雙螺桿擠壓過程中停留時間分布的測定及影響因素研究

崔維真 - 陶海騰 - 崔 波

(齊魯工業(yè)大學(xué)〔山東省科學(xué)院〕食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟南 250353)

食品擠壓是將食品原料經(jīng)粉碎、調(diào)濕、混合等預(yù)處理后，在高溫條件下被螺桿擠壓剪切、摩擦等機械作用強制通過模具，由于強大的壓力差及溫度驟降使其膨化，從而得到疏松、多孔的膨化產(chǎn)品的過程。擠壓加工效率高、成本低、無化學(xué)污染，經(jīng)擠壓處理后的產(chǎn)品擁有消化吸收率高、營養(yǎng)素損失少、貨架期長等特點[1-2]。擠壓加工是通過螺桿擠壓機完成的，按螺桿數(shù)量不同，主要分為單螺桿和雙螺桿兩種。最初廣泛應(yīng)用的是單螺桿，主要用于意大利通心粉、灌腸等，但加工能耗高，產(chǎn)品形態(tài)單一[3]。相對于單螺桿，雙螺桿能耗低，原料適應(yīng)性好，通過工藝調(diào)節(jié)可以生產(chǎn)多種不同狀態(tài)的產(chǎn)品，能較好的改變產(chǎn)品的品質(zhì)[4]。目前雙螺桿擠壓不僅被廣泛應(yīng)用于豆類蛋白組織化[5-6]，以及雜糧[7-8]、肉類[9-10]等擠壓膨化食品的加工，而且被用于蛋白質(zhì)改性[11-12]、淀粉改性[13-14]、纖維改性[15-16]、細胞破壁[17-18]等方面。

停留時間分布(residence time distribution，RTD)是指物料從進入擠壓腔開始，到離開?？跒橹?，熔融態(tài)原料在擠壓機中停留的時間的流動狀態(tài)分布情況，決定了生化反應(yīng)程度的大小和最終擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量，被認為是擠壓加工過程中的重要參數(shù)。通過RTD的測定建立數(shù)學(xué)模型，分析物料在擠壓機內(nèi)的流體狀態(tài)，可以將產(chǎn)品品質(zhì)與操作參數(shù)有機關(guān)聯(lián)[19]。糧豆類是擠壓加工食品的常用原料，其主要成分為淀粉和蛋白屬于大分子復(fù)合物，在擠壓力、剪切力、摩擦力等雙螺桿擠壓作用力下，發(fā)生分子鏈斷裂、重組、糊化等眾多結(jié)構(gòu)變化，由于雙螺桿比單螺桿的能耗低，具有更短的RTD，細微差異可能導(dǎo)致不同的產(chǎn)品品質(zhì)，如疏松多孔組織、結(jié)構(gòu)纖維化、重組致密化[20-22]，這就對RTD的研究提出了更精準的要求。

文章擬對國內(nèi)外對RTD的測定及影響因素的研究成果進行分析比較，以期闡明擠壓加工參數(shù)對糧豆類物料RTD分布的影響，為后續(xù)擠壓食品品質(zhì)形成機理深入研究提供理論依據(jù)。

1 測定方法

目前，RTD主要通過指示劑來測定的，即在擠壓加工過程中，將指示劑按一定的輸入方式加入，觀測在系統(tǒng)出口的指示劑濃度隨時間的變化，從而分析食品物料在擠壓腔內(nèi)流體特性，有脈沖法、階躍法、周期輸入法和隨機輸入法[23]。由于前兩種方法操作方便，便于處理數(shù)據(jù)，所以應(yīng)用最廣泛。

(1) 脈沖法：當擠壓機達到穩(wěn)定狀態(tài)，在t=0時瞬時加入指示劑，并對輸出的量進行觀測，直至指示劑全部從出口輸出。脈沖法的關(guān)鍵是要在一瞬間(即時間間隔為0)，就將全部指示劑均勻地加入到進料截面中去。

(2) 階躍法：將一定濃度的指示劑提前均勻混入物料中，當擠壓機達到穩(wěn)定狀態(tài)，瞬間進行兩種物料的切換，先發(fā)純物料后切換成指示劑物料，觀測指示劑從無到有的變化稱為階升法，反之為階降法。階越法關(guān)鍵是兩種物料切換要快，盡量不影響穩(wěn)定擠壓加工狀態(tài)。

1.1 指示劑的選擇

指示劑的選擇直接影響RTD測定的精確度，需要滿足兩個要求：① 示蹤劑不影響被測物質(zhì)在桶內(nèi)的流動特性；② 指示劑擁有容易檢測的理化特性，如色度差、熒光性、導(dǎo)電率等，不同指示劑使用的檢測方式不盡相同。常用的指標劑如表1所示。

表1 RTD測定常用指示劑

Table1 Common indicators on RTD determination

類型研究人員原料指示劑檢測方式有色染料Schmid等[24]小麥粉胭脂紅色度計Likimani等[25]玉米淀粉/大豆蛋白混合玫瑰紅測色度Ziegler等[26]巧克力咖啡比色法Seker[27]玉米淀粉胭脂紅鈉色度計Xu等[28]米粉赤蘚紅鈉比色法張波[29]大豆蛋白炭黑色度計無機鹽Unlu等[30]玉米粉KCl測電導(dǎo)率張蕊等[31]糖漿KCl電導(dǎo)率儀放射性物質(zhì)Mange等[32]小麥粉42KNO3同位素追蹤其他類型Eitzlmayr等[33]光滑粒子無需指示劑開源粒子模擬器lIGGGHTS熊輝等[34]聚乙烯色母粒光纖傳感器Tomás等[35]大分子聚合物色母粒光敏電阻(LDR)傳感器Wook等[36]聚合物CaCO3無損超聲設(shè)備

由表1可知，由于食品擠壓膨化主要的原料是糧豆類，淀粉和蛋白為主要成分的普遍使用有色染料作為示蹤劑，從染色的擠出物中浸提染料，通過比色法/色差法測定RTD，該方法操作簡單方便，有色染料具有便宜易得，樣品容易處理，且不會造成擠壓機和原料的污染，但有些耗時，而且測定滯后；無機鹽也是常用的一種示蹤劑，與有色染料相比，由于其導(dǎo)電性好，更容易被檢測，但化學(xué)物質(zhì)不適宜用于以食品原料為主的檢驗，主要原因是可能對擠壓機造成損害；放射性物質(zhì)雖然可以對擠壓機的樣品進行實時追蹤，但由于價格昂貴，而且存在污染和輻射危險，不常在實際操作中使用；而模擬器雖然能較好地模擬物料在系統(tǒng)內(nèi)的流動行為，但由于改裝設(shè)備投入較大，并不通用于所有擠壓生產(chǎn)設(shè)備，目前仍在研究階段，沒有被廣泛應(yīng)用。

1.2 主要參數(shù)

隨著擠壓膨化后的樣品出機筒時間不同，與原料混合示蹤劑的濃度發(fā)生變化，被擠出的樣品中示蹤劑的濃度變化反映了食品在機筒內(nèi)的流動狀態(tài)及RTD。樣品測定點處示蹤劑的濃度，依據(jù)示蹤劑濃度與色差值之間的方程關(guān)系進行計算[37]。其中，E曲線是對示蹤劑在機筒內(nèi)變化最直接的曲線，可以反映以大分子蛋白及淀粉為主的物料停留時間的變化及縱向混合程度；F曲線是示蹤劑的累積量變化曲線，可以用于數(shù)學(xué)擬合以改善擠壓參數(shù)；平均停留時間和方差可用于增加數(shù)據(jù)的準確度；波克列準數(shù)可將食品的流動狀態(tài)以數(shù)據(jù)的方式直觀展現(xiàn)，增加數(shù)據(jù)可信度[38]。

1.2.1E曲線E曲線呈倒U型，隨著時間的變化示蹤劑在出口處先增加，達到峰值后減小，E曲線的峰值表示示蹤劑濃度最高值，它與食品組成成分及擠壓參數(shù)的變化相關(guān)[39]。E曲線的半峰寬度表示物料在體系內(nèi)停留時間長短以及縱向混合量的大小，擠壓過程中，半峰寬度小表示縱向混合量小，物料沒有充分混合熔融，膨化效果差；半峰寬值大，表示物料在擠壓腔內(nèi)擠壓時間長，縱向混合性好，但是以淀粉和蛋白為主要成分的物料在機筒內(nèi)停留時間過長，會出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，影響最終產(chǎn)品品質(zhì)。E曲線的峰底寬表示擠出機的自潔作用大小，合適的峰底寬度可以避免食品在擠壓機中停留時間過長，熔融的食品在螺桿和機筒的沉積和粘附會增加機械損耗[40]。因此對于食品擠壓，可通過E曲線的變化對應(yīng)不同物料組成取適當值，從而達到改善擠壓食品品質(zhì)的目的。

1.2.2F曲線 累積停留時間分布函數(shù)F(t)是依據(jù)E(t)曲線進行計算的，F(xiàn)(t)曲線表示食品在機筒內(nèi)的流動狀態(tài)，被認為是擠出機噴嘴出口處的示蹤劑濃度的累積量和時間，代表這一瞬間以前C曲線下面的面積，并對F曲線進行歸一化處理，以便進行比較分析。樣品在機筒內(nèi)的流動狀態(tài)基于兩種理想狀態(tài)的流動形式中間：柱塞式和完全混合式(圖1)。使用F曲線與擠壓模型公式進行擬合，常用的模型為CSTRs系列模型[41-42]、Wolf-Resnick模型[43]、Wolf-White模型[44]、Yeh-Jaw模型[45]、Logistic模型[46]等，可以在理論上優(yōu)化擠壓參數(shù)，達到優(yōu)化產(chǎn)品的目的。

1.2.3 平均停留時間及方差 平均停留時間(tm)及其方差(σ2)也是RTD的重要參數(shù)。粒子停留時間的所有值都可以通過將單獨停留時間除以平均停留時間進行歸一化，或用其實時值進行評估[47]。

1.2.4 波克列準數(shù) 混合狀態(tài)通常用波克列準數(shù)(Pe)表示，用于描述軸向分散程度，是平均軸向?qū)α鱾鬟f和擴散傳遞的比值。Pe越大，曲線越窄，軸向分散程度越低[48]。當接近于無窮大時，類似于柱塞式；當接近于0時，類似于完全混合式。

不同于分子結(jié)構(gòu)單一的工程塑料擠壓聚合，糧豆類物料中的蛋白和淀粉分子量巨大，分子鏈長，分子結(jié)構(gòu)變化多樣，因此上述的函數(shù)計算公式只能大致推算，推算出的 RTD不能很好預(yù)測食品擠壓的反應(yīng)與流動狀態(tài)，后續(xù)還需要開發(fā)適合食品原料擠壓的函數(shù)及修正計算方法，用以精確的分析RTD。

圖1 F曲線表示的兩種理想流動狀態(tài)

Figure 1 Two ideal flow conditions expressed byFcurves

2 影響因素

擠壓屬于連續(xù)反應(yīng)的加工過程，除了食品原料成分不同造成RTD的變化[49]，溫度、水分、螺桿構(gòu)型、螺桿轉(zhuǎn)速、?？壮叽纭⑽沽纤俣鹊葦D壓參數(shù)，都會影響擠壓腔內(nèi)的摩擦力、剪切力、壓力，進而影響原料及產(chǎn)品的流變學(xué)特性，從而造成物料在擠壓腔內(nèi)RTD的區(qū)別。

2.1 水分

水分含量是擠壓加工的主要參數(shù)，擠壓初始隨著溫度的升高，對于以淀粉、蛋白為主的糧豆類原料，水分具有較好的傳熱性能，水分含量越高，通過水分在淀粉及蛋白的均勻混合實現(xiàn)對物料充分加熱，形成混合結(jié)構(gòu)快速達到熔融態(tài)；水分含量較高時同時起到潤滑的作用，降低了物料、套筒、螺桿之間的摩擦，物料在機筒內(nèi)的流動性越強，RTD越短。陳鋒亮[50] 13-19研究擠壓植物蛋白發(fā)現(xiàn)，水分含量較低時的E曲線波動明顯，隨著物料水分含量增加，E曲線變得逐漸光滑；當物料水分增加時，E曲線寬度變窄，峰度增加，此時平均停留時間大幅度減小。E曲線均介于柱塞流曲線和全混流曲線之間，流動狀態(tài)隨物料水分含量的增加變化不大，趨向于柱塞流。Sisay等[39]、Chen等[51]在研究中提到有相似的發(fā)現(xiàn)，即進料水分含量越高，RTD越低。但Kumar等[52]研究發(fā)現(xiàn)，RTD在其他變量保持不變時，平均停留時間隨著水分含量的增加而增加。水分過高導(dǎo)致物料黏度增大，附著在擠壓腔及螺桿，從而阻礙食品的流動，E曲線延長，RTD增大。

水分作為擠壓加工可調(diào)節(jié)的技術(shù)參數(shù)，不僅對RTD影響大，而且影響著淀粉糊化、蛋白組織化等復(fù)雜的品質(zhì)變化過程，現(xiàn)有的研究大多集中在水分含量、溫度變化趨勢這些普通變量上，在水分pH值、水分礦物質(zhì)、水分滲透速度等細節(jié)變量上關(guān)注得少，導(dǎo)致具體影響機理還不是很明晰。

2.2 溫度

溫度對以食品為原料RTD的影響主要體現(xiàn)在改變其物理狀態(tài)，通常協(xié)同水分對擠壓過程中RTD造成影響。陳鋒亮[50] 22-27研究發(fā)現(xiàn)，溫度增加會使E曲線向左上方偏移，流動狀態(tài)由完全混和流趨向于柱塞流。Kumar等[52]發(fā)現(xiàn)，溫度由120 ℃升高到140 ℃會使物料在機筒內(nèi)的RTD升高，這是因為溫度過高后，蛋白組織化或淀粉糊化提前，混合后使流動性降低，與擠壓腔及螺桿摩擦力增加，RTD延長。Shan等[53]通過研究不同種類的面粉擠壓過程中的流動特性及物理性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)機筒溫度的升高降低了RTD。隨著溫度的持續(xù)增加，RTD不會一直降低，反而呈增加趨勢。范玉艷等[54]在擠壓過程中研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，RTD跨度呈先升高后降低趨勢，在擠壓機末端溫度為70 ℃時的RTD跨度最大。宋超洋[55]發(fā)現(xiàn)，溫度高于160 ℃后繼續(xù)升高會使淀粉由穩(wěn)定糊化狀態(tài)轉(zhuǎn)向降解狀態(tài)，顆粒解體后重新分散在水中，糊化度降低，從而使RTD降低。溫度的變化對RTD的影響，主要是促進物料中水分的蒸發(fā)、淀粉的糊化和蛋白性質(zhì)的變化。

需要指出的是，現(xiàn)有大多數(shù)研究成果是通過電加熱的試驗機得到的，而大多數(shù)工廠投入生產(chǎn)的擠壓機是蒸汽加熱，兩種加熱方式的效果有差異，忽略了蒸汽加熱的特有指標，如蒸汽飽和度、壓力、管路布局等，這是后續(xù)研究需要補充的。

2.3 螺桿構(gòu)型

目前，雙螺桿擠壓機一般采用組合式，即由不同的元件排列組合，形成不同構(gòu)型的螺桿，這也是影響RTD的主要因素，螺桿元件的類型及其排列組合均對RTD有顯著影響，貢獻率可達70%以上[56-58]。

2.3.1 螺桿元件的類型 螺桿元件主要有輸送元件、捏合元件、齒形元件3種類型。輸送元件一般呈螺紋形，分兩種類型：1.5D～2.0D大螺距，輸送速度快，RTD短；0.25D～0.75D小螺距，輸送速度慢，RTD長[59]。輸送元件分為正向和反向兩種類型，反向元件與模頭方向逆向輸送，形成反向壓力，起到封閉熔體的作用。捏合元件捏合盤厚度的作用類似于輸送元件的螺距越厚，RTD越短，左旋捏合元件作用類似反向輸送元件[60]。齒形元件，因形似多個齒輪集合在一起，起到渦輪混合作用，但齒輪之間存在間隙、互不嚙合，形成反向壓力小，齒形元件的RTD比捏合元件短。

2.3.2 螺桿元件的排列組合 配置反向元件、增加捏合元件、增加反向元件的長度等調(diào)整螺桿構(gòu)型措施，會加強螺桿阻流性能，可以有效增加螺桿填充度，降低螺桿的輸送性能，樣品的停留時間增加。較長的反向元件組成的螺桿會使得物料在機筒內(nèi)的混合程度增加，RTD顯著增加。反向元件距模頭的距離和元件間距越大，食品達到熔融態(tài)越早，蛋白質(zhì)和淀粉黏度增加，E曲線延長[61-62]。物料熔融后環(huán)繞前進，到達嚙合區(qū)剪切應(yīng)力使熔體充分混合，過渡段熔體在螺桿頭的影響下形成渦流，導(dǎo)致已形成熔融態(tài)的蛋白或淀粉滯留，可能是引起焦糊的原因[63]。

螺桿構(gòu)型差異使擠壓食品呈現(xiàn)不同的品質(zhì)狀態(tài)，但由于螺桿運轉(zhuǎn)與擠壓腔的耐受度、電機的功率、加熱方式等其他單元具有一定的配套性，調(diào)整螺桿構(gòu)型有可能涉及整體設(shè)備改造，工作量大，故在生產(chǎn)上一般很少調(diào)整螺桿構(gòu)型，對RTD的影響在試生產(chǎn)前進行探討。

2.4 螺桿轉(zhuǎn)速

螺桿轉(zhuǎn)速是擠壓加工最靈活的過程變量之一，螺桿轉(zhuǎn)速提高縮短了物料在擠壓腔內(nèi)滯留的時間，增加進料通過擠出機的前推力[64-65]。但螺桿轉(zhuǎn)速的變化，對擠壓產(chǎn)品特性影響不顯著，Xu等[28]在淀粉酶促擠壓浸提大米研究中發(fā)現(xiàn)增加螺桿轉(zhuǎn)速使E(t)曲線向左移動，并縮短了RTD，但E曲線的形狀保持相似。趙學(xué)偉等[66]通過對小米—豆粕復(fù)合擠壓中RTD的測定和分析，發(fā)現(xiàn)RTD隨螺桿轉(zhuǎn)速增大而減小，螺桿轉(zhuǎn)速對σ2的影響很小或者不確定。Iwe等[67]研究發(fā)現(xiàn)，提高螺桿轉(zhuǎn)速，縮短了RTD，但是分散系數(shù)無顯著性差異。劉駿[68]、劉淑婷等[69]研究得出同樣的結(jié)論，當螺桿轉(zhuǎn)速較低時，隨螺桿轉(zhuǎn)速增加物料在膨化過程中受機械作用增大，顆粒結(jié)構(gòu)破壞明顯，淀粉較易糊化，RTD增大；反之，當螺桿轉(zhuǎn)速過快，物料在機筒內(nèi)吸收的熱量減少，淀粉糊化程度減少，RTD減小。

增加螺桿轉(zhuǎn)速對混合程度的影響不大，因為增加螺桿轉(zhuǎn)速并沒有很好地增加軸向混合，只是使食品的輸送速度加快。螺桿轉(zhuǎn)速與RTD的關(guān)系相對穩(wěn)定，當螺桿轉(zhuǎn)速提高時，RTD縮短，生產(chǎn)效率提高，但螺桿轉(zhuǎn)速提高會使得耗能提高、損耗加大，可以根據(jù)生產(chǎn)所需和螺桿壽命適當調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速。螺桿轉(zhuǎn)速還會對溫度產(chǎn)生一定的影響，螺桿轉(zhuǎn)速增加，螺桿與物料的摩擦力變大，產(chǎn)生熱量導(dǎo)致溫度升高，從而影響RTD，但這方面的研究不多。

2.5 ?？?/h3>

?？椎拇笮Q定著物料在機筒中受到的壓力的大小，影響著最終成型的產(chǎn)品擠出?？椎乃俣?，從而影響RTD及物料在機筒內(nèi)的分散程度。壓力沿擠出方向的分布規(guī)律為在模頭前壓力逐漸升高，在模頭后壓力逐漸降低，該規(guī)律主要受模頭處阻流作用的影響，從而影響物料在機筒內(nèi)的流動狀態(tài)[70-71]。在一定范圍內(nèi)，由于充模程度的降低，RTD隨著?？字睆降脑龃蠖鴾p小，但是?？走^大對RTD影響不大[72]。Chuang等[73]研究發(fā)現(xiàn)，增加?？字睆?，軸向分散程度增加，在?？字睆?0～40 mm時，壓力低于11.5 kPa；當?？字睆竭_到40 mm，壓力幾乎為0，說明隨著阻流作用的減弱，物料在機筒內(nèi)的軸向分散程度受到影響。

?？椎拇笮∮绊懯称敷w系出模頭時所受的壓力，不僅通過阻流食品擠出，影響食品分散程度，同時也決定著蛋白質(zhì)和淀粉中水蒸氣的迅速蒸發(fā)，進而對擠壓食品膨脹度、孔隙率等品質(zhì)有著決定性的影響?，F(xiàn)有的研究多集中在?？字睆竭@個單一參數(shù)，但實際生產(chǎn)過程中由于對不同食品外觀的需要，?？资遣灰?guī)則的，無法用直徑來衡量，建議后續(xù)采用模孔面積為研究指標。

2.6 喂料速度

喂料速度對物料在擠壓腔內(nèi)的流動狀態(tài)具有顯著影響，喂料速度較低時，RTD分布會更寬，F(xiàn)曲線更接近柱塞流，喂料速度會影響軸向分散，較高的進料速率提高了擠出機對自由空間的填充程度，使得粉狀物料在機筒內(nèi)被更快的壓實，從而縮短平均停留時間。喂料速度過高，則會使柱塞流所占的比例增大，混合程度減弱[52]。Iwe等[67]通過將機筒中大豆流量(400 g/kg)顯著增加，發(fā)現(xiàn)RTD降低，豆類物料在機筒內(nèi)的分散系數(shù)隨喂料速度的提高而減小。Gao等[74]發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速恒定條件下，增加喂料速率導(dǎo)致RTD曲線向左側(cè)方向移動并使曲線分布變窄。說明增加喂料量會減小軸向混合，改變喂料量可以更好地改變軸向混合效果。張汆[75]研究發(fā)現(xiàn)，增加喂料速度，C型空間被迅速填滿，導(dǎo)致擠出速度加快，RTD縮短；通過分析F(t)，喂料速度過高，降低蛋白在擠壓加工中的混合程度。喂料速度對 RTD 的影響是通過對擠壓機內(nèi)壁與螺桿間物料填充度起作用的，較高的喂料速度盡管會降低RTD，但不利于食品體系的混合。

目前對于喂料速度的研究只關(guān)注于擠壓腔的填充，而忽略了喂料倉內(nèi)物料的變化，尤其工業(yè)生產(chǎn)喂料倉巨大，將倉內(nèi)所有料泵出需要一定的時間。因此，后續(xù)需要研究喂料倉內(nèi)物料的理化變化規(guī)律，合理設(shè)計倉的容量體積，確保所有喂出的物料理化性質(zhì)一致。

3 展望

綜上所述，通過分析擠壓原料中指示劑在機筒內(nèi)的流動狀態(tài)測定RTD，從而建立數(shù)學(xué)模型，方法簡易可行，結(jié)果可靠性高。但由于構(gòu)成糧豆類物料主要成分的蛋白和淀粉，分子鏈很長，空間構(gòu)象復(fù)雜，擠壓加工涉及眾多物理化學(xué)過程，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型不能充分體現(xiàn)，需要進一步的完善。通過近些年的研究，初步掌握了操作參數(shù)對雙螺桿擠壓過程中停留時間分布的影響規(guī)律。隨著溫度/水分的增加，RTD呈先減少后增加趨勢，螺桿轉(zhuǎn)速、?？壮叽缗cRTD負相關(guān)，輸送功能螺桿構(gòu)型、喂料速度與RTD正相關(guān)。但由于雙螺桿擠壓反應(yīng)過程復(fù)雜，現(xiàn)有RTD研究不夠全面，忽略了很多變化的細節(jié)，如擠壓腔內(nèi)熔融體的理化特性變化、擠壓技術(shù)參數(shù)的互作用、營養(yǎng)組分的分子空間構(gòu)象變化等等。因此，關(guān)于RTD的研究還需要進一步的深入細化，建立系統(tǒng)完整理論體系，才能有效掌握擠壓食品品質(zhì)的形成規(guī)律。