馬鈴薯螺桿擠壓制泥設備優化與試驗研究

簡華斌，杜志龍,2，張 克,2，張麗娜,2，王 也,2，郭亞琳，李振龍

（1.中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083；2.農業裝備技術全國重點實驗室，北京 100083）

0 引言

馬鈴薯泥香滑軟糯、營養豐富，常被作為原輔材料制成馬鈴薯泥系列的面條、饅頭、薯片和糕點等馬鈴薯食品，具有較高的加工適應性[1]。馬鈴薯泥可以由鮮馬鈴薯直接沖壓或搗制而成，也可以在脫水馬鈴薯全粉中加入熱水沖調制成[2]。手工搗碎制泥的方式效率低、勞動強度大、污染嚴重，難以滿足現代工業化生產規模和生產節奏的需要。目前，國內主要是利用馬鈴薯顆粒粉或雪花粉調制馬鈴薯泥，儲運效率較高，但存在風味、質構劣變和營養成分流失等問題，限制馬鈴薯食品的推廣應用[3]。

國內早期的馬鈴薯泥大批量生產大多是在傳統工藝基礎上進行優化，或者直接引進國外先進馬鈴薯泥生產線[1]。近30 多年來，我國馬鈴薯制泥技術快速迭代，在手工搗碎制泥的基礎上，研發出了沖擊制泥、碾壓制泥（輥軸）、斬拌制泥和摩擦制泥等機器制泥技術，極大地提高了制泥效率，但仍存在能耗高、風味差、質構劣變等問題[4-7]。

螺旋擠壓關鍵技術裝備的升級優化，為馬鈴薯泥工藝創新和品質提升提供新的發展思路。樊佳玫等[8]研究發現，螺桿擠壓技術可以提高馬鈴薯抗性淀粉和慢消化淀粉的含量，減緩餐后血糖上升速率，為馬鈴薯食品的深度開發提供一定的參考。中國機械工業集團有限公司[4]發明的原薯制泥成型一體機，利用螺旋槳葉裝置實現了混合攪拌、沖壓制泥的功能，同時螺旋擠壓裝置將各個工藝環節高度集中，使馬鈴薯泥的工業集成化生產能夠得到跨越式發展。馬鈴薯泥加工技術與裝備創新有利于促進產業化發展，提升馬鈴薯附加價值，保障國家糧食安全，已成為馬鈴薯食品研究領域的一個重要內容。

1 馬鈴薯制泥工藝試驗及優化

根據熟化試驗結果，優化新鮮馬鈴薯切制和熟化等預處理工藝，為設備結構及尺寸優化設計提供工藝參數。研究制泥方式對產品主要營養成分和物化特性的影響，基于不同馬鈴薯泥成分及性狀分析，建立馬鈴薯泥品質評價指標[9]。

1.1 材料與方法

1.1.1 材料

選用大西洋馬鈴薯作為試驗原料，產自甘肅省定西市，單個質量為100～150 g，長徑為8～12 cm，新鮮無損傷。試驗過程如圖1 所示。

圖1 試驗流程Fig.1 Pre-experiment flow chart

1.1.2 主要儀器與設備

SZ26B5 型蒸汽鍋（浙江蘇泊爾股份有限公司）；HDJDG-28C304 型電煮鍋（山東惠當家電器有限公司）；2119N 型破壁機（西貝樂實業（上海）有限公司）；DL-1 型電子萬用爐（北京市永光明醫療儀器有限公司）；TB-215D 型分析天平（賽多利斯科學儀器北京有限公司）；GZX-9070MBE 型電熱鼓風干燥箱（上海博訊實業有限公司醫療設備廠）；SH220F 型石墨消解儀（海能未來技術集團股份有限公司）；KDY-9 820 型凱氏定氮儀（北京通潤源機電技術有限責任公司）；DZKW-S-6 型電熱恒溫水浴鍋（北京市永光明醫療儀器有限公司）。

1.1.3 主要營養成分含量測定

水分含量依據GB 5009.3?2016（直接干燥法）檢測；蛋白質含量依據GB 5009.5?2016（凱氏定氮法）檢測；還原糖含量依據GB 5009.7?2016（直接滴定法）檢測；淀粉含量依據GB 5009.9?2016（酸水解法）檢測。

1.1.4 試驗方法

（1）切制。將馬鈴薯清洗后按照不切制、切塊和切片3 種方式進行處理。不切制馬鈴薯分為去皮和不去皮2 組；根據棱長尺寸范圍將馬鈴薯切制成大塊和小塊2 組；此外，將馬鈴薯分別沿長徑和短徑方向切制成片狀，并且按照0.5、1.0 和1.5 cm 厚度各分為3組進行切制。

（2）熟化。將1.0 cm 厚的馬鈴薯片基于不同熟化方式分為兩組進行熟化。蒸汽熟化采用常壓蒸汽11 min；水煮熟化采用沸水浴煮11 min。

（3）制泥。將熟化后的馬鈴薯按照兩種常見方式進行制泥。擠壓制泥利用研缽將馬鈴薯連續擠壓，壓力為0.01～0.20 MPa；斬拌制泥利用破壁機將馬鈴薯攪拌破碎，攪拌刀轉速為20 000 r/min。

1.2 切制試驗

將10 組不同切制方式下的馬鈴薯蒸汽熟化，完全熟化后，記錄預處理效率和損耗率。由圖2 可知，新鮮馬鈴薯帶皮熟化后，表面的芽眼去除困難；新鮮馬鈴薯去皮整顆熟化時間長，外層薯肉過分熟化，使內聚性降低，容易松散裂開并脫落，在煮制和水冷過程中更容易使薯肉分散入水中，損失率增加；馬鈴薯去皮、切制成大塊狀熟化后，邊角等處過分熟化，容易使薯肉脫落。由圖3 可知，由大塊變成小塊狀后，其表面積增大，褐變反應加劇；沿長徑方向切制的馬鈴薯片長寬比較大，在熟化過程中容易斷裂，造成物質流失；沿短徑方向切片時，將馬鈴薯按照0.5、1.0 和1.5 cm 厚度切制后，使用常壓蒸汽分別處理7、11 和15 min。0.5 cm 厚度的馬鈴薯片預處理后斷裂數量最多，1.0 cm 厚度的馬鈴薯次之，1.5 cm 厚度的馬鈴薯片最少，但是1.5 cm 厚度的馬鈴薯片因外層薯肉脫落造成的損耗率為3%～5%，高于其他兩種厚度的馬鈴薯片。因此，在螺桿擠壓制泥過程中，選擇沿短徑方向切制1.0 cm厚度的馬鈴薯片最為合適[10]。

圖2 帶皮熟化馬鈴薯Fig.2 Potatoes heated with skin on

圖3 小塊狀馬鈴薯Fig.3 Oxidized small size block potato

1.3 制泥試驗

按照不同的熟化和制泥工藝，把制成的馬鈴薯泥分成4 組，其風味性狀如表1 所示。分別檢測4 組馬鈴薯泥的水分、蛋白質、淀粉和還原糖含量，其中，蛋白質、淀粉和還原糖含量都進行去水分修正，檢測結果如表2 所示。蒸熟和煮熟后的馬鈴薯中水分含量略有提高，表明在蒸煮過程中，薯肉吸收了更多水分；相對于未熟化的馬鈴薯，蒸熟的馬鈴薯淀粉含量下降了11.1%，煮熟的馬鈴薯淀粉含量下降了15.4%。擠壓和斬拌兩種方法制出的馬鈴薯泥淀粉含量差異較小。可能是高溫熟化使部分淀粉轉化為還原糖，此外，制泥過程中破碎方式對淀粉含量無顯著影響。煮熟馬鈴薯的營養成分含量都低于蒸熟的馬鈴薯，表明在水煮過程中，部分游離的蛋白質、淀粉和還原糖逸散進入了水中。斬拌破碎產生了更大剪切應力，導致細胞破碎率增大，蛋白質和還原糖逸散損失率增加。由于蒸熟后擠壓制成的馬鈴薯泥口感風味最佳，并且營養成分損失小，因此選擇蒸制的方式熟化馬鈴薯片[11-12]。

表1 不同馬鈴薯泥風味性狀Tab.1 Flavor and shape characteristics of different mashed potatoes

表2 薯泥主要營養成分含量Tab.2 Content of main nutrients in potato puree

1.4 評價指標建立

除了機器制泥外，還包括沖調制泥等多種馬鈴薯制泥方式，而且馬鈴薯泥制品種類繁多，風味性狀不一。因此，目前還沒有完善的馬鈴薯泥評價體系。基于楊妍建立的馬鈴薯泥質量標準，制定擠壓制泥產品的評價指標[11-14]。如表3 所示，主要包括外觀、風味、口感等評價內容。

表3 薯泥質量評價標準Tab.3 Standards for quality evaluation of potato puree

2 整機結構

溝槽腔體變螺距螺桿擠壓制泥機主要由機架、傳動裝置、輸送裝置、擠壓裝置和出口裝置組成，其主要結構及部件如圖4、圖5 所示。其中，擠壓裝置和出口裝置是核心部件。電機通過帶傳動將動力傳遞到傳動軸上，傳動軸與撥軸頭連接，從而帶動螺桿旋轉。制泥時，將蒸汽熟化后的馬鈴薯片瀝干后從入料口倒入輸送段腔體中，輸送段螺桿通過旋轉將馬鈴薯泥均勻穩定地輸送到擠壓段腔體中；而擠壓段螺桿上的變螺距螺旋葉片實現物料增壓，將馬鈴薯破碎壓實，并擠壓進入多孔板外筒中；多孔板外筒中的鉸刀將馬鈴薯泥混合均化、攪拌磨碎，最終多孔板外筒中的壓力將馬鈴薯泥從多孔板擠出。制泥機結構穩固、拆裝方便、控制簡單及擠壓裝置緊湊，制泥過程較短，運行穩定可靠[15-17]。

圖4 整機結構Fig.4 Overall structure

圖5 擠壓裝置結構Fig.5 Structure of extrusion device

3 關鍵零部件設計

3.1 出口部件

出口部件主要由多孔板、固定套筒、端蓋等組成，其中，多孔板是核心零件。多孔板采用食品級的304不銹鋼制成，通過固定套筒進行定位，并利用鍵連接的方式固定在多孔板外筒中。端蓋通過螺紋連接方式緊固在多孔板外筒的末端，從而對整個出口裝置進行固定。

設置馬鈴薯泥密度1 018 kg/m3，黏度20 Pa·s，入口速度0.01 m/s，入口相對大氣壓為0.1 MPa，出口相對大氣壓為0.001 MPa，采用Viscous-Laminar 模型求解，對模孔進行仿真，結果如圖6、圖7 所示。腔體內的壓力及流體流速受直孔的影響而分布不均，并且隨著直孔孔徑增加，腔體內壓力減小和出口最大速度呈反比例減小。為了穩定腔體內的擠壓環境，采用小孔徑模孔且多孔分布的孔板結構。小孔直徑為6 mm，呈中心對稱的均勻分布模式，多孔板上的孔隙率為30%左右。由于小孔均勻分布在多孔板上，尺寸較小，出口處的壓力和流速變化都能控制在較小范圍內，從而保證腔體內壓力和流速的均勻穩定。此外，為了減小多孔板內側小孔處出現的壓力激變現象，在多孔板內側小孔處進行倒角，從而將流速和壓力的劇變向小孔內延后。多孔板中心處設計了直徑62 mm 的通孔，使出料軸頭穿過通孔支撐在固定套筒上，便于螺桿安裝。

圖6 直孔壓力分布Fig.6 Straight hole pressure profile

圖7 直孔速度分布Fig.7 Straight hole velocity profile

3.2 腔體結構

腔體主要分為輸送段腔體、擠壓段腔體和模孔板外筒3 段，首尾端面皆使用螺栓連接，模孔板外筒末端通過螺紋固定出口端蓋，實現了模塊化腔體設計。輸送段腔體和模孔板外筒都采用光滑壁面，提高馬鈴薯泥的輸送效率。為了避免制成的馬鈴薯泥中存在較大的顆粒，在擠壓段腔體內壁上分布螺旋狀的溝槽結構。矩形溝槽端面深度為4 mm，螺旋角為15°，旋向與螺桿一致。由圖8 可知，溝槽腔體不僅能夠抑制馬鈴薯泥在擠壓過程中的回流，使出料更快，而且有利于增強腔體內壁附近的壓力變化和對馬鈴薯泥的剪切作用，使馬鈴薯泥破碎效果更加徹底[18-19]。

圖8 腔體結構Fig.8 Cavity structure

3.3 螺桿結構

螺桿上選擇直母線螺旋葉片，主要分為輸送段螺桿和擠壓段螺桿。兩段螺桿利用同一件中空桿件，分別焊接等螺距螺旋葉片和變螺距螺旋葉片制成，兩種螺旋葉片之間光滑連接。等螺距螺桿螺距為270 mm，螺槽深度為50 mm，較大的行程能夠快速輸送薯泥，持續為擠壓段腔體填充物料。由圖9 可知，擠壓段螺桿的螺旋角采用階梯變加速增加的方式設計，使得其能在較短行程內實現快速增壓的效果。螺桿首端焊接撥軸頭，與傳動軸直接連接輸入動力，帶動螺桿旋轉。末端固定出料軸頭，支撐于固定套上，同時對鉸刀起到了支撐和傳動作用。

圖9 擠壓段螺桿結構Fig.9 Screw structure of extrusion section

輸送段的螺旋葉片由于螺距大，所以只有推進面受到壓力，并且受力較小。擠壓段螺桿在旋轉過程中，螺旋葉片推進面、非推進面和葉片外沿都受到壓力，推進面上的壓力最大。螺旋角越小，螺旋葉片推進面上受到的壓力越大。因此，在薯泥不發生阻塞的情況下，擠壓段末端的螺旋葉片受到的壓力最大。

3.4 鉸刀結構

鉸刀采用多齒結構，端面和鉸刀齒側面分布溝槽。鉸刀安裝在螺桿末端，緊鄰模孔板。由圖10 可知，鉸刀隨螺桿轉動時，一方面鉸刀齒產生攪拌作用，使馬鈴薯泥沿鉸刀表面溝槽發散流動，提高了馬鈴薯泥的混合均化效果；另一方面鉸刀產生磨盤的作用，其端面溝槽和模孔板上均布小孔的相對運動增加了馬鈴薯的剪切、擠壓過程，使馬鈴薯泥更加細膩，避免了較大顆粒的存在。此外，鉸刀的旋轉使模孔交替閉合，能夠避免因壓力過大或物料過于稀疏產生的噴射現象。

圖10 鉸刀結構Fig.10 Reamer structure

4 關鍵部件仿真分析

根據馬鈴薯泥的半固體性狀，以及螺桿擠壓過程中物料的運動方式，選擇Ansys Fluent 軟件模擬出馬鈴薯泥擠壓的初始環境，分別對模孔、腔體、螺桿等核心部件進行擠壓狀態仿真。從物料流速、壓力、軌跡等角度進行分析，并完成相關的數據記錄和動畫描述[20]。

設置馬鈴薯泥密度1 018 kg/m3，黏度15 Pa·s，入口速度0.04 m/s，螺桿轉速120 r/min，入口和出口相對大氣壓為0，采用Viscous-Laminar 模型求解擠壓狀態下馬鈴薯泥壓力和流速的分布情況。在仿真過程中發現，螺旋葉片尾端馬鈴薯泥的壓力和軸向速度呈明顯的周期性變化。由圖11、圖12 可知，溝槽腔體內壁附近物料的壓力和速度容易發生激變，葉片外沿附近的馬鈴薯泥甚至出現了局部遲滯的現象。另外，根據壓力分布可知，擠壓段螺桿對馬鈴薯泥擠壓造成的壓力連續遞增，到達螺紋末端后，壓力達到最大。

圖11 軸面壓力分布Fig.11 Axial pressure distribution

圖12 軸向速度分布Fig.12 Axial velocity distribution

變螺距螺桿螺槽的容積發生變化，容易導致流體變形，增加物料的徑向流動。馬鈴薯泥具有一定的黏度，因此腔體內壁、螺桿表面和模孔內壁都出現了速度遲滯，螺槽中心和兩側的馬鈴薯泥速度差值較大。

由圖13 可知，擠壓段腔體內壁附近有少量物料流動且速度緩慢。而模孔板外筒中的物料因鉸刀旋轉快速混合。

由圖14 可知，鉸刀旋轉時，鉸刀齒壓力面受到較大的壓力，鉸刀齒外沿與模孔板外筒內壁之間的流體受到擠壓，壓力發生劇變。此外，由于螺旋葉片末端流體壓力呈現周期性變化，因此，各鉸刀齒受到的壓力不對稱。

圖14 鉸刀端面壓力分布Fig.14 Pressure distribution of reamer face

由圖15 可知，擠壓段腔體的溝槽結構使得螺旋葉片與腔體內壁之間流體壓力變化劇烈，剪切力和壓力增加，使薯泥破碎效果更加徹底。其中，溝槽一側受到的壓力大于另外一側，螺旋葉片壓力面受到的壓力也大于非壓力面。

圖15 螺桿端面壓力分布Fig.15 Pressure distribution of screw face

設置不同入口流速和不同螺桿轉速，進行仿真試驗，得到不同狀態下擠壓段腔體和模孔板外筒中的壓力分布。仿真結果發現0.05 m/s、60 r/min，0.05 m/s、90 r/min，0.05 m/s 、120 r/min ，0.04 m/s 、60 r/min，0.04 m/s、90 r/min，0.03 m/s、60 r/min 共6 種條件下螺桿前端壓力過大，并呈現遞減的變化趨勢。因此，進料速度過大或者轉速過小都容易造成物料在螺桿前端堵塞的現象。

由圖16、圖17 可知，在不發生堵塞的情況下，隨著螺桿轉速提高，擠壓段和模孔板外筒中的壓力緩慢增加。此外，兩者壓力也都隨著進料速度的增加而上升。

圖16 擠壓段壓力變化Fig.16 Pressure variation in extrusion section

圖17 外筒中壓力變化Fig.17 Pessure variation in outer cylinder

選擇VOF 模型，對馬鈴薯泥擠出模孔后的流動狀態進行仿真，并用動畫描述。根據仿真結果可知，馬鈴薯泥擠出后，受到重力影響豎直向下流動，但是由于馬鈴薯泥具有較大的黏度，容易在模孔板外側出現堆積現象。由圖18 可知，外伸式的出口設計，可以讓馬鈴薯泥在重力的牽引下垂落，避免馬鈴薯泥黏附在出口下方的垂直壁面上。

圖18 薯泥擠出狀態Fig.18 Mashed potato extrusion state

5 試驗分析

首先按照優化的工藝對馬鈴薯進行預處理，利用溝槽腔體變螺距螺桿擠壓制泥機進行馬鈴薯制泥試驗。結果發現，在保持填料充分的條件下時，螺桿轉速>120 r/min，制出的馬鈴薯泥薯會開始出現的焦糊味。隨著轉速增加，腔體內溫度增加，馬鈴薯泥淀粉糊化反應加重。此外，剪切力也隨著轉速增加而增大，導致細胞破碎率增加，黏度增大，降低了馬鈴薯泥的口感與風味。

由圖19 可知，當進料速度控制在10 kg/min，轉速設置為120 r/min 時，制泥機制成的馬鈴薯泥色澤明亮、香味濃郁、黏稠細膩、無明顯的顆粒。相較于傳統手工制作的馬鈴薯泥，沙礫感略低，更加軟糯緊密。即食口感略遜于傳統手工制作的馬鈴薯泥，不過作為初加工食材進行烹飪的效果更好。

圖19 馬鈴薯擠出制泥試驗Fig.19 Experiment on extrusion of potatoes into mud

由表4 可知，對制成的馬鈴薯泥產品進行成分檢測，發現相對鮮馬鈴薯來說，其營養成分變化較小。因此，該集成化、封閉化的加工過程能夠有效減小馬鈴薯泥的營養損失。

表4 馬鈴薯泥成分檢測Tab.4 Detection of mashed potato composition

根據已建立的薯泥質量評價指標，對制成的馬鈴薯泥進行質量評價，對薯泥風味性狀的評價如表5 所示，發現溝槽腔體變螺距螺桿擠壓制泥機制成的薯泥產品達到了預期目標，具有較優的品質。

表5 薯泥質量評價Tab.5 Quality evaluation of potato puree

6 結束語

為了提高馬鈴薯泥的產出質量和效率，優化馬鈴薯制泥工藝，設計了溝槽腔體、變螺距螺桿等關鍵零部件。進料速度和螺桿轉速對馬鈴薯泥的質量和制泥效率影響顯著。進料速度越大，螺桿轉速越高，工作壓力越大，出泥速度也越高。集成化的工藝和螺桿擠壓設備能夠實現制泥速度>400 kg/h，顆粒直徑<1 mm，滿足工業化制泥的要求。優化后工藝參數為馬鈴薯片厚1.0 cm、汽蒸11 min，制泥機進料速度10 kg/min、轉速120 r/min。