玉米胚原油擠壓膨化工藝的優(yōu)化

白興達++于雙雙++陳善峰

摘要：螺桿是擠壓機的重要組成部分。以擠壓機螺桿構(gòu)型參數(shù)阻流環(huán)直徑、軸頭間隙長度、螺桿轉(zhuǎn)速、螺紋升角為試驗因素，以浸提玉米胚原油的碘值為考察指標(biāo)，研究擠壓參數(shù)對碘值的影響。通過四因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合法設(shè)計試驗，利用SAS9.1軟件對試驗數(shù)據(jù)進行響應(yīng)面分析，得到最佳擠壓膨化工藝參數(shù)為阻流環(huán)直徑92 mm、軸頭間隙長度16 mm、螺紋升角為7°06′、螺桿轉(zhuǎn)速為180 r/min，在最優(yōu)參數(shù)下碘值為78.56 g/100 g。

關(guān)鍵詞：玉米胚；擠壓膨化；軸頭間隙；螺桿構(gòu)型；碘值

中圖分類號：TS229 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）09-1721-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.09.030

Optimization of the Technology of Extrusion Swelling of Corn Germ

BAI Xing-da， YU Shuang-shuang， CHEN Shan-feng

（School of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo 255049， Shandong， China）

Abstract：Screw is an important part of extruder. Using the configuration parameters of screw， extruder diameter of choke ring， length of δ， speed of screw and angle of screw-thread as experimental factors， extraction of corn germ oil iodine value as index， the effects of configuration parameters on the iodine value were studied. The method of quadratic orthogonal rotating combination desion of four factors and five levels was used， the response surface of the test data were analysed by SAS 9.1. The optimization of the technology of extrusion swelling of corn germ were diameter of choke ring 92 mm，length of δ 16 mm， speed of screw 7°06′， angle of screw-thread 180 r/min. The iodine value ratio was 78.56 g/100 g in the paremeters of configuration of screw.

Key words：corn germ；extrusion and swelling；length of δ；configuration of screw；iodine value

玉米油是常用食用油之一，含有豐富的不飽和脂肪酸、維生素E和多酚類物質(zhì)，且含有較多的不飽和脂肪酸[1]。在歐美國家，玉米油被作為一種高級食用油而廣泛食用[2]。

擠壓膨化技術(shù)作為一種高新技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于食品加工行業(yè)，與傳統(tǒng)加工工藝相比，具有生產(chǎn)能力大、成本低、原料中營養(yǎng)損失小等優(yōu)點[3]。目前，人們對于擠壓膨化油料作物的研究越來越多，李宏軍等[4]以玉米胚為原料，通過擠壓膨化預(yù)處理工藝研究了套筒溫度、模孔孔徑、物料含水率和螺桿轉(zhuǎn)速對玉米胚浸油工藝各項指標(biāo)的影響，并優(yōu)化出了最佳擠壓工藝參數(shù)；詹玉新等[5]研究了以殘油率為主要考察指標(biāo)，擠壓膨化玉米胚，通過響應(yīng)面分析方法優(yōu)化出了最佳擠壓膨化參數(shù)。

螺桿是擠壓機的主要組成部分，螺桿構(gòu)型對于擠壓機擠出物料的品質(zhì)、結(jié)構(gòu)具有重要的影響，本研究以半濕法玉米胚為原料，以玉米油碘值為考察指標(biāo)，通過二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗和響應(yīng)面分析，以期得到半濕法玉米胚浸提最佳螺桿構(gòu)型參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 原料

半濕法玉米胚（黑龍江肇東金玉集團公司油脂廠）。本試驗采用半濕法玉米胚，玉米胚水分含量為7.61%，含油率為19.00%。

1.2 試驗設(shè)備與儀器

單螺桿擠壓膨化機（山東理工大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品精深加工中心提供），如圖1所示。該裝置包括擠壓主體、物料輸送裝置和控制部分。37 kW電動機配45 kW變頻器作為動力部分，通過皮帶輪傳動，帶動擠壓螺桿旋轉(zhuǎn)，擠壓喂入的油料，可通過傳感器檢測腔體內(nèi)的溫度與壓力，套筒溫度可進行閉環(huán)控制。適用于含油率為16%～25%的油料及淀粉類谷物的擠壓試驗研究和可視化研究[6]。

主要用途：可實現(xiàn)淀粉類谷物的擠壓預(yù)處理，然后用于釀酒、制糖、生產(chǎn)酒精等領(lǐng)域；可實現(xiàn)低含油率油料浸油前處理，簡化工藝流程，降低殘油率[7]；可對擠壓過程中物料在腔體內(nèi)的溫度、壓力實時檢測，并完成固定溫度控制；可以實現(xiàn)喂料量、轉(zhuǎn)速、溫度、軸頭間隙、膜孔孔徑長度等因素對擠出物料性質(zhì)影響的試驗研究。

油脂浸提器（山東理工大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品精深加工中心提供），如圖2所示。它的構(gòu)造從上到下依次是溶劑儲藏室、水浴室、混合油儲藏室三部分，其中水浴室中包括溫度控制儀、電加熱管、溶劑輸液管和樣品室。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（山東理工大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品精深加工中心提供），如圖3所示。

1.3 方法

1.3.1 指標(biāo)測定 浸提后玉米原油碘值測定參考GB/T5532-2008[8]。

1.3.2 正交試驗 根據(jù)前人研究報道，并與試驗室擠壓情況相結(jié)合，選擇螺紋升角、阻流環(huán)直徑、軸頭間隙及螺桿轉(zhuǎn)速4個影響因素，以擠壓參數(shù)碘值為研究對象，同時選定5個水平，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計安排試驗，正交試驗因素和水平如表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果

以螺紋升角、阻流環(huán)直徑、軸頭間隙及螺桿轉(zhuǎn)速作為影響因素，以玉米胚原油的碘值為考察指標(biāo)，根據(jù)不同擠壓參數(shù)下測定的各項指標(biāo)的值，運用SAS9.1軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到回歸模型并對所得的響應(yīng)面進行分析，得到最佳的擠壓參數(shù)。試驗安排與試驗結(jié)果如表2所示。玉米胚原油碘值的回歸方程系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果如表3所示。

從表3玉米胚原油碘值的回歸方程顯著性檢驗可知，模型交叉項X3X1（P<0.000 1）、X1X1（P=0.000 5）、X2X2（P=0.001 4）、X3X3（P=0.002 7）均極顯著。回歸模型的方差分析結(jié)果見表4。

表4表明，此模型的決定系數(shù)R2為0.830 4，響應(yīng)模型的二次項（P<0.000 1）、交互項（P<0.000 1）、總回歸（P<0.000 1）均極顯著。

利用SAS9.1軟件對表3玉米胚原油碘值的試驗數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，所得到的玉米胚原油碘值二次回歸方程的響應(yīng)面見圖3。

圖3-a為軸頭間隙和螺桿轉(zhuǎn)速分別固定在16 mm、180 r/min時，螺紋升角和阻流環(huán)直徑對玉米胚原油碘值影響的響應(yīng)面。當(dāng)螺紋升角保持在較低水平時，原油碘值隨阻流環(huán)直徑的升高而減??；當(dāng)螺紋升角保持在較高水平時，原油碘值隨阻流環(huán)直徑的升高而增加。當(dāng)阻流環(huán)直徑保持在較低水平時，原油碘值隨螺紋升角的增加而降低；當(dāng)阻流環(huán)直徑保持在較高水平時，原油碘值隨螺紋升角的增加而升高[9]。這充分說明二因素的交互作用效果顯著。

圖3b為螺紋升角固定在7°06′、螺桿轉(zhuǎn)速為180 r/min時，軸頭間隙和阻流環(huán)直徑對玉米胚原油碘值影響的響應(yīng)面。當(dāng)軸頭間隙保持不變時，原油碘值隨阻流環(huán)直徑的升高而先減小后增加。當(dāng)阻流環(huán)直徑保持不變時，原油碘值隨軸頭間隙的增加而先降低后增高。原因是當(dāng)軸頭間隙在較小水平下增大時，胚料層逐漸變厚，緩沖穩(wěn)定性逐漸增強，不飽和脂肪酸減少，碘值降低；當(dāng)軸頭間隙大于16 mm時，隨著軸頭間隙的增大，腔內(nèi)胚料的不飽和脂肪酸生成含量增加，碘值增加[10]。

圖3c為軸頭間隙固定在16 mm、螺紋升角為7°06′時，阻流環(huán)直徑和螺桿轉(zhuǎn)速對玉米胚原油碘值影響的響應(yīng)面。當(dāng)阻流環(huán)直徑處于較低水平時，原油碘值隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高而先降低后升高，并且整體呈升高趨勢；當(dāng)阻流環(huán)直徑處于較高水平時，原油碘值隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高而先降低后升高，并且整體呈降低趨勢。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速不變時，原油碘值隨阻流環(huán)直徑的增加呈拋物線的形狀，當(dāng)阻流環(huán)直徑增加時，原油碘值先降低后升高。

圖3d為阻流環(huán)直徑在92 mm、螺桿轉(zhuǎn)速為180 r/min時，軸頭間隙和螺紋升角對玉米胚原油碘值影響的響應(yīng)面。當(dāng)軸頭間隙不變時，原油碘值隨螺紋升角增加而先減小后增加。原因是當(dāng)螺紋升角由較小水平開始增加時，腔內(nèi)壓力逐漸增大，油脂的穩(wěn)定性逐漸加強，不飽和脂肪酸含量降低，碘值降低[11]；當(dāng)螺紋升角達到7 °0時，隨著螺紋升角的增大，強內(nèi)壓力增大，油脂發(fā)生變性，生成不飽和脂肪酸含量增加，碘值增加。當(dāng)螺紋升角保持不變時，原油碘值隨軸頭間隙的增加而先減小后增加。

圖3e為阻流環(huán)直徑和螺紋升角分別固定在92 mm、7°06′時，軸頭間隙和螺桿轉(zhuǎn)速對玉米胚原油碘值影響的響應(yīng)面。當(dāng)軸頭間隙保持不變時，原油碘值隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加先降低后升高。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速保持不變時，原油碘值隨軸頭間隙的增加而先降低后升高。

圖3f阻流環(huán)直徑和軸頭間隙分別固定在92 mm、16 mm時，螺紋升角和螺桿轉(zhuǎn)速對玉米胚原油碘值影響的響應(yīng)面。當(dāng)螺紋升角處于較低水平時，原油碘值隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高而先降低后升高，并且整體呈升高趨勢；當(dāng)螺紋升角處于較高水平時，原油碘值隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高而先降低后升高，并且整體呈降低趨勢。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速不變時，原油碘值隨螺紋升角的增加呈拋物線的形狀，當(dāng)螺紋升角增加時，原油碘值先降低后升高[12]。

用嶺回歸尋找最優(yōu)工藝范圍。嶺回歸尋優(yōu)分析結(jié)果見表5。以原油碘值為考察指標(biāo)，經(jīng)過嶺回歸選優(yōu)得到最佳工藝參數(shù)范圍為阻流環(huán)直徑92.00～93.42 mm、軸頭間隙15.30～16.00 mm、螺紋升角 6°20′～7°06′、螺桿轉(zhuǎn)速180.00～187.91 r/min。

2.2 驗證試驗

由于試驗?zāi)康氖菫榱嗽谳^短的時間內(nèi)得到較小的擠壓壓力，因此將玉米胚原油碘值作為主要考察指標(biāo)，選取最佳擠壓工藝參數(shù)：阻流環(huán)直徑為90.0～93.7 mm，軸頭間隙長度為12.0～16.2 mm，螺紋升角為6°48′～7°42′，螺桿轉(zhuǎn)速160.0～208.3 r/min進行驗證試驗，試驗安排和結(jié)果見表6。

根據(jù)驗證試驗結(jié)果可知，通過尋優(yōu)結(jié)果所得到的試驗數(shù)據(jù)與實際試驗結(jié)果基本吻合，說明回歸方程能準(zhǔn)確反映試驗因素與考察指標(biāo)之間存在的內(nèi)在關(guān)系。以原油碘值為考察指標(biāo)，采用擠壓半濕法優(yōu)化玉米胚原油提取擠壓參數(shù)，選取阻流環(huán)直徑、軸頭間隙長度、螺紋升角、螺桿轉(zhuǎn)速為試驗因素，通過正交法安排試驗方案，通過嶺回歸得到最優(yōu)工藝參數(shù)為阻流環(huán)直徑92 mm、軸頭間隙長度16 mm、螺紋升角7°06′、螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min。

3 小結(jié)

螺桿是擠壓機的重要組成部分。本研究以擠壓螺桿構(gòu)型參數(shù)阻流環(huán)直徑、軸頭間隙長度、螺桿轉(zhuǎn)速、螺紋升角作為試驗因素，以浸提原油的碘值為考察指標(biāo)，研究擠壓參數(shù)對碘值的影響。通過4因素5水平正交旋轉(zhuǎn)組合法設(shè)計試驗，利用SAS9.1軟件對試驗數(shù)據(jù)進行響應(yīng)面分析，并對試驗數(shù)據(jù)進行回歸顯著性檢驗，得到最佳擠壓膨化工藝參數(shù)為阻流環(huán)直徑92 mm、軸頭間隙長度16 mm、螺紋升角7°06′、螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min，在最優(yōu)工藝下碘值為78.56 g/100 g。

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