双螺杆挤压机操作参数对加工质量影响的研究

关键词：操作参数；优化；统计模型；双螺杆食品挤压机；比容

双螺杆挤压机是一种高效的机械设备，能够同时完成物料输送、混合、剪切、杀菌、蒸煮、成型等多项食品加工中的单元操作，具有生产效率高、能耗低、产品质量好等优点，广泛地应用于食品的挤压膨化加工中。

双螺杆挤压机是一个多输入、多输出系统，挤压加工受多种因素影响。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。近年来研究人员对挤压加工过程进行了大量的仿真研究，这对于深入认识食品的挤压加工过程和合理地确定挤压机的结构参数和操作参数具有重要意义，但鉴于挤压加工过程的复杂性以及仿真模型的过于简化，仿真研究结果往往与实际加工结果有很大的误差。目前，实验研究在双螺杆挤压机的食品挤压加工研究中仍然占有重要地位。

本文以玉米面为加工对象，通过实验研究了螺杆转速、机筒温度和喂料速度对产品质量（以比容衡量）的影响规律，并建立了相应的统计模型，目的在于探索食品的挤压加工机理，促进挤压加工技术的发展。本文的研究对于双螺杆挤压机挤压加工过程中操作参数的确定具有指导作用。

1 实验部分

1.1 物料与实验设备

实验加工物料为玉米面，其水分含量为17%。

采用德国Brabender公司生产的全啮合、同向旋转DSE25型双螺杆食品挤压膨化机。该机的螺杆采用当今最流行的分段组合式，具有反向螺旋和剪切环。螺杆转速、温度、模口压力、扭矩、供料速度等多项参数均可以曲线和数值的形式实时显示在计算机屏幕上。

1.2 实验设计

1.3 实验参数的测定

2 结果与分析

2.1 实验结果

实验中针对每种配方取样8次，分别测量比容值，然后取其平均值。实验结果见表2。

$分页符$
2.2 结果分析

2.2.1 各因素对比容影响分析

1）机筒温度对产品比容的影响。

图1和图2表明，随着机筒温度的升高，比容呈上升趋势。

比容值的大小与物料挤出过程中，在机筒内的糊化程度有很大关系，当糊化度增大时，产品的比容增大。机筒温度升高，物料在挤出过程中吸收的热量多，有利于促进淀粉的糊化，所以随着机筒温度的升高，比容呈上升趋势。另外，温度升高能够加快物料的熔融过程和提高物料的熔融程度，在螺杆的搅拌、剪切作用下，物料中的淀粉颗粒容易被破坏，机械强度降低，容易被膨化。但是，不能随意地增大温度，因为温度过高会使物料“焦化”，影响产品质量，并且当温度过高时，物料中的蛋白质会发生“美拉德”反应，造成营养成分的损失。根据笔者的经验，对于玉米面的挤压膨化来说，温度不宜超过185℃。

2）供料速度对产品比容的影响。

在螺杆转速不变的情况下，供料速度增大会使机筒内物料的填充程度得到提高，物料所受剪切和摩擦作用加强，有利于淀粉颗粒的破坏，提高膨化程度。另外，供料速度增大时，模口处形成的压力增加，与模口外大气压之间的压差增大，物料从模口处挤出时膨化程度增大。但是，供料速度进一步增大会使物料在机筒内搅拌不均匀，造成物料从机筒处吸收热量的不均，以至于淀粉糊化和熔融程度不相同，在挤出物中存在“硬质团”，影响膨化程度和口感。图1和图3表明了供料速度对比容的影响情况。

3）螺杆转速对产品比容的影响。

螺杆转速对比容的影响较复杂。当螺杆转速较小时，物料的停留时间延长，有利于从机筒吸收热量，促进淀粉的糊化。但是，此时螺杆对物料的剪切作用小，物料中淀粉颗粒的破坏程度不够，挤出的产品僵硬干瘪，比容小。随着螺杆转速的增大，物料所受剪切和摩擦作用增强，但由于物料在机筒内停留时间减小，影响其吸收热量，会减小淀粉的糊化度，造成挤出的产品比容小，膨化效果不好。所以，加工过程中螺杆转速不宜过高或过低。图2、3表明了螺杆转速对比容的影响情况。

3 结语

本文对双螺杆挤压机的螺杆转速、机筒温度、供料速度对产品比容的影响进行了研究，得出以下结论：

（1）各因素对目标函数的影响较复杂，各因素除单独作用外，其交互作用也对比容产生影响。

（2）随着机筒温度的升高，产品比容呈上升趋势，但过高的温度会使物料产生“焦化”；螺杆转速和供料速度对比容的影响较复杂，与比容之间呈非线性关系。