發(fā)布時(shí)間：2022-03-26所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要 綜述了螺桿擠壓機(jī)擠壓加工的原理以及單螺桿、雙螺桿、三螺桿擠壓機(jī)和超臨界二氧化碳擠壓膨化機(jī)幾種擠壓加工設(shè)備，并簡介了螺桿擠壓機(jī)的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 擠壓技術(shù);螺桿擠壓機(jī);超臨界二氧化碳擠壓膨化機(jī) 食品擠壓技術(shù)是指物料經(jīng)粉碎、調(diào)濕、混合等預(yù)處理后，通過機(jī)械
摘 要 綜述了螺桿擠壓機(jī)擠壓加工的原理以及單螺桿、雙螺桿、三螺桿擠壓機(jī)和超臨界二氧化碳擠壓膨化機(jī)幾種擠壓加工設(shè)備，并簡介了螺桿擠壓機(jī)的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 擠壓技術(shù);螺桿擠壓機(jī);超臨界二氧化碳擠壓膨化機(jī)
食品擠壓技術(shù)是指物料經(jīng)粉碎、調(diào)濕、混合等預(yù)處理后，通過機(jī)械作用使其通過具有一定形狀的模具孔，從而形成一定形狀和組織狀態(tài)的產(chǎn)品[1]。擠壓機(jī)是擠壓加工技術(shù)的關(guān)鍵，螺桿擠壓機(jī)集混合、攪拌、加熱、蒸煮、殺菌、膨化為一體，具有應(yīng)用范圍廣、產(chǎn)品種類多、生產(chǎn)效率高、能耗低、產(chǎn)品營養(yǎng)損失少且不易回生等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此廣泛應(yīng)用于谷物食品、飼料、釀造、油脂、醫(yī)藥等領(lǐng)域。
1 螺桿擠壓機(jī)擠壓加工原理
含有一定水分的物料定量均勻地被送入擠壓機(jī)的進(jìn)料斗內(nèi)，由于受到螺桿的推動(dòng)作用，套筒內(nèi)壁、反向螺旋等的阻滯作用，另外還有外部的加熱或物料與螺桿和套筒以及物料間摩擦熱的加熱作用，使物料處于高溫、高壓狀態(tài)下，物料呈熔融狀態(tài)。當(dāng)物料由模口擠出的瞬間，壓力驟降為常壓，產(chǎn)品隨之膨脹，物料溫度在瞬間降至80 ℃左右，從而固化成型，形成結(jié)構(gòu)疏松、多孔的膨化產(chǎn)品。如果在物料出模頭前加一個(gè)冷卻裝置，使物料溫度低于100 ℃則可得到非膨化產(chǎn)品 [3-4] 。
2 螺桿擠壓機(jī)研究現(xiàn)狀
螺桿擠壓機(jī)通常按螺桿的根數(shù)可分為單螺桿擠壓機(jī)、雙螺桿擠壓機(jī)和多螺桿擠壓機(jī)。目前應(yīng)用最多的為雙螺桿擠壓機(jī)，多螺桿擠壓機(jī)由于其制造加工困難，對傳動(dòng)系統(tǒng)要求高，因此在食品加工業(yè)中很少使用。目前新研制的超臨界二氧化碳擠壓膨化設(shè)備是將超臨界二氧化碳流體應(yīng)用于擠壓膨化加工中來代替蒸汽膨化，這種設(shè)備比傳統(tǒng)的擠壓設(shè)備具有更多優(yōu)點(diǎn)。
2.1 單螺桿擠壓機(jī)
單螺桿擠壓機(jī)的機(jī)筒內(nèi)只有一根螺桿，通過螺桿和機(jī)筒對物料的摩擦來輸送物料，為了使物料向前輸送而不被包裹在螺桿上，一般物料與機(jī)筒之間的摩擦系數(shù)要大于物料與螺桿之間的摩擦系數(shù)。單螺桿擠壓機(jī)的特點(diǎn)是容易操作、成本低，但是其缺點(diǎn)是混合、均化效果差，因此只適用于簡單的膨化食品等[5]。
郭樹國[6]等人以低變性大豆粕為原料研究了單螺桿擠壓機(jī)系統(tǒng)參數(shù)(物料含水率、螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度)對成本的影響規(guī)律及擠壓膨化系統(tǒng)的最佳參數(shù)，研究表明螺桿轉(zhuǎn)速對單螺桿擠壓機(jī)的產(chǎn)投比影響最大，其次是機(jī)筒溫度和物料含水率，當(dāng)轉(zhuǎn)速為295 r/min、機(jī)筒溫度130 ℃、物料含水率為27%時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)。
單螺桿擠壓機(jī)的生產(chǎn)過程具有非線性、多邊性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法不能很好的建立擠壓機(jī)系統(tǒng)參數(shù)和產(chǎn)品膨化效果之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此，梁春英[7] 等人以全脂大豆粉為原料，在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立了單螺桿擠壓機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。通過對未參與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明，該模型對一定工作參數(shù)下的預(yù)測結(jié)果最大相對誤差為 8.76%，說明該模型預(yù)測精度高，具有較好的仿真效果，這對于擠壓膨化大豆的生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用。
2.2 雙螺桿擠壓機(jī)
雙螺桿擠壓機(jī)是在單螺桿擠壓機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在雙螺桿擠壓機(jī)的套筒中并排安放兩根螺桿，套筒橫截面積是“∞”型。圖1為典型雙螺桿擠壓機(jī)的擠壓膨化過程，螺桿的正向螺紋元件主要用于混合和輸送，反向螺紋元件主要用于形成高壓，捏合塊主要用于形成剪切[8]。雙螺桿擠壓機(jī)的兩根螺桿可以嚙合也可以非嚙合，旋轉(zhuǎn)方向可以同向旋轉(zhuǎn)也可以反向旋轉(zhuǎn)。嚙合型的兩根螺桿緊密嚙合，對物料具有很強(qiáng)的輸送能力，不易發(fā)生倒流，這種嚙合方式物料的穩(wěn)定性、輸送效果均比非嚙合型雙螺桿要好。目前雙螺桿擠壓機(jī)也大多采用全嚙合同向旋轉(zhuǎn)形式。表1為單、雙螺桿擠壓機(jī)的主要差別。
雙螺桿擠壓機(jī)較單螺桿擠壓機(jī)有著顯著優(yōu)勢，且應(yīng)用范圍也較廣泛，但其某些部件仍需進(jìn)行改進(jìn)。如為了使機(jī)筒內(nèi)壓力在模口處達(dá)到最大，可以將反向螺旋放在最末端。此外，可以將錐形螺旋元件裝在螺桿末端，從而避免傳統(tǒng)同向雙螺桿擠壓機(jī)中兩根螺桿由于壓力不同造成兩螺桿分離而產(chǎn)生的與機(jī)筒內(nèi)壁的磨損。溫度是生產(chǎn)膨化食品的重要參數(shù)，所以有效地控制加熱溫度就顯得尤為重要。劉海燕[10]等人以E分度熱電偶為感溫元件，用溫度傳感器AD590測量環(huán)境溫度，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于雙螺桿擠壓機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以MCS-51單片機(jī)為核心，采用分布式結(jié)構(gòu)，硬件接口簡單，檢測維修方便，并且采用智能控制結(jié)合數(shù)字濾波，從而提高了控溫精確度。此外，劉海燕還設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于雙螺桿擠壓機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)以MCS-51單片機(jī)為核心，采用智能結(jié)合PID控制，試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)不僅能保證電機(jī)安全啟動(dòng)，而且有良好的調(diào)速性能[11]。
2.3 三螺桿擠壓機(jī)
三螺桿擠壓機(jī)是目前剛剛興起的擠壓加工設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特性，使得其在性能和經(jīng)濟(jì)上都優(yōu)于雙螺桿擠壓機(jī)。目前三螺桿擠壓機(jī)的三根螺桿排列方式有“一”字排列和三根螺桿中心連線為倒品字形排列兩種形式。
“一”字排列的三根螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2[12]所示，此種排列方式中兩根主螺桿等長，嚙合同向旋轉(zhuǎn)。輔螺桿較短，且與中間的主螺桿非嚙合，反向向內(nèi)旋轉(zhuǎn)。輔螺桿直徑可比主螺桿直徑大，或與其相等，但輔螺桿的轉(zhuǎn)速要稍高于主螺桿。此種螺桿排列方式的進(jìn)料空間變大，有利于對大塊物料的擠壓，且擠壓、卷入等作用增強(qiáng)，物料的磨碎、剪切效果更好。
此外，此種擠壓機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)分別設(shè)置了主喂料斗和輔喂料斗。主喂料斗位于主螺桿與輔螺桿之間，輔喂料斗位于兩根主螺桿的嚙合部，其具體位置和數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置[13]。
倒品字形排列的三根螺桿直徑相等，且彼此平行、同向、全嚙合、主動(dòng)旋轉(zhuǎn)，此種排列方式可以形成三個(gè)嚙合區(qū)，擠壓混合效果更好。在加料口形狀相同的情況下，上部兩根螺桿比上部一根螺桿的排列方式的落料空間要更大，從而提高了喂料效率。
三螺桿擠壓機(jī)的擠出功耗和比能產(chǎn)量是其擠出特性的重要指標(biāo)。朱向哲[14]等人研究了螺桿轉(zhuǎn)速、螺紋頭數(shù)、壓力差和擠出量等參數(shù)對三螺桿擠壓機(jī)擠出功耗和比能產(chǎn)量的影響，研究表明，影響三螺桿擠壓機(jī)功耗的因素主次排列為擠出量、轉(zhuǎn)速、螺桿螺紋頭數(shù)和壓力差。螺桿轉(zhuǎn)速、流道兩端壓力差和擠出量增加，三螺桿擠壓機(jī)的擠出功耗增加，而比能產(chǎn)量逐漸減小。螺桿螺紋頭數(shù)增加，三螺桿擠壓機(jī)的功耗和比能產(chǎn)量均增加。且加工條件相同時(shí)，三螺桿比能產(chǎn)量比雙螺桿擠壓機(jī)提高了30%。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，三螺桿擠壓機(jī)有著較高的產(chǎn)能比，如表2所示。
2.4 超臨界二氧化碳擠壓膨化設(shè)備
傳統(tǒng)的擠壓膨化屬于蒸氣膨化，在擠壓膨化過程中的高溫、高壓以及高剪切作用會(huì)造成物料中熱敏性成分的損失[15-16]。此外，蒸氣膨化也不易控制產(chǎn)品的密度，形成的產(chǎn)品多孔結(jié)構(gòu)較為粗糙[17]。二氧化碳由于其價(jià)格較低，容易得到高純組分，因此成為食品工業(yè)中應(yīng)用較多的一種介質(zhì)，二氧化碳?xì)怏w和超臨界二氧化碳均可用于食品膨化。相對于蒸氣膨化，基于二氧化碳的膨化產(chǎn)品中氣泡分布均勻，而且由于加工溫度低，可以很好的保護(hù)物料中的熱敏性成分。1992年美國康奈爾大學(xué)的Rizvi等人申請了一項(xiàng)將超臨界二氧化碳應(yīng)用于食品膨化加工中的技術(shù)專利[18]，超臨界二氧化碳流體擠壓膨化技術(shù)在國外已有10余年的研究歷史，但仍處于初步階段，國內(nèi)則未見有相關(guān)研究報(bào)道。
目前，超臨界二氧化碳擠壓膨化機(jī)一般是由雙螺桿擠壓機(jī)改造而成，擠壓膨化機(jī)的前半部為高溫、高壓區(qū)，后半部為冷卻低溫區(qū)，超臨界二氧化碳流體以高于擠壓腔內(nèi)壓力的條件下注入，隨著物料從模口擠出壓力急劇降低，超臨界二氧化碳轉(zhuǎn)為常態(tài)，體積瞬間膨脹，從而使物料完成膨化。擠壓腔前半部的高溫、高壓可以使淀粉糊化、有害因子失活，后半部的冷卻低溫區(qū)是熱敏性組分及超臨界二氧化碳流體的加入點(diǎn)，這樣可以使熱敏性組分的損失降到極低。
和蒸氣膨化相比，超臨界二氧化碳流體擠壓膨化技術(shù)有著顯著的優(yōu)點(diǎn)。首先，熱敏性成分由于是在低溫區(qū)加入，因此不會(huì)造成損失就不需要超量加入，從而降低成本。其次，可以通過調(diào)節(jié)超臨界二氧化碳流體的超臨界壓力或超臨界溫度等對膨化加工進(jìn)行控制，因此更容易進(jìn)行，調(diào)節(jié)也更準(zhǔn)確、方便。再次，由于超臨界二氧化碳流體可以將一些熱敏性成分進(jìn)行萃取，因此，這些熱敏性成分與物料可以更好的混勻。最后，由于超臨界二氧化碳流體技術(shù)對物料的水分要求較低，膨化產(chǎn)品無需進(jìn)一步干燥，因此可以省掉干燥工序，節(jié)約設(shè)備投資。表3將傳統(tǒng)擠壓膨化與超臨界二氧化碳流體擠壓膨化進(jìn)行了對比。
3 螺桿擠壓機(jī)的應(yīng)用
3.1 螺桿擠壓機(jī)在食品加工中的應(yīng)用
在谷物早餐方面，吳衛(wèi)國[20]等人以營養(yǎng)早餐谷物食品配方研究中確定的最佳配方為基礎(chǔ)，以容重為擠壓早餐谷物的核心品質(zhì)指標(biāo)，得到了雙螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)早餐谷物的最佳工藝參數(shù)：物料加水量 11%～14%，螺桿轉(zhuǎn)速294～320/ min，物料進(jìn)料速度 960～980 kg/h。吳衛(wèi)國等人還研究了維生素在谷物早餐擠壓膨化過程中的變化規(guī)律，研究表明，在一定的擠壓條件下，谷物早餐中的維生素含量隨著進(jìn)料量減小、物料水分升高、螺桿轉(zhuǎn)速減慢，擠壓腔溫度上升等因素的變化而減小[21]。
在蛋白食品加工方面，陳瑞戰(zhàn)[22]等人采用BC45 型雙螺桿擠壓機(jī)，進(jìn)行了玉米粗蛋白的擠壓改性研究，得到了獲得高NSI的最優(yōu)擠壓條件為：物料水分 11%，螺桿轉(zhuǎn)速160 r/min，膨化溫度75 ℃，模頭長度 300 mm，研究表明，物料水分對玉米粗蛋白NSI的影響最大，其次是膨化溫度、模頭長度、螺桿轉(zhuǎn)速。蛋白質(zhì)經(jīng)過擠壓膨化處理，產(chǎn)品的色澤、氣味等都得以改善，消化利用率提高。
相關(guān)知識推薦：螺桿擠壓有關(guān)的論文文獻(xiàn)
在營養(yǎng)保健食品方面，鄭建仙等人[23]研究了擠壓蒸煮對蔗渣膳食纖維的影響。研究表明，擠壓蒸煮后，蔗渣膳食纖維的水溶性有顯著提高，從2.2%提高到12.4%，蔗渣膳食纖維的生理活性也有很大提高，且達(dá)到國際通用保健膳食纖維標(biāo)準(zhǔn)。杜冰[24]等人首次以青香蕉和玉米淀粉的混合物為原料，利用雙螺桿擠壓機(jī)研究了物料濕度、螺桿轉(zhuǎn)速、加工溫度和喂料速度對產(chǎn)品膨化特性的影響，并得出最佳工藝：物料濕度為16%、螺桿轉(zhuǎn)速為223 r/min、加工溫度145 ℃、喂料速度為18 r/min，研究表明，擠壓膨化后香蕉的抗性淀粉含量仍高達(dá)8.2%，可作為一種新型抗性淀粉食品開發(fā)利用，為香蕉的深加工提出了一條新思路
3.2 螺桿擠壓機(jī)在飼料加工中的應(yīng)用
擠壓技術(shù)在加工特種動(dòng)物飼料、水產(chǎn)飼料等方面有著傳統(tǒng)加工方法無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如擠壓機(jī)生產(chǎn)的飼料產(chǎn)品蓬松性好，密度小，硬度小，且產(chǎn)品易消化，樣式豐富。過去在生產(chǎn)多色寵物飼料方面，商家一般采用聯(lián)合膨化法，這就需要兩個(gè)膨化機(jī)[25]，生產(chǎn)工藝較復(fù)雜。國外開發(fā)了一種應(yīng)用于多色寵物飼料擠壓膨化設(shè)備上的混合模頭，這種模頭可以生產(chǎn)雙色及多種形狀的產(chǎn)品，只用一臺(tái)膨化設(shè)備即可加工出由12個(gè)色彩部分組成的產(chǎn)品[26]。瑞士布勒公司生產(chǎn)的擠壓設(shè)備可以完成夾心寵物食品的加工，其生產(chǎn)的 ECOtwinTM雙螺桿擠壓機(jī)的機(jī)械能和密度控制能保證始終如一的高質(zhì)量產(chǎn)品。我國濟(jì)南賽信公司在擠壓膨化機(jī)方面的優(yōu)勢在于在寵物食品生產(chǎn)線上能確保產(chǎn)品在特定的溫度、壓力、濕度和時(shí)間內(nèi)完成，但其機(jī)械能和密度控制和國外相比還有一定的差距。
3.3 生化反應(yīng)器
目前，把螺桿擠壓機(jī)作為生化反應(yīng)器已成為擠壓技術(shù)發(fā)展的新熱點(diǎn)。Meuser等人利用雙螺桿擠壓機(jī)成功將淀粉衍生物生成陰離子和陽離子淀粉[27]。冉旭[28] 等人以玉米淀粉為原料，研究了雙螺桿擠壓機(jī)操作條件對淀粉酶轉(zhuǎn)化程度的影響，研究表明，淀粉酶轉(zhuǎn)化程度不受螺桿轉(zhuǎn)速影響，隨物料水分、酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)和機(jī)筒溫度增加而增大，在機(jī)筒溫度95 ℃時(shí)淀粉酶轉(zhuǎn)化程度達(dá)到最大，且隨溫度進(jìn)一步升高而降低。
此外，擠壓技術(shù)還廣泛應(yīng)用于油脂浸出、釀造生產(chǎn)等領(lǐng)域。據(jù)報(bào)道，日本已研究成功利用螺桿類擠壓機(jī)將大豆蛋白制作成可食用的蛋白質(zhì)包裝薄膜，并以此來代替天然腸衣和塑料薄膜，用于調(diào)味品或粉末藥品的小包裝，而此項(xiàng)技術(shù)在我國還是一項(xiàng)空白。
4 展望
螺桿擠壓機(jī)在食品工業(yè)及其它領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，優(yōu)勢也日漸突出，我國在螺桿擠壓技術(shù)的理論認(rèn)識和實(shí)際應(yīng)用等方面的研究還剛剛起步，有著較大的發(fā)展空間，隨著對螺桿擠壓機(jī)擠壓機(jī)理研究的深入和食品擠壓理論的完善，螺桿擠壓機(jī)及其應(yīng)用將得到進(jìn)一步的發(fā)展，這將在很大程度上促進(jìn)我國食品、糧油等工業(yè)的發(fā)展。——論文作者：王會(huì)然，李宗軍
參考文獻(xiàn)：
[1] 發(fā)展農(nóng)村經(jīng)紀(jì)人是解決“三農(nóng)”問題的重要途徑—國家工商總局副局長劉凡在“培育與發(fā)展農(nóng)村經(jīng)紀(jì)人高層研討會(huì)”上的講話[J].中國工商管理研究, 2005, (9): 4-6.
[2] 丁繼峰,沈善奎.擠壓技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè), 2006, (3): 37-39.
[3] 沈正榮.擠壓膨化技術(shù)及其應(yīng)用概況[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2000, 26(5): 74-78.
[4] Shukla T P. Cereal Foods World,1996, 41(1): 35-36.
[5] Harper J. M. Extrusion texturization of foods[J]. Food tethnology,1986,40(3): 70-76.
[6] 郭樹國,王麗艷,劉強(qiáng).單螺桿擠壓機(jī)加工工藝參數(shù)的優(yōu)化[J]. 食品工業(yè)科技, 2008, (5): 248-249.
[7] 梁春英,王宏立,劉海軍.單螺桿擠壓機(jī)系統(tǒng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模[J]. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, (2): 89-91.
[8] Yeh A. N. and Hwang S. Effect of screw profi le on extrusioncooking of wheat flour by a twin-screw extruder[J]. International journal of food science&technology,1992,27(5): 557-563.
[9] 劉天印,陳存社.擠壓膨化食品生產(chǎn)工藝與配方[J].中國輕工業(yè)出版社. 3-7.
[10] 劉海燕,歐陽斌林.雙螺桿擠壓機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, (5): 594-596.
[11] 劉海燕.雙螺桿擠壓機(jī)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, (4): 24-27.
[12] (日)菅野騰視.食品加工用壓出機(jī):日本.昭62-55066[P]. [13] (日)藤擇武彥.食品壓出成形機(jī):日本. 昭61-35775[P].
[14] 朱向哲,奚文.三螺桿擠壓機(jī)熔體輸送段功耗特性的數(shù)值分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009, (5): 119-123.
[15] Triveni,P.Shukla.Cereal grains and legume processing by extrusion[J].Cereal Foods, 1996, (41): 35-36.
[16] Camire,M .E.,Belbez,E.O.Flavor formation during extrusion cooking[J]. Cereal Foods World, 1996, (41): 734-736.
