豆粕擠壓膨化系統(tǒng)的試驗研究

豆粕擠壓膨化系統(tǒng)的試驗研究

食品的擠壓過程非常復(fù)雜。目前，螺旋擠壓機加工食品原料的壓縮理論尚不完整，也不能應(yīng)用于螺旋擠壓機的精確數(shù)學(xué)模型。很難從材料特征、擠壓機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和加工條件來預(yù)測擠壓機的工作和加工結(jié)果。實驗研究在評價黃巖食品擠壓機方面仍發(fā)揮著重要作用。本文通過試驗研究了?？卓讖?、物料濕度、螺桿轉(zhuǎn)速、機筒溫度這4個操作參數(shù)對各考察指標的影響,目的在于探索螺桿擠壓機的擠壓原理,促進擠壓膨化食品的開發(fā)。本試驗的結(jié)果對生產(chǎn)實踐具有指導(dǎo)意義。1材料和方法1.1近紅外分析方法SDP-45小型單螺桿擠壓膨化機、XMT數(shù)顯調(diào)節(jié)儀、AG-204分析天平、79725電熱恒溫干燥箱、BA7200連續(xù)光譜二級管陣列近紅外分析儀。試驗材料為低變性豆粕,80~100目,豆粕常規(guī)營養(yǎng)成分含量為:蛋白質(zhì)約為45%,粗纖維約為8%,脂肪約為2.7%。1.2蛋白質(zhì)、養(yǎng)殖指標水分含量參照GB5099.2-87,淀粉含量參照GB5009.8-85,蛋白質(zhì)含量參照GB5009.5-85,粗脂肪含量參照GB5009.6-85,粗纖維含量參照GB5512-85。膨化指數(shù)是指未經(jīng)干燥的擠出物直徑與?？字睆街取?試驗與結(jié)果分析2.1次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗設(shè)計根據(jù)原有的研究報道,并與現(xiàn)有擠壓機情況相結(jié)合,選擇3個因素,即物料的含水率、螺桿轉(zhuǎn)速、機筒溫度,作為擠壓工藝參數(shù)研究對象,同時選定五水平,采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計安排試驗,見表1。應(yīng)用二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計進行試驗數(shù)據(jù)的處理,分別獲得了以膨化指數(shù)、擠壓機的生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量為主要考察指標的回歸方程。式中:x1、x2、x3、y1、y2、y3分別代表物料含水率、螺桿轉(zhuǎn)速、機筒溫度、膨化指數(shù)、生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量。對正交試驗結(jié)果進行方差分析和顯著性檢驗。方程的顯著性水平均為A=0.1,方程都不失擬。2.2試驗結(jié)果的分析2.2.1膨化指數(shù)及設(shè)備檢驗根據(jù)式(1),并對其回歸系數(shù)進行方差分析及t檢驗可知:機筒溫度對膨化指數(shù)的影響最大,其次是物料含水率,螺桿轉(zhuǎn)速對膨化指數(shù)影響最小,機筒溫度和物料含水率對膨化指數(shù)的影響如圖1所示。2.2.2轉(zhuǎn)速和機筒溫度的影響根據(jù)式(2),并對其回歸系數(shù)進行方差分析及t檢驗可知:螺桿轉(zhuǎn)速對擠壓機的生產(chǎn)率的影響最大,其次是機筒溫度,物料含水率對擠壓機的生產(chǎn)率影響最小,螺桿轉(zhuǎn)速和機筒溫度對擠壓機的生產(chǎn)率的影響如圖2所示。由圖2可知:轉(zhuǎn)速對生產(chǎn)率的影響極為顯著。物料屬于剪切變稀型,即轉(zhuǎn)速越高、物料越稀,流動性越好。另外,隨著轉(zhuǎn)速的增高,物料的溫度也會升高,溫度升高會導(dǎo)致物料黏度下降,流動性得到改善。同時,溫度越高、壓降越低,逆流量和倒流量將減小。所以,生產(chǎn)率受轉(zhuǎn)速的影響是單調(diào)遞增的。生產(chǎn)率受機筒溫度的影響也很大。這是因為隨著溫度的增加,壓降下降,物料的逆流量和倒流量減小,所以生產(chǎn)率增高。2.2.3酶系統(tǒng)密度與轉(zhuǎn)速對物料含水率的影響,其造成的讓根據(jù)式(3),并對其回歸系數(shù)進行方差分析及t檢驗可知:螺桿轉(zhuǎn)速對度電產(chǎn)量的影響最大,其次是物料含水率,機筒溫度對度電產(chǎn)量影響最小,螺桿轉(zhuǎn)速和物料含水率對度電產(chǎn)量的影響如圖3所示。由圖3可知:轉(zhuǎn)速對生產(chǎn)率的影響極為顯著,轉(zhuǎn)速對耗電量的影響基本是單調(diào)遞減的,轉(zhuǎn)速越高,物料在機筒內(nèi)停留的時間就越短,物料所需的能量就越少;物料的含水率對耗電量的影響也比較顯著,在含水率大時,每千克物料消耗的耗電量也會隨之增大。2.3加工參數(shù)的優(yōu)化從上面分析的過程中可以看到,影響膨化機容重的因素很多,需通過優(yōu)化的方法找出其最佳性能指標下的工況參數(shù)。2.3.1測試指標實行優(yōu)化控制策略的最終目標是尋求經(jīng)濟效益最大化,因此,將膨化指數(shù)、生產(chǎn)率在對應(yīng)的約束條件下應(yīng)達到最大值、功耗應(yīng)達到最小值作為試驗指標。即滿足maxy1、maxy2、maxy3,此為多目標決策問題。其數(shù)學(xué)表達式為:其中:f(x)=f(x1,x2,x3)2.3.2轉(zhuǎn)速n的選擇本試驗優(yōu)化將含水率M限制在17%≤M≤33%、螺桿轉(zhuǎn)速N的選擇轉(zhuǎn)速的范圍是165r/min≤N≤335rmin、機筒溫度的限制范圍是105℃≤T≤135℃。2.3.3最佳工藝參數(shù)確定及模型擬合為了使各個分目標函數(shù)能均勻一致地趨向各自的最優(yōu)值,采用加權(quán)組合法來統(tǒng)一目標函數(shù)進行求解,根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗,膨化指數(shù)、生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量的加權(quán)因子分別取0.3、0.4、0.3。加權(quán)后的目標函數(shù)為:根據(jù)已建立的回歸數(shù)學(xué)模型,利用計算機規(guī)劃求解分析方法,對模型進行優(yōu)化求解,得出最佳工藝參數(shù)如下:當目標函數(shù)達到最小時,x1=0.4(實際含水率值27﹪);x2=0.9(實際轉(zhuǎn)速值295r/min);x3=1(實際溫度值130℃)。根據(jù)式(4),并對其回歸系數(shù)進行方差分析及t檢驗可知:螺桿轉(zhuǎn)速對綜合考察指標的影響最大,其次是機筒溫度,物料含水率對綜合考察指標影響最小,螺桿轉(zhuǎn)速和機筒溫度對擠壓機的生產(chǎn)率的影響如圖4所示。由圖4可知:轉(zhuǎn)速對綜合指標的影響極為顯著,轉(zhuǎn)速對綜合指標的影響基本是單調(diào)遞減的,轉(zhuǎn)速越高,物料在機筒內(nèi)停留的時間就越短,物料所需的能量就越少,單位時間內(nèi)的產(chǎn)量就越高;物料的含水率對考察指標的綜合影響相對小些。3擠壓加工工藝對豆?jié){膨化率的影響對豆粕擠壓膨化系統(tǒng)諸參數(shù)進行了研究,確定了最佳工藝參數(shù),對擠壓機在食品工藝中的實際應(yīng)用具