雙螺桿擠壓機(jī)操作參數(shù)對(duì)蠶豆擠出物徑向膨化率的影響

耿貴工 張 波 嚴(yán)軍輝 劉 超 楊希娟 劉玉皎

（青藏高原農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青海省農(nóng)林科學(xué)院1，西寧 810016）

（農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所2，北京 100193）

擠壓膨化技術(shù)在不同領(lǐng)域日益擴(kuò)展、原料種類不斷增加。國(guó)內(nèi)外擠壓膨化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于營(yíng)養(yǎng)早餐食品、飼料、釀酒、制藥、飲料、油脂等領(lǐng)域。尤其在玉米、小米等禾谷類膨化食品的生產(chǎn)中較為突出，但在蠶豆膨化食品的加工中尚未開展深入的研究。蠶豆是食用豆類之一，是重要的加工原料。蠶豆膨化食品是經(jīng)蠶豆原料處理、擠壓、整形、切割等一系列工序，擠壓膨化而成的休閑食品。物料擠壓膨化后其重要營(yíng)養(yǎng)成分變化不大，而且更易被人體吸收和利用。衡量擠壓膨化產(chǎn)品品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)是膨化率，它反應(yīng)出產(chǎn)品的感官形態(tài)及口感，而擠壓參數(shù)對(duì)徑向膨化率有著直接的影響［1－4］。本研究探討雙螺桿擠壓操作中擠壓溫度、物料含水率、喂料速度和螺桿轉(zhuǎn)速4個(gè)重要參數(shù)對(duì)蠶豆徑向膨化率的影響規(guī)律，進(jìn)一步明確擠壓溫度、物料含水率、SME與膨化率之間的關(guān)系，為蠶豆擠壓膨化的加工提供技術(shù)支持，為工藝的設(shè)計(jì)和擠壓產(chǎn)品質(zhì)量控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

蠶豆：品種為青海12號(hào)，由青海農(nóng)林科學(xué)院提供，蛋白質(zhì)含量26.50%，淀粉含量47.58%，脂肪含量1.47%，粗纖維7.37%，含水率12.77%。原料經(jīng)清選、去皮、磨粉過60目篩備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

擠壓設(shè)備Bradender DSE－25型雙螺桿擠壓膨化實(shí)驗(yàn)室工作站（Twin Screw Extruder Lab－Station.DSE－25 Brabender，Germany），主要技術(shù)參數(shù)：螺桿直徑25 mm，長(zhǎng)徑比20∶1；擠壓機(jī)加工區(qū)域長(zhǎng)度，其喂料區(qū)100 mm，Ⅰ區(qū)150 mm，Ⅱ區(qū)150 mm，Ⅲ區(qū)100 mm，Ⅳ區(qū)50 mm，Ⅴ區(qū)100 mm；試驗(yàn)采用圓形模頭，?？字睆綖闉?×20 mm。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行單因素試驗(yàn)，以物料含水率、擠壓溫度、喂料速度和螺桿轉(zhuǎn)速為影響因素，因素水平設(shè)計(jì)見表1，各因素的固定水平值分別為：擠壓溫度160℃，物料含水率20%，喂料速度35 g／min，螺桿轉(zhuǎn)速 160 r／min［5］。

1.4 取樣方法

待擠壓膨化工藝參數(shù)達(dá)到設(shè)定參數(shù)時(shí)，取1 min內(nèi)擠壓樣品2次，室溫冷卻5 min，稱重，樣品裝入自封袋中備用。

1.5 測(cè)定方法

1.5.1 徑向膨化率

用數(shù)顯電子游標(biāo)卡尺測(cè)定樣品直徑，每個(gè)樣品隨機(jī)測(cè)定15次，求其平均值作為產(chǎn)品的平均直徑mm，除以?？谥睆?4 mm，其商為徑向膨化率［5－6］。

1.5.2 擠壓系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)定

扭矩和模頭壓力數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄，每10 s采集1次。SME由扭矩、螺桿轉(zhuǎn)速和產(chǎn)量估算［7］，單位為kJ／kg，其計(jì)算公式為：

式中：n為螺桿轉(zhuǎn)速／r／min；T為扭矩／N·m；MFR為擠壓機(jī)穩(wěn)定時(shí)的最大產(chǎn)量／kg／h。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓溫度、物料含水率對(duì)SME的影響

擠壓溫度影響物料的熔化程度和熔融物料的黏度，物料含水量主要影響物料顆粒間的潤(rùn)滑作用，使物料的黏度和流動(dòng)性發(fā)生改變，進(jìn)而影響摩擦和剪切作用在物料被擠出時(shí)所消耗的能量［8］。經(jīng)方差分析表明（表2），擠壓溫度、物料含水率對(duì)SME有極顯著影響（α＜0.01）。SME隨擠壓溫度的升高呈下降趨勢(shì)，SME由 1 713 kJ／kg降至892 kJ／kg。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，SME與擠壓溫度之間呈線性相關(guān)（圖1），其回歸方程為：y＝－183．9x＋1 817.5，R2＝0.932 6。SME隨物料含水率的升高呈下降趨勢(shì)，SME由1 833 kJ／kg降至752 kJ／kg。SME與物料含水率之間呈線性相關(guān)（圖2），其回歸方程為：y＝－266．9x＋2 052.3，R2＝0.976 4。

表2 蠶豆擠壓膨化的SME

圖1 擠壓溫度對(duì)機(jī)械能耗的影響

圖2 物料含水率對(duì)機(jī)械能耗的影響

2.2 擠壓溫度、物料含水率、喂料速度和螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)徑向膨化率的影響

擠壓溫度和物料含水量的變化使分子降解程度和黏度發(fā)生變化，導(dǎo)致氣泡不同程度的膨脹和收縮，從而影響擠出物的徑向膨化率［9－10］；而螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度既可以通過改變單位機(jī)械能耗，又可以通過改變停留時(shí)間分布影響糊化度和分子降解導(dǎo)致徑向膨化率的變化［11－12］。經(jīng)方差分析表明（表 3），加工溫度、物料含水率和喂料速度對(duì)擠壓物徑向膨化率有極顯著影響（α＜0.01），螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠壓物徑向膨化率有顯著影響（α＜0.05）。

徑向膨化率隨擠壓溫度的升高呈先上升后下降趨勢(shì)（圖3），當(dāng)擠壓溫度由140℃升高至160℃時(shí)，徑向膨化率由1.64升高至1.96，超過160℃后徑向膨化率開始下降，模擬回歸方程為：y＝－0．000 6x2＋0．183 6x－13.056，R2＝0.975 7。徑向膨化率隨物料含水率的升高呈下降趨勢(shì)（圖6），由2.30降至1.38，模擬回歸方程為：y＝－0．005 6x3＋0．329x2－6．488 5x＋44.764，R2＝0.963 9。徑向膨化率隨喂料速度的升高呈上升趨勢(shì)（圖5），由1.41升高至2.08，模擬回歸方程為：y＝－4E－05x2＋0．020 1x＋1.117 5，R2＝0.974 1。徑向膨化率隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高呈波動(dòng)變化（圖6），在試驗(yàn)設(shè)定范圍內(nèi)，徑向膨化率最高達(dá)1.92，最低為1.53，其模擬回歸方程為：y＝7E－06x4－0．004 8x3＋1．127 5x2－118．44x＋4 652.1，R2＝1。

表3 蠶豆擠壓物的徑向膨化率

圖3 擠壓溫度與徑向膨化率之間的關(guān)系

圖4 物料含水率與徑向膨化率之間的關(guān)系

圖5 喂料速度與徑向膨化率之間的關(guān)系

圖6 螺桿轉(zhuǎn)速與徑向膨化率之間的關(guān)系

2.3 SME與擠出物徑向膨化率的關(guān)系

膨化率直接影響膨化產(chǎn)品的質(zhì)地和口感，是衡量擠壓膨化產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)［13］。SME與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)，對(duì)產(chǎn)品的膨化率等指標(biāo)有重要影響［14］。經(jīng)相關(guān)性分析表明兩者之間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.985 7（P＜0.05）。曲線擬合顯示（圖7），兩者比較符合指數(shù)方程：y＝1．569 3x0.1398，R2為0.971 6。

圖7 單位機(jī)械能耗與徑向膨化率之間的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

擠壓溫度、物料含水率對(duì)SME、擠壓物的徑向膨化率有極顯著影響（P＜0.01），喂料速度和螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)徑向膨化率有顯著影響，依據(jù)回歸分析法，分別建立了擠壓參數(shù)與徑向膨化率、SME間的模擬回歸方程，徑向膨化率與SME間的模擬回歸方程。

在試驗(yàn)設(shè)定范圍內(nèi)徑向膨化率隨擠壓溫度的升高呈先上升后下降趨勢(shì)、隨物料含水率的升高基本呈下降趨勢(shì)，這可能由于擠壓溫度、物料含水率、喂料速度和螺桿轉(zhuǎn)速通過影響熔融體的黏度、提供水分氣化的動(dòng)力、機(jī)筒的填充程度、剪切力和摩擦作用等來(lái)影響擠壓產(chǎn)品的膨化率［15－16］。

在喂料速度和螺桿轉(zhuǎn)速不斷增加，填充程度提高，物料所受剪切、摩擦作用增強(qiáng)，這將使功率消耗增加，但在螺桿轉(zhuǎn)速過高的情況下物料的填充程度下降，又會(huì)使擠壓機(jī)的功率消耗減小［17－19］。在物料含水率較低時(shí)，顆粒間的潤(rùn)滑作用減弱，物料與機(jī)筒、螺桿之間的摩擦作用強(qiáng)烈，熔融物料的表觀粘度增加，流動(dòng)性差，在從?？跀D出時(shí)將消耗更多的能量，單位機(jī)械能耗增大，反之減少。單位機(jī)械能耗越大，物料在機(jī)筒內(nèi)降解程度越大，大分子降解成小分子，分子質(zhì)量降低［20－21］，物料熔化程度好，機(jī)筒溫度和壓力升高，擠出物徑向膨化率隨之提高。

目前蠶豆擠壓的理論缺乏系統(tǒng)研究，由于擠壓參數(shù)之間存在一定的交互效應(yīng)，擠壓操作對(duì)擠出物徑向膨化率的影響又較復(fù)雜，需進(jìn)一步采用多因素組合設(shè)計(jì)、旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)等方法進(jìn)行深入研究，使操作參數(shù)與擠出物性質(zhì)之間的關(guān)系更為清晰，才能形成一套比較完整的蠶豆擠壓加工理論，為蠶豆的擠壓膨化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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