劉志東，陳雪忠，黃洪亮，陳 帥，李靈智，劉 健

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院，東海水產(chǎn)研究所，上海200090）

高濕擠壓技術(shù)的研究進(jìn)展

劉志東，陳雪忠，黃洪亮*，陳 帥，李靈智，劉 健

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院，東海水產(chǎn)研究所，上海200090）

簡(jiǎn)要介紹了高濕擠壓技術(shù)（水分含量>40%）的起源和發(fā)展及原理、設(shè)備、應(yīng)用進(jìn)展。高濕擠壓技術(shù)是解決水產(chǎn)品加工利用問(wèn)題的有效手段，并展望了其應(yīng)用前景。

高濕擠壓，雙螺桿擠壓機(jī)，水產(chǎn)品，進(jìn)展

1 高濕擠壓技術(shù)的原理

目前，高濕擠壓技術(shù)的確切機(jī)理還不完全清楚，但有關(guān)學(xué)者認(rèn)為：高濕擠壓的原料在擠壓機(jī)較長(zhǎng)的輸送段首先預(yù)混合，然后通過(guò)捏合元件產(chǎn)生剪切、混合，提高物料在機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間。擠壓過(guò)程中物料受到剪切、高壓、高溫等的綜合作用加熱物料體系，并將其轉(zhuǎn)化為連續(xù)的、塑化狀態(tài)的“熔融體”。熔融的物料反復(fù)地相互熔合，再由螺桿運(yùn)動(dòng)分散，分離。蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的交互作用包括交叉耦合和耦合本質(zhì)的改變（如二硫鍵的形成），然后聚集的原料被加熱到更高的溫度來(lái)維持它的熔融條件。熔融的聚集物被傳送到冷卻模中，在這里增加黏性和剪切力，在成分保持彈性的同時(shí)使物質(zhì)中平行的成分變形。最后，擠出物被充分冷卻后從出口擠出[5]。在升溫階段，食品中的生物聚合物開始失去其有序的分子結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)開始變性，淀粉開始糊化。在糊化和變性的初始階段，由于氫鍵的作用，新的分子聚合物結(jié)構(gòu)形成。聚合物分子的物理特性劇烈變化。這種變化的一個(gè)重要特征是擠出物粘度的快速增加。初始增加結(jié)束后，繼續(xù)加熱和機(jī)械剪切，熔融體的粘度開始降低。粘度的初始增加是由糊化引起的，隨后雙折射完全不可逆的消失。復(fù)合物的斷裂和形成可能伴隨著擠出物中淀粉的糊化，這主要取決于過(guò)程的條件[6]。

國(guó)外關(guān)于擠壓過(guò)程中蛋白質(zhì)化學(xué)鍵變化的研究較多。Hager研究認(rèn)為二硫鍵的形成對(duì)纖維化結(jié)構(gòu)起著重要作用；Rhee研究認(rèn)為氫鍵和疏水鍵對(duì)穩(wěn)定擠出物的交聯(lián)結(jié)構(gòu)起著主要作用；Prudencio等研究認(rèn)為擠出物蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的作用力主要為二硫鍵、疏水相互作用和靜電相互作用[7]；Ledward等研究認(rèn)為共價(jià)鍵的形成和分子間靜電作用是擠出物組織化形成的主要原因，而氫鍵、疏水鍵和二硫鍵則起穩(wěn)定氨基酸網(wǎng)絡(luò)的作用[8]。擠出過(guò)程中，分子改變導(dǎo)致了宏觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，這涉及到了共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵等相互作用的改變；但蛋白質(zhì)之間的相互作用方式在分子水平上還沒有被很好理解。

根據(jù)Meuser等提出的擠壓過(guò)程系統(tǒng)分析模型，擠壓技術(shù)參數(shù)可以分為三類：過(guò)程參數(shù)（輸入?yún)?shù)）：包括原料的特性、輔料的組成和添加順序、水分含量、溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、進(jìn)料速度、機(jī)筒溫度、螺桿結(jié)構(gòu)和模頭形狀等；系統(tǒng)參數(shù)（中間參數(shù)）：包括扭矩、壓力、單位機(jī)械能耗和停留時(shí)間分布等；目標(biāo)參數(shù)（輸出參數(shù)）：包括產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)品特性、色澤、風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值等。系統(tǒng)參數(shù)是連接過(guò)程參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)的中間環(huán)節(jié)，三者之間存在著一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。然而，由于擠壓機(jī)的黑箱特性以及受在線檢測(cè)技術(shù)的限制，系統(tǒng)參數(shù)的獲得十分困難。國(guó)內(nèi)外的研究大多跳過(guò)了系統(tǒng)參數(shù)，直接考察過(guò)程參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)的關(guān)系，這樣的研究結(jié)果具有較大的局限性；獲得的結(jié)論只能是針對(duì)特定設(shè)備的，且僅在所考察的參數(shù)水平范圍內(nèi)適用，不具有外延性。此外，擠壓機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)（如扭矩、壓力和單位機(jī)械能耗）在特定區(qū)間內(nèi)，可以采用適當(dāng)?shù)男迍蚝瘮?shù)來(lái)擬合，擬合后的修勻函數(shù)可以近似地代表真實(shí)的響應(yīng)函數(shù)[9]。

2 高濕擠壓技術(shù)的研究進(jìn)展

2.1 高濕擠壓技術(shù)的設(shè)備

目前，用于高濕擠壓的擠壓機(jī)主要是同向、完全嚙合、梯形螺紋的雙螺桿擠壓機(jī)[10]。雙螺桿擠壓機(jī)具有靈活的積木式組合設(shè)計(jì)、優(yōu)異的分散及分布混合能力、較窄的停留時(shí)間分布、廣泛的適應(yīng)性和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以用于處理黏性的、油滑的和高水分的物料[11]。國(guó)外，以美國(guó)安德森公司，德國(guó)布拉本德公司和法國(guó)克萊斯特羅公司研制生產(chǎn)的雙螺桿擠壓機(jī)技術(shù)較為領(lǐng)先。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的雙螺桿擠壓機(jī)還不能很好地用于高濕擠壓。

2.2 高濕擠壓技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

2.2.1 高濕擠壓技術(shù)的國(guó)內(nèi)應(yīng)用進(jìn)展 高濕擠壓技術(shù)可以用于生產(chǎn)新鮮食品、半成品、冷凍食品、灌裝食品或?qū)櫸锸称?。高濕擠壓產(chǎn)品質(zhì)地均勻一致，富有彈性和韌性，產(chǎn)品不需復(fù)水[9]。我國(guó)在食品擠壓技術(shù)方面的研究起步較晚。郝小亮、劉毅[12]從外部形態(tài)、咀嚼感、質(zhì)構(gòu)特征和成本等方面比較了高濕擠壓技術(shù)生產(chǎn)的纖維狀組織蛋白與普通組織蛋白的區(qū)別。康立寧等[9]以食用脫脂豆粕為原料，在物料含水量35%~55%條件下，研究擠壓過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)系統(tǒng)壓力和扭矩的影響。魏益民等[13]根據(jù)對(duì)高濕組織化大豆蛋白產(chǎn)品的加工工藝和產(chǎn)品掃描電鏡的分析結(jié)果，提出“膜狀氣腔”理論。我國(guó)高濕擠壓技術(shù)在水產(chǎn)品領(lǐng)域的研究還處于起步階段。因此，深入研究擠壓操作參數(shù)對(duì)水產(chǎn)品擠壓物性質(zhì)的影響是該領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一[14]。劉俊榮等[15]研究了低值水產(chǎn)蛋白質(zhì)在高濕擠壓過(guò)程中的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性以及水產(chǎn)蛋白質(zhì)擠壓過(guò)程參數(shù)模型的優(yōu)化[16-17]。路紅波等比較了擠壓加工技術(shù)與傳統(tǒng)食品加工技術(shù)對(duì)魚肉蛋白質(zhì)分子的影響[18]。楊濤等以北太平洋魷魚加工廢棄的邊角料為原料，采用雙螺桿擠壓技術(shù)研究了物料含水量、機(jī)筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)魷魚蛋白質(zhì)擠出物的水分含量、堆積密度、組織化度、咀嚼度、持水性和持油性的影響[19-20]。

2.2.2 高濕擠壓技術(shù)的國(guó)外應(yīng)用進(jìn)展 國(guó)外開展了采用廉價(jià)的植物蛋白質(zhì)生產(chǎn)肉類模擬物的研究，不僅在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，而且在工業(yè)領(lǐng)域的主要食品加工企業(yè)如Central Soya，General Foods，General Mills，Nestle，Pillsbury，Proctor and Gamble，Quaker Oats，and Ralston Purina等也進(jìn)行了相關(guān)的研究。Shen和Wang采用阿拉斯加狹鱈魚糜與蛋清和1%的淀粉擠出蟹肉類似物，組織化大豆食品如‘fupi’[21]。Cheftel等借助于擠壓的質(zhì)構(gòu)化過(guò)程使得產(chǎn)品能夠模仿肉和高價(jià)值海產(chǎn)食品的質(zhì)構(gòu)、味道和外觀[22]。魚和肉的水分含量高達(dá)75%。然而，擠出物的質(zhì)構(gòu)化需要物料的水分含量低。降低輸入物料水分的一個(gè)方法就是在擠出前脫水，盡管很難完成，或者通過(guò)增加配方中的非肉類粘結(jié)劑的含量[23-26]。非肉類粘結(jié)劑也會(huì)影響輸入物料的最終蛋白質(zhì)含量，通常在15%~40%之間變化。最終蛋白質(zhì)的含量取決于非肉類粘結(jié)劑的類型和配方中肉或魚與非肉粘結(jié)劑的的比例。擠出過(guò)程中，在高溫、高壓和高剪切力作用下，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)被打斷；蛋白質(zhì)的溶解性降低，交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生[27]。高濕條件下，蛋白質(zhì)混合物的熱塑成型可能需要相對(duì)高的擠出溫度（>150℃）。水分含量低于60%，熱塑成型需要更高的溫度。Cheftel等認(rèn)為蛋白質(zhì)塑性成型在機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間至少需要150s。采用高L/D比，減少螺桿轉(zhuǎn)速和進(jìn)料速度，或者采用更靈活的螺桿配置（如更多的揉捏組合或反向螺桿單元）可以增加機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間。此外，更靈活的螺桿配置能夠增加熔融體的熱傳導(dǎo)。因此，促進(jìn)蛋白質(zhì)的塑性成型[28]?；旌衔镏械鞍踪|(zhì)的類型和添加劑對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)化也有影響。Yao等[29-30]在含水量60%~72%條件下，以大豆蛋白、谷物蛋白和未變性的谷物淀粉為原料擠壓生產(chǎn)仿肉制品，采用熒光偏差的方法測(cè)量產(chǎn)品的纖維形成。研究表明質(zhì)構(gòu)分析結(jié)果雖然不能充分描繪纖維的形成，但是這種方法對(duì)樣品的視覺檢查和鏡像結(jié)果具有很好的顯示。20世紀(jì)90年代，Okazkai和Fukuda[31-32]利用超高壓技術(shù)對(duì)水產(chǎn)蛋白質(zhì)進(jìn)行了擠壓研究，獲得了質(zhì)構(gòu)化的水產(chǎn)品。

2.3 高濕擠壓技術(shù)在水產(chǎn)品加工領(lǐng)域應(yīng)用的前景

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，世界漁業(yè)總產(chǎn)量一直按每年6%~7%左右的速度增加，1990年至1992年漁業(yè)總產(chǎn)量停留在9800萬(wàn)噸左右，以后一直超過(guò)1億噸。我國(guó)漁業(yè)年產(chǎn)量接近4700余萬(wàn)噸，其中近25%的資源未被合理利用。這些資源包括水產(chǎn)品加工的廢棄物以及未利用或未充分利用的低值魚、蝦、貝類等漁獲物[33]。水產(chǎn)蛋白質(zhì)包括一切魚類以及以來(lái)源于海洋為主的各種無(wú)脊椎動(dòng)物的蛋白質(zhì)組織，其中以魚肉蛋白質(zhì)為典型的研究對(duì)象。水產(chǎn)蛋白質(zhì)的利用一直未能脫離傳統(tǒng)的加工方式，產(chǎn)品仍以魚粉為主，還有魚糜制品，液體水產(chǎn)蛋白質(zhì)等多種形式；但直接食用的產(chǎn)品不多，由此造成水產(chǎn)品的損失率較高。魚粉生產(chǎn)一直是開發(fā)利用低值水產(chǎn)品的主要手段，魚粉的工業(yè)化生產(chǎn)可以追溯到上個(gè)世紀(jì)，當(dāng)時(shí)北歐和北美地區(qū)的人們從鮮魚中提取魚油，這是魚粉生產(chǎn)的雛形，但在當(dāng)時(shí)提取油脂后的蛋白質(zhì)廢渣僅僅作為肥料或丟棄掉?，F(xiàn)在魚粉已是飼料工業(yè)中最重要的動(dòng)物性蛋白原料。隨著傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)魚類資源的逐步衰竭，低值水產(chǎn)品的開發(fā)利用問(wèn)題受到各國(guó)關(guān)注，人們不斷探索新技術(shù)以生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品，并且取得了很多突破性進(jìn)展。采用這些新技術(shù)來(lái)開發(fā)低值水產(chǎn)品，為解決低值水產(chǎn)品的深加工問(wèn)題提供了新的思路。擠壓技術(shù)應(yīng)用于各種低值水產(chǎn)品的開發(fā)和利用，具有技術(shù)新穎、產(chǎn)品質(zhì)地和風(fēng)味獨(dú)特、成本低廉的突出優(yōu)點(diǎn)，還能夠有效地提高低值水產(chǎn)品的附加值，也有利于促進(jìn)漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[34]。

目前我國(guó)關(guān)于低值水產(chǎn)品的深加工問(wèn)題一直處于初級(jí)階級(jí)。近年來(lái)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)魚類的捕獲量驟減，以往人們不愛食用的魚類如中上層魚類，小雜魚類已成為主要漁業(yè)資源。中上層魚類普遍具有多脂多臭等特點(diǎn)，關(guān)于這類魚的加工利用問(wèn)題始終困擾著水產(chǎn)品加工企業(yè)，傳統(tǒng)的加工手段已經(jīng)難以滿足市場(chǎng)和生產(chǎn)的需求，消費(fèi)者和企業(yè)都期望采用一種新的技術(shù)生產(chǎn)出質(zhì)地、風(fēng)味全新的精深加工產(chǎn)品?，F(xiàn)有的相關(guān)研究已經(jīng)顯示出擠壓技術(shù)在水產(chǎn)品加工領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景[35]。此外，研究擠壓過(guò)程參數(shù)對(duì)水產(chǎn)品的功能特性、物理特性以及營(yíng)養(yǎng)特性的影響，也為大宗、低值水產(chǎn)品的深加工提供了新思路。擠壓技術(shù)在水產(chǎn)品加工領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，將提高低值水產(chǎn)品加工利用的檔次和我國(guó)水產(chǎn)品資源的綜合利用水平[36]。

3 展望

盡管目前高濕擠壓技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域不如低濕擠壓技術(shù)廣泛，但已經(jīng)開始用于生產(chǎn)許多新型食品并具有了部分替代傳統(tǒng)食品生產(chǎn)方法的趨勢(shì)。隨著人們生活水平的提高和對(duì)食品安全的追求，高濕擠壓的產(chǎn)品將會(huì)有獨(dú)特的發(fā)展前景。利用高濕擠壓技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品，將具有很大的市場(chǎng)前景。

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Development of high moisture extrusion technology

LIU Zhi-dong，CHEN Xue-zhong，HUANG Hong-liang*，CHEN Shuai，LI Ling-zhi，LIU Jian
（East China Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200090，China）

The origin，development，mechanism，equipment and applications of the technology of high moisture extrusion（the content of water＞40%）were reviewed.The technology of high moisture extrusion is an effective method to dissolve the usage problems of fisheries products.The new development tendency of the technology of high moisture extrusion was prospected.

high moisture extrusion；twin-screw extruder；development；fisheries products

TS203

A

1002-0306（2012）07-0424-04

擠壓是一個(gè)連續(xù)的混合、揉捏和成型的過(guò)程?！癳xtrude”（擠出）一詞來(lái)源于拉丁文“ex”（離去）和“trudere”（推），即施加推壓力使物料通過(guò)機(jī)頭成形之后離去的過(guò)程[1]。擠壓技術(shù)自20世紀(jì)60年代應(yīng)用于食品工業(yè)以來(lái)，已經(jīng)有60多年的歷史。擠壓過(guò)程中食品組分之間的物理-化學(xué)變化、分子重排和相互作用使得擠壓過(guò)程成為一個(gè)復(fù)雜的食品加工單元。根據(jù)輸入物料含水量的不同，擠壓技術(shù)可以分為高濕擠壓技術(shù)（>40%）和中、低濕擠壓技術(shù)（≤40%）。中、低濕擠壓技術(shù)就是擠壓膨化技術(shù)；高濕擠壓技術(shù)為改進(jìn)高濕擠壓物的質(zhì)構(gòu)和風(fēng)味提供了一條新的途徑，幾乎所有涉及高濕擠壓技術(shù)的工作都與雙螺桿擠壓機(jī)有關(guān)[2]。高濕擠壓技術(shù)是伴隨著雙螺桿擠壓機(jī)（Twin screw extruders，TSE）的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)。高濕擠壓技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代的日本和法國(guó)，只是到了近年才開始商業(yè)化。日本和法國(guó)研究人員在法國(guó)實(shí)驗(yàn)室合作采用雙螺桿擠壓機(jī)，以大豆分離蛋白為原料進(jìn)行了高濕擠壓研究。隨后在日本Tsukuba國(guó)家食品研究實(shí)驗(yàn)室和法國(guó)Montpellier大學(xué)的食品技術(shù)實(shí)驗(yàn)室分別以大豆分離蛋白、大豆?jié)饪s蛋白、脫脂大豆粉、脫皮整粒大豆以及其他植物來(lái)源、魚類和其他動(dòng)物來(lái)源的蛋白質(zhì)為原料進(jìn)行了相關(guān)研究。Isobe等[3]首次采用帶有附加冷卻模的雙螺桿擠壓機(jī)以脫脂大豆粉為原料在高濕條件下生產(chǎn)出纖維狀膠體組織蛋白。隨后，另外一組日本研究人員采用脫皮整粒大豆在高濕條件下進(jìn)行了纖維狀組織的研究[4]。脫脂大豆粉和不同水產(chǎn)品擠出獲得肉類類似物的研究已經(jīng)在不同文獻(xiàn)中報(bào)告。

2011－05－30 *通訊聯(lián)系人

劉志東（1976-），男，博士，副研究員，主要從事海洋活性物質(zhì)和水產(chǎn)品加工與綜合利用研究。

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，2011M06）；南北極環(huán)境綜合考察專項(xiàng)（JDZX20110020）；南極海洋生物資源開發(fā)利用專項(xiàng)（2012）；國(guó)家“863”計(jì)劃（2012AA092304，2012AA092303）。