1挤压膨化技术1.1挤压膨化技术概述挤压膨化技术集蒸煮、压缩、混合、成型为一体，可高度自动化、连续化生产高质量产品[1]。挤压膨化机分为单螺杆、双螺杆、三螺杆挤压膨化机。筒体依次由蒸煮区、排气区、成型区和挤压模头组成[2]。挤压膨化机组成见图1[3]。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.031.F001图1挤压膨化机组成物料由投料口放入，在高温、高压、高剪切力的作用下品质特性、结构发生变化，物料变化包括淀粉糊化降解、消化性改善[4]、脂质氧化、可溶性蛋白质和膳食纤维溶解度增加[5]、有害微生物（如大肠杆菌、沙门氏菌等）活性降低、风味物质形成、酶失活和美拉德反应等[6]。物料由模孔排出，排出时压力骤降、水分挥发，排出的物料呈现多孔网状结构[7]。挤压膨化技术具有机筒容量大、自动化、连续性、生产效率高、通用性和适应性强、节能、低成本等优点[8]。此外，还可设计和开发新产品和高质量产品，不产生废水，物料利用率极高[9]。挤压膨化工艺流程：原料（物料）→预处理→粉碎→混合调理→喂料→挤压膨化→整形、切割→老化、冷却→干燥、烘烤→调味→包装。1.2挤压膨化技术分类根据物料是否加水与蒸汽，挤压膨化技术可分为干法挤压膨化和湿法挤压膨化。干法挤压膨化时，物料的挤压全过程水分一般在15%~20%[10]。湿法挤压膨化与干法挤压膨化不同之处在于物料要通过蒸汽处理且靠蒸汽实现升温。利用此法加工时，虽要增加蒸汽处理装置使成本增加，但机器生产力提高、使用寿命延长、可改善有异味的原料。湿法挤压膨化物料水分含量一般在20%~30%[11]。2挤压膨化机的研究进展国外较早开始研究挤压膨化机。1869年，Follow研制的一款类似挤压机的设备可用来生产肉肠[12]。1936年，世界上第一台真正意义上的单螺杆挤压机诞生，可用来生产玉米圈[13]。R.C和C.P公司研制出第一台双螺杆挤压机，分别是同向和异向旋转[14]。20世纪40和50年代，挤压膨化技术被日本、美国用在生产军粮和饲料工业中；20年后成为饲料加工领域较成熟的技术[15]。20世纪70年代，重组米开始在日本、美国、西欧等国家和地区兴起。Harrow等[16]以大米粉和杂粮粉为原料利用挤压机率先生产出重组米，在150 ℃下进行干燥，重组米最终水分含量不超过15%。建筑行业也可应用挤压膨化技术，利用膨化粉调质的粉刷浆，刷墙壁更贴合[17]。国内挤压膨化技术发展较晚。20世纪70年代末，北京食品研究所研制出第一台谷物膨化机PJ-1[18]。80年代末，国内团队自主研发的6SLG54-18型双螺杆挤压机面世[19]。此后，随着技术和设备的成熟，双螺杆挤压膨化技术开始用于饲料生产、塑料等各个领域[20]。闫仲双等[21]研究发现，虹鳟鱼食用膨化饲料能提高生长性能，工艺参数为：原料目数40~60目，挤压温度120 ℃，大于34个大气压。近年来，沈阳农业大学、东北农业大学和华南理工大学对挤压膨化技术进行大量研究[22-23]。3挤压膨化技术对物料品质特性的影响饲料的品质不仅与原料和配方有关，还与加工工艺有关。原料水分含量、螺杆转速、机筒温度、原料粉碎度等因素对饲料营养成分和理化特性有显著影响。物料中的抗营养因子会严重影响饲料质量，可由脲酶活性反映[24]，其中胰蛋白酶抑制因子可导致蛋白质消化率和吸收率降低、动物生产缓慢、消化功能紊乱、饲料利用率低[25]；抗原蛋白对幼龄动物的消化道具有较高致敏反应，会破坏肠道系统进而产生腹泻等症状[26]；低聚糖又称为“胀气因子”，被动物结肠中细菌发酵产生气体，发生腹胀、腹泻等问题。3.1对物料理化特性的影响物料经挤压膨化处理后的某些物理性质（如黏度、吸水性指数、糊化度降低，溶解性升高）、营养物质（如脂肪）含量减少、可溶性蛋白质和还原糖含量升高。淀粉发生糊化、降解本质上是分子间的氢键断裂，大分子降解为小分子。抗营养因子和蛋白质溶解度降低均与工艺参数有关。邱婷婷等[27]研究三种黑色谷物（黑麦、黑米、黑豆）利用挤压膨化处理，发现产品的脂肪、淀粉及花青素含量均显著降低，溶解特性显著提高、黏度降低，贮藏更稳定。脂肪减少的原因是挤压膨化后淀粉糊化、部分蛋白质降解，谷物中脂肪会与淀粉、蛋白质形成复合物导致脂肪含量降低[28]。袁嘉渝等[29]以糙米、大米、紫米、玉米、莲子、山楂等为原料生产代餐粉，原料挤压膨化处理后，淀粉中圆形结构减少或消失变成较大不规则的颗粒且结构疏松，晶体结构由A型变成V型，产品脂肪含量显著降低，更易消化吸收。王研文等[30]以玉米淀粉为原料生产颗粒状抗回生冷水可溶淀粉，加工后颗粒表面变粗糙、裂痕明显、碳氢键变化明显、结晶度降低、溶解性提高、冷水溶解率最高达55.47%。姚怡莎等[31]研究发现，膨化大豆中抗营养因子发生改变，其中抗原蛋白（大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白）、胰蛋白酶抑制因子均降低，脲酶活性几乎为0，低聚糖总含量几乎不变。秦毅[32]以大豆、玉米、亚麻籽为基料生产饲料，发现三种原料蛋白质含量均提高，脂肪、蛋白质溶解度、热敏蛋白含量均降低。3.2对物料风味物质影响物料经挤压膨化会产生某些挥发性风味物质，其中关键风味物质为醛类。周洋等[33]研究挤压膨化后藜麦的挥发性物质，发现苯乙醛、壬醛等五种醛类是关键风味物质、藜麦苦味减弱、皂苷含量减少。谢仲寅等[34]研究发现，挤压处理后的小米粉产生较多挥发性风味物质（醛类、呋喃类和吡嗪类），其中己醛是主要风味贡献物质。张冬媛等[35]研究发现，挤压膨化的速食糙米粉挥发性物质含量增加，其中杂环类化合物（主要是2-戊基呋喃和吲哚）含量较高。4在饲料工业中应用挤压膨化技术是一种现代的饲料加工方法，经过高温、高压、高剪切力等综合处理后的饲料原料。加工后抗营养因子（胰蛋白酶抑制剂和凝集素）失活、氮和膳食纤维的溶解度增加、通过变性变质酶降低脂质氧化、并摧毁微生物病原体[36-37]。加工使蛋白质分子间结合能力变弱，氢键等部分断裂，三级、四级结构发生降解和重组，最终蛋白质变性[38]、纤维物料被彻底微粒化、口感改善、水不溶性膳食纤维向水溶性膳食纤维转化、增加饱腹感[39]。挤压膨化技术为饲料生产厂家提高产品质量提供了手段。此项技术在畜禽、水产饲料加工领域具有很好的应用前景[40]。4.1在畜禽饲料中应用豆粕、菜籽粕、秸秆、麸皮等农副产物均可作为畜禽饲料的原料，这些副产物中营养成分丰富，可满足动物的营养需求且减少对环境的污染。畜禽饲料的品质主要依据成品糊化度、结构特征、营养物质的消化率等进行评估。葛春雨[41]研究糊化度不同的玉米、大料饲料对断奶仔猪生长性能影响，发现饲料糊化度大于50%对断奶仔猪的生长性影响不大，且浪费资源。廖阔遥[42]研究发现，膨化提高了饲料的颗粒质量，提高养分的消化率、促进肠道发育和消化酶的分泌、促进肠道有益菌生长,降低了肉兔的健康风险指数，提高肉兔的生长性能。缪宏等[43]研究发现，秸秆添加量为20%时，畜牧饲料的各方面品质较优异。田珍珍[44]通过电镜观察发现膨化后菜粕表面疏松多孔,有助于消化酶的进一步作用,有利于提高菜粕的消化率。周丽媛等[45]以黑小麦麸皮为原料，利用挤压膨化法制备其中可溶性膳食纤维（SDF），发现最优工艺为含水量7％、螺杆转速350 r/min、温度150 ℃，此时SDF得率为16.17％，且对SDF持水性、持油性和膨胀度均有显著改善、可增加饱腹感。Liao等[46]研究挤压膨化对家兔饲料影响，发现在断奶家兔饲料加工中采用挤压膨化技术可提高家兔饲料颗粒质量和营养物质表观消化率。4.2在水产饲料中应用鱼类饲料中最重要、昂贵的营养成分为蛋白质[47]。蛋白质水平过低导致鱼类生长缓慢，过高导致资源浪费。水产饲料品质最重要的考察因素是成品沉降速度，根据不同动物的摄食习惯生产出合适沉降性的饲料。张嘉琦等[48]研究发现，加工缓沉性膨化饲料挤压膨化的最优条件为吨料开孔面积450 mm2/(t/h)、调质物料水分25%、模头温度120~130 ℃，此时膨化颗粒饲料的容重为529.67~559.00 g/L，下沉率和下沉速度满足缓沉性水产膨化饲料要求。葛迅一[49]生产以番茄秸秆粉、鱼粉、标粉为原料的含秸秆浮性水产饲料，最佳工艺参数为螺杆转速100 r/min、含水量24%、喂料速度50 r/min、机筒温度120 ℃，此条件生产的饲料品质较优异。缪宏等[50]研究发现，双螺杆挤压膨化机在喂料速度为50 r/min、熔体输送段温度为120 ℃左右时，生产的含番茄秸秆鲤鱼饲料的膨化度、成型质量、颗粒含粉率、水中稳定性、质构特性均较优异。Irungu等[51]以向日葵饼、玉米胚芽、麦麸、淡水虾和木薯粉组成的复合混合物为原料生产膨化鱼饲料颗粒，发现单螺杆挤出机在机筒温度120 ℃、模头直径2 mm、进料预处理时间为100 s时，饲料的品质特性最好，可漂浮性为100%、耐久性指数99%、膨胀比2.64、吸水指数4.12、水溶性指数9.31、容重479 g/L、体外蛋白质消化率69.97%，综合优化度为0.88。刘磊等[52]采用双螺杆挤压机生产鳙慢沉性饲料，发现物料水分含量和脂肪含量分别在25%和7%~9%时，鳙饲料质量最好，沉降速度适合鳙的摄食需求。5展望挤压膨化技术广泛应用于饲料工业中，是一种高度通用的单元操作。挤压膨化技术可对豆粕、秸秆、麸皮等农副产物进行深加工，且生产的成品范围广泛、加工时间短。我国农副产物资源丰富、营养成分含量高，利用传统方法进行加工生产饲料，会导致其中营养物质损失、有害因子未被破坏，不利于动物消化，挤压膨化技术可解决此难题。但是，挤压膨化技术尚存在一些问题，如饲料质量受工艺参数影响较大、对物料的作用机制较模糊、仪器价格高且使用过程中易损耗等。因此，今后应重点研究改进挤压膨化技术，减少对原材料性质的依赖；并针对不同饲料配方，摸索出最适生产条件。为了生产出健康多样的饲料，应鼓励在挤压过程中增加附加值，充分发挥挤压膨化技术最大用处。挤压膨化技术有可能成为未来最重要的饲料加工技术。