擠壓參數(shù)對薏米擠出產(chǎn)品物理特性的影響

解鐵民 高 揚 張英蕾 李哲濱

（1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150086；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品加工研究所，黑龍江 哈爾濱 150086）

薏米又名薏苡仁，是中國傳統(tǒng)的食物，也是傳統(tǒng)中藥材之一。其中的活性成分薏米多糖具有免疫興奮［1］和降血糖的作用［2］；而薏仁酯具有一定的抗癌、防止動脈硬化等功效［3－5］；經(jīng)常食用膨化薏米粉可以起到降血脂的作用［6］。但薏米籽實結(jié)構(gòu)緊密、難以處理，尤其是糊化度和浸提率較低、制品的沖調(diào)性較差、食用不方便等因素制約了薏米的開發(fā)利用［7］。

擠壓加工是一個使物料連續(xù)蒸煮、殺菌、成型等多種功能集于一體的單元操作，同時擠壓技術(shù)有很多優(yōu)勢［9－13］，例如多功能、高生產(chǎn)、低成本、獨特的產(chǎn)品形狀、產(chǎn)品高質(zhì)量、低能耗和易放大等。在食品加工業(yè)中可用于谷物早餐食品、膨化小食品、面包屑、脆片面包、嬰兒食品和通心粉等加工［10，14］。擠壓參數(shù)套筒溫度、喂料速率、螺桿轉(zhuǎn)速等均能對產(chǎn)品的物理和化學(xué)性質(zhì)的變化產(chǎn)生影響。相比于單螺桿擠壓機，雙螺桿擠壓由于其對原料加工的范圍廣泛，采用其進行生產(chǎn)的企業(yè)逐漸增多。

顧林等［7］利用單螺桿擠壓機對薏米進行膨化處理，研究了物料水分對其膨化度和糊化度等的影響，認為擠壓膨化可以明顯調(diào)高薏米的糊化度和浸提率。Kenichi Ohtsubo等［8］利用單螺桿擠壓機對不同品種薏米進行擠壓處理，結(jié)果表明，擠出的薏米粉的口感與擠出的大米粉類似。本試驗的目的是探討雙螺桿擠壓機的擠壓加工參數(shù)和它們的交互項對薏米擠壓制品物理特性和擠壓過程變量的影響，為開發(fā)即食飲品和小食品等產(chǎn)品提供數(shù)據(jù)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 試驗材料

薏米：水分含量10.88%，淀粉含量65.7%，蛋白含量13.44%，脂肪含量5.71%，市購。

1.1.2 試驗設(shè)備與儀器

同向雙螺桿擠壓機：ClextralEV25型，法國Clextral公司；

體積式喂料器：T－20型，瑞士K－tron公司；

色彩色差計：CR400型，日本柯尼卡美能達公司。

1.2 方法

1.2.1 擠壓設(shè)備及試驗條件 擠壓機螺桿直徑為25mm，長徑比為24∶1，有6節(jié)套筒可單獨控制每節(jié)的溫度，擠壓機配有一個直徑4mm的?？?。從出口端到喂料端螺桿配置（見圖1）依次為0.5D／5.5D（螺距／螺桿長）單線螺桿，0.25 D／0.25 D 變 線 元 件，1 D／1 D（90°）攪 拌 元 件，0.5 D／0.5 D 反向螺桿，0.5 D／1.5 D 雙線螺桿，0.75 D／10.5 D 雙線螺桿，1 D／1 D 雙線螺桿，1.25 D／3.75 D 雙線螺桿。 操作條件為水分12%～20%，喂料速度為4～20kg／h，擠壓溫度為150～190℃（溫度設(shè)置第1節(jié)到第4節(jié)分別為30，60，90，120℃；第5和第6節(jié)設(shè)定相同溫度為試驗考察參數(shù)），螺桿轉(zhuǎn)速為200～400r／min。

圖1 擠壓機螺桿配置圖Figure 1 Screw configuration of extruder

1.2.2 樣品準(zhǔn)備與試驗數(shù)據(jù)的采集 物料經(jīng)粉碎機粉碎后過40目篩，在進行試驗前1天將物料調(diào)到需要的水分含量，并裝入塑料口袋中，在4℃下平衡水分18h，試驗前對體積式喂料器進行定量。擠壓機開動后調(diào)節(jié)到試驗設(shè)定的操作條件，平衡40min后開始記錄擠壓機扭矩、變速箱壓力、模頭溫度等數(shù)據(jù)。設(shè)定自動采集數(shù)據(jù)時間間隔為1s，取穩(wěn)定后30s的數(shù)據(jù)計算其平均值。收集擠出產(chǎn)品在50℃真空干燥箱中干燥24h后，用密封袋封好備用。

1.2.3 比機械能的測定 比機械能（SME）按式（1）計算：

式中：

SME—— 比機械能，kJ／kg；

Rs—— 實際轉(zhuǎn)速，r／min；

R—— 額定轉(zhuǎn)速，r／min；

T—— 扭矩，%；

M—— 電機功率，kW；

F—— 喂料速度，kg／s。

其中，額定轉(zhuǎn)速為600r／min，電機功率為18kW，扭矩值為試驗時測定值減去相應(yīng)轉(zhuǎn)速下空載時的空白值。

1.2.4 產(chǎn)品顏色的測定 使用色彩色差計進行顏色的測定，測定前用標(biāo)準(zhǔn)版進行校正。取經(jīng)過旋風(fēng)磨粉碎的樣品30g，平鋪在100mm直徑的培養(yǎng)皿上。得到第1次讀取數(shù)值后，將培養(yǎng)皿旋轉(zhuǎn)90°，進行第2次測定。最終數(shù)據(jù)取兩次測定的平均值進行計算。

1.2.5 產(chǎn)品膨化度的測定 定義成擠出物橫截面積與擠壓機?？酌娣e之比。測定采取隨機挑選20段樣品，測定其直徑后取其平均值進行計算。

1.2.6 產(chǎn)品密度的測定 采用體積置換法進行測定，以小米作為填充材料，取3次測定的平均值。

1.2.7 產(chǎn)品比長度的測定 定義成1g膨化產(chǎn)品的長度，按式（2）計算：

式中：

SL—— 比長度，mm／g；

D—— 產(chǎn)品密度，g／L；

r——物料半徑，mm。

1.3 試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)處理

在前期預(yù)試驗的基礎(chǔ)上，本試驗采用旋轉(zhuǎn)響應(yīng)設(shè)計，4個變量5個水平（水平編碼見表1），試驗方案見表2。試驗數(shù)據(jù)用SPSS 17軟件處理，采取線性模型逐步回歸和向后回歸方法挑選最優(yōu)模型，并剔除P＜0.05水平的不顯著項［15］。

表1 試驗水平編碼表Table 1 Code of Experimentation

產(chǎn)生的二次模型為：

式中：

Y——響應(yīng)值；

x1——物料含水率；

x2—— 套筒溫度；

x3—— 喂料速度；

x4—— 螺桿轉(zhuǎn)速。

表2 試驗方案Table 2 Scheme of Experimentation

2 結(jié)果與討論

2.1 擠壓參數(shù)對產(chǎn)品溫度的影響

由表3可知，產(chǎn)品溫度與物料的含水量一次項和平方項成負相關(guān)關(guān)系，而與喂料速度和套筒溫度成正相關(guān)的關(guān)系。模型的相關(guān)系數(shù)為0.94，因此通過擠壓參數(shù)變化可以很好的控制產(chǎn)品溫度，方程擬合較好。文獻［16］和［17］指出，提高螺桿轉(zhuǎn)速會使模頭處產(chǎn)品溫度升高，但在本次研究中沒有發(fā)現(xiàn)提高轉(zhuǎn)速能顯著地影響產(chǎn)品的擠出溫度，分析原因有可能是螺桿的直徑較小、螺桿配置差異及原料不同所致。

2.2 擠壓參數(shù)對擠壓機扭矩的影響

擠壓機扭矩與物料的水分、套筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、水分與喂料速度和喂料速度與螺桿轉(zhuǎn)速的交互項成負相關(guān)關(guān)系，與喂料速度、水分的平方項和喂料速度的平方項成正相關(guān)關(guān)系。依照Martelli［18］理論，從主電機輸入到螺桿的總能量為

μ——通過充滿螺紋的面團平均黏度，N·s／m2。

增加水分（正負兩方面作用）、提高溫度以及螺桿轉(zhuǎn)速均可降低物料在套筒中的黏度，同時螺桿速度的提高將減小物料充滿螺紋的數(shù)量（長度），從而降低電機的扭矩；而增加物料的喂入速度可以增加螺桿的能量輸入、增加物料充滿螺紋的數(shù)量（長度），導(dǎo)致電機扭矩的增加。

式中：

zt—— 總能量消耗，kW；

c1——基于螺桿形狀的常數(shù)；

ω—— 螺桿轉(zhuǎn)速，1／s；

N——充滿的螺紋數(shù)量；

Q—— 產(chǎn)量，m3／s；

Kf—— ?？讓?dǎo)率，m3；

2.3 擠壓參數(shù)對比機械能的影響

比機械能（SME）是單位質(zhì)量物質(zhì)的材料內(nèi)部熱的機械能量消散。具體來說，它是從驅(qū)動電機進入到被擠壓原料的總功，是一個良好的擠壓過程的表征。比機械能值表示的是擠壓過程中原料經(jīng)歷的分子分解或降解的程度［19］，它是放大的重要指標(biāo)［20］。由表3可知，比機械能與物料的含水量、套筒溫度、喂料速度、溫度與水分交互項和水分與喂料速度的交互項成負相關(guān)，而與螺桿轉(zhuǎn)速、水分平方項、溫度與喂料速度的交互項和喂料速度的平方項成正相關(guān)，方程的相關(guān)系數(shù)為0.85，方程能夠較好的進行擬合，但是不能完全描述比機械能的變化，這說明還有其他因素與擠壓參數(shù)產(chǎn)生作用。如原料粒度和原料的成分［17］等都可能對其產(chǎn)生影響。

2.4 擠壓參數(shù)對模頭壓力的影響

依照Yacu的模型［21］，模頭壓力與喂料速度和生料的黏度有關(guān)。

式中：

Q—— 產(chǎn)量，m3／s；

μ—— 黏度，N·s／m2；

Kf—— 模孔導(dǎo)率，m3。

水分含量、套筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)的提高速均可降低物料的粘性，導(dǎo)致壓力下降，而提高喂料速度則直接會引起模頭壓力的升高。方程的相關(guān)系數(shù)為0.981，說明通過水分、套筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度可以很好的擬合并控制壓力的變化。

Bruin等［22］在利用單螺桿擠壓機進行谷物擠壓試驗時發(fā)現(xiàn)當(dāng)水分提高到一定程度時會增加擠壓機的壓力、扭矩和SME值。他們把這種現(xiàn)象歸結(jié)為是水分作為一種塑化劑起到潤滑作用的結(jié)果，同時它也有使淀粉形成凝膠化的作用，所以在低水分含量時起到潤滑作用，而提高水分增強了淀粉凝膠作用導(dǎo)致壓力、扭矩和SME值增加。由表3可知，壓力、扭矩和SME隨著水分的一次項而降低，隨著水分的二次項而升高。由圖2可知，扭矩可以最明顯的反應(yīng)出這種變化；對SME而言在低溫下（－2水平）隨著水分的增加呈現(xiàn)先下降然后增加的情況，這種現(xiàn)象在高溫下（＋2水平）不如低溫下明顯；而對于模頭壓力而言，從圖2中觀察這種先降低再升高的現(xiàn)象非常不明顯。

表3 壓力、產(chǎn)品溫度、扭矩和比機械能的回歸系數(shù)?Table 3 Regression equation coefficients for product temperature，die pressure，percent of torque，and specific mechanical energy

圖2 溫度和水分對比機械能、壓力和扭矩的影響Figure 2 Effect of temperature and moisture on SME，Die pressure，and Percent of Torque

2.5 擠壓參數(shù)對產(chǎn)品顏色的影響

由表4可知，水分含量、套筒溫度和它們的交互項對產(chǎn)品的亮度有顯著影響，產(chǎn)品的紅綠值（a＊）只受到喂料速度的影響，而黃藍值（b＊）受到水分、溫度、喂料速度和它們交互作用的影響。JIN等［17］對玉米粉、大豆纖維、糖和鹽的混合物進行擠壓發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品的成分，對產(chǎn)品的顏色有顯著影響，其中黃藍值的相關(guān)系數(shù)達到了0.95，能夠很好的描述黃藍值的變化，因此說明顏色的變化在受到擠壓參數(shù)影響的同時，還要受到物料成分的影響。

通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，模頭處的壓力會影響產(chǎn)品的顏色。壓力與產(chǎn)品的亮度（L＊值）成正相關(guān)關(guān)系；與紅綠值（a＊）和黃藍值（b＊）成負相關(guān)關(guān)系。同時，扭矩也影響產(chǎn)品的a＊、b＊值 （呈負相關(guān)）。

表4 顏色的回歸系數(shù)?Table 4 Regression equation coefficients for lightness，redness，and yellowness

2.6 擠壓參數(shù)對產(chǎn)品密度、比長度和膨化度的影響

在實際生產(chǎn)過程中是以重量稱量進行包裝的，如果密度等指標(biāo)發(fā)生變化會使包裝袋大小與產(chǎn)品體積發(fā)生不相適應(yīng)的情況而導(dǎo)致產(chǎn)品外溢等現(xiàn)象發(fā)生，因此研究產(chǎn)品的物理特性在實際生產(chǎn)中有特別重要的意義。

由表5可知，薏米擠壓產(chǎn)品的密度隨著水分、水分平方項、水分和轉(zhuǎn)速交互項、喂料速度平方項的提高而升高，隨著溫度、喂料速度、水分與喂料速度交互項的升高而下降，螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品的密度沒有影響。增加物料的水分含量，會降低比長度值，而提高套筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速則會增加比長度值，喂料速度對比長度值無顯著影響。影響產(chǎn)品膨化度的因素有喂料速度、螺桿轉(zhuǎn)速、水分與螺桿轉(zhuǎn)速的交互項、水分和喂料速度的平方項，而水分和套筒溫度對膨化度沒有顯著影響。

通過方差分析發(fā)現(xiàn)，擠壓模頭處的壓力與產(chǎn)品的密度有明顯的負相關(guān)關(guān)系，但沒有發(fā)現(xiàn)壓力與膨化度和比長度值有相關(guān)性。

3 結(jié)論

（1）在試驗范圍內(nèi)，使用雙螺桿擠壓機擠壓蒸煮薏米過程中，通過擠壓操作參數(shù)水分、套筒溫度、喂料速度和螺桿轉(zhuǎn)速可以很好的描述模頭的壓力、模頭處物料的溫度、擠壓機的扭矩。比機械能輸入不僅與操作參數(shù)有關(guān)，還與物料中的成分有關(guān)。

表5 密度、比長度、膨化度的回歸系數(shù)?Table 5 Regression equation coefficients for bulk density，specific length，and expansion ratio

（2）在產(chǎn)品的顏色方面，物料含水量、套筒溫度和它們的交互項對產(chǎn)品的亮度有顯著影響；產(chǎn)品的紅綠值受到喂料速度的影響；產(chǎn)品的黃藍值受到物料含水率、套筒溫度、喂料速度、水分的平方項和溫度與速度的平方項影響；模頭處壓力及螺桿扭矩均會對產(chǎn)品顏色產(chǎn)生影響；螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品顏色沒有顯著影響。

（3）物料水分含量、套筒溫度、喂料速度、水分與喂料速度和螺桿轉(zhuǎn)速的交互項對產(chǎn)品密度有顯著影響。水分、溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對比長度有顯著影響，而喂料速度對比長度沒有影響。喂料速度、螺桿轉(zhuǎn)速、水分與螺桿轉(zhuǎn)速的交互項、水分含量和喂料速度的平方項對產(chǎn)品的膨化度有顯著影響。模頭處壓力與產(chǎn)品密度成負相關(guān)關(guān)系。

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