影响淀粉类挤压膨化产品膨化率的因素研究进展

刘 超 张 波 魏益民

（中国农业科学院农产品加工研究所／农业部农产品加工综合性重点实验室1，北京 100193）

（山西省农业科学院农产品加工研究所2，太原 030031）

淀粉类挤压膨化产品的质量评价指标主要包括膨化率、质构特性、吸水性指数、水溶性指数、容积密度、表观密度以及糊化度等［1］。膨化率是评价淀粉类挤压膨化产品质量的重要指标，与其他指标相关。杜双奎等［2］研究表明玉米珍子挤压产品的截面膨化率与容积密度、抗剪切力呈极显著负相关，与吸水性指数呈显著正相关。Mezreb等［3］研究表明玉米粉、小麦粉挤压产品的膨化率与脆度呈显著负相关。膨化率反映了挤压产品的膨化效果、质地和口感，是衡量产品质量的一个重要指标。

挤压膨化产品的膨化率可以用截面膨化率（Sectional Expansion Indices，SEI）、轴向膨化率（Longitudinal Expansion Indices，LEI）和体积膨化率（Volumetric Expansion Indices，VEI）表示［4］。截面膨化率是指挤压产品的横截面积与挤压机模孔截面积之比。对于柱状挤出物，截面膨化率是指挤压产品的直径与模孔直径之比的平方。轴向膨化率是指挤压产品离开模头的线速度与挤压原料在挤压机内的线速度的比值。体积膨化率为截面膨化率与轴向膨化率的乘积。通常用截面膨化率来描述挤压产品的膨胀程度［4］。

影响淀粉类挤压产品膨化率的因素主要有原料的理化特性，譬如直／支链淀粉的比例、物料粒度等；添加剂，如 NaHCO3、Ca（OH）2、蔗糖等；挤压设备参数，如螺杆构型、模头结构等；挤压工艺参数，如机筒温度、物料含水率、螺杆转速、喂料速度等。

1 淀粉挤压膨化机理

淀粉的挤压膨化是指以淀粉或富含淀粉（≥65%）的原料和水在一定的温度、压力、挤压螺杆的剪切作用下混合，淀粉发生糊化、降解形成均匀的熔融体。当熔融体离开挤压机模头的一瞬间，通过水分的闪蒸作用，使挤出的物料形成多孔状结构，随着挤出物表面温度的降低，物料固化，最终形成多孔、疏松的质地结构［5－6］。

前人将这一过程分为物料从无序到有序的转变、气核生成、模口膨胀、气泡生长和气泡塌陷5个阶段［7－11］。第一阶段：淀粉质物料进入挤压机后，淀粉发生糊化和降解，粒状或粉状的物料转变成具有黏弹性的熔融体。第二阶段：气体在熔融体内部形成热力不稳定的小气泡，在输送的过程中气泡不断生长。第三阶段：熔融体离开模口时弹性应力释放，在模口处熔融体出现膨胀。第四阶段：当熔融体离开模口时，水分发生闪蒸转变为水蒸气，气泡不断生长，其动力来自气泡壁内外的压力差。第五阶段：当气泡壁的强度不能承受内部的压力时，气泡开始爆裂，或者随着温度降低，气泡收缩，熔融体由无定形态转变为玻璃态，气泡停止变化。

挤压过程中的高温和高剪切力使物料转变为有黏弹性的熔融体，熔融体的黏度对挤压膨化产品的膨化率有重要影响。大量研究表明，熔融体的黏度过高，会阻碍气泡生长，不利于产品膨化。但熔融体的黏度过低会使气泡容易塌陷，造成膨化率减小［7］。熔融体的弹性有助于气泡生长，有利于产品膨化。熔融体的黏弹性受原料本身特性和挤压加工参数的影响［11］，原料不同，熔融体的玻璃化转变温度不同，气泡收缩时间不一样，挤压产品的膨化率不同［12］。加工参数不同，淀粉的糊化降解程度不同，熔融体的黏弹性不同，挤压产品膨化率不同。

2 原料理化特性对挤压膨化产品膨化率的影响

2.1 直链淀粉含量对挤压膨化产品膨化率的影响

直、支链淀粉比例影响挤压产品的膨化率。随着直链淀粉含量的增大，挤压产品的膨化率呈现先增大后减小的趋势。Chinnaswamy等［14］比较了不同直链淀粉含量的玉米淀粉挤压膨化物的截面膨化率，发现当直链淀粉质量分数从0%增加到50%时，挤压产品的截面膨化率呈上升趋势，由8.0增大到16.4。直链淀粉质量分数为50%时，截面膨化率达到最大值16.4。当直链淀粉的质量分数超过50%，挤压产品的截面膨化率呈下降趋势。Della Valle等［15］研究直链淀粉质量分数为 23.5%、47.0%、70.0%的玉米淀粉挤压产品膨化率，结果表明随着直链淀粉含量的增加，挤压产品的体积膨化率增大。研究认为是由于直链淀粉含量增大，在熔融体冲出模头后，气泡壁破裂的临界张力增大，气泡不易破裂。

2.2 物料粒度对挤压膨化产品膨化率的影响

物料粒度大小对挤压产品的膨化率有一定的影响。物料粒径越大，所获得的挤压产品的膨化率越小［16］。Garber等［17］分别以平均粒径为 50.2、94.2、593.0、988.3、1 622.1μm的玉米粉为原料进行挤压，其挤压产品的截面膨化率分别为22.0、20.3、19.8、20.0、15.9。Mathew等［18］用锤式磨粉碎制得的粒径分别为0.75、1.12、1.50 mm的玉米原料挤压，其对应的挤压产品体积膨化率为2.49、2.47、2.37。

3 添加剂对挤压膨化产品膨化率的影响

淀粉挤压膨化过程中，为了改善挤压膨化食品的营养、质构或感官性状，通常向原料中添加微量添加剂。如PH调节剂、糖、营养强化剂等，它们也会对挤压膨化产品的膨化率有影响。CO2经常作为发泡剂用于提高挤压产品的膨化率。Singh等［19］研究NaHCO3对玉米粉挤压特性的影响表明，在挤压的过程中NaHCO3分解生成CO2，在模口处气体逸出，提高了挤压产品的截面膨化率。

蔗糖能增加熔融体的表面张力，降低玻璃化转变温度，一方面使气泡生长减弱，另一方面使气泡收缩时间延长，收缩程度增加，减小挤压产品的膨化率。Mezreb等［20］研究了添加蔗糖对玉米粉和小麦粉挤压产品膨化率的影响，表明当蔗糖浓度由5%增大到12.5%时，挤压产品的截面膨化率、轴向膨化率均呈减小趋势。

钙离子可与淀粉的结晶区形成复合物，从而减小挤压产品的截面膨化率。Marthinez－Bustos等［21］研究挤压玉米粉中加入Ca（OH）2对挤压产品膨化率的影响发现，当水分质量分数为18%，机筒温度为130℃，Ca（OH）2溶液的质量浓度分别为0、1.5%、3.5 mg／L时，产品截面膨化率分别为 3.5、2.9、2.8。随着Ca（OH）2增加，挤压产品的截面膨化率减小。

4 挤压设备参数对挤压膨化产品膨化率的影响

4.1 螺杆构型对挤压膨化产品膨化率的影响

螺杆构型是不同螺杆元件在螺杆芯轴上的排列组合。通过改变不同的螺杆元件、元件的位置、元件的长度以改变螺杆对物料的机械力作用，从而影响挤压产品的膨化率。Sokhey等［22］研究齿形元件对玉米淀粉挤压产品膨化率的影响，结果发现在输送元件中加入齿形元件后，挤压产品的体积膨化率减小，截面膨化率增大。Choudhury等［23］研究了29种螺杆构型对大米挤压产品膨化率的影响，结果表明只有采用输送元件的螺杆构型时，挤压产品的截面膨化率为6.0。当螺杆构型中加入捏合元件时，挤压产品的截面膨化率增加至8.0以上。

4.2 模头结构对挤压膨化产品膨化率的影响

较小的模孔直径有利于增大淀粉挤压产品的截面膨化率。Arhaliass等［24］研究发现，当模孔直径减小时，挤压产品的截面膨化率增大，认为模孔直径的减小，增加了模头前压力，因而导致挤压产品膨化率增大。

模孔长径比对淀粉挤压产品的膨化率有显著影响。王宁等［25］采用Brabender DC 2000型试验挤压机对大米淀粉进行挤压膨化，发现模孔长径比与挤压产品的体积膨化率呈显著负相关。Chinnaswamy等［26］研究发现，玉米淀粉挤压产品的膨化率随着模孔长径比变化而变化。当长径比由2.5上升到3.4时，玉米淀粉挤出物的截面膨化率由4.5上升到了13.0；但是当长径比继续增加至10.3时，挤出物的截面膨化率下降至 8.5［26］。

5 挤压工艺参数对挤压膨化产品膨化率的影响

5.1 机筒温度对挤压膨化产品膨化率的影响

随着机筒温度的升高，淀粉挤压产品的膨化率呈现先增大后减小趋势。机筒温度一方面通过改变熔融体的流变学特性影响膨化率，另一方面使水分转变为水蒸气，为膨化提供动力影响膨化率。Ali等［27］研究玉米淀粉挤压时发现当机筒温度由100℃上升到160℃时，挤压产品的截面膨化率由3.5增至8.8；当机筒温度由160℃增至200℃，挤压产品的截面膨化率由8.8降至3.8。Chinnaswamy等［26］研究发现，当机筒温度从110℃上升到140℃时，玉米淀粉挤压产品的截面膨化率从11.5增大到13.2。当温度继续升高时，挤压产品的截面膨化率开始下降。研究认为挤压产品的截面膨化率与淀粉的糊化程度有关。较高的温度有利于提高淀粉的糊化程度，从而得到较大的截面膨化率，过高的温度会增加膨化动力，导致气泡破裂，截面膨化率下降［26］。

5.2 物料含水率对挤压膨化产品膨化率的影响

挤压过程中的水分为挤压膨化提供了驱动力，同时水在挤压膨化过程中会降低淀粉的浓度和黏度，起到了增塑剂的作用。Ilo等［28］研究玉米粉挤压时发现机筒温度在150～160℃之间，物料含水率由13%增至17%，挤压产品的截面膨化率由3.8降至1.8。Chinnaswamy等［26］研究挤压玉米淀粉发现，原料的物料含水率由15%增至20%时，挤压产品的截面膨化率由8.4增至9.3，当物料含水率由20%增至40%时，挤压产品的截面膨化率由9.3下降至6.0。Parsons等［29］研究小麦淀粉挤压发现，原料的物料含水率由19.5%增至21.5%，挤压产品的截面膨化率下降。

5.3 喂料速度对挤压膨化产品膨化率的影响

关于喂料速度对淀粉挤压产品膨化率影响的研究较少。Ilo等［30］研究大米粉－笕菜混合挤压发现，与水分和温度相比，喂料速度对截面膨化率的影响较小，对轴向膨化率影响较大，在喂料速度为31 kg／h时能得到最大的轴向膨化率。Qing－Bo等［31］研究大米挤压时发现，增加喂料速度，可获得较高的截面膨化率。在喂料速度由20 kg／h增加到32 kg／h，挤出物的截面膨化率由2.0增大到3.9，认为较高的喂料速度缩短了物料的滞留时间，降低了淀粉的降解，改变了物料在挤压机内的流变学特性，从而改变了挤出物的截面膨化率。

5.4 螺杆转速对挤压膨化产品膨化率的影响

螺杆转速增加，物料受的剪切速率增加，挤压产品膨化率先增加后降低。Bhattacharya研究挤压大米粉和绿豆粉中发现，在较高温度（140～175℃）下提高螺杆转速会提高膨化率，在较低温度（110～130℃）下提高螺杆转速会降低膨化率［32］。Mazreb等［33］研究发现，双螺杆挤压机挤压玉米粉和小麦粉时，螺杆转速在200～500 r／min之间，螺杆转速增加，玉米粉和小麦粉挤压产品的轴向膨化率都随之增加；玉米粉挤压产品的截面膨化率随之下降，小麦粉挤压产品的截面膨化率变化不大。Ali等［27］采用单螺杆挤压机挤压脱胚玉米粉，当机筒温度分别为120℃和160℃时，螺杆转速由80 r／min增大到200 r／min时，挤压产品的截面膨化率分别由5.8增至12.9和由 10.5增至 13.1［27］。

6 结论

物料理化特性、添加剂、挤压设备参数和挤压工艺参数影响挤压产品膨化率的本质原因可能有以下几方面。

通过改变挤压膨化动力改变挤压产品的膨化率。挤压膨化动力越大，挤压产品膨化率越大；但过高的膨化动力会使气泡过于生长而破裂［13］。提高挤压膨化动力的方法有升高机筒温度，提高物料含水率，减小模孔直径，提高模口处压力等。

通过改变熔融体黏度或表面张力改变挤压产品的膨化率。熔融体黏度或表面张力增加，气泡不易生长，也不易破裂。提高物料直链淀粉含量，升高温度，降低物料含水率都会提高熔融体黏度。

通过改变淀粉在机筒内的降解程度改变挤压产品的膨化率。淀粉降解会使熔融体黏度和表面张力降低，气泡容易生长，也容易破裂。升高温度，加大剪切速率，减小模孔直径都会促进淀粉降解。

通过改变熔融体的玻璃化转变温度改变挤压产品的膨化率。熔融体在模口处的玻璃化转变温度越低，气泡收缩时间延长，挤压产品膨化率越低。提高水分，降低原料直链淀粉含量都会降低熔融体在模口处的玻璃化转变温度，使产品膨化率降低。

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