香菇雙螺桿擠壓膨化機的設(shè)計與試驗

王明友，宋衛(wèi)東，丁天航，王教領(lǐng)，周德歡，吳今姬

·農(nóng)產(chǎn)品加工工程·

香菇雙螺桿擠壓膨化機的設(shè)計與試驗

王明友，宋衛(wèi)東※，丁天航，王教領(lǐng)，周德歡，吳今姬

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014）

針對現(xiàn)有雙螺桿擠壓膨化設(shè)備生產(chǎn)香菇膨化產(chǎn)品時存在物料堵塞、預(yù)熟度低、作業(yè)參數(shù)缺失等問題而導(dǎo)致生產(chǎn)的產(chǎn)品膨化率低、吸水性差、硬度高等缺陷，該研究設(shè)計了一種香菇雙螺桿擠壓膨化設(shè)備，并對設(shè)備中的關(guān)鍵部件喂料攪拌防堵裝置、預(yù)熟調(diào)質(zhì)裝置與雙螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了設(shè)計與確定。同時，為探究設(shè)備中的作業(yè)參數(shù)對產(chǎn)品膨化性能的影響，研究了設(shè)備的螺桿轉(zhuǎn)速、膨化溫度、物料含水率對產(chǎn)品的膨化率、硬度、脆度、吸水性的影響。結(jié)果表明：影響膨化率的顯著性順序依次為螺桿轉(zhuǎn)速、物料含水率、膨化溫度；影響硬度的顯著性順序依次為螺桿轉(zhuǎn)速、膨化溫度、物料含水率；影響脆度的顯著性順序依次為膨化溫度、物料含水率、螺桿轉(zhuǎn)速；影響吸水性的顯著性順序依次為膨化溫度、物料含水率、螺桿轉(zhuǎn)速。其次，結(jié)合各因素交互作用的影響規(guī)律與目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，得出設(shè)備的最佳作業(yè)參數(shù)為：螺桿轉(zhuǎn)速167.23 r/min，膨化溫度151.68 ℃，物料含水率16.83%，此時，產(chǎn)品的膨化率、硬度、脆度、吸水性分別為4.04%、18.61 N、?8.46 mm/cm2、313.86%。將優(yōu)化后的參數(shù)值在設(shè)備中進行了生產(chǎn)性應(yīng)用，得到生產(chǎn)值與優(yōu)化值的誤差均小于4%，最大生產(chǎn)率為165 kg/h。與揚州大學(xué)機械工程學(xué)院實驗室內(nèi)的現(xiàn)有設(shè)備相比，在提高物料送料的連續(xù)性與調(diào)質(zhì)熟化度的基礎(chǔ)上，膨化率提高了25.00%，硬度降低了48.21%、脆度提升了40.55%、吸水性提高了62.35%。因此，該機的設(shè)計可為香菇膨化產(chǎn)品的開發(fā)提供了一種較為成熟的技術(shù)裝備。

農(nóng)產(chǎn)品；加工；膨化機；香菇；擠壓；設(shè)計

0 引 言

中國自1987年以來一直為世界上最大的香菇生產(chǎn)國和出口國[1]，2017年總產(chǎn)量達925.89萬t，約占全世界香菇總產(chǎn)量與香菇外銷市場的90%與92%。當(dāng)前，中國香菇加工主要有以干制品、調(diào)味品和罐頭等初加工為主。隨著香菇中的活性成分逐步被公眾所認知，含有香菇成份的休閑食品與功能性食品越來越被大眾所接受[2-4]。張宇凡等[5]將香菇和大豆蛋白質(zhì)添加到淀粉中，開發(fā)了香菇營養(yǎng)薯片，不僅營養(yǎng)豐富，口感酥脆，并且具有香菇特殊的香氣。張梅[6]利用香菇柄制作香菇松，具有氣味濃郁芳香，口感質(zhì)地脆嫩。但是，香菇的高附加值加工產(chǎn)品仍處于試驗與推廣階段，與深加工產(chǎn)品相配套的加工技術(shù)裝備也僅處于示范推廣階段，產(chǎn)品研發(fā)力度與百姓接受度還處于較低水平，還需進一步加強攻關(guān)與宣傳推廣。

擠壓膨化技術(shù)是一種高溫高壓短時的處理工藝，而大部分抗?fàn)I養(yǎng)因子是熱敏性物質(zhì)，因而在高溫高壓下可以使其失活[7-9]。因此，通過雙螺桿擠壓膨化設(shè)備的加工處理，可以很好地降低和消除香菇中的抗?fàn)I養(yǎng)因子，并提高成型后產(chǎn)品的消化吸收率[10-13]。當(dāng)前，國內(nèi)對擠壓膨化機的試驗研究主要多以擠壓膨化工藝參數(shù)與螺桿構(gòu)建模型為主，對雙螺桿擠壓膨化設(shè)備的整機結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵裝置研究相對較少，對食用菌膨化產(chǎn)品的專用擠壓設(shè)備研究更是缺乏。因此，本研究針對現(xiàn)有雙螺桿擠壓膨化機在香菇粉混合物料的輸送與加工中存在的輸送堵塞、預(yù)熟度低及擠壓膨化作業(yè)參數(shù)缺失等問題，設(shè)計了專用的混合物料攪拌防堵裝置與蒸汽預(yù)熟調(diào)質(zhì)裝置，并對雙螺桿中的主要參數(shù)進行了確定。同時，為得到香菇擠壓膨化過程中的最佳作業(yè)參數(shù)，分析了設(shè)備的螺桿轉(zhuǎn)速、膨化溫度、物料含水率等參數(shù)對產(chǎn)品的膨化率、硬度、脆度、吸水性的影響規(guī)律并對參數(shù)進行了驗證，以期為香菇膨化產(chǎn)品的開發(fā)提供合適設(shè)備。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

香菇雙螺桿擠壓膨化機主要由機架、攪拌裝置、送料裝置、調(diào)質(zhì)裝置、加熱裝置、擠壓膨化裝置和旋切裝置等部件組成，并配以相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和壓力檢測系統(tǒng)等，如圖1所示。整機結(jié)構(gòu)中的執(zhí)行裝置（攪拌、送料、調(diào)質(zhì)、膨化和旋切）均采用變頻調(diào)速控制，方便混合物料在輸送加工過程中的線性調(diào)節(jié)；加熱裝置采用三區(qū)獨立線圈加熱，以滿足不同區(qū)域?qū)訜釡囟鹊囊?；在擠壓膨化模頭處裝有壓力與溫度傳感器，通過信號傳輸實時顯示香菇膨化產(chǎn)品在模頭處的壓力與溫度，便于調(diào)控整機結(jié)構(gòu)中執(zhí)行裝置的具體參數(shù)，使其始終保持穩(wěn)定的壓力和溫度，以便生產(chǎn)出高質(zhì)量的香菇擠壓膨化產(chǎn)品。

1.機架 2.攪拌裝置 3.送料裝置 4.調(diào)質(zhì)裝置 5.加熱裝置 6.擠壓膨化裝置 7.旋切裝置 8.蒸汽發(fā)生器 9.冷卻水箱 10.潤滑油箱 11.傳動箱 12.控制系統(tǒng)

1.2 工作原理與技術(shù)參數(shù)

香菇雙螺桿擠壓膨化機工作時，先開啟加熱裝置，使其達到設(shè)定的三區(qū)不同溫度值時，啟動潤滑系統(tǒng)對齒輪箱進行供油，待供油穩(wěn)定后啟動擠壓膨化電機對雙螺桿進行緩慢增速。并在執(zhí)行裝置開啟前啟動冷卻系統(tǒng)對機筒Ⅰ區(qū)溫度進行降溫處理，以防Ⅰ區(qū)溫度過高造成物料在機筒前端內(nèi)出現(xiàn)焦糊黏結(jié)現(xiàn)象，影響后續(xù)物料在機筒的移動。待執(zhí)行裝置全部開啟后，將預(yù)設(shè)比例的香菇粉與玉米粉混合物料放置于攪拌裝置內(nèi)進行混勻，經(jīng)送料裝置輸送到帶有蒸汽預(yù)熟功能的調(diào)質(zhì)裝置中進行預(yù)熟調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)后的預(yù)熟物料輸送至雙螺桿擠壓裝置腔內(nèi)進行擠壓膨化，膨化后的產(chǎn)品按所需長度進行旋切，冷卻干燥后包裝。香菇雙螺桿擠壓膨化機的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 香菇雙螺桿擠壓膨化機的主要參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)確定

2.1 喂料攪拌防堵裝置設(shè)計

連續(xù)穩(wěn)定喂送是擠壓膨化機連續(xù)工作并生產(chǎn)穩(wěn)定高品質(zhì)產(chǎn)品的前提條件[14]，本文設(shè)計的香菇雙螺桿擠壓膨化機采用在喂料裝置內(nèi)增設(shè)攪拌防堵機構(gòu)以實現(xiàn)物料在裝置內(nèi)的均勻攪拌與穩(wěn)定送料。喂料攪拌防堵裝置主要由攪拌電機、攪拌葉片、防堵旋轉(zhuǎn)翅、送料螺桿及送料電機等組成，如圖2所示?；旌衔锪线M入料筒后，在攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)帶動下，克服物料在料筒中的“架橋”或阻塞現(xiàn)象，并在防堵旋轉(zhuǎn)翅的轉(zhuǎn)動下將物料輸送到送料裝置內(nèi)，實現(xiàn)攪拌裝置的攪拌防堵功能。同時，攪拌裝置內(nèi)的防堵旋轉(zhuǎn)翅轉(zhuǎn)速與送料裝置內(nèi)的送料螺桿轉(zhuǎn)速均由送料電機驅(qū)動，且轉(zhuǎn)速相一致，防止物料在攪拌裝置內(nèi)的堆積，實現(xiàn)攪拌裝置的防堵與穩(wěn)定送料功能。

1.送料螺桿 2.送料電機 3.防堵旋轉(zhuǎn)翅 4.攪拌葉片 5.攪拌裝置 6.攪拌箱蓋板 7.攪拌電機 8.進料斗

2.2 攪拌裝置內(nèi)攪拌葉片夾角設(shè)計

為使混合物料在喂料裝置內(nèi)平穩(wěn)順暢的移動到送料裝置內(nèi)，需對攪拌裝置內(nèi)的攪拌葉片結(jié)構(gòu)進行分析，將瞬間移動的物料簡化為質(zhì)點，則物料受力如圖3所示。

注：α為葉片與水平面夾角，(°)；β為葉片的傾斜角，(°)；F為葉片對物料的推力，N；F1和F2分別為推力垂直和水平方向的分力，N；f為物料與葉片的摩擦力，N；f1和f2分別為摩擦力垂直和水平方向上的分力，N；D為攪拌軸到攪拌葉片的距離，mm。

為保證混合物料向下移動，需滿足1>1，由圖3分析可得

cos>cos（1）

其中，=arctan，式（1）進行簡化，得出sin>cos由cos=sin(π/2?)，則

因此，設(shè)計攪拌裝置內(nèi)的攪拌葉片夾角時，必須滿足上述式（2）的條件。

2.3 蒸汽預(yù)熟調(diào)質(zhì)裝置設(shè)計

蒸汽預(yù)熟調(diào)質(zhì)裝置在提高雙螺桿擠壓機生產(chǎn)能力與提升產(chǎn)品加工品質(zhì)等方面具有重要的調(diào)控作用[15-16]。調(diào)質(zhì)過程中的預(yù)熟蒸汽可提高香菇粉混合物料溫度，并與水及蒸汽充分吸收滲透，降低物料在擠壓膨化過程中的摩擦阻力，降低能耗、提高產(chǎn)量。本文設(shè)計的蒸汽預(yù)熟調(diào)質(zhì)裝置由蒸汽調(diào)節(jié)口、蒸汽入口、調(diào)質(zhì)雙絞龍、電機等組成，并配以相應(yīng)的電蒸汽發(fā)生器。工作時，啟動調(diào)質(zhì)裝置中的變頻電機與攪拌裝置電機、膨化電機轉(zhuǎn)速相匹配，以保證物料的均勻穩(wěn)定送料。具體的操作方法如下：物料進入調(diào)質(zhì)裝置之前，開啟蒸汽發(fā)生器，調(diào)節(jié)蒸汽壓力到0.3 MPa，物料通過調(diào)質(zhì)裝置入料口進入到調(diào)質(zhì)絞龍內(nèi)，在調(diào)質(zhì)絞龍的緩慢攪拌下，物料與蒸汽進行充分混合?；旌虾蟮奈锪显谡{(diào)質(zhì)腔內(nèi)進行充分調(diào)質(zhì)，并保證物料在調(diào)質(zhì)腔內(nèi)的時間大于1 min。最后，經(jīng)充分調(diào)質(zhì)過的物料經(jīng)過漏料口進入雙螺桿擠壓膨化腔內(nèi)進行膨化。在蒸汽調(diào)質(zhì)過程中，通過蒸汽調(diào)節(jié)口的大小來控制物料的熟化程度，如圖4所示。

1.入料口 2.蒸汽調(diào)節(jié)開關(guān) 3.蒸汽入口 4.調(diào)質(zhì)機架 5.調(diào)質(zhì)攪龍 6.漏料口 7.觀察口 8.電機

2.4 雙螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

主要由螺桿、螺套、模頭等組成，其中雙螺桿均為左旋，同向旋轉(zhuǎn)。螺桿由4段組合而成，螺距分別為28、24、20、16 mm，其中螺桿輸送段導(dǎo)程設(shè)計為28與24 mm兩段，熔融段導(dǎo)程設(shè)計為20 mm，計量均化段導(dǎo)程設(shè)計為16 mm。螺紋為梯形螺紋，單頭螺旋。模頭為圓柱型，膨化后香菇產(chǎn)品為圓形，如表2所示。

表2 螺桿主要參數(shù)

3 材料與方法

3.1 材料與儀器設(shè)備

為驗證設(shè)備的膨化性能，2018年6月在江蘇南京農(nóng)業(yè)機械化研究所實驗室內(nèi)進行了香菇擠壓膨化性能試驗。試驗用香菇為南京市批發(fā)市場內(nèi)購買的鮮香菇，經(jīng)電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘干后進行粗粉，粗粉后的香菇粉經(jīng)氣流式超微粉碎機進行粉碎，使其粒度到達80目以上。玉米粉為批發(fā)市場購買，經(jīng)80目過篩使用。其他試驗設(shè)備有電子分析天平（上海精密科學(xué)儀器設(shè)備有限公司FA2204B）；101A-2E型數(shù)顯式電熱鼓風(fēng)干燥箱；氣流式超微粉碎機（北京科偉永興儀器有限公司）；雙螺桿擠壓膨化設(shè)備（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制）；MB27快速水分測定儀（奧豪斯儀器上海有限公司）；數(shù)顯千分尺（禾木五金機械設(shè)備公司）；Ta-XT2i/50物性測定分析儀（北京奧德盛世科技有限公司）。

3.2 試驗方法

依據(jù)香菇膨化食品加工工藝[17-18]，選取顯著影響物料理化性質(zhì)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的3個參數(shù)（螺桿轉(zhuǎn)速、膨化溫度、物料含水率）為試驗因素，以香菇膨化后的膨化率、硬度、脆度與吸水性為試驗值, 綜合驗證香菇雙螺桿擠壓膨化設(shè)備的主要性能。

產(chǎn)品膨化率以香菇膨化后產(chǎn)品直徑與?？谥睆降谋戎当硎?，其中香菇膨化產(chǎn)品直徑采用游標(biāo)卡尺進行10組測定，并取平均值。

產(chǎn)品膨化脆度和硬度測定[19]；用質(zhì)構(gòu)儀對香茹擠壓膨化產(chǎn)品進行質(zhì)構(gòu)分析，取樣品測定產(chǎn)品的硬度和脆度，采用HDP/3PB探頭，測前速度為1.0 mm/s，測試速度為1.0 mm/s，測后速度為10.0 mm/s，測10次取平均值。

產(chǎn)品吸水性測定；將膨化樣品研磨粉碎后過60目（180m）篩，稱取2 g（0）放入已知質(zhì)量的離心管1，加入10 mL蒸溜水，震蕩，直至膨化物完全分散，靜置15 min，使水分被物料充分吸收，于4 200 r/min再離心15 min，將上清液全部倒入已知質(zhì)量為2的干燥稱量瓶中，在105 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒質(zhì)量，稱量質(zhì)量為3，離心管加沉淀質(zhì)量為4，則吸水性公式為

每個樣品進行3次測定；取平均值。

3.3 試驗設(shè)計

徐興陽等[20]研究發(fā)現(xiàn)，純香菇粉擠壓膨化后的產(chǎn)品又細又短，基本達不到膨化食品的要求，且膨化后的產(chǎn)品無法達到酥脆性，顏色偏深，具有很濃的糊香味。通過試驗得出，混合物料中香菇粉的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，因此，本研究以香菇粉100 g，總物料400 g混合物料進行試驗，以螺桿轉(zhuǎn)速、膨化溫度、物料含水率3個因素進行單因素試驗，考察3個因素對產(chǎn)品擠壓膨化度、硬度、脆度、吸水性的影響，各因素水平如表3所示：

1）物料含水率：通過快速水分測定儀測定原料中玉米粉含水率為12.7%，香菇含水率為9.5%?；旌衔锪现械乃痔罴恿堪慈缦鹿接嬎悖?/p>

合并得出：

式中為玉米粉質(zhì)量，g；為香菇粉質(zhì)量，g；（固定值100 g）；為水的添加量，g；為混合物料含水率，%。

2）機筒溫度：鄧力等[21]通過前期試驗發(fā)現(xiàn)，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)溫度的變化對擠出物料的物理化性質(zhì)影響不大。王亮等[22-23]研究表明，影響擠壓物料參數(shù)的決定性區(qū)域是Ⅲ區(qū)，因此將Ⅲ區(qū)溫度（以下稱為膨化溫度）作為研究因素是具有代表性的。因此，在試驗過程中將Ⅰ區(qū)溫度設(shè)定為60 ℃，Ⅱ區(qū)溫度設(shè)定為比Ⅲ區(qū)溫度低10 ℃的范圍之內(nèi)。

表3 單因素試驗因素水平

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取螺桿轉(zhuǎn)速1（150、170、190 r/min）、膨化溫度2（140、150、160 ℃）、物料含水率3（15%、17%、19%）3個因素作為試驗因素，以膨化率、硬度、脆度和吸水率作為響應(yīng)值，進行響應(yīng)面試驗，試驗因素水平編碼如表4所示。

表4 響應(yīng)面試驗因素水平

3.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

每次試驗設(shè)3個平行，取平均值。利用Design-Expert8.0.6.1軟件進行設(shè)計試驗，按照中心組合響應(yīng)曲面設(shè)計試驗方案，運用響應(yīng)面分析法探究樣機膨化效果各影響因素的相關(guān)性和交互作用規(guī)律。

4 結(jié)果與分析

4.1 試驗因素對膨化性能的影響

4.1.1 螺桿轉(zhuǎn)速對香菇膨化性能的影響

當(dāng)擠壓膨化溫度為150 ℃，物料含水率為17 %，螺桿轉(zhuǎn)速為130～210 r/min時，產(chǎn)品膨化率隨螺桿轉(zhuǎn)速先升后降，硬度和脆度逐漸升高，而吸水性變化較小，如圖5a所示。螺桿轉(zhuǎn)速較低時，物料受到的擠壓剪切力小，物料熔融效果較差，物料間的水分子不易發(fā)生溶脹，致使膨化效果不佳，進而導(dǎo)致硬度與脆度不高。螺桿轉(zhuǎn)速超過170 r/min時，物料在機筒內(nèi)的停留時間變短，造成物料受熱不均勻，導(dǎo)致產(chǎn)品的膨化度開始下降。

4.1.2 膨化溫度對香菇膨化性能的影響

當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為170 r/min，物料含水率為17%，膨化溫度為130～170 ℃時，產(chǎn)品硬度與吸水性逐漸降低，膨化率先升后降，脆度則一直升高，如圖5b所示。隨著機筒溫度的持續(xù)升高，物料在成型腔內(nèi)的熔融程度繼續(xù)增加，物料中的蛋白質(zhì)和淀粉發(fā)生變性，水分快速蒸發(fā)，造成膨化度與硬度下降，脆度升高。

圖5 各試驗因素對膨化性能的影響

4.1.3 物料含水率對香菇膨化性能的影響

當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為170 r/min，擠壓膨化溫度為150℃，物料含水率為13%～21%時，產(chǎn)品吸水性和脆度隨著物料含水率的增加而逐漸增大，而香菇膨化率和硬度則先增加后降低，如圖5c所示。當(dāng)物料含水率超過19%時，物料中的水分減弱了物料所受到的剪切作用以及物料對螺桿和膨化腔體內(nèi)部的摩擦力，降低了出料模口處物料的壓力，致使香菇膨化度和硬度降低。

4.2 響應(yīng)面法試驗結(jié)果分析

以膨化率、硬度、脆度和吸水性為指標(biāo)，采用響應(yīng)面法分析指標(biāo)對香菇雙螺桿擠壓膨化設(shè)備產(chǎn)品性能的影響。采用Design- Expert8.0.6.1中心組合設(shè)計[24-25]，設(shè)計三因素三水平共17個試驗點的響應(yīng)面，結(jié)果如表5所示，并進行多元回歸擬合，對其進行方差分析（表6）。

表5 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

注：為膨化率；為硬度；為脆度；為吸水性。

Note:is expansion rate;is hardness;is brittleness;is water absorption.

由方差分析可知，4個模型整體值均小于0.01，說明模型4個因素水平項總體顯著，即可用4個模型代替試驗真實點對試驗結(jié)果進行分析。4個模型失擬項的值分別0.426 2、0.065 5、0.080 9、0.283 1，都大于0.05，說明未知因素對試驗結(jié)果干擾很小，說明該方程與實際數(shù)據(jù)之間擬合性好。此外，通過統(tǒng)計學(xué)可知，4個模型的決定系數(shù)2分別為0.900 7、0.901 5、0.929 4、0.924 1，表明4個模型擬合度較高，響應(yīng)面分析結(jié)果可信度高。模型的變異系數(shù)值分別為1.87%、1.27%、6.83%和1.24%，表明模型的精密度好，本模型可預(yù)測與分析香菇雙螺桿擠壓膨化設(shè)備作業(yè)質(zhì)量的變化情況。

表6 試驗結(jié)果方差分析

注：<0.01（極顯著，**），<0.05（顯著，*），下同。

Note:<0.01( means highly significant, **),<0.05(means significant, *), the same below.

各因素對香菇膨化產(chǎn)品膨化率的顯著性依次為1、3、2；對香菇膨化產(chǎn)品硬度的顯著性依次為1、2、3；對香菇膨化產(chǎn)品脆度的顯著性依次為2、3、1；對香菇膨化產(chǎn)品吸水性的顯著性依次為2、3、1。

三維立體圖形的坡度大小反應(yīng)了響應(yīng)值對于所處條件的敏感程度[26]。由圖6a可知，當(dāng)香菇物料含水率處于0水平時，膨化率隨螺桿轉(zhuǎn)速增加先增大后減小，這是因為螺桿轉(zhuǎn)速的大小與香菇物料受到的擠壓力和剪切力呈正相關(guān)。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，香菇物料受到的擠壓剪切力也隨之增大，產(chǎn)品的膨化度逐步增大。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速增加到170 r/min時，物料在機筒內(nèi)的停留時間變短，致使物料受熱不均勻，導(dǎo)致物料的熔融性變差，擠壓膨化產(chǎn)品的膨化度開始降低。膨化率隨膨化溫度的升高先增后降，隨膨化溫度的升高，物料熔融程度加快，致使膨化率升高。當(dāng)溫度大于150℃時，物料在機筒內(nèi)消耗水分較多，導(dǎo)致黏度減小，膨化度降低，且易出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象。由圖6b可知，螺桿轉(zhuǎn)速與物料含水率存在交互作用。在擠壓膨化溫度處于0水平時，膨化率隨著物料含水率的增加先增加后降低，是因為隨著物料含水率的增大，物料熔融充分，當(dāng)物料擠出瞬間，水分快速蒸發(fā)，導(dǎo)致產(chǎn)品的膨化度增大。當(dāng)含水率超過17%以后，因水分過大，導(dǎo)致物料在機筒內(nèi)的停留時間變短，熔融不充分，致使膨化度開始下降。由圖6c可知，擠壓膨化溫度與物料含水率同樣存在交互作用。在螺桿轉(zhuǎn)速處于0水平時，膨化率隨著擠壓膨化溫度與物料含水率的增加均先增加后降低，且變化較為明顯。

圖6 各因素交互作用對膨化率響應(yīng)

4.3 參數(shù)優(yōu)化與驗證

為使香菇雙螺桿擠壓膨化設(shè)備作業(yè)性能達最佳，根據(jù)香菇擠壓膨化設(shè)備工作條件、性能要求和上述模型分析結(jié)果，利用Design-Expert8.0.6.1軟件對建立的數(shù)學(xué)模型進行優(yōu)化求解，

根據(jù)雙螺桿擠壓膨化設(shè)備實際生產(chǎn)要求，確定產(chǎn)品膨化率指標(biāo)要求大于3.8%，硬度指標(biāo)在15.00～25.00 N，脆度指標(biāo)在?12.00～?2 mm/cm2，吸水性指于大于300%，其他試驗因素根據(jù)單因素試驗結(jié)果限定其取值范圍。

優(yōu)化得到3個因素水平分別為：螺桿轉(zhuǎn)速為167.23 r/min，膨化溫度為151.68 ℃，物料含水率為16.83%時，模型曲面綜合響應(yīng)值最小，香菇膨化產(chǎn)品膨化率達4.04%，硬度達18.61 N，脆度達?8.46 mm/cm2、吸水性達313.86 %。

為驗證響應(yīng)面結(jié)果的可靠性，2018年8月中旬，在江蘇省揚州市揚州大學(xué)機械工程學(xué)院實驗室內(nèi)進行了香菇擠壓膨化的驗證試驗與實驗室現(xiàn)有設(shè)備的對比試驗。實驗室內(nèi)設(shè)備為普通雙螺桿擠壓膨化設(shè)備，無混合物料攪拌防堵裝置與蒸汽預(yù)熟裝置。工作時，需人工提前對香菇物料進行混合，然后放入輸送裝置內(nèi)進行輸送喂入，且輸送過程無蒸汽預(yù)熟工藝處理，直接進入擠壓膨化腔內(nèi)進行擠壓膨化。

將兩臺設(shè)備工作參數(shù)都設(shè)置為螺桿轉(zhuǎn)速170 r/min，膨化溫度150 ℃，物料含水率17%，同時進行生產(chǎn)率測定，如圖7所示。根據(jù)上述設(shè)定的試驗條件，通過3次試驗，測得香菇雙螺桿擠壓膨化設(shè)備的最大生產(chǎn)率為165 kg/h，最小為132 kg/h，符合樣機生產(chǎn)率設(shè)計要求，結(jié)果如表7。

圖7 性能試驗

表7 試驗對比結(jié)果

通過表7的試驗結(jié)果可知，在設(shè)定的試驗參數(shù)組合下，香菇的膨化率4.00%，硬度17.97 N，脆度?8.81 mm/cm2，吸水性302.84%，試驗值與模型預(yù)測的優(yōu)化值相對誤差均小于4%，基本達到預(yù)期目的，參數(shù)優(yōu)化模型合理。同時，香菇雙螺桿擠壓膨化設(shè)備與實驗室內(nèi)的現(xiàn)有設(shè)備相比，在提高物料送料的連續(xù)性與調(diào)質(zhì)熟化度的基礎(chǔ)上，膨化率提高25.00%，硬度降低48.21%、脆度提升40.55%、吸水性提高62.35%，測試試驗如圖7所示。

5 結(jié) 論

1）設(shè)計的喂料攪拌防堵裝置與蒸汽預(yù)熟調(diào)質(zhì)裝置實現(xiàn)物料穩(wěn)定送料與均勻調(diào)質(zhì)，提高設(shè)備產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量。

2）通過Design-Expert軟件進行三因素三水平響應(yīng)面試驗分析，得出影響香菇膨化率的顯著性順序依次為螺桿轉(zhuǎn)速、物料含水率、膨化溫度；影響香菇硬度的顯著性順序依次為螺桿轉(zhuǎn)速、膨化溫度、物料含水率；影響香菇脆度的顯著性順序依次為膨化溫度、物料含水率、螺桿轉(zhuǎn)速；影響香菇吸水性的顯著性順序依次為膨化溫度、物料含水率、螺桿轉(zhuǎn)速。

3）對回歸方程多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化分析，得出設(shè)備最佳工作參數(shù)組合為：螺桿轉(zhuǎn)速為167.23 r/min，膨化溫度為151.68 ℃，物料含水率為16.83%，在此最佳工作參數(shù)下的香菇膨化率4.04%，硬度18.61 N，脆度?8.46 mm/cm2、吸水性313.86%。將優(yōu)化后參數(shù)應(yīng)用于香菇擠壓膨化加工設(shè)備上進行生產(chǎn)驗證，現(xiàn)有設(shè)備相比，在提高物料送料的連續(xù)性與調(diào)質(zhì)熟化度的基礎(chǔ)上，膨化率提高25.00%，硬度降低48.21%、脆度提升40.55%、吸水性提高62.35%，表明優(yōu)化后的參數(shù)可指導(dǎo)香菇擠壓膨化機的實際生產(chǎn)。

[1] 張樹庭. 亞洲香菇生產(chǎn)的過去與現(xiàn)在[J]. 浙江食用菌，2010，18(5)：32－35.

Zhang Shuting. Past and present production of Asian shiitake lentinula edodes[J]. Zhejiang Shiyongjun, 2010, 18(5): 32－35. (in Chinese with English abstract)

[2] Ma G, Yang W, Zhao L, et al. A critical review on the health promoting effects of mushrooms nutraceuticals[J]. Food Science and Human Wellness, 2018, 7(2): 125－133.

[3] Du B, Zhu F M, Xu B J. An insight into the anti-inflammatory properties of edible and medicinal mushrooms[J]. Journal of Functional Foods, 2018, 47: 334－342.

[4] Kothari D, Patel S, Kim S K. Anticancer and other therapeutic relevance of mushroom polysaccharides: A holistic appraisal[J]. Biomed Pharmacother, 2018, 105: 377－394.

[5] 張宇凡，賈冬英，張茜，等. 香菇營養(yǎng)薯片的加工配方及主要工藝研究[J]. 食品工業(yè)科技，2006，27(4)：125－127.

Zhang Yufan, Jia Dongying, Zhang Qian, et al. Study on processing formula and main process of mushroom nutritional potato chips[J]. Food Industry Technology, 2006, 27(4): 125－127. (in Chinese with English abstract)

[6] 張梅. 香菇調(diào)味品的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 食品科技，2007，32(10)：172－174.

Zhang Mei. Advances in the study on Lentinula edodes condiment[J]. Food Technology, 2007, 32(10): 172－174. (in Chinese with English abstract)

[7] 趙鳳芹，申德超. 擠壓膨化參數(shù)對玉米秸稈纖維成分含量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41(10)：112－116.

Zhao Fengqin, Shen Dechao. Influence of extrusion system parameters on fiber content of maize straw[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(10): 112－116. (in Chinese with English abstract)

[8] 關(guān)正軍，申德超. 擠壓膨化工藝參數(shù)對玉米淀粉出酒率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(增刊1)：118－121.

Guan Zhengjun, Shen Dechao. Effect of parameters for extrusion and expansion process on the alcohol yield of maize starch[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(Supp.1): 118－121. (in Chinese with English abstract)

[9] 杜冰，陳悅嬌，李燕杰，等. 擠壓膨化對鐵觀音茶梗滋味和香氣成分的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(9)：381－384.

Du Bing, Chen Yuejiao, Li Yanjie, et al. Effects of extruding processing of Tieguanyin tea stem on its flavor and aroma components[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(9): 381－384. (in Chinese with English abstract)

[10] Qi P X, Onwulata C I. Physical properties, molecular structures, and protein quality of texturized whey protein isolate: Effect of extrusion temperature[J]. Journal of Dairy Science, 2011, 59(9): 4668－4675.

[11] Jackson L S, Jablonski J, Bullerman L B, et al. Reduction of fumonisin B1 in corn grits by twin-screw extrusion[J]. Journal of Food Science, 2011, 76(6): 150－155.

[12] 李楊，江連洲，吳海波，等. 擠壓膨化工藝參數(shù)對水酶法提取大豆總蛋白得率的影響[J]. 中國糧油學(xué)報，2009，24(12)：47－51.

Li Yang, Jiang Lianzhou, Wu Haibo, et al. Effects of extrusion parameters on recovery of soybean protein in extracted by aqueous enzymatic method[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2009, 24(12): 47—51. (in Chinese with English abstract)

[13] Jiang N, Zhang A Z, Yang R Q, et al. An experimental approach to optimize several processing conditions when extruding soybeans[J]. Animal Feed Science & Technology, 2011, 170: 277－283.

[14] 許進峰. ANSYS Workbench 15.0 完全自學(xué)一本通[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[15] 段海濤，李軍國，秦玉昌，等. 調(diào)質(zhì)溫度及?？组L徑比對顆粒飼料加工質(zhì)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(11)：278—283.

Duan Haitao, Li Junguo, Qin Yuchang, et al. Effects of conditioning temperature and length-diameter ratio of ring die on quality of pelleted feeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(11): 278—283. (in Chinese with English abstract)

[16] 佟立濤，高曉旭，王立，等. 調(diào)質(zhì)大米半干法磨粉制備鮮米粉及其品質(zhì)測定[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(23)：332－338.

Tong Litao, Gao Xiaoxu, Wang Li, et al. Preparation of fresh rice noodles using rice prepared by tempering moisture and semi-dry milling method and determination of its quality[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(23): 332－338. (in Chinese with English abstract)

[17] 于殿宇，王彤，王旭，等. 擠壓膨化預(yù)處理工藝優(yōu)化提高大豆蛋白粉品質(zhì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(4)：285－292.

Yu Dianyu, Wang Tong, Wang Xu, et al. Optimal extrusion pretreatment process improving quality of soybean protein powder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 285－292. (in Chinese with English abstract)

[18] 劉增強，鄧林爽，丁文平，等. 變溫壓差膨化干燥香菇脆片的工藝優(yōu)化[J]. 食品工業(yè)科技，2018，39(20)：186—193，199.

Liu Zengqiang, Deng Linshuang, Ding Wenping, et al. Optimization of varying temperature and pressure puffing drying for Lentinus edodes chips [J]. Science and Technology of Food Industry, 2018, 39(20): 186－193, 199. (in Chinese with English abstract)

[19] 馬亮，王新文，秦永林，等. 雙螺桿擠壓設(shè)備的特征及應(yīng)用[J]. 糧食與食品工業(yè)，2007，14(5)：35－38.

Ma Liang, Wang Xinwen, Qin Yonglin, et al. Characteristics and applications of twin-screw extruder[J]. Cereal and Food Indutry, 2007, 14(5): 35－38. (in Chinese with English abstract)

[20] 徐興陽，梁文明，邵卓，等. 香菇粉擠壓膨化產(chǎn)品研發(fā)及其性質(zhì)研究[J]. 食品研究與開發(fā)，2016，37(1)：85－89.

Xu Xingyang, Liang Wenming, Shao Zhuo, et al. Study of the optimal conditions and characteristics of mushroom extrusion product[J]. Food Research and Development, 2016, 37(1): 85－89. (in Chinese with English abstract)

[21] 鄧力，何臘平，李秋萍，等. 雙螺桿擠壓復(fù)合糧米的工藝優(yōu)化[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊），2013(11)：35－39.

Deng Li, He Laping, Li Qiuping, et al. Optimization of twin- screw extrusion process of composite grains-rice[J]. Academic Periodical of Farm Products Processing, 2013(11): 35－39. (in Chinese with English abstract)

[22] 王亮，周惠明，錢海峰. 擠壓條件對谷物早餐質(zhì)構(gòu)的影響[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，27(2)：100－104.

Wang Liang, Zhou Huiming, Qian Haifeng. Effect of extruding conditions on texture of breakfast cereals[J]. Journal of Jiangsu University: Natural Science Edition, 2006, 27(2): 100－104. (in Chinese with English abstract)

[23] 張守文，續(xù)彥鳳. 大米豆粕和燕麥復(fù)合擠壓工藝參數(shù)的研究[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊），2011(11)：109－112.

Zhang Shouwen, Xu Yanfeng. Optimization of the operating parameters of complex extrusion of rice, soybean meal and oat[J]. Academic Periodical of Farm Products Processing, 2011(11): 109－112. (in Chinese with English abstract)

[24] 張群飛，徐大倫，楊文鴿. 響應(yīng)面法優(yōu)化堿性蛋白酶酶解蝦籽的工藝條件[J]. 核農(nóng)學(xué)報，2014，28(5)：876－882.

Zhang Qunfei, Xu Dalun, Yang Wenge. Optimization of the enzymatic hydrolysis of centropages mcmurridi with alkaline protease via response surface method [J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2014, 28(5): 876－882. (in Chinese with English abstract)

[25] Rastogi N K, Rashmi K R. Optimization of enzymatic liquefaction of mango pulp by response surface methodology[J]. European Food Research and Technology, 1999, 209(1): 57－62.

[26] 姬長英，蔣思杰，張波，等. 辣椒熱泵干燥特性及工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(13)：296－302. Ji Changying, Jiang Sijie, Zhang Bo, et al. Heat pump drying properties of chili and optimization of technical parameters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(13): 296－302. (in Chinese with English abstract)

Design and test of twin screw extruder for Lentinus edodes

Wang Mingyou, Song Weidong※, Ding Tianhang, Wang Jiaoling, Zhou Dehuan, Wu Jinji

(210014,)

China is the largest producer and exporter of Lentinus edodes in the world. To improve its market value, twin-screw extrusion and expansion machine has been developed to further process the Lentinus edodes. To resolve the problems of blockage, low prematurity and missing operation parameters of this machine in producing Lentinus edodes pufferent, we presented an improved twin-screw extrusion and expansion machine in this paper to lower puffer ability, improve water absorption and reduce its hardness. The equipment consists of a frame, a mixing device, a feeding device, a tempering device, a heating device, an extruding and bulking device and a rotary cutting device. It is equipped with a cooling system, a lubricating system, a transmission system, a control system and a pressure detection system. Design and determination of the anti-blocking device for the feed mixing device, the pre-maturing and tempering device, and the structural parameters of the twin screw were conducted. In order to investigate the influence of operation parameters on swelling performance of the product, the Box-benhnken combined test method was used to study the working parameters of the double screw extruder. The effects of screw speed, extrusion temperature and water content on the swelling rate, hardness, brittleness and water absorption of the expanded product were analyzed, and the determinants were optimized. The results showed that, based on the level of the significance, 1) factors affecting the expansion rate were ranked in material water content > expansion temperature > screw speed, 2) factors affecting hardness were ranked in material moisture content > screw speed > swelling temperature, 3) factors affecting brittleness were ranked in material moisture content > screw speed, 4) factors affecting water absorption were ranked in material moisture content > swelling temperature > screw speed. The optimal operating parameters were: screw speed 167.23 r/min, swelling temperature 151.68℃, material moisture content 16.83%. Under these conditions, the swelling rate, hardness, brittleness and water absorption of the product were increased by 4.04%, 18.61 N, -8.46 mm/cm2and 313.86% respectively, compared to the traditional machine. Practical application of the optimized parameters revealed that the error between the optimized productivity and real productivity was less than 4%, with the maximum productivity being 165 kg/h. Compared with the existing equipment in the laboratory at School of Mechanical Engineering in Yangzhou University, the designed machine increased the swelling rate, brittleness, water adsorption and brittleness by 25.00%, 40.55% and 62.35% respectively, while reducing the hardness by 48.21%. Therefore, the design of this machine can provide relatively mature technical equipment for the development of mushroom swelling products.

agricultural products; processing; machines; Lentinus edodes; extrusion; design

2019-07-31

2020-01-20

中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程特色農(nóng)產(chǎn)品干制與加工團隊、中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費（S201617）聯(lián)合支持。

王明友，助理研究員，主要從事食用菌生產(chǎn)與加工技術(shù)裝備研究。Email：wmyss@126.com

宋衛(wèi)東，研究員，主要從事食用菌生產(chǎn)加工技術(shù)裝備研究。Email：songwd@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.034

TS203; TS201.1

A

1002-6819(2020)-05-0293-09

王明友，宋衛(wèi)東，丁天航，王教領(lǐng)，周德歡，吳今姬. 香菇雙螺桿擠壓膨化機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(5)：293－301. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.034 http://www.tcsae.org

Wang Mingyou, Song Weidong, Ding Tianhang, Wang Jiaoling, Zhou Dehuan, Wu Jinji. Design and test of twin screw extruder for Lentinus edodes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 293－301. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.034 http://www.tcsae.org