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第一節(jié)膨化加工機(jī)理

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2005-10-28

(The Theory of Puffing Process)

一、膨化的形成機(jī)理

1.膨化

膨化(Puffing)是利用相變和氣體的熱壓效應(yīng)原理,是被加工物料內(nèi)部的液體迅速升溫氣化、增壓膨脹,并依靠氣體的膨脹力,帶動(dòng)組分中高分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變性,從而使之具有網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)特征,定型的多孔物質(zhì)的過(guò)程。

膨化食品(Puffing Food)是指以膨化工藝過(guò)程生產(chǎn)的食品。

為研究分析方便,可將整個(gè)膨化過(guò)程分為三個(gè)階段:

第一階段:相變段 此時(shí)物料內(nèi)部的液體因吸熱或過(guò)熱,發(fā)生汽化;

第二階段:增壓段 汽化后的氣體快速增壓并開(kāi)始帶動(dòng)物料膨脹;

第三階段:固化段 當(dāng)物料內(nèi)部的瞬間增壓達(dá)到和超過(guò)極限時(shí),氣體迅速外溢,內(nèi)部因失水而被高溫干燥固化,最終形成泡沫狀的膨化產(chǎn)品。

2.膨化的構(gòu)成要素

只有當(dāng)物料和環(huán)境同時(shí)符合膨化所需的特定條件時(shí),膨化才有可能順利進(jìn)行。所謂特定條件就是:

①汽化劑:在膨化發(fā)生以前,物料內(nèi)部必須含有均勻安全的汽化劑,即可汽化的液體。

②彈性小室:從相變段到增壓段,物料內(nèi)部能廣泛形成相對(duì)密閉的彈性氣體小室,同時(shí),要保證小室內(nèi)氣體的增壓

速度大于氣體外泄造成的減壓速度,以滿足氣體增壓的需要。

③能量:外界要提供足以完成膨化全過(guò)程的能量,包括相變段的液體升溫需能、汽化需能、膨脹需能和干燥需能能。

二、膨化動(dòng)力的產(chǎn)生機(jī)制

1.膨化動(dòng)力的產(chǎn)生

膨化動(dòng)力的產(chǎn)生主要由物料內(nèi)部水分的能量釋放所致。

同樣的外部供能條件下,在物料內(nèi)部的各種物質(zhì)成分中,由于水具有分子量小、沸點(diǎn)低、易汽化膨脹的特性,水分子熱運(yùn)動(dòng)最先加劇,分子動(dòng)能同時(shí)加大。當(dāng)水分子所獲能量超出相互間的束縛極值時(shí),就會(huì)發(fā)生分子離散。水分子的分子離散使物料內(nèi)部水分發(fā)生變化,產(chǎn)生相變和蒸汽膨脹。

其結(jié)果必然造成對(duì)與之接觸的物料結(jié)構(gòu)的沖擊。當(dāng)這種沖擊作用力超出維持高分子物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的力,并超出高分子物質(zhì)維持的物料空間結(jié)構(gòu)的支撐力時(shí),就會(huì)帶動(dòng)這些大分子物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展變形,最終造成膨脹物料的質(zhì)構(gòu)變化。

2.膨化動(dòng)力的影響因素

膨化動(dòng)力的產(chǎn)生不僅取決于水分在物料中的形態(tài)和其結(jié)合特性,而且與水分的含量密切相關(guān)。從理論上講,物料含水量越大,可能產(chǎn)生的蒸汽量也就越大,膨化動(dòng)力越強(qiáng),對(duì)膨化的效果影響也越大。

①過(guò)量水分往往是自由態(tài)和表面吸附態(tài)的水,它們很難取代或占據(jù)結(jié)合態(tài)和膠體吸潤(rùn)態(tài)水分分子原有的空間位置,這部分間隙水往往不在密閉氣體小室中,很難成為膨化動(dòng)力,引起物料膨化;

②過(guò)量水在外部供能時(shí),由于與物料其他組分相互間的約束力弱,較易優(yōu)先汽化,占有有效能量,影響膨化效應(yīng);

③過(guò)量水會(huì)導(dǎo)致物料內(nèi)吸潤(rùn)態(tài)膠體區(qū)域的不適當(dāng)擴(kuò)大,造成物料在增壓段因升溫,其中的部分淀粉已提前糊化或部分蛋白質(zhì)已超前變性,反而阻礙了膨化;

④含過(guò)量水的物料即使經(jīng)歷膨化過(guò)程,其制品也會(huì)因成品含水量偏高而回軟,失去膨化制成品的應(yīng)有風(fēng)味。

此外,物料在膨化過(guò)程中還存在一定的含濕量梯度。不同的濕量梯度會(huì)造成膨化動(dòng)力產(chǎn)生時(shí)間上的差異和質(zhì)量的不均勻性,影響到膨化質(zhì)量。

3.外部能量向膨化動(dòng)力的轉(zhuǎn)移

膨化動(dòng)力雖然來(lái)源于膨化物料內(nèi)部水分的分子離散所提供的動(dòng)力,但這種動(dòng)力也必須是由外部能量來(lái)間接供給的。

一般來(lái)說(shuō),外部能量的供給方式有:熱量、機(jī)械能、電磁能、化學(xué)能能。這些能量可通過(guò)一定的傳遞、轉(zhuǎn)換形式

作用于水分子,加劇分子熱運(yùn)動(dòng),增加分子動(dòng)能。 

外部能量的傳遞設(shè)計(jì)必須遵循:

①外部供能方式必須滿足膨化動(dòng)力的形成機(jī)制;

②外部能量向膨化動(dòng)力的轉(zhuǎn)換必須保證能量的最大利用率及最佳的膨化效果;

③外部供能和內(nèi)部的能量變化應(yīng)最大限度保持食品物料的營(yíng)養(yǎng)性。

所以,從理論上講,在滿足上述原則的前提下,膨化工藝條件可以進(jìn)行不同方式的變換和組合,這對(duì)新興膨化

工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)和膨化設(shè)備的發(fā)展具有極大的指導(dǎo)意義。

三 、物料中高分子物質(zhì)在膨化中的作用

1.淀粉質(zhì)在膨化中的作用

淀粉團(tuán)粒內(nèi)水分的含量與分配,較大程度上取決于多糖鏈的密度與疊集的規(guī)則性。這對(duì)淀粉的理化性質(zhì)和膨化加工特性至關(guān)重要。

在熱壓條件下,團(tuán)粒內(nèi)部的變化大致涉及四個(gè)不同的過(guò)程:

①向微晶區(qū)域引人結(jié)合水;

②無(wú)定形區(qū)中凝膠相的有限潤(rùn)漲;

③微晶的熔融,同時(shí)已熔微晶與非晶性凝膠區(qū)的共同水化和潤(rùn)漲;

④熔融微晶的水化導(dǎo)致團(tuán)粒內(nèi)水分重新分配,最終潤(rùn)漲產(chǎn)生的應(yīng)力使微晶變形又加速了熔融。

2.蛋白質(zhì)在膨化中的作用

在膨化過(guò)程中,蛋白質(zhì)作為膨化物料的成分,主要是其中的結(jié)構(gòu)性蛋白質(zhì)易受外部能量的影響和作用而發(fā)生分子結(jié)構(gòu)變化,如變形、變性等。結(jié)構(gòu)性蛋白質(zhì)的這種變化通常與其在膨化過(guò)程的功能變化同步發(fā)生。

蛋白質(zhì)在膨化過(guò)程中的主要功能有:

①以水化、水合作用持水、膜囊包裹作用存水和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)吸水等方式維持物料的部分含水。

②充當(dāng)密閉氣體小室的可塑性壁材,在氣體膨脹時(shí)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展性拉伸并逐漸變性,隨后在室壁瞬時(shí)破裂、蒸汽外泄的過(guò)程中因失水和

自身所帶熱量的干燥作用而被固化。

 

 

 
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