輥式磨粉機(jī)小麥制粉工藝參數(shù)研究進(jìn)展*

高楊楊，武文斌*，賈華坡，黃奇鵬，孟 樂，李蒙蒙

(河南工業(yè)大學(xué)糧油機(jī)械研究所，鄭州450001）

輥式磨粉機(jī)是小麥制粉過程中主要的加工設(shè)備，前路皮磨系統(tǒng)研磨效果會影響到后續(xù)加工工藝的質(zhì)量、物料分級和粉路的長短。根據(jù)制粉工藝要求，小麥在初次破碎時，要提取較多的粗粒、粗粉和麥心，盡可能將麩皮上胚乳刮凈，并盡量保持麩皮的完整性[1]，所以良好的工藝和設(shè)備是保證研磨效果的關(guān)鍵。在小麥制粉過程中，不同的小麥特性和磨粉機(jī)操作參數(shù)會影響皮磨系統(tǒng)研磨效果，并最終影響面粉質(zhì)量，這些因素對研磨過程的影響程度和重要性差異很大。近年來，國內(nèi)外制粉科研工作者進(jìn)行了大量的試驗研究，探索各因素對小麥制粉工藝的影響。

1 小麥制粉工藝簡介

小麥制粉工藝流程俗稱粉路，包括水分調(diào)節(jié)、研磨、篩分和清理過程等。由于各級研磨物料的粒度和質(zhì)量的不同需要分別進(jìn)行粉碎，形成了不同的粉碎系統(tǒng)，主要分為皮磨系統(tǒng)（B）、渣磨系統(tǒng)（S）、心磨系統(tǒng)（M）、清粉系統(tǒng)（P）和尾磨系統(tǒng)（T），本文所探討的是皮磨系統(tǒng)的加工工藝。

圖1所示為影響皮磨系統(tǒng)研磨效果的因素。皮磨系統(tǒng)的作用是破碎小麥，為后續(xù)系統(tǒng)提供麥渣、麥心和粗粉，并盡量保持麩片的完整。為了獲得最佳的破碎分離效率，需設(shè)置多道皮磨道數(shù)，小麥在經(jīng)過皮磨系統(tǒng)處理后應(yīng)能刮凈麩片上的胚乳。根據(jù)原料小麥的情況、制粉工藝和制粉廠規(guī)模等情況，一般設(shè)4～5道皮磨，硬麥設(shè)置4道，軟麥設(shè)置5道。打麩機(jī)和刷麩機(jī)應(yīng)用于皮磨系統(tǒng)，利用其高速旋轉(zhuǎn)的打板將含麩物料拋向沖孔篩板，再經(jīng)打板及篩網(wǎng)的撞擊和打擦作用，使麩皮表面殘存的胚乳得到分離提取，有利于刮凈麩皮上殘存的胚乳，提高出粉率，整個皮磨系統(tǒng)應(yīng)保持15%～20%的出粉率。

圖1 影響皮磨系統(tǒng)研磨效果的因素

圖2為制粉工藝流程圖，為了生產(chǎn)出高精度面粉，皮磨系統(tǒng)需要更可能多地提取出高純度胚乳顆粒，我國采用的方法是強(qiáng)化粉路關(guān)鍵系統(tǒng)和關(guān)鍵部位，比如強(qiáng)化前中路皮磨設(shè)備配備、強(qiáng)化物料分級、強(qiáng)化清粉系統(tǒng)以及前路心磨系統(tǒng)等[2]，完善粉路設(shè)置，形成了一套適合我國小麥狀況的制粉工藝技術(shù)。

圖2 小麥制粉工藝流程圖

2 小麥制粉工藝參數(shù)研究進(jìn)展

2.1 小麥物理特性

2.1.1 硬度

根據(jù)小麥籽粒的硬度指數(shù)可將小麥大致分為硬質(zhì)小麥和軟質(zhì)小麥，我國小麥品種眾多，由于環(huán)境、籽粒化學(xué)組分和遺傳等因素，不同地區(qū)的小麥硬度之間存在很大的差異。硬度是小麥籽粒重要的物理特性之一，對制粉效果的影響較大。在小麥制粉試驗中，隨著小麥硬度指數(shù)升高，小麥胚乳中的玻璃質(zhì)含量逐漸升高，胚乳整體硬度增大，磨輥對小麥胚乳的破碎效果呈現(xiàn)出降低的趨勢[3]。趙仁勇[4]對分別經(jīng)過皮磨系統(tǒng)研磨的軟麥和硬麥磨下物進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)硬麥磨下物中大粒度麥渣、麥心的數(shù)量顯著高于軟麥磨下物，小粒度麥渣、麥心的數(shù)量基本一樣，胚乳和麩皮分離率高于軟麥，麩皮的破碎率高于軟麥。Campbell[5]設(shè)置不同的磨輥配置方式，分別將軟、硬麥進(jìn)行研磨試驗，結(jié)果表明在鈍對鈍（D-D）的配置下研磨效果對籽粒硬度更為敏感。Muhamad[6]采用聲波篩分法對不同品種小麥破碎后的粒徑分布（PSD）進(jìn)行了測定，硬小麥在破碎物料中的平均粒徑稍小。硬度不僅會對皮磨系統(tǒng)磨下物的粒徑及粒徑分布產(chǎn)生影響，對加工后淀粉破損程度和數(shù)量也有影響[7]。申曉燕[8]研究了不同硬度小麥加工后淀粉損傷情況，結(jié)果表明硬麥更容易產(chǎn)生破損淀粉。Galindez-Najera[9]通過對硬麥和軟麥的磨下物進(jìn)行光譜分析，并用破碎函數(shù)和濃度函數(shù)預(yù)測小麥碾磨后組分的分布，發(fā)現(xiàn)皮磨系統(tǒng)磨下物麩皮的大小更多地取決于麩皮層的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，與機(jī)器的操作參數(shù)有很大的關(guān)系。小麥出粉率和面粉灰分與硬度成正相關(guān)，面粉白度與硬度呈顯著負(fù)相關(guān)。

2.1.2 潤麥

小麥在入磨前需要進(jìn)行潤麥調(diào)質(zhì)處理，目的是為了增加小麥麩皮的韌性，使之在研磨過程中不易破碎，降低面粉灰分含量，增加面粉白度[10]。潤麥條件對小麥硬度和面粉的粒度分布有較大的影響，且能夠降低磨粉機(jī)能耗[11]。汪雅馨等[12]研究了不同潤麥水分對面粉品質(zhì)的影響，結(jié)果表明：隨著潤麥水分的增加，面粉的破損淀粉含量、蛋白質(zhì)含量均呈下降趨勢，面粉白度呈上升趨勢。王曉曦[13]用5種中筋小麥調(diào)節(jié)不同含水率進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加，5種小麥的出粉率均呈逐漸下降的趨勢。劉強(qiáng)等[14]通過測定不同潤麥條件下的小麥出粉率，探究其對出粉率的影響，發(fā)現(xiàn)潤麥時間的長短能夠影響1M的出粉率，潤麥時間在24～56 h之間影響不明顯，在56 h以后能夠顯著提高1M的出粉率。

經(jīng)過大量研究，入磨小麥最佳水分含量和潤麥時間基本明確，根據(jù)氣候條件、小麥物理性質(zhì)、實際消耗程度以及車間粉路長短確定其水分大小，而后科研工作者又對潤麥的方式進(jìn)行研究。李成森等[15]分別用溫水與冷水進(jìn)行潤麥，對比面粉的灰分、濕面筋、白度、麩星面積及粉質(zhì)拉伸等方面指標(biāo)的變化，發(fā)現(xiàn)溫水潤麥能夠提高皮層韌性，降低面粉灰分，具有較好的制粉效果。陳云霞等[16]對小麥進(jìn)行蒸汽潤麥處理，研究其理化特性，結(jié)果表明隨著潤麥時間的增加，出粉率出現(xiàn)先下降、后上升的趨勢，潤麥時間為200 s出粉率最小，而破損淀粉含量隨著時間的增加先增大、后減小，200 s破損量最大。胡玉華[17]采用加溫調(diào)質(zhì)，對不同潤麥溫度和潤麥時間小麥進(jìn)行研究，得出了最佳潤麥溫度和時間。王大一等[18]研究了鹽水濃度和鹽水潤麥時間對小麥制粉特性和微生物影響，鹽水濃度升高，小麥粉中微生物含量降低。

2.2 磨粉機(jī)操作參數(shù)

2.2.1 軋距

輥式磨粉機(jī)主要靠控制磨輥軋距來調(diào)節(jié)磨粉機(jī)的研磨能力和對物料施加粉碎的效果。軋距對于磨下物的粒徑分布以及麩皮和胚乳的分離影響較大，軋距小，初次破碎磨下物麩皮破碎率高，后期粉麩分離難度大；軋距大，小麥胚乳和麩皮不能有效分離，軋距的調(diào)整取決于研磨時所需的壓力[19]。目前國內(nèi)大多數(shù)面粉廠是制粉師根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整軋距，難以形成量化指標(biāo)，由于小麥特性的不同需要隨時進(jìn)行調(diào)整[20]，國內(nèi)外對此研究較多。趙學(xué)敬[21]根據(jù)經(jīng)驗建立了齒輥流量公式，可以根據(jù)物料破碎時速度、齒形高度和研磨區(qū)域充滿系數(shù)計算出所需的軋距大小。Hsieh[22]等研究了三種軋距0.76、0.89和1.02 mm對加拿大硬紅春小麥皮磨過程的影響，發(fā)現(xiàn)軋距越小破碎率越高。Fang[23]觀察到，隨著軋距的增加（從0.3mm增加至0.7mm），硬質(zhì)和軟質(zhì)小麥的籽粒破碎程度減小，較大尺寸的顆粒所占比例增多。雖然減小軋距可以得到更細(xì)的面粉顆粒，但是隨著軋距減小，凈比能耗大幅上升[24]。Kuprits[25]提出了用于確定軋距的經(jīng)驗函數(shù)：

式中，Ex為出粉率；b為軋距；e為自然對數(shù)；m，n為取決于小麥特性和磨粉機(jī)參數(shù)的經(jīng)驗常數(shù)。

科研工作者對于軋距自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)[26]和軋距鎖緊機(jī)構(gòu)[27]也有研究，但磨粉機(jī)經(jīng)多次換輥和長時間使用之后，容易出現(xiàn)調(diào)節(jié)好軋距不能長時間保持，微調(diào)時磨輥對物料的粉碎效果變化不明顯等問題，根據(jù)目測磨下物的狀態(tài)去調(diào)整軋距，始終是阻礙磨粉機(jī)向智能化設(shè)備發(fā)展的絆腳石，所以針對軋距控制系統(tǒng)仍需投入大量研究工作。

2.2.2 快慢輥速比

快慢輥速比是快輥與慢輥的圓周速度之比，主要影響剝刮率和物料的粉碎程度。擠壓力和剪切力是碾磨過程中作用于小麥的兩種力，速度差有助于產(chǎn)生剪切作用，并會增加粉碎后物料中粗粒、粗粉的數(shù)量，但過大的速度差會使面粉灰分增多；低速差會使小麥?zhǔn)艿捷^小的剪切和刮擦作用，小麥?zhǔn)軘D壓而粉碎，胚乳和麩皮的分離度較低。為了使面粉中的細(xì)麩最少，必須將麩皮的破損限制在可分離的范圍內(nèi)。Hsieh[22]研究了從 1.5∶1 到 3.0∶1 的速比對研磨效果的影響，發(fā)現(xiàn)所有驗粉篩篩下物的質(zhì)量百分比都隨速比的增大而增多，并且面粉淀粉損傷隨速比的增加而增加。 Tsuge[28]通過試驗研究速度差 2.0∶1，2.5∶1和3.0∶1對Ⅰ皮磨粉機(jī)研磨效果影響，發(fā)現(xiàn)就粒度和灰分而言，速比為2.5∶1時，研磨效果最佳。Guritno[24]發(fā)現(xiàn)，隨著磨輥轉(zhuǎn)速在恒定差的情況下逐步降低，能耗和能量利用率同時增大。張克平等[29]利用離散單元法模擬仿真了不同速比條件下，物料顆粒接觸變化量和數(shù)據(jù)輸出區(qū)間中的變化范圍、波峰值、能耗。目前國內(nèi)外面粉廠通常采用皮磨速度差為2.5∶1，心磨速度差為 1.25∶1 至 1.5∶1。

2.2.3 磨輥配置方式

磨輥磨齒有鋒角和鈍角之分，配對工作的兩磨輥具有不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，因此磨輥具有4種配置方式，分別為鋒對鋒（S-S），鋒對鈍（S-D），鈍對鋒（D-S）和鈍對鈍（D-D）[30]，如圖 3 所示。

根據(jù)碾磨工藝和所需的產(chǎn)品粒度，可以更改磨輥的配置方式。Fang和Campbell[11]通過實驗得到DD配置方式破碎后的粗粉數(shù)量最多，麩皮破裂最少，對輥兩鈍角對小麥籽粒施加更多的擠壓作用，而在S-S配置下磨輥主要對小麥?zhǔn)┘蛹羟辛Γ瑢⑴呷楹望熎ひ黄鹌扑?，所得的粒徑范圍相對較寬。與D-D和S-S相比，S-D和D-S研磨作用產(chǎn)生的粒徑范圍更窄，并且粉碎效果不穩(wěn)定，很少用于磨粉機(jī)[31]。由于磨輥配置方式只是簡單的排列組合，明確四種配置的研磨機(jī)理后，國內(nèi)外學(xué)者對其研究較少。

2.2.4 喂料

喂料速度是指單位時間內(nèi)通過單位輥長的小麥量，它取決于磨粉機(jī)的加工能力，一些學(xué)者研究了不同直徑磨粉機(jī)的理論流量，得出了理論研磨流量公式。但是面粉廠實際喂料速度遠(yuǎn)低于理論計算值，主要與小麥種類、軋距、磨輥轉(zhuǎn)速及齒形參數(shù)有關(guān)[32]。喂料量是影響能量消耗的最重要因素，對剝刮率和取粉率影響較小，沒有明顯影響磨下物平均粒徑[33]。鄭曉[34]對十種不同特性的物料進(jìn)行了最優(yōu)喂料軌跡的設(shè)計，建立了喂料軌跡優(yōu)化模型；趙學(xué)敬[35]研究輥長配置與體積研磨流量的關(guān)系，提出了單位體積流量的學(xué)術(shù)觀點。在喂料方式和喂料速度上有學(xué)者開發(fā)出氣動伺服喂料、電容式變頻喂料、紅外式變頻喂料等。陳聰聰[37]采用多點紅外料位傳感器，利用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)喂料量的自動調(diào)節(jié)。周焱[37]利用變頻調(diào)速的閉環(huán)控制設(shè)計了喂料調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)喂料速度的調(diào)節(jié)。布勒MDDP/Q磨粉機(jī)使用的是重力式料位傳感器和伺服喂料流量調(diào)節(jié)器，徹底避免進(jìn)料筒物料上溢和磨粉機(jī)斷料空跑等問題。目前國內(nèi)外在喂料控制方面已經(jīng)做到喂料量與入磨量基本平衡，能夠充分發(fā)揮應(yīng)有效能。

3 前景與展望

經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的不斷努力，小麥出粉率和面粉質(zhì)量不斷提高，等級粉和專用粉的應(yīng)用越來越廣，工藝效果及關(guān)鍵工藝指標(biāo)逐漸成熟，小麥制粉工藝技術(shù)已基本完善，我國小麥制粉技術(shù)也形成了適合我國小麥狀況的加工工藝。但是，在加工設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新力度方面還與發(fā)達(dá)國家存在較大的差距，僅完善粉路設(shè)置，強(qiáng)化工藝關(guān)鍵部位創(chuàng)新應(yīng)用，無疑使車間設(shè)備增多，粉路變長，能耗增加，后期的設(shè)備維護(hù)和配件更換更是增加了企業(yè)負(fù)擔(dān)，并且低產(chǎn)能的設(shè)備較多，智能化清潔化設(shè)備運用不足。因此，小麥制粉工藝的發(fā)展應(yīng)配合加工設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新，在產(chǎn)品開發(fā)環(huán)節(jié)進(jìn)行深入研究，向智能化、節(jié)能化產(chǎn)品發(fā)展。