马铃薯米制主食加工技术与装备

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第1章 马铃薯复配米及其米饭制品加工技术与装备
　　为了解决精白大米营养不全面的问题，美国学者于1936年首先提出营养强化 (food fortification )米的概念，之后在美国、西欧、古巴、哥伦比亚、菲律宾、越 南等国家和地区逐渐开始生产这类产品。至今，美国仍有60%的包装大米进行了 营养强化，日本的营养强化米也达10%。营养强化米大多通过浸渍法和多次涂膜 法增加大米中的营养素，但制作工艺复杂、加工效率低、成本高。
　　20世纪70年代，挤压复配米（又称人造米或重组米）的技术逐渐成熟，它 是指以淀粉类原料为主体，复配其他多种原料，经挤压、熟化、切割、干燥制成 与天然大米相类似的米粒产品。
　　由于复配米的原料多为疏松的粉料，可在其中加人营养强化剂制作出营养强 化米。Harrow和John ( 1982 )研究出在部分糊化的米粉中加人粉状脂肪、食盐等 物质混合挤压干燥后得到复配米，复水3min后即可食用。将少量乳化剂、胶凝 剂添加到米粉中，有利于通过热挤压方式制作复配米。Wenger ( 1998 )采用低温 挤压工艺研制速煮米，得到的产品形状接近天然大米，米饭松散性好，且可以重 复煮制。Chauhan和Bains ( 1988 )考察了豌豆粉添加到复配米的原料中确定挤压 操作参数对目标产品的影响。Spears等（2004 )研究了挤压操作参数对大米挤出 物糊化性质的影响。陈厚荣等（2009)以大米粉、小麦粉、玉米粉、高粱粉、糯 米粉、燕麦粉、黄豆粉等为原料制成复配米，并研究了其储藏的稳定性。王炜华 等（2011)研发了一种钙、铁和叶酸复合型的营养强化米。贾晓昱等（2014)研 究了大豆粉对重组营养强化米品质的影响，得到最优大豆添加量为8%的复配米 产品。刘霞等（2016)的研究表明，稻米淀粉的添加量能直接影响复配米的硬度、 弹性、黏聚性、咀嚼度和胶着度，其中稻米淀粉的添加量与复配米咀嚼度呈极显 著的负相关。
　　马铃薯复配米是以营养丰富的马铃薯全粉（生全粉或熟全粉）为主要原料， 加上复配大米粉及其他原料，通过食品挤压造粒技术加工而成的具有大米米粒形 状的制品。与天然大米相比，马铃薯粉、大米粉等物料在挤压过程中受到挤压机 内部特殊的加热、加压作用，短时高温高压高剪切力的作用下其品质特性发生改 变，由原来的粉状经熔融态后变成冷却后的晶状体，内部的淀粉等成分会发生糊 化和裂解等变化。挤压作用会对食品质量产生有利的影响，如消化性、速食性、 灭霉性等趋于最大，而对食品品质的负面影响，如褐变、营养素的破坏等则较小，并且使产品具有独特的风味和质构，只需要较少的改良剂或营养强化剂就可以达 到较好的营养强化效果。挤压制成的马铃薯复配米外形光滑美观，口感细腻而富 有弹性。马铃薯复配米的氨基酸组成合理，含有18种氨基酸，包括人体不能合成 的各种必需氨基酸，富含维生素C、B族维生素、膳食纤维及钾、钙、锌等矿物 质，脂肪含量较低，营养素丰富而均衡。由于马铃薯复配米营养全面，可以单独 或与普通大米及其他谷物混合一起煮饭，改善普通米饭的营养品质；对马铃薯复 配米的配方及工艺进行相应调整后，还可生产出适合高血糖、高血脂、高血压、 高尿酸及肾病等慢性病人群的特膳米；由于马铃薯复配米的淀粉可完全a化，作 为速食米是自加热或即食米饭的原料米，食用十分方便。
　　1.1 马铃薯复配米加工技术与装备
　　马铃薯复配米是由马铃薯全粉（生全粉或熟全粉）与大米粉及其他辅料按照 一定比例进行混合后通过挤压再成型得到的米制品。复配米的原料、挤压工艺技 术和装备对马铃薯复配米的品质形成至关重要。
　　1.1.1 原辅料及其制备
　　马铃薯复配米的原料包括：马铃薯全粉，过80目筛；大米粉，经粉碎后过 80目筛；其他辅料及品质改良剂，如变性淀粉和单甘酯等。
　　原料仓分为马铃薯全粉仓和大米粉仓，马铃薯全粉和大米粉通过振动筛分别 进人两个原料仓中，振动筛上方装有吸尘回收系统。两个原料仓上分别装有高料 位计和低料位计，当料仓内的原料过多或者过少时都会发出相应的警报信号。每 次生产所需的原料通过负压输送到电子秤，按照马铃薯全粉和大米粉分别所占比 例要求进行称量（图1-1 )。
　　图1-1 原料仓和称量设备
　　1.1.2 混合与送料
　　1.原辅料混合
　　称量后的马铃薯全粉和大米粉及其他辅料再通过负压系统输送到原料粉混合 机（图1-2)内进行混合，混合时间为10～15mm。
　　图1-2 原料粉混合机
　　2.螺旋自动送料
　　单螺旋自动送料机是将混合的原料均匀连续地送到挤压机，它具有流量稳定、 密封性好等特点。单螺旋自动送料机根据生产需要通过控制面板调节送料速度， 送料速度一般为50～80r/mm。螺旋送料机的送料能力可根据每小时的送料量加以 确定，送料量的范围一般为10～1000kg/h。
　　1.1.3 挤压与切粒
　　1.挤压工作原理
　　利用食品挤压技术生产复配米，其生产过程就是将送至挤压机的混合物料转 人喂料系统，通过调整挤压参数（喂料转速、螺杆转速、温度、切刀转速等）与液体流量，随着挤压机螺杆的转动，物料沿着螺槽方向向前输送。与此同时，由 于受到机筒的阻力作用，固体物料逐渐压实，又由于受到来自机筒的外部加热及 物料在螺杆与机筒的强烈搅拌、混合、剪切等作用，温度开始升高、压力增大， 物料开始熔融，直至全部熔融而熟化，整个挤压过程在短时间（30～300s)内完 成。在这些综合因素的作用下，机筒内的物料处于3～8MPa的高压和200T：左右 的高温状态，一旦物料从模头挤出，压力骤降为常压，物料中水分瞬间闪蒸而散 发，温度降至801左右，从而迅速膨化形成具有特定形状及质构的产品。在整个 加工过程中，食品物料在挤压机筒内通过水分、热量、压力、机械剪切等的综合 作用，经过固态、过渡态到熔融态的物态变化，食品物料的内部结构与性质发生 显著变化，包括淀粉糊化、蛋白质变性、酶失活、细菌等微生物减少等。
　　2.双螺杆挤压机及挤压过程
　　马铃薯复配米挤压机多为同向转动的双螺杆挤压机（图1-3)，由喂料系统、 挤压系统、温控系统和切粒系统组成。与单螺杆挤压技术相比，双螺杆挤压技术 具有无法比拟的优越性能，如工艺参数容易控制、物料能充分混合、不易出现倒 粉现象，并且在双螺杆挤压机运转时，由于双螺杆互相啮合而具有自清洁功能， 避免了单螺杆挤压机经常出现的螺杆堵塞的物料在套筒表面产生结焦等现象。
　　图1-3 复配米双螺杆挤压机示意图
　　螺旋送料机将原料缓慢均匀地送人双螺杆挤压机内。挤压机喂料系统保证原 料稳定地进人挤压系统，稳定地挤出，并与挤压机的螺杆转速相匹配。
　　水也是重要的原料之一，它是决定马铃薯复配米糊化度的一个关键因素。在 马铃薯复配米挤压过程中，加水栗可以自动向挤出系统内加人所需的水量，并且 可以根据原料粉的喂料速率和螺杆转速的不同，对加水量进行自动调节。
　　挤压系统由同向转动的两根螺杆和机筒组成，螺杆上的螺纹元件像积木一样 固定在螺杆上，可以根据需要对螺纹元件进行组合，任意搭配。在挤压过程中， 沿挤出方向，挤压区域按功能可以划分为输送段、混炼段和挤出段。
　　双螺杆挤压法加工复配米的第一步是在较高的挤压温度和较低的水分条件 下，在挤压筒体内得到充分糊化的熟化物料。除原料特性和预处理外，螺杆结构、 喂料速度、机筒温度、螺杆转速、模板结构等变量都对挤出物特性产生复杂的 影响，特别是螺杆转速和机筒温度显著影响挤出物的理化特性和内部结构及功 能特性。
　　挤压螺杆由芯轴和可拆分的各种螺杆元件组成。螺杆为积木式结构，可根据 原料配方不同更改螺杆组合。螺杆上的螺旋件采用完全啮合模型原理，配合精度 高，自洁性好，元件可互换。螺杆芯轴为渐开线花键，传递扭矩大，装拆螺杆方 便。在挤压不同的产品时，只需更换合适的螺杆元件即可满足需要（图1-4 )。
　　图1-4 挤压物料在螺杆内部的状态
　　螺杆转速是挤压工艺中极为重要的因素。在挤压熟化过程中淀粉的结构层次 发生改变，淀粉的粒状结构消失、晶体融化和大分子解聚。这些复杂的变化影响 胶体的黏度和最终产品的质量。螺杆转速的高低决定机械能对物料输人能力的大 小和物料滞留时间的长短，这些变化又影响了淀粉颗粒的破坏、降解和糊化。螺 杆转速低，剪切力小，物料在挤压机中停留的时间就长；螺杆转速高，物料受到 较高的剪切和拉伸作用，物料在挤压机中停留的时间就短。继续增加转速虽然加 强了对物料的剪切作用，但同时会导致物料在挤压机中停留的时间缩短，故没有 显著改变物料的特性。因此，从复配米的品质和能耗方面考虑，挤压时应设置合 适的螺杆转速，一般螺杆转速为150～190r/min。
　　温控系统由加热部分和冷却部分组成。加热部分多采用电加热的方式，冷却 部分采用水冷却的方式。在机筒外侧有加热夹套对机筒进行加热，当实际温度低 于设定温度时，启动加热系统，当实际温度高于设定温度时，启动冷却系统。沿 挤出方向向前，挤压机有多个温度区，可以对每个温度区进行单独的温度控制和 设定。一般情况下，在制作马铃薯复配米的过程中，沿挤出方向，温度是先上升 再下降。
　　挤压筒体温度是影响米粉挤压特性的一个关键参数。双螺杆挤压设备中随着 双螺杆的旋转，马铃薯全粉、大米粉和辅料被进一步充分混合、剪切、研磨成细 微颗粒并向前输送，经挤压筒体中区时已充分糊化。淀粉的充分糊化，形成更多 的分子链间氢键，促进分子链间交叉、缠绕，增强了凝胶的剪切和抗拉伸性能。 当挤压筒体温度过低时，由于淀粉糊化不充分，低糊化度导致挤出物中存在淀粉 颗粒；当挤压筒体温度过高时，淀粉在筒体内高温、高压的作用下可能发生熔融 和降解，使复配米的硬度、咀嚼性降低，导致口感品质变差，因此需调控好挤压 筒体的温度。
　　马铃薯复配米加工过程中，挤压筒体各温区参数如表1-1所示。
　　表1-1 双螺杆挤压机温区参数
　　控制出丝板处的机头在较高温度条件下，有利于物料在从高温高压状态到常 压常温状态下产生膨化作用（图1-5 )。膨化过程不仅使原料的质构发生变化， 同时使其内部分子结构发生变化，这使得膨化食品多孔的膨松质构和其中某些成 分的降解有利于消化酶的作用，便于人体吸收。经挤压膨化过程后，在挤压机中 受到高温、高压和剪切、摩擦作用，以及在挤压机挤出模具口的瞬间膨化作用， 使得食品成分彻底的微粒化，并且产生了部分分子的降解和结构变化，使水溶性 增强，提高了复配米的复水效果，改善了口感。
　　图1-5 双螺杆挤压机出丝板控制高温高压的内部结构
　　对于挤压a化的即食复配米，筒体中区温度设为110～1151，出丝板处的机 头温度为80～901。
　　3.切粒
　　切粒系统由挤出头和旋转切刀组成，主要完成马铃薯复配米的切粒造型工序。