微型食品膨化機的應用設計研究

余 濤，葉 巖，姚鑫淼，蔡曉華

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院 食品加工研究所，哈爾濱 150086)

0 引言

伴隨著國內(nèi)人民生活水平的日益提高，多形式、多種復合口味的膨化食品需求日益增加，膨化食品以其入口松脆、營養(yǎng)豐富、攜帶方便、原材料可加工范圍廣和加工生產(chǎn)成本較為低廉等優(yōu)勢，日漸成為廣大消費者喜愛的休閑食品。膨化食品市場開發(fā)潛力巨大，伴隨著國內(nèi)膨化食品市場開發(fā)程度的不斷加深，帶動了國內(nèi)膨化食品機械的進步和發(fā)展。根據(jù)膨化食品設備用途和加工方法的不同，大體可將食品膨化機按機械結構分為兩類，第一類是螺桿式擠壓膨化機，通過螺桿擠壓變形將食品原材料膨化成形。第二類是模壓膨化機，通過上下兩個模具擠壓膨化成型。按不同食品種類進行劃分，主要有以下幾類：玉米膨化機主要用于膨化加工玉米和薏米等雜糧谷物；大豆膨化機主要用于大豆提取油料裝置；飼料和秸稈膨化機主要用于膨化養(yǎng)殖用顆粒飼料的生產(chǎn)。本文主要針對用于食品微型膨化機的結構構成和工作原理進行研究，旨在進一步豐富膨化機在食品機械領域的實際應用，以便能夠生產(chǎn)出多用途的實用微型膨化食品機械。

1 國內(nèi)外膨化機的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)膨化機發(fā)展現(xiàn)狀

中國食品膨化機械設備生產(chǎn)應用起步較早，1980年中國第一臺擠壓膨化機是由北京食品研究所試制成功并穩(wěn)定投產(chǎn)，標志著國內(nèi)膨化食品機械加工設備開始起步，由該設備生產(chǎn)加工的膨化食品泡泡果，以其新穎的造型和口味深受廣大消費者喜愛，但后期伴隨著人民生活水平的日益提高，此類膨化食品因口味單一、創(chuàng)新形式不足和產(chǎn)品開發(fā)及市場拓展能力后勁不足等問題，逐步被市場和消費者冷落[1]。

近年來隨著國內(nèi)消費者對綠色健康及原生態(tài)食品需求的遞增，使膨化食品需求量逐漸增多，也進一步促進國內(nèi)微型膨化食品加工機械的發(fā)展。但就國內(nèi)食品膨化機械發(fā)展現(xiàn)狀來看，中高端膨化食品機械生產(chǎn)廠家相比于其他食品機械廠家數(shù)量偏少，而小型和低端膨化食品機械相對較多。總體來說，國內(nèi)中高端食品膨化設備種類相比于國外品類偏少，其功能和現(xiàn)代化程度相比國外先進食品膨化設備較為落后，主要是由于國內(nèi)用戶購置食品機械補貼力度低、用戶市場需求不穩(wěn)定和生產(chǎn)加工食品膨化設備利潤率低等導致國內(nèi)現(xiàn)階段中高端食品膨化設備發(fā)展水平不高，而微型和低端食品膨化設備制造廠家數(shù)量少，導致國內(nèi)食品膨化機械總體現(xiàn)代化發(fā)展進程較為緩慢[2]。

1.2 國外膨化機發(fā)展現(xiàn)狀

1. 儲料斗；2.投料桿及動力部件；3.上模具及加熱板；4.下模具及加熱板；5.壓力傳感器；6.支撐板；7.機架；8.下模支座；9.導向套圖1 食品模壓膨化機主要構成

國外食品膨化加工設備品類層級劃分較為明確，自動化程度較高，能夠利用機電液汽相結合的方式實現(xiàn)自動控制并檢測，自動化生產(chǎn)加工成品率高達92%左右。國外食品機械發(fā)展趨勢良好，主要是依靠科技優(yōu)勢、性能優(yōu)良的機械材料和成熟配套的制造工藝作為產(chǎn)業(yè)支撐[3]。發(fā)達國家食品機械生產(chǎn)廠商更加注重產(chǎn)品科研開發(fā)，據(jù)統(tǒng)計，國外科研開發(fā)費用約占企業(yè)銷售額的8%左右，持續(xù)的經(jīng)費投入使國外食品機械生產(chǎn)廠商能夠更快地開發(fā)出適應市場需求的最新產(chǎn)品，進一步降低因市場變化給企業(yè)帶來的經(jīng)營風險。總體來說，國外食品機械發(fā)展呈現(xiàn)系統(tǒng)化、標準化和通用化態(tài)勢。雖然采購國外先進食品機械成本相比國內(nèi)食品設備價格較高，但國外食品機械能夠保持長期穩(wěn)定的高成品率，降低了后期運營成本，從而提高了產(chǎn)品競爭力。

2 食品模壓膨化機主要構成

食品模壓膨化機的主要結構包括: 儲料斗、投料桿部件、送料管、上凸模、下凹模、上下模加熱板、溫控元件、壓力傳感器和機架等，其外形結構如圖 1 所示。

3 工作原理及主要結構設計

3.1 膨化機的膨化必要條件及工作原理

微型食品膨化機正常運行生產(chǎn)的必要條件包括溫度、壓力和原材料含水率，與此同時還要考慮食品原材料當中的淀粉和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的含量等因素。本文設計的微型食品膨化機通過電機和溫度傳感器等元器件進行調(diào)控溫度和壓力，而食品原材料內(nèi)含的營養(yǎng)物質(zhì)和含水率提前用水分儀和快速檢測設備進行抽樣檢測化驗，從而保證各項試驗的精準性。

該設備工作原理為：在正常啟動待機狀態(tài)下，將食品原材料投入到儲料桶中等待投料，當上下模具溫度達到設定值時，設備開始運轉(zhuǎn)，首先通過帶凹槽的旋轉(zhuǎn)桿將定量原料投送到模具當中擠壓膨化，達到設定預壓時間后，在機械結構及缸體的運行下實現(xiàn)上下凸凹模具脫模(脫模過程中伴隨著氣吹將膨化食品吹出模具)。其次上下模具擠壓過程中由于食品原料都含有少量水分，食品原材料受到高溫高壓的作用，模具內(nèi)腔的食品原材料水分被迅速氣化，脫模后擠壓膨化的食品瞬間失去高溫高壓后，原材料內(nèi)部淀粉會隨著水蒸氣的產(chǎn)生而在常壓下急速膨脹，形成膨大且松脆的膨化食品。食品膨化程度大小可利用膨化率E進行標定，膨化率是指食品膨脹前后的體積或截面積的比值，如以下公式所示

(1)

式中V0—膨化前體積，cm3；

V′—膨化后體積,cm3；

△V—膨化后增大體積,cm3；

S0—膨化前截面積,cm2；

S′—膨化后截面積,cm2；

△S—膨化后增大截面積,cm2。

3.2 驅(qū)動裝置設計

(2)

式中N—驅(qū)動功率，kW；

K—電機功率儲備系數(shù)；

Q—由機械能變?yōu)闊崮艿哪芰浚琸J；

η—機械傳動效率；

T—能量變換時間，s；

經(jīng)計算選用電機功率為120 W，轉(zhuǎn)速為1 250 r·min-1。

3.3 主要規(guī)格及參數(shù)設計

(1)外形尺寸(長×寬×高)及重量：600 mm×700 mm×650 mm，重量為65 kg；

(2)產(chǎn)量:由于試制食品原材料的各個影響因素不一致，使得該機產(chǎn)量具有一定差異；

(3)成品大小：可通過更換上下模具調(diào)節(jié)確定成品尺寸；

(4)噪聲：小于80 dB(A)。

3.4 上下模具設計

上下模具采用熔模鑄造精鑄工藝代替金屬切削加工工藝生產(chǎn)，精鑄上下模具尺寸精度和表面質(zhì)量能夠符合設計要求，上下凸凹模具表面粗糙度的設計精度為0.03 μm，通過保證上下模具的表面質(zhì)量，從而減少食品原材料粘連在型腔內(nèi)問題的發(fā)生概率。

4 影響食品膨化率的相關因素

4.1 上下模具擠壓的壓力

通過試驗測得食品膨化機上下模具壓力高達3～8 MPa的高壓，溫度能達到200～260 ℃，在高溫高壓狀態(tài)下進行擠壓，上下模具脫模瞬間，水分急劇蒸發(fā)，壓力驟降使食品原材料的溫度降為80 ℃左右，使得產(chǎn)品進一步固化成型，從而得到模壓膨化產(chǎn)品。

4.2 上下模具溫度

上下模具擠壓型腔的溫度對膨化率有直接影響，當利用上下模試制玉米膨化餅時，玉米碴子最佳模壓設定溫度為225 ℃，保壓時間為3～4 s，含水率15%～18%。薏米最佳模壓溫度為228 ℃，保壓時間為4～5 s，含水率在14%～16%左右。

4.3 上下模具擠壓時間

正確的保壓時間，要依據(jù)不同的食品原材料的特性進行選擇，通過試驗不同食品原材料的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，正確的保壓時長范圍為3～8 s之間。如保壓時長不足，會導致食品膨化率低，若保壓時長過長，會提升食品糊化的概率。

4.4 食品原材料含水率

原材料的含水率高低直接影響食品膨化率大小，當溫度一定時，食品原材料膨化率與含水量成反比。食品含水率低時，膨化率與含水率成正比，可以增加型腔內(nèi)食品原材料的膨化程度。但如果食品原材料含水率過低(含水率10%以下)，且保持在上述同等溫度設定值的情況下，則易引起食品過度膨化，甚至糊化的情況發(fā)生，此時應減少保壓時長來解決過膨化和糊化的問題。

5 樣機試制與試驗結論

5.1 樣機試制

2021年2月對微型食品模壓膨化機進行了樣機試制，經(jīng)反復對該樣機進行空載運轉(zhuǎn)和功能調(diào)試，對試驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行及時調(diào)整和改進，在保證樣機空載運行各項功能夠穩(wěn)定和正常調(diào)控的情況下，對該樣機進行食品原材料的模壓加工作業(yè)。試制的食品原材料主要包括玉米細碎顆粒、薏米、小米、大米和大豆等，其中各類食品原材料在不同的溫度、壓力和保壓時長條件下，所得各類膨化食品產(chǎn)量產(chǎn)生了一定的差別，經(jīng)多次膨化試驗后，最終確定的技術參數(shù)能夠保持連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，合格率穩(wěn)定在90%以上。與此同時，設計了可通過更換上下模具零件實現(xiàn)生產(chǎn)不同規(guī)格和大小的膨化食品的機械功能。

5.2 試驗結論

(1)本文設計的微型食品膨化機使用范圍廣，可連續(xù)生產(chǎn)各類食品原材料，如玉米、薏米和小米顆粒等膨化食品，同時可通過更換模具的方式，生產(chǎn)不同尺寸和規(guī)格的膨化食品。

(2)在保證無二次污染情況下，經(jīng)過食品膨化機高溫高壓制作生產(chǎn)的食品，可提高其食用安全性。

(3)本文所試制的微型膨化機具有升溫快、占地面積小和操作簡單易維修等優(yōu)勢。

綜上所述, 本文設計的微型食品膨化機，可用于生產(chǎn)各類膨化食品,同時也可選配壓力傳感器和高精度溫控電器元件用于技術升級。

(03)