玉米、大米、小米混合粉挤压膨化工艺参数优化,摘要】以玉米、大米、小米混合粉为材料,研究加工温度、物料含水量、螺杆转速对营养谷物膨化产品质量指标,径向膨化度,糊化度,水溶性指数,吸水性指数,的影响,在此基础上设计正交实验,确定出最佳工艺参数为,三区温度为,,℃,,,,℃,,,,℃,物料含水量为,,,,螺杆转速为,,,,,,,,,。
在以谷物食品为主食的发展中国家,谷物基质的挤压膨化加工技术在为人类提供营养丰富的食品方面发挥了越来越重要的作用。开发新型谷物膨化食品,对于丰富食品种类,满足消费需求,提高我国居民健康水平,充分发挥我国谷物资源优势,推动食品加工工业朝纵向和多元化方向发展具有一定的积极意义。
双螺杆挤压膨化设备是一个多输出系统,其影响因素可分为工艺参数、系统参数和原料配方。工艺参数包括加工温度、物料含水量、螺杆转速、喂料速度、模口直径等【,卅。本文以一定比例的玉米、大米、小米混合粉为主要原料,测定了膨化食品的多项指标,通过实验,印证了工艺参数对膨化食品评价指标的影响,并给出了优化后的技术指标。
,,,,,,,,双螺杆挤压膨化机、巧,,,,,实验室粉碎磨、,,,,,,紫外可见分光光度、电热恒温水浴锅、,,,,,,,电子天平、,,,,凯氏定氮仪等。
用游标卡尺测定样品直径,每个样品随机测定,,次,求其平均值作为产品的平均直径,除以模口直径,,,,,,其商为径向膨化率。
,,,,,,,,双螺杆挤压膨化机挤压腔内的温度分布为,个加热区段。第,区段为预热区
,或称喂料段,,一般使用温度为,,,,,℃,第,区为运输区,或称挤压段,,温度为,,,,,一,,,℃,第,区为熟化区,或称溶化段,,温度为,,,,,,,,℃,多数谷物在此条件下能很好地膨化。
经试验分析确定按玉米,大米小米的比例为,,,,,的物料配比,分别以物料含水量,螺杆转速,三区膨化温度为因素,以膨化质量,径向膨化度,糊化度,水溶性指数,吸水性指数,为指标分别进行单因素实验。
固定三区加工温度,,℃,,,,℃,,,,℃,螺杆转速为,,,,,,,,,,模口直径为,,,,物料含水量设计水平如表,。做物料含水量单因素实验,共,个处理。
罗庆丰天津商业大学生物技术与食品科学学院副教授,,,,,,天津市中国农业机械学会,,,,年学术年会论文集,,,
固定三区加工温度,,,,,,,,℃,,,,℃,模口直径为,,,,物料含水量,,,,螺杆转速
固定模口直径为,,,,物料含水量,,,,螺杆转速为,,,,,,,,,,三区膨化温度设计水平
三因素,三水平共九组实验。由单因素的实验,,。,,,,,,,,,,,,,。实验因素水平表见表,,
如图,和图,所示,随着原料含水量的提趋势。谷物膨化系物料中水分瞬间汽化而成,高,产品的径向膨化率,糊化度呈先升后降的水分不足则膨化受到限制,当水分增多时,淀粉
致物料的粘稠度增大,物料与挤压螺旋构件间图,显示,随着物料含水量的降低水溶性摩擦力增大,在机筒内停留时间长,使机内与指数呈上升趋势。这是因为物料中水分减少时,机外压力差较大,膨化度及糊化度升高【,,,当物料与机筒和螺杆之间的摩擦力增大,物料受物料的含水量继续增加时,由于水分含量较高,到剪切作用加强,导致淀粉、蛋白质和粗纤素物料中的水分充当了润滑剂的作用。一方面物等大分子物质降解反应加快,膨化前原料的水料在机筒内所受剪切、摩擦作用减弱,物料挤溶性指数仅为,,,,,,膨化后的产品水溶性出阻力减少,停留时间短,使模口处压力降低,指数可高达,,,,,,,,说明膨化加工对提高另一方面,由于水分在模口处汽化而吸收大量膨化食品的水溶性物质含量,提高产品的消化的汽化潜热,使得机筒及模口处温度降低,难吸收利用率是很有效的。
图,所示,随着物料含水量增加,产品吸水性指数呈上升趋势。这是由于物料含水量增大时,加工温度和剪切作用对物料分子作用程度减弱,淀粉、蛋白质、粗纤维等大分子降解
程度减少,吸水能力丧失程度较小, 同时产品膨化后形成的微孔结构具有极强的缚水能力。因而,随着物料含水量上升,产品吸水性指数提高。
,, ,, ,螺杆转速对产品质量的影响 溶性指数和吸水性指数的影响结果如图,, ,,螺杆转速对产品径向膨化率,糊化度,水 ,, ,所示。
如图,所示,随着螺杆转速的增大,膨化度呈先升后降的趋势。当螺杆转速较低时,物料在挤压机内所承受的剪切作用小,随着螺杆转速的增加,物料所受的剪切力增大,部分大的直链淀粉变成小分子, 支链淀粉的部分侧链小分子也被游离出来,淀粉分子间的氢键作用被削弱,分子骨架的自由空间加大, 使得物料中的水分更容易“渗
入”而使其发生溶胀,产生更为疏松的组织,因而产品膨化度增大【引。当螺杆转速继续增大,物料在机筒内的停留时间大大减小,物料来不及从机筒壁吸收足够的热量,熔体混合不均匀,温度场温差大,甚至出现未糊化的颗粒夹杂在产品中, 因而产品膨化率降低。
图,所示螺杆转速也是影响糊化效果的一个重要因素。挤压机螺杆转速的变化决定了螺杆对物料的剪切作用和物料在膨化腔内的停留时间。试验结果显示, 当螺杆转速较低时,物料在膨化腔中停留的时间较长,糊化充分,随着螺杆转速的提高,物料在膨
化腔内的停留时间减少,但由于物料受到的剪切作用在增加,吸收机械能较高, 因此糊化度和膨胀度下降不显著, 当进一步提高螺杆转速,物料在膨化腔内来不及进行反应就被挤出膨化腔, 因此糊化效果差。
不同挤压腔温度对产品径向膨化率,糊化度,水溶性指数和吸水性指数的影响结果如图,, ,,, ,,, ,,所示。
如图,所示,随着加工温度升高,产品径 向膨化度呈现升高后下降趋势。温度上升,淀,,, 中国农业机械学会,,,,年学术年会论文集
粉晶体熔融,物料黏度下降, 同时支链淀粉分 度过高时, 由于物料黏度下降,对气体的束缚子内较弱的氢键断裂速度加快,支链体解离, 能力较弱, 以致气泡形成过程中较早地破裂,成为线状分子,有利于径向膨化率提高。而温 因而径向膨化度下降。
物料中淀粉的糊化是在适当的温度并吸收足够的热量的条件下进行的。在挤压过程中,物料所吸收的热量有两个来源,一是通过机桶壁传导获得的热量,二是物料在机筒内受剪切、摩擦作用产生的热量,前者所起的作用更大。在机筒温度较低时,物料所吸收的热量少,挤出物的糊化率较低。随着机筒温度不断增加,挤出物的糊化度也不断增加,在机筒温度为
,,,℃时达到最大。但是,机筒温度过高时可能会造成原料中的蛋白质与淀粉降解的糖在高温下发生“美拉德” ,,,, , ,,,,,反应,机筒温度过高将导致部分淀粉焦炭化,从而造成糊化度的下降。这可能是温度过高时,物料中水分过早地蒸发掉,物料中水分太低,淀粉在低水分时不易糊化造成,,,。
如图,,所示,随着加工温度升高,产品水溶性指数呈上升趋势。这是由于加工温度升高,淀粉糊化反应,纤维素降解
反应,蛋白质变性以及蛋白质分解反应都将加剧,导致产品中水溶性物质增多。中国农业机械学会,,,,年学术年会论文集 ,,,
在实验设计范围内,较高的加工温度和较少的物料含水量都有利于提高产品的径向膨化度。然而,加工温度变化和物料含水量变化对径向膨化度的影响存在本质的差异。温度较低时,产品质地较硬,色泽暗黄,孔隙度大小不一。随着加工温度升高,产品变得质地酥脆,色泽金黄,孔隙度均匀一致。低温处理时,随着物料含水量下降,产品径向膨化率升高,但产品的酥脆性,色泽和孔隙均匀度并没有得到明显地改善,高温处理时,随着物料含水量下降,
产品径向膨化率升高,产品的酥脆度、色泽、孔隙度都有所改善。因此,优化膨化食品加工工艺时,要保证较高的加工温度, 同时考虑较低的含水量。
按照试验方案进行正交试验,并对产品的膨化度,色泽,酥脆度等进行综合分析评价,以,分为满分,得出产品的综合得分作为试验结果如表,。
由表,可得出,对于产品质量指标的影响,膨化温度影响较大,其次是物料含水量,而螺杆转速在实验范围内对产品质量指标的影响不
大。膨化温度以水平,较好,物料含水量以水平,较好,螺杆转速以水平,较好。所以较好的因素组合为,,,,,,。
如表,,所示,膨化腔温度对产品的径向膨化 结论,在挤压膨化设备安全操作范围内,加度有显著性影响,而物料含水量,螺杆转速对径 工温度,物料含水量,螺杆转速对产品质量有一向膨化率的影响不显著,所以从节约材料与能源 定的影响,且加工温度的影响比较显著,基本符方面考虑,最后选择最佳因素组合为,,,,,,。 合,,, ,,, ,,双螺杆挤压膨化机的工作特点,试验
做验证试验, 当因素组合为,,,,,,时, 结果重复性好,规律性强。最后确定最佳工艺参产品的径向膨化率较大为,, ,,,颜色呈金黄色, 数,三区温度为,,℃, ,,,℃, ,,,℃,物料含水口感较酥脆,产品质量较好,综合评分为,, , 量为,,,,螺杆转速为,,,,, ,,,,。
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