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挤压饲料、食品的物理-化学变化1 PHYSICO-CHEMICAL CHANGES OF EXTRUDED FEED/FOOD PRODUCTS 谢富弘 博士，美国密苏里大学 前 言 挤压(Extrusion)是一种集混合、揉合、剪切、加热、冷却和成形等多种作业在 一起的加工过程。这种加工工艺将一种材料放在多种受控条件下压制成半固体， 再使之以预定的速率通过一个受限制的出口，譬如一定形状的圆孔或长孔(Dziezak, 1989)。各种原材料，如面粉、淀粉、盐、糖及其他一些小量配料，经过挤压工艺 的混合、揉合、冷却而变成像塑料一样的塑体(dough mass) 。挤压工艺中的加热可 以通入蒸汽直接加热，也可以通过加热机镗间接加热，还可以通过机械能转化成 热能。物料在熟化挤压机里面最后加工温度可达200 ℃，而滞留时间却相当短，仅 10～60 秒(Schuler, 1986) 。因此挤压熟化也叫做HTST (high temperature, short time ， 意思是高温短时)加工。 挤压熟化以其高温、高压、高剪切以及低或中含水量的特点而区别于其他可选 用的加工工艺。这种工艺为改变饲料、食品的物理-化学和营养特性提供了条件。 这些改变是在挤压机机镗里面当物料排出压模之前发生的。 挤压机机镗和压模里的物理-化学变化 挤压机通常分为三个区段：喂料区、揉合区、最终熟化区或计量区( 图1)。喂 料区的螺杆槽较深，接纳已经预调制或未经预调制的喂入料，通常是可以自由散 落的物料，或粉状或粒状。喂入的材料在喂料区混合，并在螺片之间受到轻微压 缩而成比较匀质的状态。此处可以注入水或蒸汽，这有助于形成均匀塑体，还可 改善机镗内部的热传递。　 揉合区的螺杆槽深度减小。此处对物料进行压缩和轻微剪切，并施加来自机镗 的热能。在这区段内，物料是一种粘的无定形物体(塑体) ，温度100℃或更高。挤 1 首次发表于1999 年6 月 — 190 — 压物完全填满螺杆槽的这个点叫做阻塞点(choke point)，这个点往前的机镗被物料 填满或阻塞。阻塞点的位置就是塑体物料进入最终熟化区的这个点。 图1 单螺杆熟化挤压机的三个加工区段 最终熟化区的槽沟最浅。此处起压缩作用，并将塑体物料推向压模。这个区段 的剪切力最强，物料温度迅速上升，在制品出模之前保持此高温通常不到 5 秒。 压模决定成品的形状，并影响挤压机的反压力。　 一些研究人员用毛细管或狭缝模粘度计( 图3)装在挤压机上查明，挤压物像是 一种粘性流体，其压力沿压模的进口到出口直线下降( 图 2)(Harper 等人，1971； Senouci and Smith, 1988; Kokini 等人，1992；Padmanabhan and Bhattacharya, 1993; Li 等人，1996)。挤压机里这种由谷物粉料和油料蛋白作原材料形成的粘弹性物体， 其粘度属非牛顿流体(non-Newtonian) ，可以用下列动力规律表达式描述(Harper, 1981)：　 n-1 η =m γ 　 app 其中，ηapp 是表观粘度(aparent viscosity) ，　 γ是剪切率(shear rate)　 m 是稠度系数(consistency coefficient)　 n 是流动状况指数(flow behavior index)　 表 1 列出一些文献报道的玉米粉、玉米米查、玉米淀粉及脱脂大豆蛋白粉的m 和n 值。n 值总是小于1，这表明该粘弹性物体是假塑性体或者是会在剪切力作用 下变稀的，就是说，其表观粘度会在较高剪切率(当螺杆转速较高时出现)时下降， 致使机械能向热能的转化减弱。 — 191 — 图2 玉米粗粉在离狭缝压模不同距离的压力分布 图3 狭缝和毛细管流体测压计示意图 — 192