（食品科学与工程专业论文）中型双螺杆挤压膨化机生产组织蛋白的研究.pdf

摘要 组织蛋白作为更易直接被人体吸收的一种植物蛋白，蛋白质含量高，营养全面，蛋白质 质量较好，是一种全价蛋白，经深加工后的组织蛋白的蛋白质舍餐更高，有类似瘦肉一样的 纤维结构，是应用范围很广的健康食品制作原料，并且已经被广泛应用于肉制品、乳制品、 面制品、饮品、儿童食品、糖果、方便食品、冷冻食品等几十种食品中。 挤压膨化技术作为新型加工方法，其经济实用的特点，使其广泛应用于食品工业中。挤压 膨化机用于食品生产具有：i 二艺简单、一机多能、生产连续化、效率高、能耗低、投资少、收 效快的特点。生产出来的食品口感细腻、易消化吸收、营养成份损失少、贮藏时间长、不易 产生“回生”现象，食j 【_ | j 方便。目前，大豆组织蛋白的加：i ：主要采用挤压膨化法。 本课题研究的主要内容是以大豆分离蛋白为主要原料，根据大豆组织蛋白的特性，通过 改造传统挤压膨化机的螺杆部件，采用半干法来生产组织化大豆蛋白产品，通过试验的方法 对大豆蛋白的组织化：i ：艺进行了初步的研究。 研究中对中型食品挤压膨化机的螺杆部分进行了改造殴计，将原有的一体式双螺杆改造 为分段、可拆卸式螺杆，并增加剪切锁、阻流环等元件以适应大豆组织蛋白膨化的要求。通 过试验证明了用中型双螺杆挤压膨化机膨化大豆组织蛋白是可行的。 通过预试验和单因素试验找出了加工参数：物料含水率、螺杆转速、机筒温度正常生产 时的参数适用范围。应州二次回归正交旋转组合设计安排试验初步研究了挤压机螺杆转速、 物料含水率、机筒温度三个因素对产品剪切力和膨化度的影响情况，得出各自的数学模型方 程，通过因子贡献法得山影响产品剪切力的因素主次顺序为：螺杆转速 水分 温度；影响产 品膨化度的因素主次顺序为：温度 水分，螺杆转速。 对得到的回归方程分别以剪切力和膨化度为目标函数对两个回归方程用m a t l a b 软件进 行寻优，并考虑到实际加：f ：的情况，得到各自的最佳：i ：艺参数：物料含水率为3 2 ：螺杆转 速为8 0 r p m ；机筒温度为15 5 ，此时剪切力的理论最优值为4 2 8 ；物料含水率为3 0 ：螺 杆转速为1 0 0 r p m 机筒温度为1 5 2 c ，此时膨化度的理论最优值为24 8 。经过验证试验证明 两个回归方程是可靠的，可以用于实际生产的指导与预测。 综合考虑三个因素对剪切力和膨化度同时作用的结果，采用目标规划法将两个回归方程 拟合为一个方程，通过m a t l a b 软件寻优得到最终的优化结果：物料含水率为3 3 ：螺杆转速 为8 6 r p m ；机筒温度为i5 6 。c 时，产品剪切力和膨化度可以同时达到最佳状况。 关键词：大豆组织蛋白：挤压膨化：螺杆改造；蛋白组织化：参数优化 s t u d i e so np r o d u c i n gt e x t u r e ds o y p r o t e i nb ym e d i u m - - s i z e dt w i n - - s c r e we x t r u d e r a b s t r a c t t e x t u r e ds o yp r o t e i n ( t s p ) a sak i n do fp l a n tp r o t e i nw h i c hc a nb ea b s o r b e de a s i l yb yt h e h u m a nb o d yh a v es om a n yw o n d e r f u lc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hp r o t e i nc o n t e n t ，c o m p r e h e n s i v e n u t r i t i o n ，p r o t e i nq u a l i t yg o o d t e x t u r e ds o yp r o t e i nw i l lh a v eh i g h e rp r o t e i nc o n t e n ta f t e rd e e p p r o c e s s i n g t e x t u r e ds o yp r o t e i nh a v ef i b e rs t r u c t u r ej u s tl i k em u s c l e ，w h i c hh a v eaw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n i nh e a l t hf o o d s ，a n dh a v e b e e nw i d e l yu s e df o rm e a tp r o d u c t s ，d a i r y p r o d u c t s ， b e v e r a g e s ，c h i l d r e n sf o o d ，c o n f e c t i o n e r y , f a s tf o o d ，f r o z e nf o o da n ds oo n e x t r u s i o n t e c h n o l o g y a san e wp r o c e s s i n gm e t h o d ，i t s p r a c t i c a l a n d e c o n o m i c a l c h a r a c t e r i s t i c ，c a u s e si tw i d e l yu s e di nt h ef o o di n d u s t r yu s i n go ft h ee x t r u s i o nt e c h n o l o g yi nf o o d p r o c e s s i n gh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c s ，i n c l u d e ss i m p l i e rc r a f t ，l o w e rc o n s u m p t i o n ，m o r ee f f i c i e n ta n d l e s si n v e s t m e n t t h ep r o d u c t sb ye x t r u s i o nh a v et h ev a l u e s ，c o n t a i n i n gf e e l i n gd e l i c i o u s ，a b s o r b i n g e a s i l y ，a n dn o te a s yt or e t r o g r a d a t i o na tp r e s e n t ，t e x t u r e ds o yp r o t e i ni sm a i n l yp r o c e s s e db y e x t r u s i o n s o y b e a np r o t e i ni s o l a t ew a su s e dt op r o c e s st e x t u r e ds o yp r o t e i ni n t h i se x p e r i m e n tt h e e q u i p m e n tw eu s e di nt h ee x p e r i m e n ti sat r a d i t i o n a lt w i n - s c r e we x t r u d e rw h i c hi sm a i n l yu s e dt o p r o c e s sp u f f e df o o d i no r d e rt op r o c e s sh i g hq u a l i t yt e x t u r e ds o yp r o t e i n ，ar e f o r m a t i v es c r e wi s d e s i g n e df o re x p e r i m e n ta c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft e x t u r e ds o yp r o t e i nt h er e s u l to ft h i s e x p e r i m e n ts h o w st h a tp r o c e s s i n gt e x t u r e ds o yp r o t e i nt h r o u g hr e f o r m i n gt r a d i t i o n a le x t r u d e ri s f e a s i b l e t h ef a c t o r si n f l u e n c i n ge x t r u s i o ne f f e c ti nt h i se x p e r i m e n ta r em o i s t u r ec o n t e n t ，s c r e w s p e e da n de x t r u d i n gt e m p e r a t u r e t h er a n g eo ft h e s ef a c t o r sw a sf o u n db ys i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t r e g r e s s i o ne q u a t i o n sf o re x t r u d i n gc r i t e r i aa r ee s t a b l i s h e dt h r o u g ht h r e e - f a c t o rw i t hf i v e l e v e l q u a d r a t i cr e g r e s s i v eo r t h o g o n a lr o t a t o r ye x p e r i m e n t s t h ee f f e c t so fm o i s t u r ec o n t e n t ，s c r e ws p e e d ， e x t r u d i n gt e m p e r a t u r eo nd e g r e eo fs w e l l i n ga n ds h e a rf o r c e a r ed i s c u s s e d b ye s t a b l i s h i n ga m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ei n f l u e n c e so fp r i m a r yf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ee x t r u d i n gc r i t e r i ah a v eb e e n a n a l y z e dw i t hc u r v es u r f a c ef u n c t i o nb ya n a l y s i n gt h em o d e l s ，t h eo r d e ro ff a c t o r si m p o r t a n c ei s a r r a n g e d t h eo r d e ro ft h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es h e a rf o r c ei s ：t h es c r e ws p e e d t h em o i s t u r e c o n t e n t t h ee x t r u d i n gt e m p e r a t u r e ；a n dt h eo r d e ro f t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ed e g r e eo fs w e l l i n gi s ： t h ee x t r u d i n gt e m p e r a t u r e t h em o i s t u r ec o n t e n t t h es c r e ws p e e d f i n a l l y , t h et e c h n o l o g i cp a r a m e t e r sh a v eb e e no p t i m i z e d b yt h eo p t i m i z a t i o nt h e o r y t h e o p t i m u mp a r a m e t e r sa r ec o n f i r m e d t h eo p t i m u mp a r a m e t e r so fs h e a rf o r c ea r e ：t h em o i s t u r e c o n t e n t3 2 ，t h es c r e ws p e e d8 0 r p m ，t h ee x t r u d i n gt e m p e r a t u r e1 5 5 c ，t h et h e o r e t i c a lv a l u ei s 4 2 8 ，a n dt h eo p t i m u mp a r a m e t e r so ft h ed e g r e eo fs w e l l i n ga r e ：t h em o i s t u r ec o n t e n t3 0 t h e v i i 东北农业大学工学硕士学位论文 s c r e ws p e e d1 0 0 r p m ，t h ee x t r u d i n gt e m p e r a t u r et 5 2 c ，t h et h e o r e t i c a lv a l u ei s2 4 8 c o n s i d e r i n gt h eo p t i m u mp a r a m e t e r sa r ed i f f i c u l tt oc o n f i r mw h e nt h r e ef a c t o r sa f f e c tt h e e x t r u s i o ne f f e c ta tt h es a m et i m e w ec o m b i n e dt h et w or e g r e s s i o ne q u a t i o nb yt h em e t h o do fg o a l p r o g r a m m i n ga n dt h er e s u l t sw e r ec o n f i r m e dw i t ht h eh e l po fm a t l a bs o f t w a r e o nt h ec o n d i t i o n t h a tt h eq u a l i t yo fe x t r u d e dp r o d u c ti sg u a r a n t e e d ，t h ef i n a lo p t i m u mp a r a m e t e r sa r e ；t h em o i s t u r e c o n t e n t3 3 ，t h es c r e ws p e e d8 6 r p ma n dt h ee x t r u d i n gt e m p e r a t u r e15 6 ( 2 t h er e s u l t sw h i c hw e r e p r o v e db yt h ep r a c t i c a le x p e r i m e n t sa r ec r e d i b l e k e yw o r d s ：t e x t u r e ds o yp r o t e i n ；e x t r u s i o n ；r e f o r mo fs c r e w ；t e x t u r i z a t i o n ；o p t i m i z a t i o no f p a r a m e t e r s m a s t e rc a n d i d a t e ：l i uf u s h e n g m a j o r ：f o o ds c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i uy i v i i i 研究生学位论文独创性声明和使用授权书 研究生学位论文独创声明和使用授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ! 洼! 翅遗直基丝孟蔓蹙型岂盟的! 奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证书使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：匆f 省勃爵叟日期：五年莎月矽日 、j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学 校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 钊馅掩 剜数 日期：沙4 年肋日 日期：沙6 年6 肋日 日期：肋6 辟月斓 大豆组织蛋白( t s p ) 与双螺杆挤压膨化机是本课题研究的主要产品和设备。对大豆组 织蛋白特性和应用的了解及对双螺杆挤压膨化机结构组成、挤压原理等关于双螺杆挤压机基 本问题的了解是对其进行研究的前提。本部分将对其分别进行介耋 ，作为全文论述的基础和 准备。 1 1 本课题的立题背景 蛋白质是人类的重要营养素之一，大豆蛋白是理想的植物蛋白质( 倪震，2 0 0 2 ) 。近年来， 随着生活健康质量的逐步完善，人们越来越重视营养和保健，对健康食品的需求日益增加。 我国居民的饮食中，荤食传统上以动物肉为主，而动物肉脂却存在脂肪高、热量大、蛋白质 含量低的缺点，并不符合健康饮食的要求。据统计，目前我国居民的饮食中摄入的蛋白质量 比标准值低1 8 7 ，因此患肥胖症、高血压、糖尿病、心血管病的人数逐年增多。减少热量 和脂肪，增加蛋白质的摄入量是我国居民饮食结构调齄的当务之急( 刘永，2 0 0 2 ) 。 目前以植物蛋白取代动物蛋白制成食品可以满足不同人群对健康饮食的需求。植物蛋白 中又以大豆蛋白为首，大豆中蛋白质含量高达3 5 4 5 ( 段汝浩，1 9 9 9 ) ，而且含有人体所需 的8 种必需氨基酸，组成比例平衡，是世界最优质的植物蛋白质资源之一( 李里特，2 0 0 3 ) 。 传统大豆深加! 早己被人们重视，大豆组织蛋白、大豆浓缩蛋白、豆奶粉、功能性大豆蛋白、 大豆分离蛋白等都已经是市场上常见的产品。而近年来对大豆中含量很少的异黄酮、大豆低 聚糖等的开发更把大豆深加：l ：引向了深入。这些有重要药理和营养作用的产品已经显示出很 强的市场生命力，具有广阔的市场潜力。 对于人旺贷闩类产品米说，虽然我国市场j ! _ _ 很多，但存在着种类单一的缺点，和国外同 类产r 铺比较存在定的筹距。国外些较高档的产品国| = | 市场很雉见剑，即使有，火多都 是进口，我国在大豆蛋白产品的生产上存在着一定的技术空白。 本课题的研究内容主要是以分离蛋白为原料，根据大豆组织蛋白的特性，通过改造传统 挤压膨化机的螺朴结构采州、p “r 法米生产组织化人旦生向产希望通过实验来找到提高 人豆蛋白组织化的生产r 艺参数。为改善我国居民膳食结构，促进合理的健康饮食习惯，提 高全民的身体素质做出一份贡献。 1 2 本课题的目的与意义 蛋白源紧缺一直是人类发展面临的问题。在1 9 9 7 年1 2 月国务院办公厅转发国务院批准 的中国营养改善行动计划。制定的1 1 项具体目标中规定全国人均蛋白的日摄取是为7 2 克( 郭心义，2 0 0 4 ) 。目前状况最好的上海人均日量才仅为68 克。我国是大豆的故乡，大豆 蛋白资源丰富。根据国家有关部委联合编制的中国中长期食物发展战略研究的课题报告， 提出要“千方百计开发大豆蛋白质资源”和“充分挖掘大豆蛋白质资源潜力，改善我国人民 的膳食结构，提高食物蛋白质的数量和质量，增强人民体质，是我们当前迫切需要解决的问 题”( 刘永，2 0 0 2 ) 。 1 9 9 9 年1 0 月，美国食品与药物管理局( f d a ) 宣布健康通告：“每天食用2 5g 大豆蛋白质， 作为低饱和脂肪和低胆固醇膳食的一部分，可能减少患心脏病的危险”( 莫重文，2 0 0 1 ) 。批 东北农业大学工学硕士学位论文 准大豆食品为健康食品。并确认大豆食品可以预防乳腺、口腔、直肠等癌症，以及心血管病、 高血压、肥胖症等疾病的发病率，长期食用有益健康。 因此，大力开发大豆蛋白质资源是形势所需，特别是我国加入w t o 后，如何开发高层 次、附加值高的大豆蛋白产品以提高我国食品行业的竞争力是目前不可忽视的研究课题，具 有重要的战略意义( 刘永，2 0 0 2 ) 。这为开发营养健康的食品行业的发展提供了广阔的市场空 间。目前，从食用植物中提取对人体有益的功效成分，已成为全球健康食品发展的大趋势。 因此，开发植物健康食品，同时采用高新技术和设备使保健食品在功能、色、香、味、型等 多方面满足不同人群的特殊需求，成为食品行业关注的新亮点。 本课题研究内容主要是以大豆分离蛋白为原料，利用挤压膨化技术来生产组织蛋白，产 品复水后具有一定的弹性、强度和质构力，呈现纤维状，类似瘦肉的结构。 组织蛋白作为更易直接被人体吸收的一种植物蛋白，蛋白质含量高，营养全价，蛋白质 质量较好，是一种全价蛋白，经深) j n _ - 1 2 后的组织蛋白的蛋白质含量更高，是应用范围很广的 健康食品制作原料，并且已经被广泛应用于肉制品、乳制品、面制品、饮品、儿童食品、糖 果、方便食品、冷冻食品等几十种食品中。 大豆组织蛋白有类似瘦肉一样的纤维结构( 马友秋，2 0 0 5 ) ，经着色、成型，加工成类似 牛肉、鸡肉、猪肉、火腿、腊肉、鱼肉类的仿制品，如果加：l ：】：艺先进，方法得当，产品无 论从形态方面还是触感方面都是最佳的，其咀嚼性与优质肉制品或鱼贝类相比毫不逊色，其 营养价值更趋合理，组织蛋白含有人体必须的八种氨基酸，高蛋白，低脂肪，蛋白质含量比 猪牛瘦肉高- - n 三倍，赖氨酸含量优于其他植物蛋白，有利于人体吸收，并且具有与其他动 物蛋白如肉类、牛奶、蛋类等同样良好的消化吸收率。相对动物蛋白，组织化大豆蛋白价格 低廉，不含胆固醇，具有良好的吸收性，完全符合追求健康、合理饮食大众的营养选择。 目前国内厂家用于生产组织蛋白的设备人都属于大中刑设备，生产的组织蛋白产品颜色 深，有豆腥味，品种单一。急需开发一种色泽浅，无异味的组织蛋向产品。由于缺少相应的中 小型膨化设备作为中试实验使用，而大型设备开机成本很高，不易控制生产条件，所以给组 织蛋白的膨化研究带来了一定的难度。本课题通过对中型食品膨化机的螺杆进行改造，使之 适合组织蛋白的生产，通过实验的方法来生产大豆组织蛋白。新技术新设备的研制成功必将 填补我国在组织蛋白生产上的技术不足。 大豆是我国重要的油料和蛋白质资源作物，在食品平饲料：i ：业中占有重要的地位。大豆 产品深度开发和综合利用，一直是提高加工企业经济效益和农产品附加值的主要途径。而组 织化大豆蛋白即以脱脂大豆粉、大豆浓缩蛋白或大豆分离蛋白等为原料，通过化学、物理的 方法改变蛋白质组织结构，形成具有一定纤维状和肉类咀嚼感的大豆产品己成为重要的 大豆深度开发方法。因此，大力开发组织蛋白等高层次、附加值高的大豆蛋白产品，充分利 用大豆一一这个占全世界中销量6 0 的植物蛋白资源，是我国乃至世界当务之急势在必行的 重要举措。 1 _ 3 大豆组织蛋白的特性及其应用 引言 1 3 1 大豆组织蛋白概述 大豆组织蛋白是以低温脱脂豆粕粉( 蛋白质含量i 5 0 ) 、浓缩大豆蛋白( 蛋白质含量 7 0 ) 或分离大豆蛋白( 蛋白质含量为 9 0 ) 为原料，加入一定的水及添加剂混合均匀 经加温加压成形等机械或化学的方法改变蛋白质组成方式，使蛋白质分子之间整齐排列且具 有同方向的组织结构，同时膨化凝固，形成纤维状蛋白，使之具有与肉类相似的咀嚼感，这 样生产的大豆蛋白制品，称之为大豆组织蛋i 自( a m e r i c a ns o y b e a na s s o c i a t i o nu n i t e ds o y b e a n b o a r d ) 。 大豆组织蛋白其生产方法主要有纤维纺丝法、蒸汽组织法、挤压膨化法、压力组织法等 ( 于浩荣，2 0 0 0 ) 。目前，国内外所用的生产方法主要有两种：纺丝粘结法和挤压膨化法( 李 碧晴，1 9 9 8 ) 。 1 纺丝粘结法：将高纯度的大豆分离蛋白溶解在碱溶液中，使许多次级键断裂，大部分 玖级单元形成了具有一定粘度的纺丝液，经有数千个小孔的隔膜，挤入含食盐的醋酸溶液中， 使蛋白质凝固析出，形成丝状同时使其延伸，并使蛋白质分子定向排列，形成纤维。将这 种组织蛋白纤维状蛋白用粘合剂压制，即得肉状组织化大豆蛋白。 2 挤压膨化法：将脱脂大豆，蛋白大豆粉，分离大豆蛋白等与水、食品添加剂等按一定 比例混合，通过破碎、搅拌、加热和直接蒸汽强化预处理再通过挤压膨化机进行混合、挤压、 剪切、成形等物理处理，同时在挤压过程中对原料进行杀菌、蛋白质的组织化、淀粉的a 化、 酶的纯化等化学处理，熔融、高温处理，冷却、干燥等热处理，制成的食品。挤蒸煮过程中， 火豆蛋白质在温度场、剪切场、压力场和水的联合作用下，由天然的球状聚集态重组为纤维 状的蛋白质。重组后的大豆蛋白质，将呈现如动物的肌肉纤维织态结构( h a r p e r ，1 9 8 6 ) 。 这类干燥后的食品，若调整水分或复水后也仍能有足够的咬头( 咬劲，嚼头) ，食用方便， 价格低廉。以这类产品为原料通过加入适量的调味料，经干燥、冻结，也可用于快餐食品 的辅助原料或添加到香肠等食品中，作为肉类的替代品，刚途极其广泛。 目前由于纺丝粘结法工艺复杂，成本过高，实际应用中已经很少采用，主要采用挤压膨 化法来生产大豆组织蛋白。 1 3 2 大豆组织蛋白的特性 大豆组织蛋白有类似瘦肉一样的纤维结构，富有咀嚼感，蛋白质结构呈粒状，具有多7 l 性肉样组织结构，其主要有以下特性： 1 营养性及部分功能性：通常情况，成品蛋自质含量在5 0 以上，脂肪含量l5 左右， 是理想的低脂高蛋白食品。就蛋白含量而言，它是肉的2 倍多、鸡蛋的3 倍，牛奶的1 2 倍， 故享有“植物肉”之美誉( 倪震，2 0 0 2 ) ；大豆组织蛋白不含胆i 刮醇，具有良好的吸收性，患 有心血管病的人可以放心食用；大豆组织蛋白是理想的植物蛋白，含有人体必需的八种氨基 酸：大豆组织蛋白具有较强的保水性和保油性，_ e j 它做出的食品干净、不油腻。大豆组织蛋 白不仅营养价值高，而且是优良的保健食品，老少皆宣。对于患心血管、动脉硬化、糖尿病、 高血压、高胆j 圳醇、肝炎、肾炎、肥胖病的病人更是一种辅助疗效食品( 崔东善，1 9 9 7 ) 。 2 经济性：相对动物蛋白，组织化大豆蛋白价格低廉，适用范围1 ，大到食品行业小 到家庭烹饪，可直接用作烹调材料。 1 3 3 大豆组织蛋白在食品工业中的应用 1 3 3 1 在肉制品中的应用 将组织化大豆蛋白作为添加剂加到肉糜类制品，从而取代一部分原料肉，以降低肉制品 的成本，由于它的吸水性、吸油性强，减少了制品在3 h _ q ：过程水分的损失和脂肪的溢出，使 产品不油腻，品质和得提高。大豆组织蛋白主要用于馅料如肉肠、午餐肉、丸子中( 郭心义， 2 0 0 4 ) 。组织化大豆蛋白加入可达肉重的1 5 ( 湿基) ，其产品在口感、感官、弹性、面状态 等方面与纯肉类产品无明显差异。国内在素饺子馅中应用比较普遍，既消耗了肥肉，又不影 响风、口感，还能提高饺子的营养价值。 1 3 3 2 在方便食品中的应用 将组织蛋白赋予各种风味，形成鸡肉味、牛肉昧、鲜味等各种仿制品，作为方便食品的 小袋包装配料，热水浸泡复水，不仅感官上给人们满足，而且实实在提供优质蛋白源。它也 可作为仿肉原料，直接加： 成各种风味的肉样方便制品，如烤羊肉、小肚丝、咕噜肉、肉等。 国内大商场现有此产品销售，它们的营养丰富，食用方便，是理想的休闲食品。( 刘永，2 0 0 2 ) 1 - 3 - 3 3 在素食品中的应用 在纯素食品在生产中，大豆组织蛋白的应用可以做到使产品与纯肉食品非常接近的程度， 是理想的高蛋白、低糖、低脂肪、不含胆吲醇的食品，对予肥胖病、糖尿病、心血管、高血 压的病人提高健康具有一定意义，迎合了当代人对健康的更高要求( 宋伟，2 0 0 2 ) 。另外，组 织蛋白生产的素食品也可为不同宗教信仰的消费者与素食主义者提供方便。 1 3 3 4 在宠物食品中的应用 随着经济的发展、人们生活水平的提高，各种宠物饲养也越来越多，因而宠物食品的市 场日益扩大，但由于各种宠物食品中大多采用动物蛋白，价格高、经济性差。而组织蛋白价 格便宜，又具有很高的蛋白含量，经过香料添加而制成仿肉制品，可大量代替动物蛋白，使 宠物食品具有更好的经济性。在国外，此项应用已具有相当市场( 马友秋，1 9 9 7 ) 。 1 3 3 5 餐桌莱肴 组织化大豆蛋白用热水泡发挤干，加上各种调料，可以制作各种凉拌菜和素什锦。也可 代替部分肉类，配以各种蔬菜和佐料，以肉菜混烧的形式成各种菜肴( 刘永，2 0 0 2 ) 。 1 4 挤压膨化设备、技术及应用 1 4 1 挤压膨化技术概述 挤压膨化技术作为新型加工方法，其经济实用的特点，不仅使其广泛应j = l i 于食品工业中， 而且在饲料工业、油脂工业、酿造工业等领域中也发挥着重要的应用，近儿年得到了飞速的 发展。食品的挤压膨化技术主要是由一台挤压膨化机一步完成物料的输送、压缩、混炼、破 碎、剪切、杀菌、膨化、成型等多项工艺，制成膨化、半膨化或组织化产品，可通过更换挤 压模具来获得不同造型的产品。挤压膨化机用于食品生产具有：i ：艺简单、一机多能、生产连 续化、效率高、能耗低、投资少、收效快的特点。生产出来的食品口感细腻、易消化吸收、 0 i 言 营养成份损失少、贮藏时间长、不易产生“回生”现象，食用方便( 邓沽红，2 0 0 4 ) 。目前， 挤压技术已经发展成为最常用的膨化食品生产技术之一。挤压机的研究与开发也势在必行( 杨 薇，2 0 0 1 ) 。 世界上第一台螺杆挤压机的专利是由英国g r a y 于18 7 9 年获得的，主要用于橡塑工业。 到2 0 世纪3 0 年代，第一台用于谷物加工的单螺杆挤压机问世，它开始用于生产膨化玉米。 到6 0 年代，才出现了双螺杆挤压机，并用于食品加工领域( 杨薇，2 0 0 1 ) 。纪最受欢迎的食 品原料之一。1 9 7 0 年，a t k i n s o n 最早研究了挤压组织化产品( a t k i n s o n ，1 9 7 0 ) 。我国从7 0 年代开始研究食品挤压技术和挤压a n _ - 机械。1 9 8 0 年3 月，北京食品研究所仿制出第台自 热式p j l 型谷物膨化挤压机。1 9 8 2 年无锡轻：f ：业大学从法国c l e x t r a l 公司引进一台b c 一 4 5 型双螺杆挤压机，开始了对挤压加工技术的研究。与此同时，国内许多生产厂家也先后从 世界各大公司引进了先进的挤压没备。国际上有代表性的挤压机生产企业除法国c l e x t r a l 公 司外，还有美国w e n g e r 公司，德国的w p 公司，意大利m a p 公司，日本的恩奴比食品有限 公司，瑞士的b u c h c l e r 公司等( 杨薇，2 0 0 1 ；张裕中，1 9 9 8 ) 。在引进国外设备的同时，国 内的许多厂家也先后生产了不同类型的挤压设备，其中以单螺杆设备居多。随着科学技术的 飞速发展，单螺杆设备已经逐渐被淘汰发展为双螺杆挤压机。时至今日，挤压膨化技术己成 为最常用的膨化食品生产技术之一，并广泛地应用于食品：i ：业中。 1 4 2 挤压膨化原理 挤压膨化机筒内具有一定水分的物料，在螺杆的推动作用和模头或机筒内的节流装置的 反向阻滞作用f ，由于外部的加热和剪切、摩擦的作川，使物料处于高温高压状态下。其压 力超过了挤压温度下的饱和蒸汽压，使机筒内物料的水分不会沸腾蒸发，物料呈现熔融状态。 物料一旦从模头挤出，压力骤然降低为常压，物料中水分瞬间蒸发，产品随之膨胀，使物料 成为具有一定形状的多孔结构的膨化产品( 高福成，1 9 9 7 ) 。 1 4 3 挤压膨化机的分类 各种挤压膨化机，按螺杆数龄分类是最常_ l ；的分类方法，可区分为以下类型的挤压膨化 机：单螺杆挤压膨化机、双螺杆挤压膨化机和三螺杆挤压膨化机。 1 4 3 1 单螺杆挤压膨化机 单螺杆挤压机，是饲料工业上最通用的挤压机。单螺杆挤压膨化机在机筒内只有一根螺 杆，它是靠螺杆和机筒对物料的摩擦来输送物料和形成一定压力的。一般情况下，物料与机 筒之间的摩擦系数大于物料与螺杆之间的摩擦系数。否则，物料将包裹在螺杆上一起转动而 起不到向前推进的作用。并且，当物料的水分、油分越高时这种趋势就越明显。单螺杆挤 压机可区分成两类机型：整体螺杆的单螺杆挤压机和多段组件螺杆的单螺杆挤压机( 杨薇， 2 0 0 i ) 。单螺杆挤压机的结构如图1 i 所示。戏螺杆挤压机的结构如图1 - 6 所示。 1 4 32 双螺杆挤压膨化机 双螺杆挤压机是在单螺杆挤压机的基础上发展起来的。在双螺杆挤压机的机筒中，并排 安放两杆。按照两根螺杆的啮合程度可以分为相互啮合型和非啮合型；按照两根螺杆转轴的 旋转方向可以分为反向旋转型和同向旋转型。如图1 3 所示。与单螺杆挤压机相比双螺杆挤 压机具有以下特点( 高福成，1 9 9 7 ) ： 图1 1 常见单螺杆挤压机螺杆 f i g 1 - 1c o m m o ns c r e wo f s i n g l e - s c r e we x t r u d e r 1 强制输送：由于双螺杆具有强制输送的特点，不论其螺槽是否填满，输送强度基本保 持不变，不易产生局部积料，焦料和堵机等现象。 2 混合作用：确切地讲，物料在挤压机中发生的混合作用称之为“混炼”，其主要作用 是物料之间水分的转移，不同物料之间的细微混合，以及不同物料之间不同成分的重新组织 化等作用。 3 白洁作用：粘附在螺杆螺纹和螺槽上的积料，如果滞留时间太氏，将引起物料受热时 间过长，产生焦料，严重时会使旋转阻力增大，能量消耗增大，甚至会产生堵机、停机等现 象，不利于质地均一产品的稳定正常生产。对于热敏性物料这个问题尤为突出。若能及时清 除粘附的积料，将有助于生产的正常进行与产品质量的提高。无论是反向旋转的螺杆还是同 向旋转的螺杆均有自洁作用，其中同向旋转的螺杆白洁效果更好。 4 压延作用：物料进入双螺杆挤压机后，被很快拉入啮合间隙。+ 由于螺纹和螺槽之间存 在速度差，所以物料立即受到研磨、挤压的作用，此作用称“压延作用”。 双螺杆挤压膨化机的分类如下： 1 啮合型双螺杆：如图1 2 ( a ) ，( b ) 所示( 高福成，1 9 9 7 ) 。在螺杆的啮合处，螺杆之 一的螺纹部分或全部插入另一螺杆的螺槽中，使连续的螺槽被分成相互间隔的“c ”形小室。 螺杆旋转时，随着啮合部位的轴向向前移动，“c ”形小室也作轴向向前移动。螺杆每转一周 “c ”形小室就向前移动一个导程。“c ”形小室中的物料，由于受啮合螺纹的推力，使物料 抱住螺杆旋转的趋势受到阻碍，从而被螺纹推向前进。由于啮合形的螺杆的啮合处间隙很小， 对物料具有强制输送的能力，不易产生倒流现象。它能在较短的时间内建立起高压，推送物 料经过螺杆的各个部位。这种配合方式，物料流稳定，输送效果较好。 瓣糍瓣瓣 抽) ( a ) 反向旋转的相互啮合型；( b ) 同向旋转的相互啮合型；( c ) 反向旋转的非啮合型 ( d ) 同向旋转的非啮合型 图1 2 双螺杆的常见配合方式 f i g 1 - 2c o m m o ng e a r i n gw a yo f t w i n - s c r e w 6 k黝 ( t ) ( b ) ( e ) ( a ) 向内反向旋转( b ) 向外反向旋转( c ) 同向旋转 图1 3 双螺杆的旋转方式 f i g 1 - 3r o t a t i n gw a yo f t w i n s c r e w 2 非啮合型双螺杆：如图1 - 2 ( c ) ，( d ) 所示。因为非啮合型的双螺杆不完全啮合，其间 的间隙较大，不同的“c ”形小室中的物料各自混合效果好，但螺杆的输送能力较啮合型的 差，易产生倒流和物料流不稳定的现象难于达到强制输送效果。 3 反向旋转型双螺杆：如图1 2 ( a ) ，( c ) 所示。反向旋转的戏螺杆挤压机又可分为向内 反旋和i 句9 1 - 反旋两种。物料进入挤压螺杆后，首先在两螺杆之间产生压力，此压力易造成两 螺杆分离和偏心，因而套筒和螺杆之间易产生摩擦，造成设备磨损。因此，反向旋转的双螺 杆挤压机转速不宜太高。反向旋转的螺杆啮合处，螺纹和螺槽之间存在速度差，能够产生一 定的剪切速度，旋转过程中会相互剥离粘在螺杆上的物料，使螺杆得到自沽。 4 同向旋转的双螺杆：如图1 2 ( b ) ，( d ) 所示。对于同向旋转的螺杆，啮合处螺纹和螺 槽间的旋转方向相反，因此被螺纹带入i 啮合间隙的物料也会受到螺杆和螺槽间的挤压、剪切、 研磨作用，同时由于相对速度比反向旋转的火，啮合处物料所受的剪切力也大，更加提高了 物料的混合、混炼效果。由于同向旋转的螺杆在啮合处的旋转方向相反，两根螺杆对物料所 起的作用也不大相同。一根螺杆要把物料拉入啮合间隙，而另一根螺杆则要把物料从间隙中 推出，结果使物料由一根螺杆转移到另一根螺杆，物料流方向的改变，更有助于物料相互问 的均匀混合，其混合程度要比反向旋转型大得多。 同向旋转的双螺杆在啮合处，螺纹和螺槽的旋转方向相反，相对速度很大，产生的剪切 力也大，更有助于粘附物料的剥离，自洁效果更好。同向旋转的职螺杆挤压机，由于不会产 生使螺杆相互分离的压力，对磨损的敏感性较小，可以在较高转速的情况一f - q ：作。 虽然同向旋转的双螺杆推送效率不及反向旋转型，但它仍是比较受欢迎的挤压设备。当 今挤压膨化技术发展的主流是同向旋转、完全啮合、梯形螺旋的双螺杆挤压机。 1 4 3 3 三螺杆挤压膨化机 三螺杆挤压机按螺杆排列方式可分为一字排列型和三角形排列型；按照两根螺杆的啮合 程度可以分为相互啮合型和非啮合型：按照两根螺杆转轴的旋转方向可以分为异向旋转型和 同向旋转型，见图1 4 ，图1 5 ( 朱向哲2 0 0 5 ) 。 就单、双、三螺杆挤压机啮合区的比而言：单螺杆没有啮合区，双螺杆有一个啮合区， 字排列的三螺杆有两个啮合区，三角形排列的三螺杆有三个啮合区。三螺杆挤压机啮合区 东北农业大学工学硕士学位论文 的增多，运转中对物料构成了高效的挤压、破碎、揉捏、压延、拉伸作用。正是这种高效的 图i 4 三螺杆的排列形式 f i g 1 - 4a r r a n g e m e n tw a yo f t r i - s g r e w 图1 - 5 三螺杆几何模型图 f i g 1 - 5g e o m e t r ym o d e lo f t r i s c r e w 捏合作用，使得三螺杆无需双螺杆的大直径、大长径比，就可获得同等质量同等产量的生产 条件，充分体现出三螺杆挤压机高效的混合特性，结构上的紧凑性和经济性。 三螺杆挤压机是目前刚刚兴起的新型挤压机，与单螺杆、双螺杆挤压机相比，三螺杆挤 压机由于结构形式上的独特性，构成了其性能上和技术经济上的优越性。 在食品工业中，三螺杆挤压机在结构设计上可满足多种食品的不同工艺要求，在技术性 能效益上比单螺杆或双螺杆挤压机更具优势： 1 长径比小，借助啮合区的成倍增多，实现对食品的短时、高温挤压，改善风味和口感， 减少营养损失。 2 啮合区的增多，有效均匀的热交换及混合捏炼作用的有效提高，为高速、高效、高产 的实现提供了有利条件。 3 高的产能比，技术经济性好。 4 倒“品”字型三螺杆更适合于捏炼特性要求高的应用。 不可否认，由于三螺杆挤压机中物料运动的复杂性，研究工作刚刚开始，其中涉及的理 论及工艺等诸多问题有待进一步深入研究( 姜南，2 0 0 3 ) 。 1 4 4 双螺杆挤压膨化机的结构与挤出过程 由于单螺杆漫各局限性大，而三螺杆设备刚刚兴起，涉及的机理, l t l ；i - 艺十分复杂，尚处 于摸索阶段，所以本课题采用技术比较成熟的同向旋转啮合型双螺杆挤压机作为改造对象。 下面我们对双螺杆挤压膨化机的结构和工作原理作简要叙述。 1 4 4 1 双螺杆挤压膨化机的结构 双螺杆挤压机主要包括以下五个主要部件：供料机构、螺杆及其传动机构、螺套( 机筒) 、 模头，以及截料机构( 顾华孝，2 0 0 0 ) 。见图1 6 。 1 供料机构：供料机构般分为水平型和垂直型两种形式，它们都配有一个料斗，用来 接收和暂存待挤压的原料，并将其运送至螺杆。有的内配装搅拌机，有助于该机构保持不问 断的均匀供料工况，这是挤压机正常工作必不可少的前提条件。 引言 2 螺杆：螺杆是挤压机中最重要的部件，它不仅决定挤压机的熟化和糊化功能的强度， 而且还决定最终成品的质量和挤压机的效率。挤压机的螺杆有整体式和组合式两种。组合式 多用，这种螺杆的螺纹被制成若干个短套筒，依照一定的组合方式套在螺杆轴上，有的为了 提高物料的混合和剪切效果，在螺杆上装有儿段非螺旋元件或反螺纹段。为了更迅速地控制 挤压温度( 冷却或加热) 有的螺杆轴被设计成中空状，以通入冷却水或循环热水。 3 螺套( 机简) ：围包在螺杆外面的螺套，可制成整体结构，但通常配装夹套，藉以用 做蒸气或过热油的循环加热，或用作循环水冷却。其目的是使