刘志东，陈雪忠，黄洪亮，陈 帅，李灵智，刘 健

（中国水产科学研究院，东海水产研究所，上海200090）

高湿挤压技术的研究进展

刘志东，陈雪忠，黄洪亮*，陈 帅，李灵智，刘 健

（中国水产科学研究院，东海水产研究所，上海200090）

简要介绍了高湿挤压技术（水分含量>40%）的起源和发展及原理、设备、应用进展。高湿挤压技术是解决水产品加工利用问题的有效手段，并展望了其应用前景。

高湿挤压，双螺杆挤压机，水产品，进展

1 高湿挤压技术的原理

目前，高湿挤压技术的确切机理还不完全清楚，但有关学者认为：高湿挤压的原料在挤压机较长的输送段首先预混合，然后通过捏合元件产生剪切、混合，提高物料在机筒内的停留时间。挤压过程中物料受到剪切、高压、高温等的综合作用加热物料体系，并将其转化为连续的、塑化状态的“熔融体”。熔融的物料反复地相互熔合，再由螺杆运动分散，分离。蛋白质与蛋白质之间的交互作用包括交叉耦合和耦合本质的改变（如二硫键的形成），然后聚集的原料被加热到更高的温度来维持它的熔融条件。熔融的聚集物被传送到冷却模中，在这里增加黏性和剪切力，在成分保持弹性的同时使物质中平行的成分变形。最后，挤出物被充分冷却后从出口挤出[5]。在升温阶段，食品中的生物聚合物开始失去其有序的分子结构。蛋白质开始变性，淀粉开始糊化。在糊化和变性的初始阶段，由于氢键的作用，新的分子聚合物结构形成。聚合物分子的物理特性剧烈变化。这种变化的一个重要特征是挤出物粘度的快速增加。初始增加结束后，继续加热和机械剪切，熔融体的粘度开始降低。粘度的初始增加是由糊化引起的，随后双折射完全不可逆的消失。复合物的断裂和形成可能伴随着挤出物中淀粉的糊化，这主要取决于过程的条件[6]。

国外关于挤压过程中蛋白质化学键变化的研究较多。Hager研究认为二硫键的形成对纤维化结构起着重要作用；Rhee研究认为氢键和疏水键对稳定挤出物的交联结构起着主要作用；Prudencio等研究认为挤出物蛋白质与蛋白质之间的作用力主要为二硫键、疏水相互作用和静电相互作用[7]；Ledward等研究认为共价键的形成和分子间静电作用是挤出物组织化形成的主要原因，而氢键、疏水键和二硫键则起稳定氨基酸网络的作用[8]。挤出过程中，分子改变导致了宏观结构的复杂，这涉及到了共价键和非共价键等相互作用的改变；但蛋白质之间的相互作用方式在分子水平上还没有被很好理解。

根据Meuser等提出的挤压过程系统分析模型，挤压技术参数可以分为三类：过程参数（输入参数）：包括原料的特性、辅料的组成和添加顺序、水分含量、温度、螺杆转速、进料速度、机筒温度、螺杆结构和模头形状等；系统参数（中间参数）：包括扭矩、压力、单位机械能耗和停留时间分布等；目标参数（输出参数）：包括产品产量、产品特性、色泽、风味和营养价值等。系统参数是连接过程参数和目标参数的中间环节，三者之间存在着一定的数学关系。然而，由于挤压机的黑箱特性以及受在线检测技术的限制，系统参数的获得十分困难。国内外的研究大多跳过了系统参数，直接考察过程参数与目标参数的关系，这样的研究结果具有较大的局限性；获得的结论只能是针对特定设备的，且仅在所考察的参数水平范围内适用，不具有外延性。此外，挤压机的系统参数（如扭矩、压力和单位机械能耗）在特定区间内，可以采用适当的修匀函数来拟合，拟合后的修匀函数可以近似地代表真实的响应函数[9]。

2 高湿挤压技术的研究进展

2.1 高湿挤压技术的设备

目前，用于高湿挤压的挤压机主要是同向、完全啮合、梯形螺纹的双螺杆挤压机[10]。双螺杆挤压机具有灵活的积木式组合设计、优异的分散及分布混合能力、较窄的停留时间分布、广泛的适应性和生产效率高等优点，可以用于处理黏性的、油滑的和高水分的物料[11]。国外，以美国安德森公司，德国布拉本德公司和法国克莱斯特罗公司研制生产的双螺杆挤压机技术较为领先。目前，国内生产的双螺杆挤压机还不能很好地用于高湿挤压。

2.2 高湿挤压技术的应用进展

2.2.1 高湿挤压技术的国内应用进展 高湿挤压技术可以用于生产新鲜食品、半成品、冷冻食品、灌装食品或宠物食品。高湿挤压产品质地均匀一致，富有弹性和韧性，产品不需复水[9]。我国在食品挤压技术方面的研究起步较晚。郝小亮、刘毅[12]从外部形态、咀嚼感、质构特征和成本等方面比较了高湿挤压技术生产的纤维状组织蛋白与普通组织蛋白的区别。康立宁等[9]以食用脱脂豆粕为原料，在物料含水量35%~55%条件下，研究挤压过程中工艺参数对系统压力和扭矩的影响。魏益民等[13]根据对高湿组织化大豆蛋白产品的加工工艺和产品扫描电镜的分析结果，提出“膜状气腔”理论。我国高湿挤压技术在水产品领域的研究还处于起步阶段。因此，深入研究挤压操作参数对水产品挤压物性质的影响是该领域的重要研究内容之一[14]。刘俊荣等[15]研究了低值水产蛋白质在高湿挤压过程中的系统运行稳定性以及水产蛋白质挤压过程参数模型的优化[16-17]。路红波等比较了挤压加工技术与传统食品加工技术对鱼肉蛋白质分子的影响[18]。杨涛等以北太平洋鱿鱼加工废弃的边角料为原料，采用双螺杆挤压技术研究了物料含水量、机筒温度和螺杆转速对鱿鱼蛋白质挤出物的水分含量、堆积密度、组织化度、咀嚼度、持水性和持油性的影响[19-20]。

2.2.2 高湿挤压技术的国外应用进展 国外开展了采用廉价的植物蛋白质生产肉类模拟物的研究，不仅在学术研究领域，而且在工业领域的主要食品加工企业如Central Soya，General Foods，General Mills，Nestle，Pillsbury，Proctor and Gamble，Quaker Oats，and Ralston Purina等也进行了相关的研究。Shen和Wang采用阿拉斯加狭鳕鱼糜与蛋清和1%的淀粉挤出蟹肉类似物，组织化大豆食品如‘fupi’[21]。Cheftel等借助于挤压的质构化过程使得产品能够模仿肉和高价值海产食品的质构、味道和外观[22]。鱼和肉的水分含量高达75%。然而，挤出物的质构化需要物料的水分含量低。降低输入物料水分的一个方法就是在挤出前脱水，尽管很难完成，或者通过增加配方中的非肉类粘结剂的含量[23-26]。非肉类粘结剂也会影响输入物料的最终蛋白质含量，通常在15%~40%之间变化。最终蛋白质的含量取决于非肉类粘结剂的类型和配方中肉或鱼与非肉粘结剂的的比例。挤出过程中，在高温、高压和高剪切力作用下，蛋白质的结构被打断；蛋白质的溶解性降低，交联反应发生[27]。高湿条件下，蛋白质混合物的热塑成型可能需要相对高的挤出温度（>150℃）。水分含量低于60%，热塑成型需要更高的温度。Cheftel等认为蛋白质塑性成型在机筒内的停留时间至少需要150s。采用高L/D比，减少螺杆转速和进料速度，或者采用更灵活的螺杆配置（如更多的揉捏组合或反向螺杆单元）可以增加机筒内的停留时间。此外，更灵活的螺杆配置能够增加熔融体的热传导。因此，促进蛋白质的塑性成型[28]。混合物中蛋白质的类型和添加剂对产品的质构化也有影响。Yao等[29-30]在含水量60%~72%条件下，以大豆蛋白、谷物蛋白和未变性的谷物淀粉为原料挤压生产仿肉制品，采用荧光偏差的方法测量产品的纤维形成。研究表明质构分析结果虽然不能充分描绘纤维的形成，但是这种方法对样品的视觉检查和镜像结果具有很好的显示。20世纪90年代，Okazkai和Fukuda[31-32]利用超高压技术对水产蛋白质进行了挤压研究，获得了质构化的水产品。

2.3 高湿挤压技术在水产品加工领域应用的前景

自20世纪50年代以来，世界渔业总产量一直按每年6%~7%左右的速度增加，1990年至1992年渔业总产量停留在9800万吨左右，以后一直超过1亿吨。我国渔业年产量接近4700余万吨，其中近25%的资源未被合理利用。这些资源包括水产品加工的废弃物以及未利用或未充分利用的低值鱼、虾、贝类等渔获物[33]。水产蛋白质包括一切鱼类以及以来源于海洋为主的各种无脊椎动物的蛋白质组织，其中以鱼肉蛋白质为典型的研究对象。水产蛋白质的利用一直未能脱离传统的加工方式，产品仍以鱼粉为主，还有鱼糜制品，液体水产蛋白质等多种形式；但直接食用的产品不多，由此造成水产品的损失率较高。鱼粉生产一直是开发利用低值水产品的主要手段，鱼粉的工业化生产可以追溯到上个世纪，当时北欧和北美地区的人们从鲜鱼中提取鱼油，这是鱼粉生产的雏形，但在当时提取油脂后的蛋白质废渣仅仅作为肥料或丢弃掉。现在鱼粉已是饲料工业中最重要的动物性蛋白原料。随着传统经济鱼类资源的逐步衰竭，低值水产品的开发利用问题受到各国关注，人们不断探索新技术以生产高附加值的产品，并且取得了很多突破性进展。采用这些新技术来开发低值水产品，为解决低值水产品的深加工问题提供了新的思路。挤压技术应用于各种低值水产品的开发和利用，具有技术新颖、产品质地和风味独特、成本低廉的突出优点，还能够有效地提高低值水产品的附加值，也有利于促进渔业的可持续发展[34]。

目前我国关于低值水产品的深加工问题一直处于初级阶级。近年来传统经济鱼类的捕获量骤减，以往人们不爱食用的鱼类如中上层鱼类，小杂鱼类已成为主要渔业资源。中上层鱼类普遍具有多脂多臭等特点，关于这类鱼的加工利用问题始终困扰着水产品加工企业，传统的加工手段已经难以满足市场和生产的需求，消费者和企业都期望采用一种新的技术生产出质地、风味全新的精深加工产品。现有的相关研究已经显示出挤压技术在水产品加工领域的广阔应用前景[35]。此外，研究挤压过程参数对水产品的功能特性、物理特性以及营养特性的影响，也为大宗、低值水产品的深加工提供了新思路。挤压技术在水产品加工领域的研究与应用，将提高低值水产品加工利用的档次和我国水产品资源的综合利用水平[36]。

3 展望

尽管目前高湿挤压技术应用的领域不如低湿挤压技术广泛，但已经开始用于生产许多新型食品并具有了部分替代传统食品生产方法的趋势。随着人们生活水平的提高和对食品安全的追求，高湿挤压的产品将会有独特的发展前景。利用高湿挤压技术生产的产品，将具有很大的市场前景。

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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

挤压是一个连续的混合、揉捏和成型的过程。“extrude”（挤出）一词来源于拉丁文“ex”（离去）和“trudere”（推），即施加推压力使物料通过机头成形之后离去的过程[1]。挤压技术自20世纪60年代应用于食品工业以来，已经有60多年的历史。挤压过程中食品组分之间的物理-化学变化、分子重排和相互作用使得挤压过程成为一个复杂的食品加工单元。根据输入物料含水量的不同，挤压技术可以分为高湿挤压技术（>40%）和中、低湿挤压技术（≤40%）。中、低湿挤压技术就是挤压膨化技术；高湿挤压技术为改进高湿挤压物的质构和风味提供了一条新的途径，几乎所有涉及高湿挤压技术的工作都与双螺杆挤压机有关[2]。高湿挤压技术是伴随着双螺杆挤压机（Twin screw extruders，TSE）的发展而发展起来的新兴技术。高湿挤压技术起源于20世纪80年代的日本和法国，只是到了近年才开始商业化。日本和法国研究人员在法国实验室合作采用双螺杆挤压机，以大豆分离蛋白为原料进行了高湿挤压研究。随后在日本Tsukuba国家食品研究实验室和法国Montpellier大学的食品技术实验室分别以大豆分离蛋白、大豆浓缩蛋白、脱脂大豆粉、脱皮整粒大豆以及其他植物来源、鱼类和其他动物来源的蛋白质为原料进行了相关研究。Isobe等[3]首次采用带有附加冷却模的双螺杆挤压机以脱脂大豆粉为原料在高湿条件下生产出纤维状胶体组织蛋白。随后，另外一组日本研究人员采用脱皮整粒大豆在高湿条件下进行了纤维状组织的研究[4]。脱脂大豆粉和不同水产品挤出获得肉类类似物的研究已经在不同文献中报告。

2011－05－30 *通讯联系人

刘志东（1976-），男，博士，副研究员，主要从事海洋活性物质和水产品加工与综合利用研究。

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（中国水产科学研究院东海水产研究所，2011M06）；南北极环境综合考察专项（JDZX20110020）；南极海洋生物资源开发利用专项（2012）；国家“863”计划（2012AA092304，2012AA092303）。