CN115087360A - 低水分挤出方法 - Google Patents

Abstract

本文描述了一种制备干食品的方法。该方法包括以第一流速向预处理容器提供用于干食品的原材料，在所述预处理容器中预处理所述原材料并形成面团，以及将水分含量为约4％至约10％的面团移动通过挤出机的入口。该方法还包括将所述面团挤出通过挤出机的模板并通过以下方式形成粗磨物：向所述面团施加热能；以及向所述面团施加机械能，其中所述热能与所述机械能之比可为至少约2.0至约4.0。

Description

低水分挤出方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年2月10日提交的美国专利申请号62/972,501的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。

背景技术

许多食品包括干宠物食品和零食是通过挤出烹制(extrusion cooking)制备的。挤出烹制包括用原材料制备组合物，然后依次通过预处理器、挤出机和干燥机。挤出的产品可以切割成或分成更小的块，例如酥皮点心(puff)或粗磨物(kibble)。

对于常规系统，在预处理方法中将宠物食品原材料进行水合、加热和混合以形成面团。在此预处理步骤中还可添加额外的液体，例如油、脂肪和着色剂。预处理器可使用足以引发淀粉糊化的蒸汽量和水量，同时使材料水合并混合。

在这样的常规系统中，面团从预处理器的出口进入挤出机，并推挤通过挤出机并推动通过模板(die plate)。在该步骤中可以添加额外的水分，以进一步水合面团并控制最终产品的质地。在该方法中还可以添加蒸汽，以进一步烹制面团和/或提供密度控制。当面团通过模板形成挤出物时，所述挤出物通常含有大量水分，需要通过单独的干燥机进行额外干燥，以获得食用安全且稳定的粗磨物。干燥方法是能源密集型单元操作，占制造成本和碳排放的较大部分。

因此，本领域需要一种使用较少量的干燥能量来减少或消除对干燥器的需要的方法。

发明内容

本公开主题的目的和优点将在下面的说明书中阐明并变得显而易见，并且将通过本公开主题的实践了解。本公开主题的其他优点将通过在书面说明书及其权利要求以及附图中具体指出的装置来实现和获得。

为了实现这些优点和其他优点并且根据具象化和宽泛描述的本公开主题的目的，本公开主题包括一种用于制备干食品的方法，所述方法包括将用于干食品的原材料以第一流速提供给至预处理容器，预处理容器中的原材料并形成面团，移动水分含量为约4％至约10％的面团；以第二流速通过挤出机的入口，将面团挤出通过挤出机的模板(die plate)，以及通过向面团施加热能和向面团施加机械能而形成粗磨物，其中所述热能与所述机械能之比可为至少约2.0至约4.0。

根据本公开主题的另一方面，制备干食品的方法产生在离开挤出机时水分含量为约8％至约13.5％的粗磨物。

在某些实施方案中，该方法包括干燥粗磨物。

在某些实施方案中，粗磨物干燥至水活度(water activity)为最高达约0.63。

在某些实施方案中，面团通过模头(die)后的水分闪蒸(flash-off)为约4.0％至约7.0％。

在某些实施方案中，所述向面团施加热能包括使用蒸汽。

在某些实施方案中，蒸汽流速为第二流速的约6.0％至约10.0％。

在某些实施方案中，挤出机中的蒸汽压力为约80磅每平方英寸(psi)至约150磅每平方英寸(psi)。

在某些实施方案中，热能和机械能将面团加热超过其熔点，从而降低所述面团的粘度。

在某些实施方案中，第一流速为约0.8吨/小时至约12吨/小时。

在某些实施方案中，预处理进一步包括以基于所述第一流速的蒸汽的最高达3％的速率添加蒸汽。

在某些特定实施方案中，蒸汽进入预处理器的速率为0吨/小时。

在某些实施方案中，预处理进一步包括以最高达第一流速的4％的流速添加水。

在某些特定实施方案中，水的流速是第一流速的0％。

在某些实施方案中，所述挤出面团包括将挤出机的温度从30-36℃提高到144-160℃，并将水分含量从10-12％的水分提高到16-18％的水分。

在某些实施方案中，挤出机中面团的水分含量为约16％至约18％。

在某些实施方案中，其中挤出机是单螺杆挤出机或双螺杆挤出机中的一种。

在某些实施方案中，在挤出面团的步骤之后，粗磨物不在干燥器中干燥。

在某些实施方案中，在挤出面团的步骤之后，将粗磨物风干(air-dried)。

在某些实施方案中，面团包括约10％至约80％的碳水化合物、约5％至约35％的脂肪和约5％至约60％的蛋白质。

在某些实施方案中，蛋白质包括动物蛋白。

在某些实施方案中，本公开涉及一种用于制备干食品的方法，该方法包括提供水分含量为约4％至约10％的面团，将面团以第一流速放入挤出机中，在挤出机中加工所述面团，其中该加工包括向所述面团施加热能和向所述面团施加机械能，其中所述热能与所述机械能之比为至少约4，以及将所述面团从所述挤出机挤出通过模板以形成粗磨物。

在某些实施方案中，粗磨物在离开挤出机时的水分含量为约8％至13.5％。

在某些实施方案中，热能和机械能将面团加热超过面团的熔点，从而降低所述面团的粘度。

在某些实施方案中，在挤出面团的步骤之后，粗磨物不在干燥器中干燥。

在某些实施方案中，在挤出面团的步骤之后，将粗磨物风干。

在某些实施方案中，面团包括约10％至约80％的碳水化合物、约5％至约35％的脂肪和约5％至约60％的蛋白质。

在某些实施方案中，蛋白质包括动物蛋白。

附图说明

从以下详细描述结合附图阅读时，将更容易理解本申请的主题，其中所述附图：

图1提供了用于常规方法的设备系统的示意图。

图2描绘了根据本公开主题的低水分挤出方法中使用的单螺杆挤出机。

图3描绘了常规挤出方法中的水分循环。

图4提供了根据本公开主题的低水分挤出方法中的水分循环。

图5提供了由根据本公开主题的通过低水分挤出方法加工的面团制成的粗磨物和由通过常规挤出方法加工的面团制成的粗磨物的温度和水分比较图。

图6A-C描绘了根据本公开主题的通过低水分挤出方法制成的粗磨物的层析图像。

图6D-E描绘了通过常规挤出方法制成的粗磨物的层析图像。

图7A提供了来自根据本公开主题的通过低水分挤出方法制备的粗磨物的组成的微观研究的图像。

图7B提供了来自对挤出方法制成的粗磨物的组成的微观研究的图像。

具体实施方式

本公开涉及一种低水分挤出(low moisture extrusion，LME)方法，所述方法使用比常规挤出方法更低的水量，等等。

定义

在本公开的上下文中以及在使用每个术语的特定上下文中，在本说明书中使用的术语通常具有它们在本领域中的普通含义。某些术语在下文或说明书的其他地方进行讨论，以在描述本公开的组合物和方法及其制备和使用时提供额外的指导。

如在说明书和所附权利要求中所用，除非上下文另有明确规定，单数形式“一”(“a,”)、“一个”(“an”)和“该/所述”(“the”)包括复数指示物。因此，例如，提及“一种化合物”(“a compound”)包括化合物的混合物。

术语“约”或“大约”意指在本领域普通技术人员确定的特定值的可接受误差范围内，这部分取决于如何测量或测定所述值，即测量系统的限制。例如，根据本领域的实践，“约”可意指在3个或大于3个标准偏差内。可替代地，“约”可意指给定值的最高达20％，优选最高达10％，更优选最高达5％，更优选最高达1％。可替代地，特别是关于系统或方法，该术语可意指在所述值的数量级内，优选在5倍内，更优选在2倍内。在水分含量(wt％)的上下文中，术语“约”意指+/-1wt％。在水活度(Aw)的上下文中，术语“约”意指+/-0.05。在最终水分的上下文中，术语“约”意指+/-3％。在粘度的上下文中，术语“约”意指+/-3％。

根据本公开所用，术语“动物”或“宠物”是指家畜，包括但不限于家犬、家猫、马、牛、雪貂、兔、猪、大鼠、小鼠、沙鼠、仓鼠、山羊等。家犬和家猫是宠物的特定非限制性实例。根据本公开所用，术语“动物”或“宠物”还可指野生动物，包括但不限于野牛、麋鹿、鹿(deer)、家鹿(venison)、鸭、家禽、鱼等。

术语“动物饲料”、“动物饲料组合物”、“宠物食品”、“宠物食品制品”或“宠物食品组合物”在本文中可互换使用，并且是指旨在供动物或宠物摄入的组合物。宠物食品可以包括但不限于适于日常食用的营养均衡组合物，例如粗磨物，以及营养均衡的补充剂和/或零食。营养均衡且完全的宠物食品组合物通常包括诸如蛋白质材料和/或淀粉材料等材料。在一个替代性实施方案中，补充剂和/或零食不是营养均衡的。

如本文所用，术语“包括”、“包含”(“comprises,”“comprising,”)或其任何其他变体旨在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的工艺、方法、制品或设备不仅包括这些要素，还可以包括未明确列出的其他要素或所述工艺、方法、制品或设备所固有的要素。

在本文的详细描述中，对“实施方案”、“一种实施方案”(“an embodiment,”)、“一个实施方案”(one embodiment,”)、“在各种实施方案中”等的引用表示所描述的实施方案可以包括特定的特征、结构或特性，但是每个实施方案可能不一定包括所述特定的特征、结构或特性。此外，这些短语不一定是指相同的实施方案。此外，当结合实施方案描述特定的特征、结构或特性时，认为在本领域技术人员的知识范围内影响与其他实施方案结合的所述特征、结构或特性，无论是否明确描述。在阅读本说明书之后，相关领域的技术人员将清楚如何在替代性实施方案中实施本公开。

关于组合物或动物饲料的术语“挤出的”是指已经通过例如传送通过一个或多个挤出机加工的组合物或动物饲料。可以使用任何类型的挤出机，其非限制性实例包括单螺杆挤出机和双螺杆挤出机，例如但不限于挤出机型号Wenger X-115、Wenger X-185和Wenger X-235。

如本文所用，术语“非挤出的”是指通过除挤出烹制之外的任何方法制备的食品，例如油炸(frying)、烘烤(bBaking)、烧烤(broiling)、炙烤(grilling)、压力烹制(pressure cooking)、煮沸、通电加热(ohmic heating)、蒸汽加工等。

术语“宠物零食”是指供动物或宠物定期摄取的组合物。宠物零食可以是营养均衡的。在替代性实施方案中，宠物零食不是营养均衡的。

如本文所用，“粗磨物”或“干粗磨物”是指水分含量小于或等于食品重量的15％的挤出食品。粗磨物可以是营养均衡且完全的。

如本文所用，术语“半湿的”是指水分含量在食品重量的15％至50％的食品。如本文所用，术语“湿的”是指水分含量等于或大于食品重量的50％的食品。半湿或湿的食品可以至少部分地使用挤出烹制制备，或可以完全通过其他方法制备。

如本文所用，术语“粗粉”(“meal”)是指干燥的起始材料。起始材料可包括但不限于蛋白质材料、淀粉材料和不一定属于两者中任一类别的其他材料，包括碳水化合物和豆类，例如苜蓿或大豆。在某些实施方案中，粗粉包括研磨材料。在某些实施方案中，术语“粗粉”和干饲料可以互换使用。

如本文所用，术语“蛋白质材料”包括但不限于植物蛋白粉，例如大豆、棉籽或花生粉；动物蛋白，例如酪蛋白、白蛋白、乳清，包括干乳清，以及肉组织，包括新鲜肉以及提炼的(rendered)或干燥的肉“粉”，例如鱼粉、家禽粉、肉粉、肉骨粉、酶处理的蛋白质水解物等。蛋白质材料可以进一步包括微生物蛋白质，例如酵母，和其他类型的蛋白质，包括例如小麦面筋、玉米麸质和羽毛粉等材料。

如本文所用，术语“淀粉材料”包括但不限于酶促含淀粉材料、谷物，如玉米(corn)、玉蜀黍(maize)、小麦、高粱、大麦和其他蛋白质含量相对较低的各种谷物。

如本文中，术语“面团”是指水合粗粉或干饲料。

如本文所用，术语“进粉速率”(“meal rate”)是指将粗粉进料到预处理容器中的速率。在某些实施方案中，术语“进粉速率：可以是指粗粉进料到挤出机中的速率。

如本文所用，比机械能(Specific Mechanical Energy，SME)是指当面团被推动通过模板时施加到面团的能量。SME可以非故意地或间接地进行调整以控制工艺速度或吞吐量。在某些实施方案中，可以通过增加螺杆速度或通过改造螺杆本身(如通过增加螺杆的周期性)来增加SME。在单螺杆挤出机中，有用的螺杆转速范围为350rpm或375rpm至600rpm。操纵SME可以以至少两种方式改善质地。首先，较高的SME可有助于破坏淀粉颗粒，使直链淀粉从淀粉中浸出，而支链淀粉或淀粉颗粒中的其他分子更多或更快地膨胀。其次，较高的SME可有助于在面团被推动通过模板之前的最后时刻使面团彻底混合并水合，促进淀粉糊化并准备使面团在挤出过程中膨胀。

如本文所用，比热能(STE)是指传递到粗粉或面团的能量，其中所有气流(stream)进入预处理器或挤出机，并基于气流的温度与粗粉或面团接触。在将蒸汽(steam)注入预处理器或挤出机的情况下，该热能随着蒸汽压力(焓)和流速而变化。在某些实施方案中，可以通过增加蒸汽流速，或通过增加蒸汽压力，或通过改变进入预处理器或挤出机的气流的温度，来增加STE。操纵STE有助于改善质地。较高的STE可有助于提高淀粉烹制，使直链淀粉从淀粉中浸出，而支链淀粉或淀粉颗粒中的其他分子更多或更快地膨胀，从而促进淀粉糊化并准备使面团在挤出过程中膨胀。

常规挤出方法

许多食品包括干宠物食品和零食是通过挤出烹制制备的，所述挤出烹制包括预处理步骤、挤出步骤和干燥步骤。常规挤出方法流程如图1所示。原材料通过预处理器入口101放置在预处理容器103中。在预处理步骤期间，原材料在预处理容器103中与水和蒸汽中的至少一种混合而形成面团组合物。完成预处理步骤后，将组合物移动通过预处理器出口105到挤出机107中。示例挤出机如图2所示。挤出机具有一个挤出机入口、七个机筒和一个挤出机出口。可以在整个挤出方法中添加蒸汽。在挤出步骤中，将面团组合物推过压力密封的挤出机，在该挤出机中材料经受高温和高压。然后将面团组合物推动通过挤出机出口109通过模头111形成挤出物，成型为粗磨物，然后送入干燥机113。

常规挤出方法中的水分循环如图3所示。在步骤1中，将研磨谷物和粗粉放入容器中进行预处理。该组合物最初具有约4-10％的水分。在预处理方法中，加入水以提供具有约22％水分的组合物。本领域的常规知识表明需要适度的水分含量，例如约17％至约35％，以提供具有所需适口性和质地特性的产品。在某些实施方案中，如图5所示以及在本文中进一步讨论的，该常规挤出方法的预处理工艺在预处理步骤期间添加约15％的水分，产生具有约24％水分的组合物。在这种常规挤出方法的某些实施方案方法中，在预处理步骤结束时水分含量为约19％至约35％。

在图3的步骤2中，组合物通过压力密封的挤出机，在该挤出机中材料经受高温和高蒸汽压力，但蒸汽速率低。在某些实施方案中，材料经受约80psi至约150psi的蒸汽压力，蒸汽速率为最高达进粉速率的4％。在某些实施方案中，面团的温度在挤出机内从约54-98℃增加到约119-139℃。

在某些实施方案中，常规挤出方法的比机械能为约17.8至约36.0kWh/公吨(metric ton)。在某些实施方案中，常规挤出方法的比机械能为约64.2至约129.5kJ/kg。

在某些实施方案中，在常规挤出方法期间，挤出机中的比热能与比机械能的比例小于约0.7。在某些实施方案中，在常规挤出方法期间，挤出机中的比热能与比机械能的比例为0。

在通过挤出机后，挤出物被切成小块以形成粗磨物。由于挤出机中的压力和温度高于环境温度和压力，一些水分通过闪蒸而蒸发，所得粗磨物具有约16％至约28％的水分。如图3所示，材料必须在干燥器(步骤3)中干燥至食品安全的水分含量，这取决于产品的水活度。取决于产品，最终的干宠物食品必须包含小于约15％的水分、小于约12％的水分、小于约10％的水分、小于约8％的水分或小于约6％的水分。因此，在干燥工艺中需要除去至少约10％-25％的水。然后可以用额外的涂层处理粗磨物，且最终产品具有约4-10％的水分，这与起始材料中的水分大致相同。

低湿挤出方法

本公开的LME方法的水分循环如图4所示。在步骤1中，将研磨谷物和粗粉(meals)放入容器中进行预处理。该组合物最初具有约4-10％的水分。在预处理工艺中，加入少量的水，所得组合物具有约4％至约15％的水分。在步骤2中，组合物在高温高压和高速蒸汽下通过挤出机。在通过挤出机并通过模头后，一些水分由于闪蒸而蒸发，并且组合物的水分含量为约8％至约14％。与挤出方法相比，由于LME方法的挤出机内部的温度和压力更高，因此在闪蒸过程中损失更大比例的水分，从而产生几乎不需要干燥的粗磨物。然后在可选的步骤3(干燥)过程中除去多余的水分，得到水分含量为约5-10％的干燥粗磨物。然后可以用额外的涂层处理粗磨物，且最终产品具有约4-10％的水分。该水分含量与起始材料中的水分含量大致相同。

LME制造的粗磨物与常规制造的粗磨物一样，可以是营养完全且均衡的动物饮食，其提供维持生命的所有必需营养素(水除外)。营养完全且均衡的宠物食品可以满足共识的营养分布(consensus nutrient profile)，例如美国饲料控制官员协会(AAFCO)狗粮或猫粮标准，并且可以通过包括蛋白质、淀粉和其他材料的制剂来达到这种营养分布。在一些实施方案中，本公开的挤出粗磨物由包括约10％至约80％碳水化合物、约5％至约35％脂肪和约5％至约60％蛋白质的面团制成。在一些实施方案中，面团包含约5％至约60％的动物蛋白。在一些实施方案中，面团以及所得粗磨物可包含额外成分，包括但不限于例如维生素、矿物质、着色剂、调味剂等。

根据本公开主题的LME方法克服了常规系统中的上述问题。以下更详细地描述了根据本公开主题的LME方法。

预处理

在通过LME方法加工宠物食品材料之前，可以在预处理步骤中对食品材料进行预处理。预处理器开始原材料的烹制工艺，然后进入挤出机。面团或用于面团的材料可以在预调节器中与蒸汽和/或水在受控条件下混合，以预烹制或预热面团，将所有材料混合到面团中，和/或制备用于挤出烹制期间所需条件下的面团(如通过水合)。此处可添加其他液体，包括油/脂肪和着色剂。预处理器可以利用高蒸汽流速和水流速来开始糊化工艺，同时水合和混合材料。然而，该工艺的能源效率相当低，因为与挤出机不同，预处理器不是压力密封的，并且蒸汽和热量(即，能量)可以排出到环境。

该预处理步骤的水分含量设置为低水平，以最大限度地减少制造工艺中所用的水量以及挤出烹制后所需的干燥量。在某些实施方案中，来自预处理器出口的组合物具有约10％至约14重量％的水分。虽然常规方法通常在预处理步骤期间开始糊化，但令人惊讶地发现初始糊化可以延迟到挤出步骤。在一些实施方案中，令人惊讶地发现，可以降低预处理步骤中的水分含量和糊化，同时获得具有与通过常规方法制备的粗磨物的质地特性相当的最终粗磨物。在根据本公开主题的某些实施方案中，在采用LME方法时在预处理期间，添加少于5％、少于4％、少于3％、少于2％或少于1％的水分，基于进粉速率。在根据本公开主题的某些实施方案中，与常规方法不同，在预处理步骤期间不添加蒸汽。然而，在根据本公开主题的某些实施方案中，在采用LME方法时在预处理期间，使用低流压力，例如约15psi至约60psi。此外，在某些非限制性实施方案中，如图5所示，当采用LME方法并且不使用蒸汽时，在预处理步骤期间添加少于1％的水分。重要的是，这种基于LME的方法提供了更有效的热传递和热能输入，因为与挤出机不同，预处理器不是压力密封的，并且蒸汽和热量(即，能量)可以排出到环境。此外，由于在使用LME方法时在此预处理步骤中添加了少量水分，因此可以使用较低的水流速。表1.1示出了本公开的LME方法中的预处理步骤与常规挤出方法之间的操作差异。

表1.1–LME和常规挤出方法之间的操作差异比较

	常规挤出方法	LME方法
			所需水流	高速率	低速率
所需蒸汽流	高速率	低速率
			蒸汽压力	约30psi	约30psi

在某些实施方案中，常规挤出方法采用高水流流速，例如约10％至约22％，基于预处理期间的进粉速率。在某些实施方案中，常规挤出方法采用高蒸汽流速，例如约5％至约13％，基于预处理期间的进粉速率。在某些实施方案中，常规挤出方法采用低蒸汽压力，例如约15psi至约60psi。

在某些实施方案中，LME方法采用低水流速率，例如最高达4％，基于预处理期间的进粉速率。在某些实施方案中，在预处理期间不添加水。在某些实施方案中，LME方法采用低蒸汽流速，例如最高达3％或最高达4％，基于预处理期间的进粉速率。在某些实施方案中，在预处理期间不添加蒸汽。在某些实施方案中，LME方法采用低蒸汽压力，例如约15psi至约60psi。

来自预处理工艺的面团从预处理器中排出并进入挤出机。在此，面团通过挤出机推向模头以形成挤出物，并通过模头进一步成型为粗磨物。在该阶段可以将染料、油、水和蒸汽添加到挤出机中。挤出机例如但不限于单螺杆挤出机或双螺杆挤出机施加高温、高压和剪切，以诱导淀粉分子的糊化。图2提供了可用于LME方法的示例挤出机。

如图7A和图7B所示，发现如果淀粉分子的初始糊化延迟到挤出工艺，并且与常规方法相比，挤出工艺使用具有降低水分含量的面团进行，则最终粗磨产品中未烹制淀粉的量与通过常规方法制造的粗磨物大致相同。此外，虽然通常认为在预处理步骤期间添加水分和启动淀粉糊化过程会降低挤出机中所需的比机械能(SME)，但是在一些实施方案中发现挤出机SME保持与常规方法的SME基本上相同。不受理论或机制的束缚，LME方法和常规方法中的SME基本上相同，因为LME挤出机温度可以超过挤出机中面团的熔点，从而降低面团材料的粘度。

进行了额外的研究以比较常规方法和LME方法之间的淀粉糊化范围。研究表明，差异无统计学意义。例如，这两种方法使用NIR方法生产的最终产品凝胶率为77-100％，使用湿化学方法生产的最终产品凝胶率为81-100％。因此，本文所公开的方法的SME仍然与常规方法相当，或甚至可低于常规方法。根据本公开实施方案的某些实施方案不需要使用具有更高马力发动机的挤出机来产生与常规系统相同的粗磨物。在某些实施方案中，挤出机具有约300至约500马力的功率。

在挤出方法中通过改变螺杆的速度，可以改变比机械能。在某些实施方案中，挤出方法的螺杆速率可为约283rpm至约450rpm、约320rpm至约420rpm或约240rpm至约263rpm。

表1.2显示了由常规挤出方法和LME方法制成的产品的进一步比较。在用于LME加工的某些实施方案中，面团以至少约56.3kJ/kg的SME进行挤出，并且可以在约50kJ/kg至约100kJ/kg的范围内，这通常低于常规挤出方法挤出的面团的SME，如下表1.2所示。

表1.2-LME方法与常规挤出方法的比较

*不使用来自原材料(干燥的和液态的)的热能，仅使用进入挤出机的蒸汽作为热能

闪蒸后的水分百分比变化计算如下：

在挤出方法中通过例如加工过程中的直接蒸汽喷射提供热能，并且可以通过比热能(STE)来量化。在挤出方法中添加的蒸汽也会给面团增加水分。在某些实施方案中，组合物在通过模头之前具有约16％至约18％的水分。在某些实施方案中，如图5所示，与通过挤出方法制备时为约25％的水分相比，当通过LME方法制备时，挤出物在模头前具有约18％的水分。

如表1.2所示，LME方法(不包括预处理步骤)中STE与SME之比可为约2.0至约4.0。这与常规挤出方法中STE与SME之比形成了直接对比，该比值范围可为约0至约0.7，如表1.2所示。

烹制的面团被推过成型模头成为挤出物，并被切割。在此步骤中，由于挤出机与附近外部环境之间的温度差和压力差，挤出物膨胀。重要的是，模头前的挤出物温度远高于其熔融温度Tm。这导致更多的闪蒸，即，由外部环境的环境温度与挤出机内的温度之间的差异引起的蒸汽形式的水分损失，如本文图5中进一步解释的。如表1.2的示例所示，示出了常规和LME方法示例的水分闪蒸。水分闪蒸百分比表示挤出机中的水分减去(less)闪蒸后的水分。对于常规挤出方法，水分闪蒸的范围可最高达4.0％。相比之下，对于LME方法，水分闪蒸可在约4.0％至约7.0％的范围内，这比常规方法的闪蒸要高得多。因此，对于常规挤出方法闪蒸后相应的水分百分比变化，闪蒸百分比可在约10.3％至约19.7％的范围内。相比之下，LME方法闪蒸后的水分百分比变化范围为约25.2％至31.2％，这远大于常规挤出方法的闪蒸百分比。

图5提供了由通过根据本公开主题的LME方法加工的面团制成的粗磨物(由实线表示)和由通过常规挤出方法加工的面团制成的粗磨物(由虚线表示)的温度和水分比较图。从图5的LME方法中可以看出，原材料进入预处理器容器的温度为约20℃，而面团离开预处理器容器的温度为约30-36℃。如图5的LME方法提及的和本文所讨论的，将高压蒸汽和机械能添加到挤出机中的面团中，并且面团的温度从约30-35℃增加到约150℃，然后立即使面团离开挤出机。在某些实施方案中，面团即将离开挤出机之前的温度为约144℃至约160℃。关于图5，随着LME方法的面团温度升高，面团在挤出机中达到不同阶段，开始蛋白质变性(在大约55℃下)，开始淀粉糊化(在大约60℃下)，并杀死某些细菌，例如沙门氏菌(salmonella)(在大约70℃至80℃下)。此外，在LME方法期间在挤出机中(而不是在图5的常规示例示出的预处理容器中)，LME方法中面团的温度升高达到其玻璃化转变温度(由线Tg表示)和熔点温度(由线Tm表示)。有趣的是，在该示例中，在LME方法中在进入挤出机时面团的水分含量百分比为约10至11％，而在离开挤出机之前面团的水分含量百分比为约18％。离开挤出机后，水分含量百分比闪蒸并下降至约12％。

从图5可以进一步看出，在该示例中，与常规方法相比，根据本公开主题的LME方法的粗磨物在干燥前水分减少了10％。由于所得粗磨物的水分含量低于常规方法的粗磨物，因此所得粗磨物所需的干燥更少，从而显著降低了整个方法的能源需求。在某些实施方案中，LME方法比常规方法使用少至少约30％的能量。在某些实施方案中，可将粗磨物干燥至在干燥后具有最高达约0.63的水活度。在一些实施方案中，在闪蒸之后，通过LME方法制造的粗磨物具有足够低的水分含量以达到约0.63或更低的水活度，而无需主动干燥步骤(例如，使粗磨物通过干燥器)。

相比之下，图5中的常规方法示例(以虚线示出)在预处理容器中使用水和低压蒸汽进行蛋白质变性、淀粉糊化和杀菌，这与LME方法在挤出机中完成这些过程的起点(threshold)有所不同。常规方法中的面团在预处理容器中进一步达到其玻璃化转变温度，如图5所示。对于常规方法，预处理容器出口处和挤出机入口处的面团具有约24％的水分含量，并已达到大约80℃。如上所述，常规方法的挤出机中的面团经受高压蒸汽和机械能，并且在离开挤出机之前的面团具有大约25％的水分含量和大约125℃的温度。离开挤出机后面团的闪蒸导致面团的水分含量减少至大约22％。如图5所示，与常规方法相比，LME方法可节省能源。

本公开的LME方法与常规挤出方法的挤出步骤之间的操作差异如下表2所示。

表2-LME和挤出方法之间的操作差异比较

	常规挤出方法	LME方法
			所需水流	低速率	低速率
所需蒸汽流	低速率	高速率
			蒸汽压力	约100psi	约100psi

在某些实施方案中，常规挤出方法采用低水流速率，例如最高达约2％，基于进粉速率。在某些实施方案中，常规挤出方法采用低蒸汽流速，例如最高达约4％，基于进粉速率。在某些实施方案中，常规挤出方法采用高蒸汽压力，例如约80psi至约150psi。

在某些实施方案中，LME方法采用低水流速率，例如基于进粉速率(meal rate)最高达约2％。在某些实施方案中，LME方法采用高蒸汽流速，例如基于进粉速率约6％至约10％。在某些实施方案中，LME方法采用高蒸汽压力，例如约80psi至约150psi。

实施例

以下实施例仅是对本公开主题的说明，它们不应视为以任何方式限制主题的范围。

实施例1：LME方法

实施例1提供了一种通过LME方法制备宠物食品粗磨物的方法。

用于粗磨物的原材料粉末/粗粉(powder/meal)在预处理容器中混合。组合物的初始水分含量为约10％。在约30psi的压力下，加入低速率蒸汽，例如进粉速率的约3％至约14％。将低水速率施用至混合物，例如进粉速率的约1％至约14％。预处理步骤将约3％的水分添加到起始材料中形成面团，基于进粉速率。预处理步骤的工艺参数如表3所示。

表3-预处理步骤的工艺参数

面团从预处理器的出料口进入挤出机。在替代性实施方案中，如果预处理器与挤出机分开放置，则可以考虑通过中间料斗等将面团放入挤出机中。在该实施例中，挤出机为7头机器，其中机筒1为进料机筒，如图2所示。单螺杆挤出机应用高温、高压和剪切来诱导淀粉分子的糊化。蒸汽向混合物中添加约6.5％的水分，基于进粉速率。该方法将糊状面团(mashed dough)加热到超过其熔点，这进而降低材料的粘度。由于挤出机和环境之间的温度差和压力差，材料被推过成型模头并切成粗磨物，从而导致膨胀。预处理步骤的工艺参数如表4所示。

表4-挤出步骤的工艺参数

然后，将粗磨物干燥以去除粗磨物表面和粗磨物内部的水分。该步骤有利于在环境条件下的预防霉菌和储存稳定性。干燥步骤的工艺参数如表5所示。

表5-干燥步骤的工艺参数

实施例2：常规实施例

实施例2提供了一种通过常规挤出方法制备宠物食品粗磨物的方法。

用于粗磨物的原材料粉末/粗粉在预处理容器中混合。组合物的初始水分为约10％。在约30psi的压力下，添加高速率蒸汽，例如进粉速率的最高达约13％。将高水速率施用至混合物，例如最高达22％，基于进粉速率。预处理步骤由于水而向起始材料添加约10％的水分，并且由于蒸汽而额外添加约10％的水分，形成面团，基于进粉速率。

面团从预处理器的出料口进入挤出机。挤出机为7头机器(7-head machine)，其中机筒1为进料机筒，如图2所示。单螺杆挤出机应用高温、高压和剪切继续使淀粉分子糊化。由于挤出机和环境之间的温度差和压力差，材料被推过成型模头并切成粗磨物，从而导致膨胀。

然后将粗磨物在干燥机中干燥，以去除粗磨物表面和粗磨物内部的水分。

实施例3：LME和常规方法制备的粗磨物的比较

实施例3提供了各种对比测试，以比较LME和常规方法制备的粗磨物。

挤出质量和能量平衡

实施例1和实施例2中描述的方法的挤出质量和能量平衡示于表6中。实施例1通过根据本公开主题的LME方法形成，实施例2通过常规方法形成。

表6提供了本公开的LME方法和常规挤出方法的示例性挤出质量和能量平衡比较。

表6

挤出质量和能量平衡	实施例2	实施例1-LME
			进粉速率(kg/hr)	800	800
预处理水速率(kg/hr)	112	24
			预处理蒸汽速率(kg/hr)	72	0
挤出蒸汽速率(kg/hr)	0	64
			挤出水速率(kg/hr)	0	0
比机械能-SME(kJ/kg)	74.8	56.3
			比热能-STE(kJ/kg)	246.9	242.6
比总能量-STotalE(kJ/kg)	321.7	298.9
			模头后挤出物温度(℃)	125	145
挤出机中水分的质量分数(％)	28.6	20.9

如表6所示，常规挤出方法与本公开的LME方法之间的STE(Specific ThermalEnergy)相似，因为蒸汽系统在LME方法中从预处理步骤转移到挤出步骤。此外，由于所公开的挤出工艺，LME方法的SME(Specific Mechanical Energy)相似(甚至更低)。这可以通过在LME方法中在较高温度下具有较低粘度的组合物来解释。

X射线断层扫描

实施例1的宠物食品粗磨物和实施例2的宠物食品粗磨物通过X射线断层摄影术进行检查，如图6A-E所示如本文进一步讨论的。实施例1通过根据本公开主题的LME方法形成，实施例2通过常规方法形成。使用NSI ImagiX X射线断层扫描系统检查每个样品。通过使用聚苯乙烯泡沫片将中心固定到纸套管(thimble)中来制备用于分析的样品。然后，将装有样品的套管放入50ml聚丙烯管中。样品的断层切片视图(slice view)在X、Y和Z平面上拍摄，如图6A-E所示以及如本文进一步讨论的。聚丙烯管用胶带固定在X射线断层扫描支架上。ImageJ软件用于测量包气性(aeration)。包气性分析的结果总结在表7中。

表7-样品包气性

表7的结果表明，实施例1的粗磨物具有约32％的包气率，而实施例2的粗磨物具有约40％的包气率。

图6A-E通过示出断层切片视图(Tomographic slice views)进一步说明了两种粗磨物的包气性差异。包气由白色区域表示。可以看出，图6A-C描绘的切片，其对应于实施例1的粗磨物，具有较少的白色区域，因此与图6D-F描绘的对比粗磨物相比，包气性较低。然而，实施例1的粗磨物中的气泡比实施例2的气泡更小。另外，实施例1的粗磨物中的气泡形状是细长的，而实施例2的气泡形状是球形的。

***

除了所描绘和要求保护的各种实施方案之外，本公开主题还涉及具有本文所公开和要求保护的特征的其他组合的其他实施方案。因此，本文提供的特定特征可以在本公开主题的范围内以其他方式彼此组合，使得本公开主题包括本文所公开的特征的任何合适组合。出于说明和描述的目的，已经提供了对本公开主题的特定实施方案的前述描述。不旨在穷举或将本公开主题限制为所公开的那些实施方案。

对于本领域技术人员显而易见的是，可以对本公开主题的系统和方法进行各种修改和变化，而不背离本公开主题的精神或范围。因此，本公开主题旨在包括在所附权利要求及其等同物的范围内的修改和变化。

本文引用了各种专利和专利申请，其内容在此通过引用整体并入本文。

Claims (26)

1.一种制备干食品的方法，所述方法包括：

(a)将用于干食品的原材料以第一流速提供给至预处理容器；

(b)对所述预处理容器中的所述原材料进行预处理并形成面团；

(c)将水分含量为约4％至约10％的面团移动通过挤出机的入口；和

(d)将所述面团挤出通过所述挤出机的模板并通过以下(i)和(ii)形成粗磨物：

(i)向所述面团施加热能；和

(ii)向所述面团施加机械能，

其中所述热能与所述机械能之比可为至少约2.0至约4.0。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述粗磨物在离开所述挤出机时具有约8％至约13.5％的水分含量。

3.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：

(e)干燥所述粗磨物。

4.根据权利要求3所述的方法，其中将所述粗磨物干燥至具有最高达约0.63的水活度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述面团通过模头之后的水分闪蒸为约4.0％至约7.0％。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述向所述面团施加热能包括使用蒸汽。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述蒸汽的流速为所述第一流速的约6.0％至约10.0％。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述蒸汽的压力为约80磅每平方英寸至约150磅每平方英寸。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述热能和所述机械能将所述面团加热超过所述面团的熔点，从而降低所述面团的粘度。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一流速为约0.8吨/小时至约12吨/小时。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述预处理进一步包括以基于所述第一流速的蒸汽的最高达3％的速率添加蒸汽。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述蒸汽的流速为0吨/小时。

13.根据权利要求1所述的方法，其中预处理进一步包括以最高达所述第一流速的4％的流速添加水。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述水的流速是所述第一流速的0％。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述挤出面团包括将所述挤出机中的温度从30-36℃升高至144-160℃，并将水分含量从10-12％的水分增加至16-18％的水分。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述挤出机中的面团的水分含量为约16％至约18％。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述挤出机是单螺杆挤出机或双螺杆挤出机中的一种。

18.根据权利要求1所述的方法，其中在挤出所述面团的步骤之后，所述粗磨物不在干燥机中干燥。

19.根据权利要求1所述的方法，其中所述面团包含约10％至约80％的碳水化合物、约5％至约35％的脂肪和约5％至约60％的蛋白质。

20.根据权利要求20所述的方法，其中所述蛋白质包括动物蛋白。

21.一种制备干食品的方法，所述方法包括：

(a)提供水分含量为约4％至约10％的面团；

(b)将所述面团以第一流速放入挤出机中；

(c)在挤出机中加工所述面团，其中所述加工包括：

(i)向所述面团施加热能；和

(ii)向所述面团施加机械能，

其中所述热能与所述机械能之比为至少约4；和

(d)将所述面团从所述挤出机中挤出通过模板以形成粗磨物。

22.根据权利要求22所述的方法，其中所述粗磨物在离开所述挤出机时具有约8％至13.5％的水分含量。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述热能和所述机械能将所述面团加热超过所述面团的熔点，从而降低所述面团的粘度。

24.根据权利要求22所述的方法，其中在挤出所述面团的步骤之后，所述粗磨物不在干燥机中干燥。

25.根据权利要求22所述的方法，其中所述面团包含约10％至约80％的碳水化合物、约5％至约35％的脂肪和约5％至约60％的蛋白质。

26.根据权利要求26所述的方法，其中所述蛋白质包括动物蛋白。

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