雙螺桿擠壓膨化大豆模頭壓力對(duì)粕殘油率的影響

高 揚(yáng) 張兆國(guó) 趙云鵬 江連洲 李 楊

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院1，哈爾濱 150030)

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品加工研究所2，哈爾濱 150086)

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院3，哈爾濱 150030)

雙螺桿擠壓膨化大豆模頭壓力對(duì)粕殘油率的影響

高 揚(yáng)1，2張兆國(guó)1趙云鵬1江連洲3李 楊3

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院1，哈爾濱 150030)

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品加工研究所2，哈爾濱 150086)

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院3，哈爾濱 150030)

以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法研究了擠壓膨化工藝參數(shù)(物料含水率、套筒溫度、軸頭間隙、螺桿轉(zhuǎn)速)對(duì)擠壓機(jī)模頭壓力和粕殘油率的影響規(guī)律。用SAS 9.1軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并建立數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用SPSS 17.0分析軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得模頭壓力與粕殘油率之間的相關(guān)性。結(jié)果表明:擠壓膨化工藝參數(shù)對(duì)模頭壓力的影響程度依次為:軸頭間隙、螺桿轉(zhuǎn)速、物料含水率、套筒溫度。對(duì)粕殘油率的影響程度依次為:軸頭間隙、物料含水率、套筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速。模頭壓力越高物料被擠出的油脂量就越多，膨化物含油率也就越低，致使浸出粕的殘油率越低。

大豆 雙螺桿 擠壓膨化 模頭壓力 殘油率

隨著擠壓設(shè)備在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，許多國(guó)家相繼對(duì)擠壓理論進(jìn)行研究［1－2］。雙螺桿擠壓機(jī)作為擠壓加工的重要設(shè)備，由于其應(yīng)用廣泛、耗能低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步代替單螺桿擠壓機(jī)成為擠壓加工的理想設(shè)備［3］。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于雙螺桿擠壓機(jī)擠壓理論的探討還不完善，雙螺桿擠壓膨化工藝參數(shù)對(duì)擠壓過(guò)程的影響還需進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究［3－5］。本研究主要以雙螺桿擠壓機(jī)整個(gè)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，以大豆為試驗(yàn)材料，對(duì)模頭壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與分析，并對(duì)粕殘油率進(jìn)行研究，從中找出擠壓膨化工藝參數(shù)對(duì)模頭壓力和粕殘油率之間的影響，為雙螺桿擠壓膨化機(jī)的綜合使用提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用大豆品種為墾農(nóng)42號(hào)(水分10.1%，蛋白質(zhì)41.6%，油脂20.8%):黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院;6號(hào)溶劑油:九三油脂集團(tuán)。

1.2 擠壓膨化機(jī)

本試驗(yàn)采用東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院自行研制的雙擠壓膨化機(jī)，如圖1所示，擠壓膨化機(jī)為剖分式結(jié)構(gòu)，由套筒和兩根螺桿組成，套筒共分6段，可沿軸向開(kāi)合，便于清理物料。該擠壓機(jī)可對(duì)模頭的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，對(duì)機(jī)筒溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，且溫度誤差為±1℃。

圖1 剖分式雙螺桿擠壓機(jī)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在預(yù)備試驗(yàn)研究和擠壓機(jī)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)上，采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)(36組試驗(yàn))研究擠壓膨化工藝參數(shù)對(duì)模頭壓力與粕殘油率的影響(表1)。利用SAS 9.1軟件分析試驗(yàn)結(jié)果，并用 SPSS 17.0軟件對(duì)模頭壓力與粕殘油率之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。

表1 因素水平編碼表

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 試驗(yàn)方法

水分的測(cè)定:GB/T 21305—2007進(jìn)行測(cè)定;粗脂肪的測(cè)定:GB 2906—1982中索氏抽提法進(jìn)行測(cè)定。

1.4.2 工藝流程

大豆→粉碎→稱(chēng)量→測(cè)量物料水分→調(diào)節(jié)物料水分→擠壓膨化→浸提→干燥→脫脂豆粕

將擠壓膨化后的物料分段成5 cm左右長(zhǎng)度，并將其放入自制的油脂浸出器中，用6號(hào)溶劑油作為提取劑進(jìn)行油脂浸出試驗(yàn)［6］。浸出時(shí)間為90 min，浸出溫度為(56±1)℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)安排及結(jié)果

本試驗(yàn)應(yīng)用響應(yīng)曲面分析法進(jìn)行優(yōu)化［7］。以x1(物料含水率)、x2(套筒溫度)、x3(軸頭間隙)、x4(螺桿轉(zhuǎn)速)4因素為自變量，以模頭壓力為響應(yīng)值y1，以粕殘油率為響應(yīng)值y2，響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

根據(jù)表3中F值大小可得到，各因素對(duì)模頭壓力的影響程度的主次關(guān)系為:x3＞x4＞x1＞x2，即軸頭間隙＞螺桿轉(zhuǎn)速＞物料含水率＞套筒溫度。由于各因素對(duì)模頭壓力的影響不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，為了更明確各因素對(duì)模頭壓力y1的影響，通過(guò)SAS 9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立二次響應(yīng)面回歸模型為:

表3 回歸與方差分析結(jié)果

表3分析表明，用該回歸方程描述各因素與模頭壓力之間的關(guān)系可以看出:F失擬=2.071＜F0.05(10，11)=2.85，失擬項(xiàng)不顯著;F回歸=14.146 ＞ F0.05(14，21)=2.20，回歸項(xiàng)顯著。說(shuō)明試驗(yàn)設(shè)計(jì)所獲得的數(shù)學(xué)回歸模型與試驗(yàn)結(jié)果擬合良好，自變量與響應(yīng)值之間線(xiàn)性關(guān)系顯著。

圖2 各因素對(duì)模頭壓力的降維分析圖

由圖2可以看出各因素對(duì)模頭壓力的影響規(guī)律。模頭壓力隨物料含水率x1的增大先增加后減小，其原因是水分相當(dāng)于粘合劑使物料結(jié)合［8］，水分過(guò)低，不利于物料的結(jié)合，壓力較低;但水分過(guò)高物料被潤(rùn)滑，容易擠出，因此使壓力減小。模頭壓力隨套筒溫度x2的增加先增加后減小，隨著溫度的升高，物料的膨化程度變好，壓力逐漸增大;但溫度過(guò)高，物料黏度降低，阻力減小，容易擠出［9］，壓力減小。模頭壓力隨軸頭間隙x3增加而增加，其原因是間隙越大，物料越難擠出，其在模頭堆積壓實(shí)，致使壓力增大。模頭壓力隨螺桿轉(zhuǎn)速x4增加先增加后減小，轉(zhuǎn)速增加，物料迅速堆積模頭，模頭壓力增大;但轉(zhuǎn)速過(guò)大，物料在腔體內(nèi)的滯留時(shí)間大大減小，物料起不到膨化作用，導(dǎo)致壓力降低。

根據(jù)表4中F值的大小可得到，各因素對(duì)粕殘油率的影響程度的主次關(guān)系為:x3＞x1＞x2＞x4，即軸頭間隙＞物料含水率＞套筒溫度＞螺桿轉(zhuǎn)速。由于各因素對(duì)粕殘油率的影響不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，為了更明確各因素對(duì)粕殘油率y2的影響，通過(guò)SAS 9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立二次響應(yīng)面回歸模型為:

表4的方差分析表明，用該回歸方程描述各因素與粕殘油率之間的關(guān)系可以看出:F失擬=1.520 771＜F0.05(10，11)=2.85，失擬項(xiàng)不顯著;F回歸=15.198 89 ＞F0.05(14，21)=2.20，回歸項(xiàng)顯著。說(shuō)明試驗(yàn)設(shè)計(jì)所獲得的數(shù)學(xué)回歸模型與試驗(yàn)結(jié)果擬合良好，自變量與響應(yīng)值之間線(xiàn)性關(guān)系顯著。

表4 回歸與方差分析結(jié)果

圖3 各因素對(duì)粕殘油率的降維分析圖

由圖3可知各因素對(duì)粕殘油率的影響規(guī)律。粕殘油率隨物料含水率x1的增大先減小后增大，因隨著水分升高，物料在高溫高壓條件下被擠出，隨即降至常溫常壓，水分蒸發(fā)，致使膨化物表面形成孔道［9］，所以粕殘油率下降;但水分過(guò)高，物料容易結(jié)團(tuán)，不利于溶劑的滲入，粕殘油率升高。粕殘油率隨套筒溫度x2的增加先減小后增大，因?yàn)殡S著套筒溫度的升高，物料在機(jī)筒內(nèi)被加熱，物料中油脂的凝聚作用增加，便于溶劑浸出油脂，所以粕殘油率較低［10］;但溫度過(guò)高，膨化物容易糊化，不利于油脂的浸出，造成粕殘油率升高。粕殘油率隨軸頭間隙x3增加而減小，其原因是軸頭間隙越大，物料在模頭處堆積壓實(shí)，致使腔體內(nèi)壓力增大，油脂被大量擠出，膨化物的含油率降低，所以粕殘油率較低。粕殘油率隨螺桿轉(zhuǎn)速x4增加先增大后減小，隨著轉(zhuǎn)速增加，物料受到的剪切力增大，導(dǎo)致細(xì)胞破壞，油脂從細(xì)胞內(nèi)流出，利于油脂的浸出，所以粕殘油率較低;但轉(zhuǎn)速過(guò)大，物料在腔體內(nèi)的滯留時(shí)間大大減小，細(xì)胞還未來(lái)得及破裂就被擠出，不利于浸出，所以粕殘油率有所升高［8］。

2.2 模頭壓力與粕殘油率之間的關(guān)系

通過(guò)SPSS 17.0數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)模頭壓力與粕殘油率之間存在的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)表5的相關(guān)性分析可知，模頭壓力與粕殘油率之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)在0.01的顯著水平(雙邊檢驗(yàn))上都非常顯著［11］。

表5 相關(guān)性分析

3 結(jié)論

3.1 擠壓膨化工藝參數(shù)對(duì)模頭壓力的影響程度依次為:軸頭間隙、螺桿轉(zhuǎn)速、物料含水率、套筒溫度。其中模頭壓力隨著物料含水率、套筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速的增加，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì);模頭壓力隨著軸頭間隙的增加，呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

3.2 擠壓膨化工藝參數(shù)對(duì)粕殘油率影響程度依次為:軸頭間隙、物料含水率、套筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速。其中粕殘油率隨物料含水率、套筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速的增加，呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì);粕殘油率隨著軸頭間隙的增加，呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。

3.3 模頭壓力與粕殘油率之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，模頭壓力越高物料被擠出的油脂量就越多，膨化物含油率也就越低，從而浸出粕的殘油率越低。

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Effects of the Pressure in the Die on Residual Oil Ratio when Soybean Extrusion Cooking by Twin－Screw Extruder

Gao Yang1，2Zhang Zhaoguo1Zhao Yunpeng1Jiang Lianzhou3Li Yang3
(Engineering College of Northeast Agricultural University1，Harbin 150030)
(Food Processing Institute Helongjiang Academy of Agricultural Sciences2，Harbin 150086)
(Food Science College of Northeast Agricultural University3，Harbin 150030)

Based on single － factor experiments，response surface methodology was adopted to investigate that extruding parameters(moisture of materials，barrels temperature，distance between die and shaft，and rotate speed of screw)effect on the pressure of die.Statistical analysis system(SAS)9.1 and(SPSS)17.0 were used to find regression equation and interaction of factors was analyzed.Results show that the order of the factors affect the pressure of die is distance between die and shaft，rotate speed of screw，moisture of materials and barrels temperature.However，the order of factors affect residual oil ratio is distance between die and shaft，moisture of materials，rotate speed of screw and barrel temperature.The residual oil ratio is lower along with the pressure increasing.

soybean，twin － screw extruder，extrusion，the pressure in the die，residual oil ratio

S－3

A

1003－0174(2012)04－0054－05

黑龍江省科技攻關(guān)計(jì)劃(GA09B401－6)

2011－07－04

高揚(yáng)，男，1984年出生，碩士，農(nóng)產(chǎn)品加工

張兆國(guó)，男，1966年出生，教授，博士生導(dǎo)師，農(nóng)產(chǎn)品加工工藝與設(shè)備研究