雙螺桿擠壓機操作參數對蠶豆擠出物徑向膨化率的影響

耿貴工 張 波 嚴軍輝 劉 超 楊希娟 劉玉皎

（青藏高原農產品加工重點實驗室青海省農林科學院1，西寧 810016）

（農業部農產品加工重點實驗室中國農業科學院農產品加工研究所2，北京 100193）

擠壓膨化技術在不同領域日益擴展、原料種類不斷增加。國內外擠壓膨化技術已廣泛應用于營養早餐食品、飼料、釀酒、制藥、飲料、油脂等領域。尤其在玉米、小米等禾谷類膨化食品的生產中較為突出，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養成分變化不大，而且更易被人體吸收和利用。衡量擠壓膨化產品品質的一個重要指標是膨化率，它反應出產品的感官形態及口感，而擠壓參數對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、喂料速度和螺桿轉速4個重要參數對蠶豆徑向膨化率的影響規律，進一步明確擠壓溫度、物料含水率、SME與膨化率之間的關系，為蠶豆擠壓膨化的加工提供技術支持，為工藝的設計和擠壓產品質量控制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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

1.2 試驗設備

擠壓設備Bradender DSE－25型雙螺桿擠壓膨化實驗室工作站（Twin Screw Extruder Lab－Station.DSE－25 Brabender，Germany），主要技術參數：螺桿直徑25 mm，長徑比20∶1；擠壓機加工區域長度，其喂料區100 mm，Ⅰ區150 mm，Ⅱ區150 mm，Ⅲ區100 mm，Ⅳ區50 mm，Ⅴ區100 mm；試驗采用圓形模頭，模孔直徑為為4×20 mm。

1.3 試驗設計

在預試驗的基礎上進行單因素試驗，以物料含水率、擠壓溫度、喂料速度和螺桿轉速為影響因素，因素水平設計見表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，螺桿轉速 160 r／min［5］。

1.4 取樣方法

待擠壓膨化工藝參數達到設定參數時，取1 min內擠壓樣品2次，室溫冷卻5 min，稱重，樣品裝入自封袋中備用。

1.5 測定方法

1.5.1 徑向膨化率

用數顯電子游標卡尺測定樣品直徑，每個樣品隨機測定15次，求其平均值作為產品的平均直徑mm，除以模口直徑 4 mm，其商為徑向膨化率［5－6］。

1.5.2 擠壓系統參數的測定

扭矩和模頭壓力數據由計算機自動記錄，每10 s采集1次。SME由扭矩、螺桿轉速和產量估算［7］，單位為kJ／kg，其計算公式為：

式中：n為螺桿轉速／r／min；T為扭矩／N·m；MFR為擠壓機穩定時的最大產量／kg／h。

2 結果與分析

2.1 擠壓溫度、物料含水率對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滑作用，使物料的黏度和流動性發生改變，進而影響摩擦和剪切作用在物料被擠出時所消耗的能量［8］。經方差分析表明（表2），擠壓溫度、物料含水率對SME有極顯著影響（α＜0.01）。SME隨擠壓溫度的升高呈下降趨勢，SME由 1 713 kJ／kg降至892 kJ／kg。經統計分析，SME與擠壓溫度之間呈線性相關（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，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（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 擠壓溫度對機械能耗的影響

圖2 物料含水率對機械能耗的影響

2.2 擠壓溫度、物料含水率、喂料速度和螺桿轉速對徑向膨化率的影響

擠壓溫度和物料含水量的變化使分子降解程度和黏度發生變化，導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］；而螺桿轉速和喂料速度既可以通過改變單位機械能耗，又可以通過改變停留時間分布影響糊化度和分子降解導致徑向膨化率的變化［11－12］。經方差分析表明（表 3），加工溫度、物料含水率和喂料速度對擠壓物徑向膨化率有極顯著影響（α＜0.01），螺桿轉速對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（圖3），當擠壓溫度由140℃升高至160℃時，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（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（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速的升高呈波動變化（圖6），在試驗設定范圍內，徑向膨化率最高達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系

圖4 物料含水率與徑向膨化率之間的關系

圖5 喂料速度與徑向膨化率之間的關系

圖6 螺桿轉速與徑向膨化率之間的關系

2.3 SME與擠出物徑向膨化率的關系

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

圖7 單位機械能耗與徑向膨化率之間的關系

3 結論與討論

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

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

在喂料速度和螺桿轉速不斷增加，填充程度提高，物料所受剪切、摩擦作用增強，這將使功率消耗增加，但在螺桿轉速過高的情況下物料的填充程度下降，又會使擠壓機的功率消耗減小［17－19］。在物料含水率較低時，顆粒間的潤滑作用減弱，物料與機筒、螺桿之間的摩擦作用強烈，熔融物料的表觀粘度增加，流動性差，在從模口擠出時將消耗更多的能量，單位機械能耗增大，反之減少。單位機械能耗越大，物料在機筒內降解程度越大，大分子降解成小分子，分子質量降低［20－21］，物料熔化程度好，機筒溫度和壓力升高，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研究，由于擠壓參數之間存在一定的交互效應，擠壓操作對擠出物徑向膨化率的影響又較復雜，需進一步采用多因素組合設計、旋轉設計等方法進行深入研究，使操作參數與擠出物性質之間的關系更為清晰，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實的基礎。

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