[科普中國]-低速蒸煮機(LVC)

擠壓蒸煮技術

擠壓蒸煮技術是將物料從喂料口喂入到低速蒸煮機中，在螺桿螺旋推動下，物料沿著螺桿曲折向前移動。同時，由于螺桿與物料，物料與機筒，以及物料內(nèi)部自身的機械摩擦，物料被強烈的擠壓、攪拌、剪切，其結果使得物料被進一步細化、均化。隨著壓力的逐漸增大，溫度逐漸的升高，在高溫、高壓、高剪切的條件下，物料的物性發(fā)生了變化，淀粉糊化，蛋白質變性，纖維質部分降解等。當熔融的糊狀物料從模孔擠出的瞬間，壓力驟降到常壓，在強大的壓力差作用下物料中的液態(tài)水瞬間汽化，擠出物迅急膨爆，膨化成結構疏散、多孔的結構。擠壓蒸煮加工技術是當今糧油食品工業(yè)的新發(fā)展，將擠壓技術應用于農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)是農(nóng)產(chǎn)品深加工的重要研究方向之一。

低速蒸煮機的研究背景谷物食品的傳統(tǒng)加工工藝一般需經(jīng)過粉碎、混合、成型、烘烤或油炸、殺菌、干燥等生產(chǎn)工序，每道工序都需配備相應的設備，生產(chǎn)的流水線長，占地面積大，勞動強度高，設備種類多。而采用擠壓技術來加工谷物食品，在原料經(jīng)初步混合后，即可用一臺低速蒸煮機一步完成混煉、熟化、破碎、殺菌、預干燥、成型等工藝。

與傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相比，擠壓加工極大的改善了谷物食品的加工工藝，縮短了工藝過程，降低了生產(chǎn)費用和勞動強度，同時改善了口感，提高了產(chǎn)品質量。谷物經(jīng)擠壓蒸煮后呈片狀或蜂窩狀結構，體積膨脹，增大了與酶的接觸面積，并且經(jīng)擠壓蒸煮后，脂肪含量大大降低，淀粉及蛋白質等大分子物質發(fā)生降解，糊精、還原糖和氨基酸等小分子物質含量增加，營養(yǎng)成份增加，不溶性物質變成了可溶性物質。低速蒸煮機為蛋白質提供了一種特殊的變性環(huán)境，天然蛋白質在低速蒸煮機內(nèi)受到熱和剪切擠壓的綜合作用，使蛋白質三級和四級結構的結合力變?nèi)?，蛋白質分子由折疊狀變?yōu)橹本€狀而發(fā)生變性作用，蛋白質分子內(nèi)、分子間的化學鍵和相互作用力發(fā)生了改變。

另外，通過擠壓蒸煮還可以使脂肪酶、過氧化物酶、脂肪氧化酶、黑芥子普酸酶、脈酶等失活。擠壓加工對酶的作用既有積極的方面，也有消極的方面，消極作用是使淀粉酶、植酸酶失活。脂肪在擠壓過程中能與淀粉形成淀粉脂肪絡合物，降低了擠出物中游離脂肪的含量。這種絡合物組織緊密，在糖化過程中很難被酶水解，據(jù)研究結果表明，淀粉結構可以在擠壓蒸煮過程中發(fā)生重組現(xiàn)象，導致直鏈淀粉的級分能轉換，使型直鏈淀粉脂肪螺旋絡合物轉換成能量更高更趨于穩(wěn)定的型螺旋絡合物。

現(xiàn)在，以大米、玉米、豆類、薯類等為原料，經(jīng)擠壓蒸煮生產(chǎn)快餐食品、焙烤食品、兒童食品、植物蛋白食品及強化營養(yǎng)食品等技術。在發(fā)酵工業(yè)中，蒸煮技術在黃酒、食醋、白酒、淀粉糖等方面的實踐均表明，膨化技術能提高原料利用率、降低能耗、提高生產(chǎn)率。在國外，擠壓技術已廣泛的應用于植物油脂工業(yè)，對浸出前的大豆和棉籽等油料種子進行預處理，與傳統(tǒng)的浸出制油相比具有簡化工藝、減少蒸汽和動力消耗、易于脫溶、提高設備生產(chǎn)能力等優(yōu)勢。

擠壓蒸煮技術所帶來的好處是顯而易見的，然而目前對于谷物類食品的低速蒸煮機理研究還有許多不足，谷物類食品的低速蒸煮機理研究主要集中在各種物料擠壓蒸煮前、后的質構、狀態(tài)以及特性分析方面。研究的目標主要集中在擠壓溫度、螺桿轉速、進料速度、原料含水率等因素對淀粉糊化、降解作用的影響以及對擠壓物的融解指數(shù)和膨化度影響的研究上。對于物料在機筒內(nèi)的變化過程的分析很少，可以說目前國內(nèi)外都將低速蒸煮機作為目前對各種物料的產(chǎn)前、產(chǎn)后分析較多，對擠壓過程中物料預測分析較多，而對低速蒸煮機的結構因素對擠壓過程中物料的變化狀態(tài)影響的分析較少1。

低速蒸煮機的研發(fā)進展北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所利用可視化單螺桿擠出機的透明視窗觀察到淀粉擠出過程不同于塑料等合成聚合物，淀粉的擠出沒有明顯的熔融過程，淀粉擠出過程中發(fā)生大分子的降解等生化反應。原料含水率和螺桿轉速是影響食品單螺桿擠出機生產(chǎn)性能指標和擠出產(chǎn)品質量的一個重要工作參數(shù)。在木薯淀粉的擠出過程中，原料含水量的減少與低速蒸煮機螺桿轉速的提高都使產(chǎn)量、產(chǎn)品膨化比、主機消耗功率增加，使物料滯留時間縮短。單螺桿擠出過程中物料的機頭壓力在巧大氣壓至大氣壓范圍內(nèi)變化。此試驗擠壓蒸煮木薯淀粉，最佳原料含水率在范圍內(nèi)，最佳螺桿轉速范圍內(nèi)，機筒溫度設定在℃℃范圍內(nèi)。

何紅借助了宏觀和亞宏觀可視化技術，描述了所觀察到的聚合物擠出過程中的團塊熔融和粒子熔融現(xiàn)象，粒子的運動和熔融分為兩個階段滑移階段粘連階段同時粒子會被拉長而發(fā)生變形。提出了粒子熔融的物理模型。

胡冬冬，陳晉南使用刀軟件，對聚合物熔體在嚙合同向和異向雙螺桿擠出機中擠出機中物料粒子的運動軌跡進行了可視化模擬，給出了運動粒子的運動軌跡。

邢應生利用可視化擠出機對螺桿冷卻情況下的單螺桿擠出熔融機理進行了研究，認為擠出過程中固體床始終保持連續(xù)而不會出現(xiàn)固體床破碎現(xiàn)象，螺槽表面會出現(xiàn)聚合物的亞穩(wěn)態(tài)相轉變行為并建立了相應的數(shù)學模型。

南京金陵職業(yè)大學的劉自強通過深入探析膨化動力的發(fā)生過程，膨化動力的影響因素和外部能量向膨化動力轉換的機理，全面闡述了膨化動力的發(fā)生機制。從動力學的角度提出了膨化的定義，膨化的構成要素。同時系統(tǒng)地分析了在膨化過程中，物料的成份、比例和結構的變化及其對膨化的影響。

王麗瑋和馮玉紅針對帶胚玉米的研究也表明，擠壓蒸煮物的糊化程度隨低速蒸煮機模頭溫度的升高而增大，隨螺桿轉速的升高而下降，并認為這是由于低速蒸煮機螺桿轉速升高時，物料在低速蒸煮機腔體內(nèi)停留時間減少而導致的。

楊銘鐸對谷物淀粉擠壓蒸煮的糊化現(xiàn)象與蒸煮糊化等進行了對比，發(fā)現(xiàn)膨化手段實現(xiàn)的糊化較蒸煮糊化更為徹底，而且穩(wěn)定、不易老化。且擠壓蒸煮實現(xiàn)的糊化比蒸煮糊化消耗的總能量小。

丁霄霖和湯堅對擠壓蒸煮玉米淀粉進行了特性粘度、凝膠色譜、鐵佩化鉀值的分析，結果表明擠壓蒸煮后的玉米淀粉平均分子量下降，且淀粉降解主要發(fā)生在淀粉的支鏈部分。

肖志剛以擠壓蒸煮后的玉米為研究對象，在膨化倍數(shù)、碘藍值、還原能力等指標上行對照試驗，得出結論玉米經(jīng)過擠壓蒸煮后，淀粉粒解體，糊精和還原糖增加，蛋白質變性，氨基酸和縮氨酸含量增加，脂肪減少，水溶性成分增加。

孟爽在可剝分單螺桿低速蒸煮機的基礎上，研究了螺桿轉速、機筒溫度、物料含水率、?？组L度和段長度五個因素對大米的糊化度、淀粉含量和脂肪含量的變化關系2。