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操作参数对双螺杆挤压机挤压效果影响的研究


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2001,Vol.22,No.2

食品科学

基础研究

操作参数对双螺杆 挤压机挤压效果影响的研究
杨绮云  李德溥  徐克非  黑龙江商学院  哈尔滨  150076
摘   要     通过实验研究了荞麦 黑米 薏米三种谷物的混合物料为原料时 双螺杆挤压机的螺杆转速

物料 湿度 机筒温度三种操作参数对双螺杆挤压机的挤压膨化效果 以糊化度衡量 的影响 依据可旋转中心组合实 验设计及实验数据建立了相关的统计模型 通过对响应面和等高线的分析 得出了三种操作参数的最佳取值范围 本实验研究对于开发谷物膨化食品 探索双螺杆挤压机加工谷物原料的挤压机理具有重要的现实意义 关 键 词     双螺杆挤压机  系统分析模型  响应面分析法 Abstract  The effects of varying screw speed barrel temperature and moisture content on extrusion quality(expressed as degree of dextrinization)of materials comprised of  buckwheat, melan-rice and coix were studied by using a co-rotating twin-screw extruder. The statistical model was established by  using a rotate central composite design and response surface methodology.The operation param- eters were conducted by triaxial contour map and isohypsic analysis. The experiment results showed great significance of exploitation of grist extrudate and the mechanism of the twin-screw extruder. Key words Twin-screw extruder  Systemic model  Response surface methodology

双螺杆挤压机是食品挤压加工的重要设备 由于 其具有生产效率高 能耗低 产品质量好等诸多优点 而大受欢迎 目前正在逐步取代单螺杆挤压机在食品 挤压加工领域中的地位 成为食品挤压与成型加工的 理想设备 食品的挤压加工过程十分复杂 目前有关双螺杆 挤压机加工食品原料的挤压理论还不完善 还没有应 用于双螺杆食品挤压机的精确的数学模型 很难从物 料特性 挤压机的结构参数和加工条件来预测挤压机 的工作情况和加工结果 试验研究在双螺杆食品挤压 机研究中仍占有重要地位 本文通过实验研究了物料 湿度 螺杆转速 机筒温度这三个操作参数对反映双 螺杆食品挤压机挤压加工效果的重要参数 - 糊化度的 影响 目的在于探索双螺杆食品挤压机的挤压原理 促进挤压膨化食品的开发 本实验的结果对生产实践
黑龙江省自然科学基金资助项目 项目编号 C9901

具有指导意义 1 试验研究 1.1  双螺杆挤压机系统分析模型 在双螺杆挤压机的研究中 Measer等人提出的系 统分析模型 表 1 起着重要作用 在这个模型中 将 挤压机的参数分为过程参数 x
过程参数(X) 螺杆几何参数 模孔尺寸 喂料速度 物料湿度 螺杆转速 机筒温度 物料组分 系统参数(Y) 物料停留时间 模头压力 单位质量产品 消耗热能 机械能等

系统参数 y 和目
目的参数(Z) 膨化指数 产品外观 口感 淀粉糊化度 水溶性指数等

表 1 系统分析模型



V.Garcia,P.Colonna,B.Bouchet.Structure Changes of Cassava Starch Granules after Heating at Interme- diate Water Content.Starch,1997,49(5):171 179. Jian Ya Qian,Yang Zhou,Manfred Kuhn,Stuttgart. Chracterization of Amaranthus Cruentus and Che- nopodium Quinoa Starch.Starch,1999,51(4):116 120. Y.E.M.Vander Burgt,J.Bergsma,I.P.Bleeber.Structur al Studies on Methylated Starch Granules.Stach,2000.52(2 3):40 43.





9 张力田 . 碳水化合物化学. 北京 中国轻工业出版社 1988 314 322. 10  张本山 杨连生. 玉米预糊化淀粉结晶性质的研究. 华南理 工大学学报 1997 25 2 107 111. 11  王煜明.非晶体及晶体缺陷的X射线衍射.北京 科学出版社 1988 69. 12  裴光文 钟维烈 岳书彬.单晶 多晶和非晶物质的X射线衍 射 . 济南 山东大学出版社 1985 446. 13  李树棠 . 晶体 X 射线衍射学基础 . 北京 冶金工业出版社 ,1990,169 171 14  丛秋滋.多晶二维X射线射.北京 科学出版社 1997 37 41.

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表 2 三种物料配比: 物料种类 荞麦 薏米 黑米 配比

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7 个点分别分布在坐标轴和原点上 其中坐标轴上的 点体现旋转性和正交性的特点 中心点可以用于计算 实验误差 本实验设计的实验点如图 1 所示

的参数 z 三种 这三种参数存在着如下关系 y=y z=z y 实践证明 依据系统分析模型进行研 究 可以大大简化研究过程 并且能够得出可靠的结 论 1.2  物料及其配比     实验将薏米 黑米 荞麦三种谷物的混合物 料确定为实验原料 这三种谷物都含有丰富的营养物 质 特别是荞麦中还含有丰富的膳食纤维 但是这三 种谷物质地都非常坚硬 用正常的蒸煮方法难以加工 需经过特殊工艺处理 而挤压膨化技术可以达到这一 目的 实验选取这三种物料的混合物为原料 对于开 发营养丰富的谷物膨化食品具有一定代表性 表 2 为 三种物料配比 1.3  设备情况     实验设备为同向啮合型双螺杆挤压机 其主 要参数如表 3
表3 挤压机主要参数 规格 名称 1 输送段螺距 68 压缩段螺距 470mm 均化段螺距 50mm 电机功率 6



 实验设计过程中 要处理好两个问题 一是各自 变量选取一个可行的起点 二是确定不同水平之间的 间距 这两个问题可以根据实践经验解决 也可以先 进行试验 根据试验结果分析归纳出合适的实验起点 和水平间距 表 4 为因素各水平实际数值与代码对照 表 表 5 为本实验的实验数据表
表4 水平实际数值与代码对照表 变量名称 符号 单位 %w.w.b Rpm 间距 代      码 -1.682 –1  0   1   1.682 2 12.64  14  16  18  19.36 10  153  160 170  180  186 20   67   80 100  120  133

名称 螺纹头数 机筒直径 螺杆总长 模孔长度 模孔直径

规格 24mm 18mm 18mm 30kw

物料湿度 机筒温度 螺杆转速

X1 X2 X3

表5 实验数据表 序号 物料湿度 x1 温度 x2 1 1 1 2 1 1 3 1 -1 4 1 -1 5 -1 1 6 -1 1 7 -1 -1 8 -1 -1 9 0 0 10 1.682 0 11 -1.682 0 12 0 1.682 13 0 -1.682 14 0 0 15 0 0 转速 x3 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 0 0 0 0 0 1.682 -1.682 糊化度 y % 81.4 85 84.5 85.24 68.6 87.9 82.18 87.9 98.6 78.5 63. 85.17 82 84.6 77

1.4  因素与目标函数  实验中将螺杆转速 机筒温度 物料湿度作为自 变量 将糊化度作为目标函数 理由如下  1. 螺杆转速 物料湿度 机筒温度是一台挤压 机重要的控制变量 也是影响挤压机系统特性和挤压 膨化效果的重要因素 研究这些参数对挤压加工效果 的影响规律 并确定其最优操作范围具有重要意义  2. 糊化度是衡量原料中淀粉糊化程度的指标 也是反映挤压效果的重要指标 研究各因素对其影响 对于提高挤压膨化产品质量具有十分重要的意义 1.5 实验设计及实验结果  实验采用可旋转的中心组合设计方法 这种设 计方法是在标准要因实验设计的基础上 通过增加若 干个点实现的 由于本实验有三个自变量 所以依据 可旋转中心组合实验设计的规则需要增加 7 个点 这

2 实验结果分析     本实验的统计模型推导 三维曲面图 等高 线图的绘制均采用数据处理软件 STATISTICA5.0

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2.1   螺杆转速对淀粉糊化度的影响 螺杆转速较低时 物料所承受的剪切作用低 随 着螺杆转速的增加 物料与螺杆以及机筒之间的摩擦 和剪切作用增强 物料在强烈的摩擦和剪切作用下 加速了淀粉颗粒的分解和糊化 但是螺杆转速过大 物料在机筒内停留时间过短 物料来不及从机筒壁吸 收足够的热量 会使生化反应进行得不彻底 降低了 淀粉的糊化度 所以螺杆转速过高 过低都将使糊化 度降低 图2 图3表明了实验条件下螺杆转速变化对 淀粉糊化度的影响情况

2.2   机筒温度的影响 螺杆挤压机的机筒和模口处应该具有适当的温度 , 这是保证挤压膨化效果的重要因素 , 原料中淀粉的 糊化是在适宜的温度并吸收足够热量的条件下进行的 ,只有吸收了足够的热量,才能完成淀粉的糊化 在挤 压过程中 , 物料所吸收热量有两个来源 一是从机筒 壁传递的热量 二是物料在机筒内受剪切 摩擦作用 产生的热量 前者所起的作用更大 一般来说 机筒 温度高时 物料在有限的停留时间内吸收的热量多 有利于淀粉的糊化 但是机筒温度过高会使物料中的 蛋白质发生 美拉德 反应 降低了蛋白质的消化吸

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收率 所以 机筒温度的设置应该综合考虑 一般是 在保证物料生化反应顺利进行情况下 机筒温度设置得 尽量低 这样不仅可以节约能源 也可以减轻辅机的负 担 并可以避免温度过高对物料所起的不良作用 图3 图 4 表明了温度对糊化度的影响情况 2.3    物料湿度的影响 物料湿度是挤压过程中的一个关键的控制变量 是影响挤压膨化效果的关键因素 适当的物料湿度是 挤压加工过程和生化反应顺利进行的保证 实验表明 当物料湿度低于 8% 时 物料在机筒内很难熔融 生化 反应进行得也不彻底 物料湿度过高 一方面由于水 分的润滑作用增强 物料在机筒内所受剪切 摩擦作 用减弱 物料挤出阻力减少 使模口处压力降低 另 一方面由于水分在模口处汽化而吸收大量的汽化潜热 使得机筒及模口处温度降低 因此 难以在模口处建 立起高温高压状态 进而影响挤压糊化效果 图2 图 4 表明物料湿度对糊化度的影响情况  综合考察图 2 图 3 图 4 可知 , 当物料湿度在 (-0.4 0.8) 螺杆转速在(-0.4 1.3) 机筒温度在 (0.4 1.3)时 淀粉的糊化度较高 , 达到 85.955% 以 上 1.6.2 统计模型的建立        统计模型的建立采用响应面分析法,这种方法 是Box-Wilosn提出的 所谓的响应面是指响应变量 ... k 之间的函数 ... k) 依据响应面法 3 建立的双螺杆挤压机的统计模型可用于挤压过程的控 制和挤压结果的预测  糊化度统计模型 Y=97.5 0.67X1 3.78X2 6.91X3
2 3

2 结论 本实验研究表明,各因素对目标函数的影响规律 是复杂的 , 各因素之间相互联系 相互制约 共同影 响目标函数 各因素与目标函数之间呈非线形关系 不同的水平搭配使得实验结果差异很大 在实际中应 该针对不同的物料和挤压机通过实验等方法合理地确 定这些参数的值 从而得到良好的挤压加工效果 由 以上的分析及表 4 可以得出 用双螺杆挤压机挤压加 工薏米 黑米 荞麦的混合物料 三种物料配例为 1 1 1 当物料湿度在 15.6% 16.8 螺杆转速在 104 126r/min 机筒温度在174 183 范围内时 可 以达到较高的糊化度 可达 85.99% 以上

参考文献 1 2 3 Isao Hayakawa. Food processing by ultra pressure twin-screw extrusion,1992. Kokini J.L. Food  Extrusion Science and Technol- ogy. New York:Marcel  Inc,1992,619 630. Lawton,B.T.,Henderson ,G.A.,and Derlakta.E.J The effect of extruder Variables  on Gelatinization of Corn Starch.Can.J. Chen.Eng.1972,50(4):168. [美]M.哈柏著 丁霄霖译 食品挤压成型 轻工业出版社 1985. R.Chinnaswamy 著 汪仁宫译 实验设计与分析 .[M]. 北 京 中国统计出版社 1998,589 640. 程凌敏 徐克非.食品加工机械.中国食品出版社 1987,8: 132 139. 张裕中,王景编.食品挤压加工技术与应用,中国轻工业出 版社,1998,10 90. 王宁等.大米粉在挤压蒸煮过程中酶法糊化度数学模型 食 品科学 1995.9 20 24. 文东辉等.基于响应面法挤压膨化效果的最优化 粮油加工 与食品机械 2000.2 8 10 13.

4 5 6 7 8 9

与一组输入变量 , 1 关系式 =f( 1, 2

8.33X

2 1

+ 1 . 2 8 X 1X 2+ 2 . 5 8 X 1X



3.8X

2 2

2.05X2X3+4.78X32+1.87X13+1.678X23+3.24X33       (R2=0.882

    模型的复相关系数较大 说明模型的拟合精 度较高

反丁烯二酸桂醇甘醇酯 的合成及抗菌作用研究

宁正祥  战宇  华南理工大学食品与生物工程学院  广州  510640
摘 要 由于烯二酸酐经醇解转型酯化途径合成了对皮肤无过敏反应的反丁烯二酸桂醇甘醇酯 SGF 质子酸 型酯化催化剂和提供空轨道分子型酯化催化剂对SGF合成具有显著的增效催化作用 依酯化反应的进行 流加硫 酸降低反应体系中的水分活度 可有效提高SGF的合成率 所合成的SGF可显著抑制微生物的生长 延长适应期 缩短对数生长期和稳定期 促进微生物细胞的自溶作用 关 键 词 食品防腐剂  反丁烯二酸桂醇甘醇酯  合成  抗菌活性
广东省自然科学基金资助项目( 批准号: 9 8 0 5 4 2 )


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