谷物復(fù)合擠壓膨化工藝參數(shù)對膨化特性的影響研究

徐朝陽，張連雪，王慧勇，劉雪源，徐朝奪

（1.青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島266100；2.青島恒星科技學(xué)院，山東青島266100；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南昆明650000）

近年來，谷物食品備受人們青睞，尤其是谷物復(fù)合后加工成的食品更是人們選擇的對象。由于進入現(xiàn)代文明社會，人們飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，生活富裕，吃得好、吃得精，營養(yǎng)過剩，活動量減少，從而產(chǎn)生的一些非傳染性的流行病。如糖尿病、高血壓、便秘和肥胖等諸多疾病給人們帶來健康的煩惱，而《中國居民膳食指南》特別強調(diào)了食用谷類對人體健康的重要性。擠壓膨化設(shè)備是現(xiàn)代食品加工業(yè)最常用的設(shè)備之一，因此，研究其工藝參數(shù)對膨化效果的影響至關(guān)重要。

1 材料與方法

1.1 材料

小米、豆粕、大麥（配比 8∶1∶1）：市售。

1.2 儀器和設(shè)備

DSE-25型雙螺桿擠壓機：德國布拉班德公司；FA2004N型分析天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司；DFY-500型高速萬能搖擺式粉碎機：溫嶺林大機械有限公司；游標(biāo)卡尺：深圳精典儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 膨化特性測定方法

1.3.2.1 膨化度的測定[1-2]

1.3.2.2 糊化度的測定[3]

1.3.3 擠壓膨化工藝參數(shù)的探究

產(chǎn)品膨化過程中，加工溫度、物料水分含量、螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度是影響膨化特性的主要工藝參數(shù)。本文將針對這四個參數(shù)的變化對膨化特性的影響進行研究[4-9]。

1.3.3.1 不同物料水分含量對膨化度和糊化度的影響

根據(jù)預(yù)試驗，固定加工溫度為（一區(qū)至五區(qū)）85℃-110℃-130℃-140℃-160℃，螺桿轉(zhuǎn)度為180 r/min，喂料速度為22 r/min，設(shè)計物料水分含量14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%共7個水平。以膨化度和糊化度為指標(biāo)，確定最佳物料水分含量。

1.3.3.2 不同加工溫度對膨化度和糊化度的影響

固定物料含水量為18%，固定螺桿轉(zhuǎn)速為180 r/min，喂料速度為22 r/min，設(shè)計加工溫度共6個水平，見表1。以膨化度和糊化度為考察指標(biāo)，確定最佳加工溫度。

表1 加工溫度Table 1 The processing temperature ℃

1.3.3.3 不同螺桿轉(zhuǎn)速對膨化度和糊化度的影響

固定物料含水量18%，加工溫度160℃，喂料速度為 22 r/min，設(shè)計螺桿轉(zhuǎn)速 150、160、170、180、190、200 r/min。以膨化度和糊化度為考察指標(biāo)，確定最佳螺桿轉(zhuǎn)速。

1.3.3.4 不同喂料速度對膨化度和糊化度的影響

固定物料水分18%，加工溫度為160℃，螺桿轉(zhuǎn)速 180 r/min。設(shè)計喂料速度為 16、18、20、22、24、26、28、30 r/min。以膨化度和糊化度為考察指標(biāo)，確定最佳進料速度。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料含水量對產(chǎn)品膨化度和糊化度的影響

物料含水量對產(chǎn)品膨化度和糊化度的影響見圖1。

圖1 物料含水量對產(chǎn)品膨化度和糊化度的影響Fig.1 Effect of material moisture on the puffing degree and gelatinization degree of products

由圖1可知，隨著物料水分含量的提高，產(chǎn)品的膨化度和糊化度都呈現(xiàn)先升后降的趨勢，經(jīng)方差分析及顯著性檢驗物料含水量對產(chǎn)品的膨化度和糊化度有顯著影響。當(dāng)水分含量為18%時產(chǎn)品的膨化度最高，為3.18；水分含量為20%時產(chǎn)品的糊化度最高，為98.1%。當(dāng)物料含水量為18%時產(chǎn)品的膨化度與物料含水量為16%、20%時有顯著的差異（P＜0.05）。當(dāng)物料水分含量為20%時產(chǎn)品的糊化度與物料含水量為18%、22%時差異不顯著（P＞0.05）。隨著物料水分含量的變化膨化度和糊化度所呈現(xiàn)圖1趨勢變化的原因為，原料中的水分在擠壓腔內(nèi)經(jīng)高溫高壓處理后，從模口擠出的一瞬間水分快速汽化，形成了均勻的氣腔，當(dāng)水分含量增加時，淀粉和蛋白質(zhì)吸水量也隨之增加，蛋白質(zhì)變性以及淀粉糊化程度都提高，物料的黏度相應(yīng)增大，物料與擠壓螺旋構(gòu)件間摩擦力隨之增大，在機筒內(nèi)停留時間長，使機內(nèi)外壓力差增大，膨化度和糊化度升高。當(dāng)物料的含水量繼續(xù)增加時，水分含量過高，物料中的水分起到了潤滑劑的作用。使得物料在機筒內(nèi)所受剪切、摩擦作用減弱，阻力變小，停留時間變短，使模口壓力驟降，不易形成高溫高壓狀態(tài)，使膨化度和糊化度呈降低的趨勢。

2.2 加工溫度對產(chǎn)品膨化度和糊化度的影響

加工溫度對產(chǎn)品膨化度和糊化度的影響見圖2。

圖2 加工溫度對產(chǎn)品膨化度和糊化度的影響Fig.2 Effect of processing temperature on the puffing degree and gelatinization degree of products

由圖2可知，膨化度隨加工溫度的升高而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，出現(xiàn)了最大值。經(jīng)方差分析及顯著性檢加工溫度對產(chǎn)品的膨化度和糊化度有顯著影響。當(dāng)加工溫度為160℃時，產(chǎn)品的膨化度為3.16。當(dāng)加工溫度為170℃時，產(chǎn)品的膨化度為3.23。當(dāng)加工溫度為160℃和170℃時，產(chǎn)品的膨化度差別不顯著（P＜0.05），當(dāng)加工溫度為150℃和180℃時產(chǎn)品的膨化度有顯著差異（P＞0.05）；糊化度隨著加工溫度的升高而呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，加工溫度為160℃和170℃時，加工溫度對產(chǎn)品的糊化度影響并不顯著（P＞0.05），但當(dāng)加工溫度達到180℃時，加工溫度對產(chǎn)品的糊化度影響顯著（P＜0.05）。當(dāng)加工溫度為180℃，產(chǎn)品的糊化度下降。隨著加工溫度的變化膨化度和糊化度所呈現(xiàn)圖2趨勢變化的原因為，溫度升高了，物料獲得的內(nèi)能隨之增大，使膨化度、糊化度逐漸增大；如果溫度過高，熔融體在模口出噴爆瞬間發(fā)生“閃蒸”現(xiàn)象，發(fā)生的程度越高，水分含量就越小，物料在低水分條件下膨化度和糊化度自然比較低。

2.3 螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品膨化度及糊化度的影響

螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品膨化度及糊化度的影響見圖3。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品膨化度和糊化度的影響Fig.3 Effect of screw rotation speed on the puffing degree and gelatinization degree of products

由圖3可知，膨化度和糊化度隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，出現(xiàn)了最大值。經(jīng)方差分析及顯著性檢螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品的膨化度和糊化度有顯著影響。當(dāng)加工溫度為180℃時，產(chǎn)品的膨化度和糊化度都出現(xiàn)了最大值。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)度為180 r/min時，產(chǎn)品的膨化度和糊化度與其他轉(zhuǎn)速相比均有顯著差異（P＜0.05）。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的變化膨化度和糊化度所呈現(xiàn)圖3趨勢變化的原因為，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速比較低時，物料所承受的剪切作用也越小，但隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，物料所受的剪切力也會隨之增加，部分大分子的直鏈淀粉分解成小分子的淀粉，支鏈淀粉的部分側(cè)鏈小分子被游離出來，淀粉分子間的氫鍵作用被削弱，從而物料中的水分比較容易滲入而發(fā)生溶脹，產(chǎn)生更為疏松的組織，故產(chǎn)品膨化度增大。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速過大時，物料在機筒內(nèi)的停留時間隨之變小，物料從機筒壁吸收不到足夠的熱量，熔體混合不均勻，以至于出現(xiàn)未糊化的顆粒夾雜在產(chǎn)品中，因而產(chǎn)品膨化度降低。物料在擠壓過程中，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較低時，螺桿的攪拌作用較弱，物料中的水分分散不均勻，糊化不完全；當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較高時，物料在機筒內(nèi)的停留時間相對較短，即加熱時間短，產(chǎn)品糊化不完全。因此，只有當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速適當(dāng)時，才能使產(chǎn)品具有較好的膨化度和糊化度。

2.4 喂料速度對產(chǎn)品膨化度及糊化度的影響

喂料速度對產(chǎn)品膨化度及糊化度的影響見圖4。

圖4 喂料速度對產(chǎn)品膨化度和糊化度的影響Fig.4 Effect of charging speed on the puffing degree and gelatinization degree of products

由圖4可知，隨著喂料速度的增大，膨化度和糊化度呈現(xiàn)緩慢增大后趨于緩和的趨勢。經(jīng)方差分析及顯著性檢驗喂料速度對產(chǎn)品的膨化度和糊化度影響不大。當(dāng)喂料速度為24、26、28、30 r/min時，喂料速度對產(chǎn)品的膨化度影響不顯著（P＞0.05），當(dāng)喂料速度為26、28、30 r/min時，喂料速度對產(chǎn)品的糊化度影響不顯著（P＞0.05）。隨著喂料速度的變化膨化度和糊化度所呈現(xiàn)圖4趨勢變化的原因為，由于交互作用對進料速度和螺桿轉(zhuǎn)速的影響，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速快、進料速度慢時，谷物混合粉在機腔內(nèi)停留的時間比較長，或螺桿轉(zhuǎn)速相對進料速度較慢時，產(chǎn)品的糊化度都不理想，只有螺桿轉(zhuǎn)速與進料速度相輔相成時才能達到較好的擠壓膨化效果。喂料速度可以改變雙螺桿剪切物料的強度，進而影響物料的黏度。一定范圍內(nèi)增加喂料速度，從而增加了剪切強度，隨之膨化度就會增加，而喂料速度過大還會造成模口堵塞，不膨化或膨化度較低。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，擠壓膨化工藝參數(shù)的變化對谷物膨化特性有顯著影響。隨著物料水分含量的增加、加工溫度的升高、螺桿轉(zhuǎn)速及喂料速度的協(xié)同改變，膨化度和糊化度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，出現(xiàn)了拐點，這種變化規(guī)律為采用響應(yīng)曲面法進一步優(yōu)化擠壓膨化工藝參數(shù)提供了依據(jù)。

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