豆粕挤压膨化系统的试验研究

豆粕挤压膨化系统的试验研究

食品的挤压过程非常复杂。目前，螺旋挤压机加工食品原料的压缩理论尚不完整，也不能应用于螺旋挤压机的精确数学模型。很难从材料特征、挤压机的结构参数和加工条件来预测挤压机的工作和加工结果。实验研究在评价黄岩食品挤压机方面仍发挥着重要作用。本文通过试验研究了模孔孔径、物料湿度、螺杆转速、机筒温度这4个操作参数对各考察指标的影响,目的在于探索螺杆挤压机的挤压原理,促进挤压膨化食品的开发。本试验的结果对生产实践具有指导意义。1材料和方法1.1近红外分析方法SDP-45小型单螺杆挤压膨化机、XMT数显调节仪、AG-204分析天平、79725电热恒温干燥箱、BA7200连续光谱二级管阵列近红外分析仪。试验材料为低变性豆粕,80~100目,豆粕常规营养成分含量为:蛋白质约为45%,粗纤维约为8%,脂肪约为2.7%。1.2蛋白质、养殖指标水分含量参照GB5099.2-87,淀粉含量参照GB5009.8-85,蛋白质含量参照GB5009.5-85,粗脂肪含量参照GB5009.6-85,粗纤维含量参照GB5512-85。膨化指数是指未经干燥的挤出物直径与模孔直径之比。2试验与结果分析2.1次通用旋转组合设计试验设计根据原有的研究报道,并与现有挤压机情况相结合,选择3个因素,即物料的含水率、螺杆转速、机筒温度,作为挤压工艺参数研究对象,同时选定五水平,采用二次回归通用旋转组合设计安排试验,见表1。应用二次通用旋转组合试验设计进行试验数据的处理,分别获得了以膨化指数、挤压机的生产率和度电产量为主要考察指标的回归方程。式中:x1、x2、x3、y1、y2、y3分别代表物料含水率、螺杆转速、机筒温度、膨化指数、生产率和度电产量。对正交试验结果进行方差分析和显著性检验。方程的显著性水平均为A=0.1,方程都不失拟。2.2试验结果的分析2.2.1膨化指数及设备检验根据式(1),并对其回归系数进行方差分析及t检验可知:机筒温度对膨化指数的影响最大,其次是物料含水率,螺杆转速对膨化指数影响最小,机筒温度和物料含水率对膨化指数的影响如图1所示。2.2.2转速和机筒温度的影响根据式(2),并对其回归系数进行方差分析及t检验可知:螺杆转速对挤压机的生产率的影响最大,其次是机筒温度,物料含水率对挤压机的生产率影响最小,螺杆转速和机筒温度对挤压机的生产率的影响如图2所示。由图2可知:转速对生产率的影响极为显著。物料属于剪切变稀型,即转速越高、物料越稀,流动性越好。另外,随着转速的增高,物料的温度也会升高,温度升高会导致物料黏度下降,流动性得到改善。同时,温度越高、压降越低,逆流量和倒流量将减小。所以,生产率受转速的影响是单调递增的。生产率受机筒温度的影响也很大。这是因为随着温度的增加,压降下降,物料的逆流量和倒流量减小,所以生产率增高。2.2.3酶系统密度与转速对物料含水率的影响,其造成的让根据式(3),并对其回归系数进行方差分析及t检验可知:螺杆转速对度电产量的影响最大,其次是物料含水率,机筒温度对度电产量影响最小,螺杆转速和物料含水率对度电产量的影响如图3所示。由图3可知:转速对生产率的影响极为显著,转速对耗电量的影响基本是单调递减的,转速越高,物料在机筒内停留的时间就越短,物料所需的能量就越少;物料的含水率对耗电量的影响也比较显著,在含水率大时,每千克物料消耗的耗电量也会随之增大。2.3加工参数的优化从上面分析的过程中可以看到,影响膨化机容重的因素很多,需通过优化的方法找出其最佳性能指标下的工况参数。2.3.1测试指标实行优化控制策略的最终目标是寻求经济效益最大化,因此,将膨化指数、生产率在对应的约束条件下应达到最大值、功耗应达到最小值作为试验指标。即满足maxy1、maxy2、maxy3,此为多目标决策问题。其数学表达式为:其中:f(x)=f(x1,x2,x3)2.3.2转速n的选择本试验优化将含水率M限制在17%≤M≤33%、螺杆转速N的选择转速的范围是165r/min≤N≤335rmin、机筒温度的限制范围是105℃≤T≤135℃。2.3.3最佳工艺参数确定及模型拟合为了使各个分目标函数能均匀一致地趋向各自的最优值,采用加权组合法来统一目标函数进行求解,根据生产经验,膨化指数、生产率和度电产量的加权因子分别取0.3、0.4、0.3。加权后的目标函数为:根据已建立的回归数学模型,利用计算机规划求解分析方法,对模型进行优化求解,得出最佳工艺参数如下:当目标函数达到最小时,x1=0.4(实际含水率值27﹪);x2=0.9(实际转速值295r/min);x3=1(实际温度值130℃)。根据式(4),并对其回归系数进行方差分析及t检验可知:螺杆转速对综合考察指标的影响最大,其次是机筒温度,物料含水率对综合考察指标影响最小,螺杆转速和机筒温度对挤压机的生产率的影响如图4所示。由图4可知:转速对综合指标的影响极为显著,转速对综合指标的影响基本是单调递减的,转速越高,物料在机筒内停留的时间就越短,物料所需的能量就越少,单位时间内的产量就越高;物料的含水率对考察指标的综合影响相对小些。3挤压加工工艺对豆浆膨化率的影响对豆粕挤压膨化系统诸参数进行了研究,确定了最佳工艺参数,对挤压机在食品工艺中的实际应用具