壓差式膨化技術及其在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應用研究進展

王姣斐(武警杭州士官學校軍需系，浙江杭州310023)

膨化技術作為一種農(nóng)產(chǎn)品加工技術廣泛地應用在食品生產(chǎn)、發(fā)酵工業(yè)、飼料生產(chǎn)、生物醫(yī)藥等方面。膨化是指物料在膨化器中從高溫高壓狀態(tài)驟釋至常態(tài)時，物料就朝著能量降低、混亂度增大即熵增加的方向進行的過程。膨化產(chǎn)品具有能源消耗低、無污染、營養(yǎng)損失少、味道好、用途廣、有利于儲存、防止食品變質(zhì)等優(yōu)點，特別是有利于人和動物的消化吸收。膨化食品在體內(nèi)易受酶的作用從而提高了消化吸收率，膨化谷物在體外受到酶的作用后也應該得到同樣的效果。目前膨化的方式主要有擠壓式膨化和壓差式膨化2種，壓差式膨化具有適應范圍廣、操作簡便等特點，筆者主要介紹近年來國內(nèi)外在壓差式膨化技術及其在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應用方面的研究現(xiàn)狀，為壓差式膨化技術在農(nóng)產(chǎn)品加工領域的應用提供參考。

1 壓差式膨化機理

壓差式膨化處理，又可以叫做爆炸膨化處理(Explosion Puffing Processing)，簡稱氣流膨化處理、變溫壓差膨化等。壓差式膨化處理主要基于“爆米花”的產(chǎn)生原理，主要設備由膨化罐、體積大于膨化罐的真空罐和蒸汽發(fā)生裝置3部分組成。膨化罐與真空罐通過電磁閥連接，需要處理的原料含水率可以為15% ～70%(不同原料要求有所不同)。然后將原料均勻平鋪放入膨化罐的物料擱板內(nèi)，通過電加熱或鍋爐蒸汽加熱膨化罐進行加熱處理，此時原料內(nèi)部的水分由于加熱被不斷蒸發(fā)汽化，罐內(nèi)壓力上升至0.1～0.4 MPa的同時，物料也被加熱到70～100℃，處于高溫受熱狀態(tài)。預先將真空罐抽至真空，當膨化罐內(nèi)部的溫度和壓力到達工藝要求并穩(wěn)定一段時間后，此時迅速打開泄壓閥，真空罐與膨化罐相連接，此時膨化罐的壓力下降至－0.1 MPa。瞬間的壓力下降使得膨化罐內(nèi)物料所含有的水分發(fā)生“閃蒸”現(xiàn)象，即物料被高溫干燥固化，導致組織內(nèi)部的迅速擴張膨脹，形成了比較均勻的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。這時繼續(xù)保持膨化罐內(nèi)的真空狀態(tài)一段時間，這一階段繼續(xù)加熱使物料脫水，當膨化罐內(nèi)的物料達到工藝要求的安全含水率時可以停止加熱，開啟冷卻設備使膨化罐冷卻，當冷卻至室溫時使膨化罐恢復至常溫狀態(tài)，將物料取出，即得到所需膨化產(chǎn)品［1－2］。

從壓差式膨化處理的原理分析，物料特性和外界環(huán)境都是影響壓差式膨化能否順利進行的直接因素，物料特性與外界環(huán)境如果二者有一個不能達到符合壓差式膨化處理所需要的具體要求時，物料的壓差式膨化就不能順利進行。壓差式膨化的物料條件可以總結(jié)為以下3點:一是需要膨化處理的原料中必須含有大量的水分，同時物料的內(nèi)部必須含有氣化劑，即均勻的可汽化的液體，這要求膨化物料中的水分必須是由自由水和結(jié)合水組成而且自由水含量要占大部分，因為壓差式膨化所需的氣化水分全部來自于物料自身含有的自由水;二是當膨化罐內(nèi)的壓力迅速改變時，物料為滿足氣體壓力升高的需要，物料內(nèi)部必須要形成大量有彈性的密閉空間，同時要求氣體外泄時，壓力減小的速度要明顯低于這些有彈性的小的密閉空間中壓力升高的速度;三是這些小的密閉空間必須是由具有彈性和伸縮性能的材料形成的，并且當氣化劑膨脹，導致物料發(fā)生膨化后，物料迅速干燥被固定化的過程中，這些密閉小空間不能發(fā)生相對回縮，必須保持膨化物料的疏松多孔結(jié)構(gòu)。外界環(huán)境對壓差式膨化的主要貢獻是提供能量，就是要使用加熱、微波等合適的加熱方式，為物料膨化處理過程中的物料升溫、水分汽化蒸發(fā)、壓力變化、膨化狀態(tài)的固定化等提供足夠的能量，以保證整個壓差式膨化過程的順利完成［3－4］。

2 壓差式膨化設備發(fā)展歷程

壓差式膨化處理的設備經(jīng)歷了一個復雜和長期的發(fā)展過程。最初用于谷物加工所用的壓差式膨化機工作過程如下:首先將谷物原料放入到膨化機的腔體內(nèi)，加熱蒸汽使膨化機的腔體外部受熱，加熱的同時為了保證膨化機內(nèi)谷物原料受熱均勻，要以合適的速度勻速轉(zhuǎn)到膨化機腔體，這時膨化機腔體內(nèi)部由于加熱處于高溫高壓狀態(tài)，當這一狀態(tài)穩(wěn)定并持續(xù)一段時間后，快速打開膨化機腔體的遮蓋物，使得膨化機腔體內(nèi)部的物料噴出，金屬收集裝置用來收集從腔體中噴出的物料。這類膨化機的缺點比較明顯，設備設計比較簡陋粗糙，加熱時腔體受熱不均勻?qū)е略鲜秩菀捉购锪蠂姵龅姆绞绞秩菀自斐墒称肺廴?，其加工能力較低，只能進行間歇性的分批生產(chǎn)。隨后，研究人員對壓差式膨化裝置進行了改造，安裝了一個用于減少膨化機腔體振動的減震器，同時使用鍍鎳原料改善了膨化機的內(nèi)部構(gòu)造，采用可以耐高溫的橡膠圈作為原始膨化機中密封用鉛制品的替代物。為了專門針對原料的膨化加工而設計出了第3代膨化設備。第3代設備所具有的優(yōu)勢如下:控制氣壓閥設備開關的安裝和加熱系統(tǒng)的重新改進，使得物料的加熱時間大大縮短，物料到達工藝要求溫度的時間縮短至1～2 min，大大降低了加工耗時。同時與第2代的設備相比，腔壁的厚度也有所減少［1］。以上3代設備均為分批加工的干燥設備。為了實現(xiàn)物料壓差式膨化過程的連續(xù)生產(chǎn)，并且對膨化全過程實現(xiàn)更精確的控制，有效降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)降低費用，增產(chǎn)并能更好地控制膨化干燥的全過程，經(jīng)過多年對膨化腔的研究和改進之后，1977年J·F·Sullivan等設計制造出了連續(xù)式的壓差式膨化裝置(Continuous Explosion Puffing System，簡稱CEPS)。隨后，美國喬治亞州藍莓協(xié)會于1984年也設計研制出了可以連續(xù)式壓差式膨化藍莓成套裝置［1，5－7］。

3 膨化處理對物料結(jié)構(gòu)的影響

在膨化過程中，加熱為物料提供了大量的能量，當體系內(nèi)的壓力迅速變化時，物料就會朝著熵增加即物料的結(jié)構(gòu)混亂度增大的方向改變，這就是壓差式膨化過程的抽象化描述［8］。目前有大量研究表明，壓差式膨化干燥技術不僅有利于物料的口感和外觀，特別是在果蔬的護色方面起到獨特的作用;同時，能夠?qū)Φ矸酆枯^高的物料中的淀粉鏈起到分裂和變性的作用，對物料的組織結(jié)構(gòu)也有一定的影響。楊銘鐸等使用玉米粉膨化研究表明，膨化可以使谷物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，宏觀上谷物的體積增大，比重降低，質(zhì)地疏松;微觀上膨化使淀粉粒解體，淀粉含量減少，糊精和還原糖增加，還原能力增強，碘值增高，α化度升高;同時使蛋白質(zhì)變性并也使其趨于降解，氨基酸增加，膨化使脂肪分解而減少。上述變化發(fā)生的同時，物料中水溶性成分的溶出能力也明顯增強［8－9］。

4 壓差式膨化在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應用

壓差式膨化技術作為一項新興的食品加工技術，結(jié)合了熱風干燥和冷凍干燥等方法改良物料特性，同時保留了物料內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)。目前主要應用于膨化食品中，尤其是水果及蔬菜等水分含量較高、不利于儲藏的食品，利用壓差式膨化技術處理可以較好地保留原料內(nèi)所含有的營養(yǎng)物質(zhì)和其獨特的風味，并使得口感有很大的改善。同時，目前還有利用壓差式膨化處理發(fā)酵原材料，提高生產(chǎn)工藝中發(fā)酵的效率和發(fā)酵產(chǎn)品的感官品質(zhì)的報道［10］。

4.1 壓差式膨化在果蔬加工中的應用 A·Nath等對高溫短時條件下馬鈴薯的膨化工藝進行了研究，確定了原料最初含水量、膨化溫度、處理時間和淀粉含量對膨化的影響較為顯著的因素，并對膨化工藝進行了優(yōu)化［11］，其最佳工藝條件為:預處理原料含水量為36.74%，膨化溫度235.46℃，處理時間51 s。

國外的一些學者也較為深入地研究了馬鈴薯的膨化前處理，重點研究了不同壓差式膨化條件對馬鈴薯外部干燥層和膨化率的影響，并使用掃描電子顯微鏡對膨化前后馬鈴薯的微觀結(jié)構(gòu)變化進行了觀察。其研究結(jié)果表明，馬鈴薯等原料的膨化前處理十分有必要，因為馬鈴薯的壓差式膨化對膨化壓力和溫度要求都很高，合適的前處理工藝不僅可以防止原料在加工過程中發(fā)生褐變，而且有利于增大產(chǎn)品的膨化效果，降低加工過程中的設備技術要求。A·I·Varnalis等研究了不同前處理工藝對馬鈴薯膨化效果的影響，結(jié)果表明，熱燙和熱風干燥時間對馬鈴薯的膨化效果有顯著性影響，其中熱燙與馬鈴薯膨化程度呈正相關的關系，熱風干燥時間與膨化效果負相關，硫漂處理對馬鈴薯的膨化效果沒有顯著影響，但卻能有效地防止加工過程中色變;經(jīng)過熱燙處理后再熱風干燥，能夠提升馬鈴薯的膨化效果［12－13］。

M·F·Kozempel等廣泛地研究了不同果蔬品種的壓差式膨化條件，確定了胡蘿卜、馬鈴薯、蘑菇、芹菜、甜菜、蘋果、梨、洋芋、洋蔥、甘藍、菠蘿、藍莓等果蔬原料的膨化條件，研究了物料特性、膨化溫度、加熱時間、膨化物料形狀和初始含水率等與膨化效果的關系［2］。以蘋果為例，蘋果的初始含水量、膨化溫度、壓力差、真空過程膨化罐溫度、真空時間和停滯時間都對原料的膨化效果有顯著影響。國外學者研究發(fā)現(xiàn)，需要大于70 kPa的壓力差才能夠?qū)Υ竺?、小麥、黑麥等谷物類食物原料進行膨化，蛋白質(zhì)含量較高的食品例如畜產(chǎn)品膨化難度也比較大［2，14－15］。

石啟龍等對蘋果的壓差式膨化最佳工藝進行了研究，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)為:蘋果片厚度5 mm，膨化前均濕3 d，膨化蘋果初速含水量為18%，膨化壓力差120 kPa，膨化溫度85～95℃［16］。劉自強對壓差式膨化機理深入的進行了探討，對膨化過程中的主要因素，膨化的主要過程和膨化過程中能量的變化情況進行了細致的闡述，他認為膨化分為相變、增壓和固定化3個主要階段，第1個階段物料中的氣化劑由于外界給予的能力發(fā)生汽化，第2個階段氣體的汽化導致物料內(nèi)部壓強變大，這是物料膨化的動力所在，第3個階段膨脹的氣體從物料中泄露出來，這是物料繼續(xù)被加熱干燥，最終形成具有疏松多孔結(jié)構(gòu)的膨化物料［17］。目前我國壓差式膨化干燥技術研究還處于較低的發(fā)展階段，壓差式膨化過程的理論研究和應用研究都有較大的發(fā)展空間。

4.2 壓差式膨化在發(fā)酵工業(yè)中的應用 膨化處理對發(fā)酵的有利影響主要有以下幾點:首先，谷物呈現(xiàn)的蜂窩狀或片狀結(jié)構(gòu)，淀粉鏈和肽鏈裸露在外，具有極大的作用面積，而且空間位阻小，淀粉鏈和肽鏈能主動吸附酶，有利于酶對原料的作用，從而可縮短發(fā)酵周期，提高原料利用率［18］。

第二，膨化有利于酶對淀粉的糖化作用，能夠提高α化淀粉的比例，可以在一定程度上提高淀粉的糊化比例，簡化后續(xù)的處理過程的同時也節(jié)約了能源，有效地降低了加工過程中可溶性糖損失。膨化有利于蛋白質(zhì)和淀粉等大分子的降解，加速可溶性成分溶出，為酶和酵母對發(fā)酵原料的化學和生物作用提供了便利。

第三，膨化過程瞬間完成，原料中的一部分可溶性糖、氨基酸和維生素被保存下來，一開始就為酵母提供了碳源、氮源和生長素，從而可縮短發(fā)酵周期。

第四，膨化是一種高溫高壓的加工過程，可以在一定程度上減少原料中微生物數(shù)量，降低原料發(fā)酵過程中被腐敗菌污染的概率，可以起到降低成品酸度和提高產(chǎn)品質(zhì)量的作用。

最后，脂肪在膨化過程中減少很多，對成品的風味帶來益處。

張煥等研究指出，谷物經(jīng)膨化后，脂肪大大降低，淀粉及蛋白成分發(fā)生降解，營養(yǎng)成分增加，不溶性物質(zhì)變成了可溶性物質(zhì)，對發(fā)酵工業(yè)提供了有利條件［18］。利用膨化工藝釀酒，可以提高糧食出酒率、減少酒母用量、縮短發(fā)酵周期，產(chǎn)品衛(wèi)生指標符合規(guī)定要求。釀制啤酒，需要加入70%的大麥芽，而將其膨化后，只需要加入40%的大麥芽即可達到要求。黑龍江商學院利用玉米為釀造原料制造白酒、黃酒已取得很好的效果，提高了酒的質(zhì)量。采用膨化技術制醋，在保持產(chǎn)品衛(wèi)生指標和理論指標的前提下，與原來采用的固體發(fā)酵工藝相比，各項指標都有顯著提高(表1)。

表1 膨化工藝與傳統(tǒng)工藝對比率

李勇等研究膨化原料與傳統(tǒng)蒸煮原料生產(chǎn)醬油的差別，表明大豆經(jīng)壓差式膨化后，原料組成發(fā)生了一些變化，經(jīng)測定，水分由于汽化作用減少了6.44%，粗蛋白和粗淀粉由于部分降解下降了4.9%和5.05%、還原糖和灰分含量分別增加了0.65%和0.80%、蛋白質(zhì)由于受熱變性，可溶性蛋白質(zhì)含量下降4.63%，經(jīng)膨化后組織結(jié)構(gòu)變得疏松，為微生物和酶的作用提供了更大的作用面積［19］。采用壓差膨化大豆后釀造醬油，其蛋白質(zhì)的利用率可達80.60%，氨基酸生成率達51.67%。該方法簡化了工藝，提高了原材料的利用率，并且降低了成本，同時產(chǎn)品具有膨化原料特有的焦香味，風味品質(zhì)十分獨特。江潔等研究了膨化黑豆醬的工藝條件，研究結(jié)果表明，使用壓差膨化法處理原料，可以替代傳統(tǒng)的原料浸泡和高溫蒸煮工藝，減少色素和主要營養(yǎng)成分從原料黑豆中流失，節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本，提高原料利用率［20］。

楊葉等使用經(jīng)過雙螺桿擠壓處理的米糠，將擠壓米糠接種米曲霉，采用液體和固體2種方法對擠壓米糠進行發(fā)酵，測定發(fā)酵產(chǎn)物中γ-氨基丁酸的含量［21］。結(jié)果表明，無論是液態(tài)發(fā)酵還是固態(tài)發(fā)酵，發(fā)酵產(chǎn)物中γ-氨基丁酸的含量都有了明顯的提高，液態(tài)發(fā)酵未擠壓米糠其產(chǎn)物中γ-氨基丁酸的含量為561.9 mg/kg，擠壓膨化后的米糠發(fā)酵物中γ-氨基丁酸的含量提高到1 186.0 mg/kg;固態(tài)發(fā)酵未擠壓米糠中γ-氨基丁酸的含量為603.5 mg/kg，經(jīng)擠壓膨化處理后的米糠固態(tài)發(fā)酵物中γ-氨基丁酸的含量達到1 211.0 mg/kg，均達到了富集γ-氨基丁酸的目的。

5 結(jié)論與展望

壓差式膨化技術作為一種新型的農(nóng)產(chǎn)品加工技術，在農(nóng)產(chǎn)品加工的各個領域應用前景廣闊。該研究首先介紹了壓差式膨化技術的原理和過程，然后闡述了壓差式膨化設備的發(fā)展歷程，接著對壓差式膨化過程中物料結(jié)構(gòu)的變化進行了探討，最后介紹了國內(nèi)外運用壓差式膨化對農(nóng)產(chǎn)品進行加工的研究進展，綜合探討了壓差式膨化技術在食品、果蔬加工和發(fā)酵工業(yè)中的應用，展望了產(chǎn)品的應用前景，對進一步研究和推廣壓差式膨化技術具有重要的指導意義。

［1］SULLIVAN J F，CRAIG J C.The development of explosion puffing［J］.Food technology，1984，38(2):52 －55.

［2］KOZEMPEL M F，SULLIVIAN J F，CRAIG J C，et al.Explosion puffing of fruits and vegetables［J］.Journal of food science，1989，154(3):772 －773.

［3］PAYNE F A，TARABA J L，SAPUTA D.A review of puffing processes for expansion of biological products［J］.Journal of food engineering，1989，10(3):183－197.

［4］GURAYA H S，TOLEDO R T.Volume expansion during hot air puffing of a fat-free starch-based snack［J］.Journal of food science，1994，59(3):641－643.

［5］ANONYMOUS.A versatile form of blueberries-puffed dehydrated［J］.Food processing，1984，45(7):31 －32.

［6］SULLIVAN J F，CRAIG J C JR，DEKAZOS E D，et al.Dehydrated blueberries by the continuous explosion-puffing process［J］.Food science，1982，47(2):445－448.

［7］SULLIVAN J F，CRAIG J C，KONSTANCE R P，et al.Continous explosionpuffing of apples［J］.Journal of food science，1980，45:1550 －1555.

［8］楊銘鐸.谷物的膨化及其應用［J］.中國釀造，1988(2):2 －5.

［9］劉雪雁，楊銘鐸，王金山，等.谷物膨化機理的再探討［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，1989(4):41－45.

［10］HAN C K，HONG H D，KIM Y C，et al.Effect of puffing on quality characteristics of red ginseng tail root［J］.Ginseng research，2007，31:147 －153.

［11］NATH A，CHATTOPADHYAY P K，MAJUMDAR G C.High temperature short time air puffed ready-to-eat potato snackes:Process parameter optimization［J］.Journal of food engineering，2007，80:770 －780.

［12］VARNALIS A I，BRENNAN J G，MACDOUGALL D B.A proposed mechanism of high-temperature puffing of puffing.Part I.The influence of blanching and drying condition on the volume of puffed cubes［J］.Journal of food engineering，2001，48:361 －367.

［13］VARNALIS A I，BRENNAN J G，MACDOUGALL D B.A proposed mechanism of high-temperature puffing of puffing.PartⅡ.The influence of blanching and initial drying on the permeability of the partially dried layer to water vapour［J］.Journal of food engineering，2001，48:369 －378.

［14］SHUKLA T P.Cereal grains and legume processing by extrusion［J］.Cereal foods world，1996，41:35 －36.

［15］CHANDRADEKHAR P R，CHATTOPADHYAY P K.Heat transfer during fluidized bed puffing of rice grains［J］.Journal of food process engineering，1989，11(2):147 －157.

［16］石啟龍，張培正.氣流膨化蘋果脆片加工工藝初探［J］.河北農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)，2001，24(4):69 －72.

［17］劉自強.食品膨化機理的理論探析［J］.食品工業(yè)科技，1997(6):52－53，79.

［18］張煥，張新洲.膨化技術在糧食深加工中的應用［J］.鄭州牧業(yè)工程高等?？茖W校學報，2000(2):44－45.

［19］李勇，吳耘紅，武秋立.膨化原料與傳統(tǒng)蒸煮原料生產(chǎn)的醬油的分析［J］.齊齊哈爾大學學報，2005，21(9):31 －39.

［20］江潔，吳耘紅，蔣繼峰.膨化黑豆醬的研制［J］.中國調(diào)味品，2003(10):24－26.

［21］楊葉，陳野，羅垠，等.擠壓米糠發(fā)酵生產(chǎn)γ-氨基丁酸的工藝條件優(yōu)化［J］.食品科學，2011，32(9):246 －250.