包括5個(gè)階段:物料從有序到無序的轉(zhuǎn)變、氣核生成、?？谂蛎洝馀萆L和氣泡塌陷，如圖3．物料由有序到無序的轉(zhuǎn)變，主要指物料在擠壓機(jī)內(nèi)的壓力、熱和剪切作用下發(fā)生多種變化，有原料自然結(jié)構(gòu)的破壞和重組，有生物大分子的變性，也有分子水平上的化學(xué)變化．其中主要是淀粉的糊化和降解、蛋白的變性，使顆粒狀或粉狀的物料轉(zhuǎn)變成具有黏彈性的熔融體．最后階段，由于氣泡生長停止后也可能不發(fā)生收縮，且氣泡塌陷也只是導(dǎo)致收縮的一個(gè)原因，故最后一個(gè)階段稱為“生長停止或收縮”更合適［9－10］．下面主要從氣核生長的角度論述農(nóng)產(chǎn)品擠壓膨化的機(jī)理．

圖3 擠壓膨化過程示意Fig．3 Schematic diagram of extrusion-expanding process

研究表明，擠壓過程中捕獲于熔融體內(nèi)的小氣泡也可以作為“氣核”［11］．如圖3，由于食品擠壓中通常采用饑餓式喂料，擠壓機(jī)內(nèi)不會(huì)全部充滿物料，根據(jù)喂料速度、螺桿轉(zhuǎn)速等擠壓條件的不同，擠壓機(jī)內(nèi)物料充滿段的長度也不一樣．物料向前輸送到一定位置時(shí)開始熔融，其中的一些空氣被“捕獲”在熔融體中．這時(shí)如果充滿段的長度大于熔融段的長度，一些物料就會(huì)在喂料口和融體輸送區(qū)之間相成阻隔，防止被捕獲的空氣返回到喂料口而后逸出．被捕獲的空氣就可以作為“氣核”形成氣泡，在隨熔融體排出?？诤蟀l(fā)生膨脹，使擠壓產(chǎn)品中氣泡較多;相反，如果充滿段的長度小于熔融段的長度，喂料口和熔融區(qū)之間沒有物料形成阻隔，熔融體中的空氣就會(huì)通過物料與擠壓腔內(nèi)壁之間的間隙經(jīng)喂料口逃逸出去，擠壓產(chǎn)品中的氣泡數(shù)量就少，如圖 4［10－11］．

圖4 基于充滿段長度的空氣捕獲機(jī)理Fig．4 Air-capturing mechanism based on full degree

1.3 系統(tǒng)分析模型及相關(guān)參數(shù)

Meuser等［12］提出的擠壓機(jī)系統(tǒng)分析模型把影響擠壓機(jī)加工參數(shù)分為操作參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)三個(gè)部分，如圖5．過程參數(shù)(X)就是擠壓機(jī)操作過程中加工物料的特性參數(shù)和擠壓機(jī)的特性參數(shù)．系統(tǒng)參數(shù)(Y)直接受過程參數(shù)的影響和控制，對于不同的過程參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)隨之而改變，可以用Y=f(X)來表示．而目標(biāo)參數(shù)(Z)可以用系統(tǒng)參數(shù)來表示成Z=g(Y)，系統(tǒng)參數(shù)直接影響和控制著目標(biāo)參數(shù)．系統(tǒng)分析模型就是將擠壓加工參數(shù)分成這三大部分．在研究過程中，可以將擠壓機(jī)分成兩部分進(jìn)行研究，一部分為過程參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)之間Y=f(X)的關(guān)系研究，另一部分為系統(tǒng)參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)之間Z=g(Y)的關(guān)系研究．這樣擠壓機(jī)的大量參數(shù)分析與研究就變得簡單化了．

每一種物料配方都有各自的特性，這會(huì)影響到怎樣準(zhǔn)確地利用所給的擠壓機(jī)操作得到產(chǎn)品目標(biāo)性質(zhì)．Strahm提出，高分子科學(xué)的原理可以應(yīng)用于物料配方中的生物聚合體，比如蛋白質(zhì)和淀粉［13］．通過這種方式，可以將總能輸入(以機(jī)筒內(nèi)物料溫度代替)和物料溫度的關(guān)系表示出來，得到描述典型的擠壓過程的曲線圖，如圖6［13］．可以看到，一開始生物料處于玻璃化曲線下方的一點(diǎn)．在進(jìn)入擠壓機(jī)機(jī)筒前，通過預(yù)處理的增塑作用得到又軟又濕的原料．在預(yù)處理之后，熱能和機(jī)械能的輸入使物料進(jìn)一步加熱和濕化．在模頭處失去的水分使物料冷卻和脫水，成為柔韌而潮濕的產(chǎn)物．然后，進(jìn)行干燥和冷卻就得到了酥脆(玻璃狀)的成品．

圖5 擠壓系統(tǒng)分析模型Fig．5 Analyzing models of extruding systems

圖6 典型擠壓過程的玻璃化和熔化曲線Fig．6 Glass and melting state curves of classical extrusion process

2 擠壓技術(shù)在典型農(nóng)產(chǎn)品高值化加工過程中的應(yīng)用實(shí)例

2.1 碎米擠壓生產(chǎn)復(fù)合營養(yǎng)米技術(shù)

復(fù)合營養(yǎng)米擠壓蒸煮技術(shù)，是指以碎米或者作為飼料原料的早秈米為原料，添加合理的營養(yǎng)成分或品質(zhì)改良劑，通過螺桿擠壓蒸煮、造粒過程得到具有米飯質(zhì)構(gòu)和口感的復(fù)合營養(yǎng)米［14］．具體擠壓蒸煮工藝如圖 7［14］．

圖7 復(fù)合營養(yǎng)米的螺桿擠壓蒸煮系統(tǒng)Fig．7 Extrusion cooking system of nutrition-fortified rice

在這一領(lǐng)域，國外主要采用單螺桿、雙螺桿蒸煮擠壓機(jī)研究原料在擠壓過程中各種營養(yǎng)成分的變化．比如，Moretti等［15］利用米粉為載體原料，使用單螺桿擠壓機(jī)研究了不同的鐵化合物對擠壓人造米的營養(yǎng)素穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)通過加入硫酸亞鐵擠壓強(qiáng)化的人造米，其顏色、口感以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與沒有經(jīng)過強(qiáng)化的普通大米沒有差異，而且其在漂洗過程中鐵元素?fù)p失率小于3%．Lee等［16］利用豆類與谷物作為原料，使用雙螺桿擠壓機(jī)制作出擠壓“人造米”，并研究了其物理特性及煮制特性．研究表明人造米的形狀為中形或長形，在電子顯微鏡下觀察，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常緊密，在擠壓蒸煮過程中，其外形尺寸增大了1.2～1.3倍．加水煮制后，人造米比碾制的顏色更加鮮亮．在質(zhì)構(gòu)特性方面，重組米的硬度、咀嚼性、膠著性比普通碾制米低，而在黏性和彈性方面則要比普通碾制米高．Su等［17］研究了利用雙螺桿擠壓機(jī)將蛋殼粉添加到大米中的擠壓過程，但是對人造米擠壓蒸煮過程中基礎(chǔ)問題的報(bào)道相對較少．

相比而言，國內(nèi)更側(cè)重于復(fù)合營養(yǎng)米擠壓蒸煮過程和造粒的研究，特別是如何針對最終產(chǎn)品形態(tài)，改進(jìn)擠壓機(jī)蒸煮系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，并根據(jù)產(chǎn)品目標(biāo)參數(shù)建立擠壓機(jī)操作參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)之間的聯(lián)系．比如，江南大學(xué)金征宇教授團(tuán)隊(duì)針對復(fù)合營養(yǎng)米擠壓蒸煮技術(shù)，發(fā)明了復(fù)合營養(yǎng)米的造粒模頭，圖8［14］，得到復(fù)合營養(yǎng)米形狀與大米形狀極其相似［14］．

圖8 模頭裝置示意圖和產(chǎn)品Fig．8 Schematic drawing of die

同時(shí)，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 PTW－24/25D實(shí)驗(yàn)型雙螺桿擠壓機(jī)的人造米擠壓系統(tǒng)參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)預(yù)測模型，開發(fā)了基于Matlab GUI的具有友好的可視化用戶交互界面、操作簡單、使用方便的擠壓蒸煮過程監(jiān)控系統(tǒng)，如圖9［14］．從監(jiān)控圖上可以非常直觀地看出，各個(gè)條件下的扭矩、壓強(qiáng)、螺桿轉(zhuǎn)速等指標(biāo)都是比較平緩的，機(jī)筒內(nèi)物料的溫度很好地控制在±5℃范圍內(nèi)，說明復(fù)合營養(yǎng)米擠壓蒸煮過程控制穩(wěn)定，系統(tǒng)參數(shù)對操作參數(shù)的反應(yīng)非常靈敏，螺桿轉(zhuǎn)速的變化會(huì)引起扭矩和壓強(qiáng)的明顯改變．

圖9 復(fù)合營養(yǎng)米擠壓蒸煮過程實(shí)時(shí)監(jiān)控圖Fig．9 Real-time extrusion process monitoring system of nutrition-fortified rice

2.2 螺桿擠壓機(jī)用作生化反應(yīng)器技術(shù)

2.2.1 螺桿擠壓機(jī)作為生化反應(yīng)器原理

把擠壓機(jī)與生物、化學(xué)轉(zhuǎn)化聯(lián)系起來始于20世紀(jì)80年代，這一構(gòu)思突破了傳統(tǒng)把擠壓機(jī)僅僅作為食品加工機(jī)械的觀念，將擠壓機(jī)用于以蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素等聚合物為基質(zhì)的生物材料進(jìn)行直接或間接的生物或化學(xué)轉(zhuǎn)化，大大拓寬了擠壓技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域．目前，螺桿擠壓機(jī)作為反應(yīng)器主要應(yīng)用在淀粉干法變性和釀酒輔料處理等重要領(lǐng)域［18－19］．圖10展示了擠壓預(yù)處理釀造原料的示意圖(W，水入口;S，谷物或淀粉喂料口;E，酶入口;SP，取樣點(diǎn))［19］．A區(qū)主要用來混合釀造用谷物或淀粉，以獲得30%～70%濕度的混合物以便淀粉糊化，其中物料通過單螺桿或雙螺桿傳送器從喂料口投料，水分通過蠕動(dòng)泵泵入，根據(jù)實(shí)際情況確定進(jìn)料速度和進(jìn)水量;B區(qū)主要通過溫度控制，實(shí)現(xiàn)淀粉糊化，并且將物料溫度控制在90～120℃，以方便后續(xù)酶的作用;C區(qū)為酶液化反應(yīng)區(qū)，此時(shí)酶和糊化的淀粉混合、作用，對淀粉或谷物進(jìn)行預(yù)液化;發(fā)酵反應(yīng)器主要對擠壓預(yù)處理的釀造原料進(jìn)行發(fā)酵和釀造，如加入α-淀粉酶和糖化酶進(jìn)行糖化反應(yīng)生成淀粉糖、加入酵母發(fā)酵生產(chǎn)酒精等．

圖10 雙螺桿擠壓機(jī)用作生化反應(yīng)器示意Fig．10 Schematic diagram of twin-screw extruder as biochemical reactor

2.2.2 擠壓催化干法制備變性淀粉

淀粉和化學(xué)試劑經(jīng)催化劑作用在擠壓的過程中發(fā)生了系列反應(yīng)，包括環(huán)氧化合物的開環(huán)、酯化、磷酸化作用、甲基化等反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)制備氧化淀粉、酯化淀粉、交聯(lián)淀粉、陽離子淀粉、降解糊精等變性淀粉［18］．采用擠壓催化的方法，具有同時(shí)完成多步物理化學(xué)反應(yīng)，工藝簡單，生產(chǎn)周期短，設(shè)備簡單，可以連續(xù)化生產(chǎn)，不產(chǎn)生廢水，不污染環(huán)境，生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢．表3總結(jié)了部分變性淀粉的反應(yīng)條件及最終產(chǎn)品性質(zhì)．

?

2.2.3 釀酒輔料的擠壓預(yù)處理

淀粉糊化和降解液化是谷物在加酶擠壓中最重要的變化．水分對淀粉的液化有重要影響．Hakulin等［27］發(fā)現(xiàn)增加水分，提高溫度可以使淀粉完全糊化并且提高液化程度．Chouvel等［28］也發(fā)現(xiàn)液化程度隨水分含量增加而增加，而且在較低的酶/底物時(shí)液化程度更依賴于水分含量;溫度對于反應(yīng)的影響是雙面的，一方面溫度影響糊化度，另一方面溫度還應(yīng)控制在酶最適溫度范圍內(nèi)．Tomas等［29］研究發(fā)現(xiàn)在合適的溫度范圍內(nèi)，DE值隨溫度增加呈線性增長;酶的種類、用量及物料pH都對液化有顯著影響，最初的相關(guān)研究都集中在溫和擠壓條件下進(jìn)行，而隨著耐高溫α-淀粉酶的應(yīng)用，液化程度得到很大提高．Govindasamy等［30］用單螺桿擠壓機(jī)作為生物反應(yīng)器研究西米淀粉降解及物化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)水分含量和酶濃度是影響所測物化特性的最顯著影響因素，而且支鏈淀粉優(yōu)先與酶作用發(fā)生降解，其中擠出物中麥芽三糖、五糖和六糖是最主要低聚糖．Vasanthan等［31］用耐高溫α-淀粉酶對大麥粉進(jìn)行加酶擠壓，測定擠壓條件對淀粉水解程度、DE值以及單糖/二糖/低聚糖組分的影響，研究表明水解度和DE值隨酶濃度和水分含量增加而增加，而且擠出物中麥芽二糖含量最多，葡萄糖含量最少．釀造原料的擠壓預(yù)處理具體實(shí)例見表4．

表4 釀造用原料擠壓預(yù)處理應(yīng)用實(shí)例Tab．4 Examples of extruding-pretreatment of brewing materials

2.3 飼料膨化技術(shù)

2.3.1 飼料原料預(yù)處理

飼料原料在膨化過程中的熱、濕、壓力和各種機(jī)械作用下，能夠提高飼料中淀粉的糊化度，破壞和軟化纖維結(jié)構(gòu)的細(xì)胞壁部分，使蛋白質(zhì)變性、脂肪穩(wěn)定，在飼料資源的開發(fā)利用上發(fā)揮出了重要作用．目前這些原料包括大豆、玉米、米糠、豆粕、蓖麻粕、田菁籽粉、羽毛粉等．具體膨化目的體現(xiàn)在:膨化玉米粉可以讓乳豬料變得疏松，適口性好，消化率提高;膨化大豆、豆粕、蓖麻粕、田菁籽粉、羽毛主要目的是達(dá)到安全飼喂的要求和增加可消化物質(zhì)，比如羽毛膨化提高蛋白質(zhì)的消化率;將膨化料與其他原料混合制成配合飼料，可以提高仔豬生長效率、養(yǎng)分消化率以及成活率等特點(diǎn)．表5總結(jié)了部分飼料原料膨化技術(shù)原理及獲得的技術(shù)參數(shù)．

表5 部分飼料原料膨化技術(shù)原理及目標(biāo)參數(shù)Tab．5 Expansion mechanism and targeted parameters of raw feed materials

2.3.2 特種飼料膨化生產(chǎn)

用擠壓蒸煮法加工水產(chǎn)飼料、乳豬飼料、寵物飼料、動(dòng)物園動(dòng)物及試驗(yàn)室動(dòng)物飼料等特種飼料能更好地滿足飼喂對象對飼料的各種不同要求．大量文獻(xiàn)資料表明:用雙螺桿擠壓機(jī)為主設(shè)備所建立的濕法、中溫、中剪切的擠壓環(huán)境尤其有利于獲得所需要的產(chǎn)品特性．?dāng)D壓蒸煮法相比于其他生產(chǎn)方法具有許多優(yōu)越的加工特點(diǎn):原料選擇范圍大、產(chǎn)品物理和機(jī)械性質(zhì)優(yōu)良、產(chǎn)品生化性能改善、擠出過程穩(wěn)定和工藝成熟等．特別是雙螺桿擠壓膨化技術(shù)，基于雙螺桿的嚙合螺旋結(jié)構(gòu)，既可以用來輸送高黏性的物料，也可以用來輸送低黏性物料，并具有自清理功能．比如，謝正軍等人對國產(chǎn)PHG135膨化機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造及，以充當(dāng)膨脹器生產(chǎn)膨化乳豬料．確定了用PHG135擠壓機(jī)生產(chǎn)膨化乳豬的設(shè)備改造要求和生產(chǎn)工藝，打破了乳豬膨化料生產(chǎn)設(shè)備完全進(jìn)口化的現(xiàn)狀，為膨脹器的國產(chǎn)化提供了可靠的技術(shù)路線和參數(shù)［44］．趙建偉等人建立了沉性/浮性水產(chǎn)飼料的膨化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，最終所生產(chǎn)的沉性蝦飼料淀粉糊化度達(dá)到90%，浮性牛蛙料30 min顆粒漂浮粒達(dá)到 95%［45］．

3 農(nóng)產(chǎn)品高值化擠壓加工利用技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向

螺桿擠壓機(jī)最早應(yīng)用于材料科學(xué)，其基礎(chǔ)理論起步較早，形成了多種用于描述擠壓過程中流動(dòng)和傳熱基本原理的數(shù)學(xué)模型．運(yùn)用這些模型，可以實(shí)現(xiàn)了精確的擠壓機(jī)模擬設(shè)計(jì)．然而農(nóng)產(chǎn)品工業(yè)應(yīng)用擠壓技術(shù)落后于材料科學(xué)行業(yè)，單純材料體系的模型不能簡單用來應(yīng)用于復(fù)雜的農(nóng)產(chǎn)品加工體系．這就要求農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域的工程師和科學(xué)家更多注重工程實(shí)踐，研究特殊物料在擠壓過程中的變化規(guī)律及擠壓參數(shù)與農(nóng)產(chǎn)品性質(zhì)間的相互關(guān)聯(lián)，并開發(fā)相應(yīng)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)擠壓過程的自動(dòng)化控制．因此，筆者認(rèn)為以下幾點(diǎn)值得思考．

3.1 特定農(nóng)產(chǎn)品擠壓膨化過程中的目標(biāo)參數(shù)與過程參數(shù)關(guān)系研究

產(chǎn)品目標(biāo)形狀和性質(zhì)如何在復(fù)雜的擠壓過程中得到保證?這需要擠壓物料的基礎(chǔ)性質(zhì)數(shù)據(jù)和物料在擠壓過程中變化的數(shù)學(xué)模型，并構(gòu)建物料性質(zhì)、擠壓機(jī)參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，這也是擠壓機(jī)自動(dòng)化控制研究的先決條件．

3.2 農(nóng)產(chǎn)品螺桿擠壓機(jī)的自動(dòng)化控制研究

積極探索計(jì)算機(jī)在擠壓膨化機(jī)及其生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、模擬、自動(dòng)化控制方面的應(yīng)用，提高整機(jī)的自動(dòng)化水平、穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化開機(jī)，研究自動(dòng)開機(jī)閥，簡化擠壓機(jī)在開、停機(jī)時(shí)的操作步驟，降低物料損失和能量損失．在這一領(lǐng)域，金征宇教授團(tuán)隊(duì)和江蘇牧羊集團(tuán)研究了高度柔性分散控制檢測和多級分布式通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與擠壓機(jī)操作的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了擠壓工藝參數(shù)自動(dòng)選擇、自動(dòng)修正和存儲，使開機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間由傳統(tǒng)6 min縮短為4 min．

3.3 農(nóng)產(chǎn)品擠壓加工過程的可視化研究

可視化技術(shù)在航空工業(yè)的基礎(chǔ)研究中很早得到應(yīng)用，在聚合物成型加工中的研究還屬剛起步不久的新技術(shù)．若應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品擠壓加工過程研究，可以實(shí)現(xiàn)直觀分析農(nóng)產(chǎn)品加工的真實(shí)過程．

3.4 農(nóng)產(chǎn)品螺桿擠壓機(jī)關(guān)鍵部件及擠壓機(jī)耐磨材料的研發(fā)與設(shè)計(jì)

擠壓機(jī)的性能在很大程度上取決于螺桿和模頭的設(shè)計(jì)．螺桿參數(shù)較多，相互之間關(guān)系復(fù)雜，其參數(shù)的確定與加工物料、產(chǎn)品的性能均有關(guān)系．目前，設(shè)計(jì)螺桿的主要方法是經(jīng)驗(yàn)性的，且多數(shù)是參照塑料擠壓機(jī)的設(shè)計(jì)方法，在適用于農(nóng)產(chǎn)品的螺桿擠壓機(jī)中，還缺乏一套成熟的方法．其次，擠壓機(jī)本身材料也是關(guān)鍵因素．比如，江蘇牧羊集團(tuán)構(gòu)建了高性能陶瓷涂層和金屬陶瓷復(fù)合涂層制備新工藝，運(yùn)用等離子噴涂技術(shù)將TiO2、SiO2和Cr2O3系列氧化物陶瓷復(fù)合涂層應(yīng)用于金屬表面改性處理，使螺桿使用壽命由6 000 h提高至12 000 h．

3.5 研制系列多功能、多用途農(nóng)產(chǎn)品加工膨化機(jī)

在擠壓機(jī)具體設(shè)計(jì)過程中，要考慮一機(jī)多用，如一種規(guī)格的擠壓機(jī)可與幾種規(guī)格的螺桿或幾十種擠壓模頭相配合，這樣即可滿足不同用途和要求的用戶的需要．還需要重點(diǎn)開發(fā)更先進(jìn)的雙螺桿擠壓機(jī)，提高擠壓機(jī)的多功能性，擴(kuò)大擠壓機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域．

4 結(jié)論

擠壓技術(shù)研究依舊炙手可熱，將在作為生化反應(yīng)器、農(nóng)產(chǎn)品原料預(yù)處理、擠壓食品和膨化飼料等領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用．盡管國內(nèi)外圍繞農(nóng)產(chǎn)品擠壓過程中的原料性質(zhì)變化，擠壓過程黑箱的揭示等方面取得了明顯成績，但擠壓機(jī)作為生化反應(yīng)器具體應(yīng)用過程中的反應(yīng)原理、擠壓機(jī)自動(dòng)化操作、一機(jī)多用等核心問題上還有大量的理論和技術(shù)瓶頸亟須突破．本文建議未來在農(nóng)產(chǎn)品擠壓過程可視化研究、農(nóng)產(chǎn)品目標(biāo)參數(shù)與擠壓參數(shù)間的關(guān)系、基于目標(biāo)參數(shù)和擠壓參數(shù)關(guān)聯(lián)的自動(dòng)化控制等方面加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和設(shè)計(jì)工作，為推動(dòng)農(nóng)產(chǎn)品高值化加工利用進(jìn)程提供必要的理論指導(dǎo)和新的技術(shù)方法．

［1］van de Voort F R．Drying technology［J］．Food Extrusion Science and Technology，1993，11(2):417-418．

［2］Rokey G，Plattner B．Process description:pet food production［J］．Science of Food and Agriculture，1995(3):1-18．

［3］Jose A G．Extrusion of food proteins［J］．Critical Reviews in Food Science and Nutrition，1992，32(4):365-392．

［4］Akdogan H．High moisture food extrusion［J］．Food Science and Technology，1999，34(3):195-207．

［5］鄧潔紅，曹樂平．螺桿擠壓機(jī)在膨化食品生產(chǎn)中的應(yīng)用包裝與食品機(jī)械［J］．包裝與食品機(jī)械，2004，22(5):30-32．

［6］焦愛權(quán)．雙螺桿二次擠壓法生產(chǎn)脫水方便米飯的工藝研究［D］．無錫:江南大學(xué)，2008:1-51．

［7］金征宇．?dāng)D壓食品［M］．北京:中國輕工業(yè)出版社，2005．

［8］Kokini J L，Chang C N，Lai L S．The role of rheological properties on extrudate expansion［C］∥Kokini J L，Ho C T，Karwe M V，eds．Food extrusion science and technology．New York:Marcel Dekker Inc，1992:631-653．

［9］Vergnes B，Valle G D，Colonna P．Rheological properties of biopolymers and applications to cereal processing［M］∥Gonül Kaletunc，Ken neth J．Breslauer，eds．Characterization of cereals and flours:properties，analysis，and applications．New York:Marcel Dekker，2003:209-265．

［10］趙學(xué)偉．食品擠壓膨化機(jī)理研究進(jìn)展［J］．糧食加工，2010，35(2):59-61，65．

［11］Cisneros F H，Kokini J L．A generalized theory linking barrel fill length and air bubble entrapment during extrusion of starch［J］．Journal of Food Engineering，2002，51(2):139-149．

［12］Meuser F，Gimmler N．Extrusion science and technology［M］．New York:Marcel Dekker，1992:619．

［13］Strahm B．Fundamentals of polymer science as an appoied extrusion tool［J］．Cereal foods world，1998，43(8):621-625．

［14］莊海寧．雙螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)和人造米及擠壓系統(tǒng)模型的研究［D］．無錫:江南大學(xué)，2011．

［15］Moretti D，Lee T C，Zimmermann M B，et al．Development and evaluation of iron-fortified extruded rice grains［J］．Food Science，2005，70(5):330-336．

［16］Lee Y T，Schwarz P B．Physical and cooking properties of restructured grain extruded from selected cereal and legume flours［J］．Food Science and Biotechnology，2004，13(4):438-442．

［17］Su C W．Effects of eggshell powder addition on the extrusion behaviour of rice［J］．Journal of Food Engineering，2007，79(2):607-612．

［18］Moad G．Chemical modification of starch by reactive extrusion［J］．Progress in Polymer Science，2011，36(2):218-237．

［19］Baks T，Kappen F H J，Janssen A，et al．Towards an optimal process for gelatinisation and hydrolysis of highly concentrated starch-water mixtures with alpha-amylase from B．licheniformis［J］．Journal of Cereal Science，2008，47(2):214-225．

［20］de Graaf R A，Janssen L．The hydroxypropylation of starch in a self-wiping twin screw extruder［J］．Advances in Polymer Technology，2003，22(1):56-68．

［21］Radosta S，Vorwerg W，Ebert A，et al．Properties of low-substituted cationic starch derivatives prepared by different derivatisation processes［J］．Starch Starke，2004，56(7):277-287．

［22］Tara A，Berzin F，Tighzert L，et al．Preparation of cationic wheat starch by twin-screw reactive extrusion［J］．Applied Polymer Science，2004，93(1):201-208．

［23］Ayoub A，Berzin F，Tighzert L，et al．Study of the thermoplastic wheat starch cationisation reaction under molten condition［J］．Starch Starke，2004，56(11):513-519．

［24］Hanna M A，F(xiàn)ang Qi．Starch esterification by reactive extrusion［J］．Agro Food Industry hi-tech，2002，13(2):33-36．

［25］Miladinov V D，Hanna M A．Starch esterification by reactive extrusion［J］．Industrial Crops and Products，2000，11(1):51-57．

［26］Rudnik E，Zukowska E．Studies on preparation of starch succinate by reactive extrusion［J］．Polimery，2004，49(2):132-134．

［27］Hakulin S，Linko Y Y，Linko P，et al．Enzymatic conversion of starch in twin screw HTST extruder［J］．Starch Starke，1983，35(12):411-414．

［28］Chouvel H，Chay P B，Cheftel J C．Enzymatic hydrolysis of starch and cereal flours at intermediate moisture contents in continuous extrusion reactor［J］．LWT-Food Science and Technology，1983，16:346-353．

［29］Tomas R L，Oliveira J C，McCarthy K L．Influence of operating conditions on the extent of enzymatic conver-sion of rice starch in wet extrusion［J］．LWT-Food Science and Technology，1997，30(1):50-55．

［30］Govindasamy S，Campanella O H，Oates C G．The single screw extruder as a bioreactor for sago starch hydrolysis［J］．Food Chemistry，1997，60(1):1-11．

［31］Vasanthan T，Yeung J，Hoover R．Dextrinization of starch in barley flours with thermostable alpha-amylase by extrusion cooking［J］．Starch Starke，2001，53(12):616-622．

［32］Mesa-Stonestreet N J，Alavi S，Gwirtz J．Extrusion-enzyme liquefaction as a method for producing sorghum protein concentrates［J］．Food Engineering，2012，108(2):365-375．

［33］Govindasamy S，Campanella O H，Oates C G．High moisture twin screw extrusion of sago starch．II．Saccharifiction as infulenced by thermomechanical history［J］．Carbohydrate Polymers，1997，32(3):267-274．

［34］Linko P，Hakulin S，Linko Y Y．HTST-Extrusion cooking of barley starch for the production of glucose syrup and ethanol［J］．Journal of Cereal Science，1983，1(4):275-284．

［35］Linko P，Hakulin S，Linko Y Y．HTST-extrusion cooking inethanol production from starchy materials［J］．Enzyme and Microbial Technology，1984，6(10):457-461．

［36］申德超，王國慶，馬成業(yè)．低溫?cái)D壓加酶大米作啤酒輔料的糖化試驗(yàn)［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(10):152-158．

［37］馬成業(yè)，申德超．脫胚玉米添加中溫酶擠出物制取葡萄糖漿試驗(yàn)研究［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(5):126-130．

［38］徐學(xué)明，李永富，金征宇，等．全脂米糠膨化［J］．糧食與飼料工業(yè)，1997(7):17-19．

［39］徐樹來．?dāng)D壓加工對米糠IDF持水力的影響［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2008(12):122-124．

［40］朱建津，徐學(xué)明，謝正軍，等．膨化蓖麻粕的飼用［J］．無錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，19(1):83-86．

［41］金征宇，朱選，張曉鳴，等．?dāng)D壓機(jī)用作反應(yīng)器對田菁籽粉去毒處理的研究［J］．中國糧油學(xué)報(bào)，1996，11(6):55-60．

［42］朱選，金征宇，劉當(dāng)慧．羽毛角蛋白擠壓機(jī)制的研究［J］．中國糧油學(xué)報(bào)，1998，13(4):18-21．

［43］金征宇，徐學(xué)明，錢建華，等．飼用全脂大豆擠壓加工的生產(chǎn)試驗(yàn)研究［J］．糧食與飼料工業(yè)，1996(6):21-23．

［44］謝正軍，徐學(xué)明，劉國華．乳豬料膨化工藝的研究［J］．糧食與飼料工業(yè)，1998(12):22-25．

［45］趙建偉，金征宇．單螺桿擠壓沉性膨化飼料的工藝研究［J］．飼料工業(yè)，2004，25(5):30-34．

(責(zé)任編輯:李 寧)

Extrusion Processing and Utilization of High-value Agricultural Products

JIN Zheng-yu， TIAN Yao-qi
(The State Key Laboratory of Food Science and Technology/School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

Extrusion technology is a continuous，effective，low-energy method with combined effect of temperature，pressure and shear and it is an important tool to produce agricultural products，such as foods and feeds．The structure properties and expansion mechanism of screw extruder were illustrated during processing agricultural products．The application of extrusion technology was also summarized，such as utilization of broken rice，modified starch，pretreatment of fermentation and feed raw materials，and production of special feeds．In the end of the article，The prospective of application of extrusion technology in relevant fields was proposed．These could provide some basis for accelerating process of agricultural products with high value．

foods;feeds;extrusion;expansion

TS210.3

A

1671-1513(2012)06-0001-09

2012-09-10

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD37B01，2012BAD37B02)．

金征宇，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，江南大學(xué)副校長，主要從事碳水化合物資源開發(fā)與利用方面的研究．