雙向變頻振壓制曲試驗(yàn)分析

李 宏

（1.江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇 淮安 223005；2.江蘇省食品微生物工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223005）

大曲是白酒生產(chǎn)中的糖化劑、發(fā)酵劑和多種微生物的混合酶制劑［1］，大曲釀酒工藝為中國傳統(tǒng)獨(dú)特的固態(tài)發(fā)酵釀酒工藝，曲坯提漿程度（水麥膠的提表程度）是大曲生產(chǎn)的一個重要技術(shù)指標(biāo)。傳統(tǒng)人工踩曲的特點(diǎn)是“百腳一坯”、“提漿于表”，所制的曲坯結(jié)構(gòu)致密、提漿好、皮張薄，便于微生物生長［2］。機(jī)械制曲作為現(xiàn)代釀酒企業(yè)的發(fā)展趨勢，生產(chǎn)的曲坯大小一致、生產(chǎn)效率高、勞動強(qiáng)度低。按機(jī)械制曲的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分，有沖壓式、氣動式、液壓式［3－5］；按機(jī)械制曲的成型次數(shù)分，有單次模壓成型、多次模壓成型［6］。但無論是哪種機(jī)制曲，其“皮緊內(nèi)松”、“提漿差”的現(xiàn)象都沒有得到根本的解決，造成曲坯表皮缺乏營養(yǎng)、保水性能差，對大曲“穿衣”影響很大，導(dǎo)致白酒質(zhì)量下降。

為了解決上述問題，提出一種新型的雙向變頻振壓成型制曲方法，該方法的特點(diǎn)是借助于上下模壓板與曲料、曲模成型箱與曲料以及曲料顆粒之間的振動滑移、反復(fù)擠揉操作，模擬人工踩曲過程，并分析振動頻率、振動幅度、振動壓力、曲坯含水率等參數(shù)對曲坯密度與提漿性能的影響。

1 試驗(yàn)方案與參數(shù)設(shè)定

1.1 雙向變頻振壓制曲成型試驗(yàn)方案

為增強(qiáng)松散曲料的“流動性”，解決機(jī)械壓曲中存在曲坯“皮緊內(nèi)松”現(xiàn)象，現(xiàn)采用雙向變頻振壓方式壓制曲坯。其基本原理：曲模成型箱固定不動，采用不同的振動電機(jī)作為上、下模壓板的振源，使上模壓板與下模壓板具有不同的振動頻率，在振動的同時對曲坯表面進(jìn)行加壓的一種壓曲成型方式。由于振動傳播深度有限，本方案采用上下模壓板同時振動。為模擬人工踩曲、表面提漿過程，上模壓板振動時采用凹凸不平的碗狀壓板，對曲坯顆粒反復(fù)擠揉。通過變頻器改變振動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變振動頻率（壓曲成型、拍打提漿采用不同的頻率）和振幅A的大小，使曲坯密度、厚度、壓曲壓力、成型時間等，能按需求進(jìn)行調(diào)整（適合不同的高溫曲和中溫曲）。振動的作用使曲坯表層曲料松散，為保持曲坯形狀與密度均勻，在上下模壓板停止振動后再采用平頭壓板壓曲到位。

圖1為曲坯雙向變頻振壓成型加工過程示意圖。具體過程：① 曲料在上料過程中，下模壓板邊振動邊上料；② 上料結(jié)束后，凹凸不平的碗形上模壓板進(jìn)行低頻振動，與下模壓板振動頻率不同，使二者的運(yùn)動產(chǎn)生一個速度差；同時上模壓板向下加壓移動、下模壓板向上加壓移動，對曲料進(jìn)行壓曲成型；③ 當(dāng)上下模壓板的移動觸發(fā)了壓力傳感器（根據(jù)曲坯松緊程度控制動作），上下模壓板停止運(yùn)動，保持原有壓力以較高頻率振動對曲坯表面拍打提漿。④ 上下模停止振動，將凹凸不平的上模碗形壓板改為平頭壓板，上模壓板向下加壓移動，下模壓板向上加壓移動，到與曲模成型箱接觸時完成壓曲運(yùn)動，保壓后出坯。本方案由于采用振動制曲，使曲坯易于脫模，減化了曲模清洗工序。經(jīng)多次振透壓實(shí)、提出面漿，實(shí)現(xiàn)了曲坯表面光滑致密、松緊均勻、曲皮薄、穿衣掛霉好。

圖1 曲坯雙向變頻振壓成型過程示意圖Figure 1 The process of starter-making using bidirectional variable frequency vibration method

1.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

根據(jù)某酒廠曲料成份組成，把大麥40%、小麥45%、黃豆5%、豌豆10%按重量嚴(yán)格匹配，混合均勻后進(jìn)行適度粉碎，然后加水充分?jǐn)嚢?。將粉碎度控制?3%～45%，以含水量為30%～50%的混合曲料作為試驗(yàn)對象。這里曲坯大小取270mm×175mm×80mm，曲模成型箱可根據(jù)各個釀酒企業(yè)曲坯大小設(shè)定、一機(jī)多模靈活更換。

雙向雙頻振動壓制曲坯成型，電源為三相AC 380V/50Hz，激振方式為振動電機(jī)垂直激振，振動波形為正弦波，振動頻率范圍為5～60Hz，最大振幅為3mm，上下模壓板壓力0.5～8kN，上下模壓板行程可調(diào)范圍0～180mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙向變頻振壓對曲坯密度的影響

振動在曲料中進(jìn)行傳遞，當(dāng)曲粒獲得的能量超過彼此間的摩擦力和粘結(jié)力，不規(guī)則的曲粒由靜變動，大小曲?；ハ嘁Ш丸偳?，又?jǐn)D出了部分曲料水分，提高了曲坯密度的均勻性。由于曲粒沿振動方向所獲得的能量是不同的，為了使曲坯密度均勻，讓振動傳播得遠(yuǎn)一些，在曲模成型箱上料結(jié)束后，先采用大振幅小頻率同時加力振壓曲坯（上下模壓板采用不同的頻率）。為了提高曲坯表面拍打提漿效果，再采用小振幅大頻率上下模壓板同時加力振壓曲坯。由圖2可知，振動頻率越高，振幅衰減越大，振幅按指數(shù)形式衰減。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雙向變頻振壓后曲坯靠近心部的密度較均勻，但與上下模壓板接觸的曲坯最上、最下層、以及與曲模成型箱接觸的曲坯前后左右層，越靠近表面越疏松，且不均勻。為使曲坯整體達(dá)到密實(shí)均勻、松緊適度（由曲坯發(fā)酵生產(chǎn)工藝可知，并非密度越大越好）。當(dāng)密度值達(dá)到壓力傳感器設(shè)定的觸發(fā)值時，上下模壓板振動結(jié)束，將上模壓板改為平頭壓板，上下模壓板分別向上向下加壓移動。當(dāng)上下模壓板與曲模成型箱接觸時完成壓曲運(yùn)動，曲料經(jīng)保壓后出坯。通過雙向變頻振壓制曲，較好地解決了普通制曲機(jī)壓曲過硬，曲料間的空隙小、空氣少、微生物生長缺少空氣繁殖不佳等問題。

圖2 振幅衰減示意圖Figure 2 The reduction of vibration amplitude

2.2 含水率對提漿效果的影響

當(dāng)含水率不變時，隨著曲坯振動顆粒間距離逐漸變小，被擠出的水游離在顆粒之間。其中一部分又被曲料吸收，另一部分內(nèi)則通過曲料間的孔隙向曲坯內(nèi)、外部流動。隨著含水率的增加，由于曲料重新吸收這部分被擠出水的能力有限，在單個振動壓縮周期內(nèi)，向外部流動占了很大的比例。

由試驗(yàn)可知，曲坯的含水率大小對曲坯形態(tài)、松緊度、融氧量均有較大的影響。當(dāng)最大壓力不變（維持為4kN），振動壓曲頻率為50Hz時，分別對含水率為30%，35%，40%，45%，50%，60%曲坯進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)含水量為30%時，曲坯顆粒間粘接強(qiáng)度較差，部分皮料有翹曲情況；當(dāng)含水量增至45%時，皮料翹曲現(xiàn)象基本消失；當(dāng)含水量增至50%時，曲坯中原來與皮料結(jié)合較緊的面料，由于曲坯中擠出水分的流動、沖刷，出現(xiàn)了心部的皮料比例大于外皮的現(xiàn)象，曲料表面出現(xiàn)白漿外溢情況，試驗(yàn)結(jié)果見圖3、4。

圖3 不同含水率的曲坯心部形態(tài)Figure 3 The shape of the starter with different moisture content

圖4 含水量50%（頻率50Hz）的曲坯內(nèi)外形態(tài)Figure 4 The inside and outside shape of the starter with moisture content is 50%（while frequency is 50Hz）

2.3 振動壓曲頻率對提漿效果的影響

曲坯含水率不變時，振動頻率越大，單位時間內(nèi)曲坯中顆粒獲得的能量越多，從曲料中擠出的水越多，水的流動也越快。有的流向曲坯表面、有的流向曲坯內(nèi)側(cè)，時而向外、時而向里。流向表面的水和面料的混合物滯溜在曲坯表層中，而流向心部的混合物又將帶出來的面料重新送回到心部。

當(dāng)最大壓力不變（維持為4kN），含水率為40%時，分別以振動壓曲頻率為5，10，15，20，30，40，50，60Hz進(jìn)行試驗(yàn)。由試驗(yàn)可知，振動壓曲頻率越小，曲料中的皮料的被壓彎壓皺的情況越少。當(dāng)振動壓曲頻率小于10Hz時，大部分皮料顯示被壓制成扁平狀，曲料中皮料與面料之間的貼合較好。當(dāng)振動壓曲頻率為40Hz時，形成曲坯心部曲料比較均勻，表皮“面漿”較多，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 含水量40%（頻率40Hz）的曲坯內(nèi)外形態(tài)Figure 5 The inside and outside shape of the starter with moisture content is 40%（while frequency is 40Hz）

當(dāng)振動壓曲頻率大于60Hz時，皮狀顆粒得不到充分的伸展，曲坯心部皮料的皺裙、彎曲情況較為明顯，甚至可見少量皮料被壓折現(xiàn)象，表皮出現(xiàn)白色懸濁液。這說明只有合適的振動頻率，曲料才會產(chǎn)生較好的提漿效果，過快的振動頻率，降低了混合物的可流動時間，反而對保證曲坯品質(zhì)是有害的。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果對比

試驗(yàn)證明，當(dāng)混合曲料粉碎度為43%～45%，曲坯含水率為40%，上下模壓力為4kN，成型振動頻率為10Hz，成型振幅為2～3mm；拍打振動頻率為40Hz，拍打振幅為0.9～1.2mm，曲坯雙向變頻振壓成型效果較佳。表1為采用雙向變頻振壓制曲與現(xiàn)有YQ-960型制曲機(jī)所生產(chǎn)的曲坯對比情況。

表1 雙向變頻振壓制曲與YQ-960型制曲機(jī)生產(chǎn)曲坯比較Table 1 The comparison of bidirectional variable frequency vibration method with YQ-960starter-making machine

3 結(jié)論

雙向變頻振壓方式作為曲坯生產(chǎn)的一種創(chuàng)新方式，曲坯成型時從上下兩個方向傳遞交變壓力，對曲坯進(jìn)行柔性、重復(fù)壓制，通過變頻振動把面漿提到了曲坯表面。由于曲料與模盒間的振動，致使曲料不易粘在模盒上，曲模再次使用前無需對模盒進(jìn)行清洗，簡化了機(jī)械制曲工藝。既保證了機(jī)制曲坯的成型品質(zhì)，曲坯密度均勻、孔隙度好、軟硬適中；又使得曲坯易于脫模、外形平正，四角飽滿，獲得了較理想的表面提漿效果，具有一定的實(shí)用推廣價(jià)值。

1 任飛，張曉宇.濃香型大曲糖化動力學(xué)研究［J］.食品與機(jī)械，2013，29（1）：42～44.

2 沈怡方.白酒生產(chǎn)技術(shù)全書［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2001.

3 付捷，王瑛.我國酒廠制曲壓塊機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］.包裝與食品機(jī)械，2005，23（5）：29～30.

4 付捷，劉木華，羅鋼，等.機(jī)械制曲成套設(shè)備研制［J］.釀酒，2007，34（3）：42～43.

5 陳貴林.探索茅臺酒制曲自動化實(shí)現(xiàn)途徑［J］.釀酒科技，2011（4）：65～66.

6 張靜.多點(diǎn)采壓壓曲機(jī)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件仿真研究［D］.山西：太原理工大學(xué)，2009.