發布時間：2022-03-26所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要 綜述了螺桿擠壓機擠壓加工的原理以及單螺桿、雙螺桿、三螺桿擠壓機和超臨界二氧化碳擠壓膨化機幾種擠壓加工設備，并簡介了螺桿擠壓機的應用。 關鍵詞 擠壓技術;螺桿擠壓機;超臨界二氧化碳擠壓膨化機 食品擠壓技術是指物料經粉碎、調濕、混合等預處理后，通過機械
摘 要 綜述了螺桿擠壓機擠壓加工的原理以及單螺桿、雙螺桿、三螺桿擠壓機和超臨界二氧化碳擠壓膨化機幾種擠壓加工設備，并簡介了螺桿擠壓機的應用。
關鍵詞 擠壓技術;螺桿擠壓機;超臨界二氧化碳擠壓膨化機
食品擠壓技術是指物料經粉碎、調濕、混合等預處理后，通過機械作用使其通過具有一定形狀的模具孔，從而形成一定形狀和組織狀態的產品[1]。擠壓機是擠壓加工技術的關鍵，螺桿擠壓機集混合、攪拌、加熱、蒸煮、殺菌、膨化為一體，具有應用范圍廣、產品種類多、生產效率高、能耗低、產品營養損失少且不易回生等優點[2]，因此廣泛應用于谷物食品、飼料、釀造、油脂、醫藥等領域。
1 螺桿擠壓機擠壓加工原理
含有一定水分的物料定量均勻地被送入擠壓機的進料斗內，由于受到螺桿的推動作用，套筒內壁、反向螺旋等的阻滯作用，另外還有外部的加熱或物料與螺桿和套筒以及物料間摩擦熱的加熱作用，使物料處于高溫、高壓狀態下，物料呈熔融狀態。當物料由�？跀D出的瞬間，壓力驟降為常壓，產品隨之膨脹，物料溫度在瞬間降至80 ℃左右，從而固化成型，形成結構疏松、多孔的膨化產品。如果在物料出模頭前加一個冷卻裝置，使物料溫度低于100 ℃則可得到非膨化產品 [3-4] 。
2 螺桿擠壓機研究現狀
螺桿擠壓機通常按螺桿的根數可分為單螺桿擠壓機、雙螺桿擠壓機和多螺桿擠壓機。目前應用最多的為雙螺桿擠壓機，多螺桿擠壓機由于其制造加工困難，對傳動系統要求高，因此在食品加工業中很少使用。目前新研制的超臨界二氧化碳擠壓膨化設備是將超臨界二氧化碳流體應用于擠壓膨化加工中來代替蒸汽膨化，這種設備比傳統的擠壓設備具有更多優點。
2.1 單螺桿擠壓機
單螺桿擠壓機的機筒內只有一根螺桿，通過螺桿和機筒對物料的摩擦來輸送物料，為了使物料向前輸送而不被包裹在螺桿上，一般物料與機筒之間的摩擦系數要大于物料與螺桿之間的摩擦系數。單螺桿擠壓機的特點是容易操作、成本低，但是其缺點是混合、均化效果差，因此只適用于簡單的膨化食品等[5]。
郭樹國[6]等人以低變性大豆粕為原料研究了單螺桿擠壓機系統參數(物料含水率、螺桿轉速、機筒溫度)對成本的影響規律及擠壓膨化系統的最佳參數，研究表明螺桿轉速對單螺桿擠壓機的產投比影響最大，其次是機筒溫度和物料含水率，當轉速為295 r/min、機筒溫度130 ℃、物料含水率為27%時，產品質量最優。
單螺桿擠壓機的生產過程具有非線性、多邊性等特點，傳統的統計方法不能很好的建立擠壓機系統參數和產品膨化效果之間的數學關系，因此，梁春英[7] 等人以全脂大豆粉為原料，在大量試驗數據的基礎上建立了單螺桿擠壓機的神經網絡模型。通過對未參與人工神經網絡模型的數據進行評價，結果表明，該模型對一定工作參數下的預測結果最大相對誤差為 8.76%，說明該模型預測精度高，具有較好的仿真效果，這對于擠壓膨化大豆的生產具有指導作用。
2.2 雙螺桿擠壓機
雙螺桿擠壓機是在單螺桿擠壓機的基礎上發展起來的，在雙螺桿擠壓機的套筒中并排安放兩根螺桿，套筒橫截面積是“∞”型。圖1為典型雙螺桿擠壓機的擠壓膨化過程，螺桿的正向螺紋元件主要用于混合和輸送，反向螺紋元件主要用于形成高壓，捏合塊主要用于形成剪切[8]。雙螺桿擠壓機的兩根螺桿可以嚙合也可以非嚙合，旋轉方向可以同向旋轉也可以反向旋轉。嚙合型的兩根螺桿緊密嚙合，對物料具有很強的輸送能力，不易發生倒流，這種嚙合方式物料的穩定性、輸送效果均比非嚙合型雙螺桿要好。目前雙螺桿擠壓機也大多采用全嚙合同向旋轉形式。表1為單、雙螺桿擠壓機的主要差別。
雙螺桿擠壓機較單螺桿擠壓機有著顯著優勢，且應用范圍也較廣泛，但其某些部件仍需進行改進。如為了使機筒內壓力在模口處達到最大，可以將反向螺旋放在最末端。此外，可以將錐形螺旋元件裝在螺桿末端，從而避免傳統同向雙螺桿擠壓機中兩根螺桿由于壓力不同造成兩螺桿分離而產生的與機筒內壁的磨損。溫度是生產膨化食品的重要參數，所以有效地控制加熱溫度就顯得尤為重要。劉海燕[10]等人以E分度熱電偶為感溫元件，用溫度傳感器AD590測量環境溫度，設計了一種應用于雙螺桿擠壓機的溫度控制系統，該系統以MCS-51單片機為核心，采用分布式結構，硬件接口簡單，檢測維修方便，并且采用智能控制結合數字濾波，從而提高了控溫精確度。此外，劉海燕還設計了一種應用于雙螺桿擠壓機的直流電機調速系統，該系統以MCS-51單片機為核心，采用智能結合PID控制，試驗證明，該系統不僅能保證電機安全啟動，而且有良好的調速性能[11]。
2.3 三螺桿擠壓機
三螺桿擠壓機是目前剛剛興起的擠壓加工設備，由于其結構上的獨特性，使得其在性能和經濟上都優于雙螺桿擠壓機。目前三螺桿擠壓機的三根螺桿排列方式有“一”字排列和三根螺桿中心連線為倒品字形排列兩種形式。
“一”字排列的三根螺桿結構設計如圖2[12]所示，此種排列方式中兩根主螺桿等長，嚙合同向旋轉。輔螺桿較短，且與中間的主螺桿非嚙合，反向向內旋轉。輔螺桿直徑可比主螺桿直徑大，或與其相等，但輔螺桿的轉速要稍高于主螺桿。此種螺桿排列方式的進料空間變大，有利于對大塊物料的擠壓，且擠壓、卷入等作用增強，物料的磨碎、剪切效果更好。
此外，此種擠壓機在設計時分別設置了主喂料斗和輔喂料斗。主喂料斗位于主螺桿與輔螺桿之間，輔喂料斗位于兩根主螺桿的嚙合部，其具體位置和數量可以根據實際需要進行設置[13]。
倒品字形排列的三根螺桿直徑相等，且彼此平行、同向、全嚙合、主動旋轉，此種排列方式可以形成三個嚙合區，擠壓混合效果更好。在加料口形狀相同的情況下，上部兩根螺桿比上部一根螺桿的排列方式的落料空間要更大，從而提高了喂料效率。
三螺桿擠壓機的擠出功耗和比能產量是其擠出特性的重要指標。朱向哲[14]等人研究了螺桿轉速、螺紋頭數、壓力差和擠出量等參數對三螺桿擠壓機擠出功耗和比能產量的影響，研究表明，影響三螺桿擠壓機功耗的因素主次排列為擠出量、轉速、螺桿螺紋頭數和壓力差。螺桿轉速、流道兩端壓力差和擠出量增加，三螺桿擠壓機的擠出功耗增加，而比能產量逐漸減小。螺桿螺紋頭數增加，三螺桿擠壓機的功耗和比能產量均增加。且加工條件相同時，三螺桿比能產量比雙螺桿擠壓機提高了30%。通過對比可以發現，三螺桿擠壓機有著較高的產能比，如表2所示。
2.4 超臨界二氧化碳擠壓膨化設備
傳統的擠壓膨化屬于蒸氣膨化，在擠壓膨化過程中的高溫、高壓以及高剪切作用會造成物料中熱敏性成分的損失[15-16]。此外，蒸氣膨化也不易控制產品的密度，形成的產品多孔結構較為粗糙[17]。二氧化碳由于其價格較低，容易得到高純組分，因此成為食品工業中應用較多的一種介質，二氧化碳氣體和超臨界二氧化碳均可用于食品膨化。相對于蒸氣膨化，基于二氧化碳的膨化產品中氣泡分布均勻，而且由于加工溫度低，可以很好的保護物料中的熱敏性成分。1992年美國康奈爾大學的Rizvi等人申請了一項將超臨界二氧化碳應用于食品膨化加工中的技術專利[18]，超臨界二氧化碳流體擠壓膨化技術在國外已有10余年的研究歷史，但仍處于初步階段，國內則未見有相關研究報道。
目前，超臨界二氧化碳擠壓膨化機一般是由雙螺桿擠壓機改造而成，擠壓膨化機的前半部為高溫、高壓區，后半部為冷卻低溫區，超臨界二氧化碳流體以高于擠壓腔內壓力的條件下注入，隨著物料從�？跀D出壓力急劇降低，超臨界二氧化碳轉為常態，體積瞬間膨脹，從而使物料完成膨化。擠壓腔前半部的高溫、高壓可以使淀粉糊化、有害因子失活，后半部的冷卻低溫區是熱敏性組分及超臨界二氧化碳流體的加入點，這樣可以使熱敏性組分的損失降到極低。
和蒸氣膨化相比，超臨界二氧化碳流體擠壓膨化技術有著顯著的優點。首先，熱敏性成分由于是在低溫區加入，因此不會造成損失就不需要超量加入，從而降低成本。其次，可以通過調節超臨界二氧化碳流體的超臨界壓力或超臨界溫度等對膨化加工進行控制，因此更容易進行，調節也更準確、方便。再次，由于超臨界二氧化碳流體可以將一些熱敏性成分進行萃取，因此，這些熱敏性成分與物料可以更好的混勻。最后，由于超臨界二氧化碳流體技術對物料的水分要求較低，膨化產品無需進一步干燥，因此可以省掉干燥工序，節約設備投資。表3將傳統擠壓膨化與超臨界二氧化碳流體擠壓膨化進行了對比。
3 螺桿擠壓機的應用
3.1 螺桿擠壓機在食品加工中的應用
在谷物早餐方面，吳衛國[20]等人以營養早餐谷物食品配方研究中確定的最佳配方為基礎，以容重為擠壓早餐谷物的核心品質指標，得到了雙螺桿擠壓機生產早餐谷物的最佳工藝參數：物料加水量 11%～14%，螺桿轉速294～320/ min，物料進料速度 960～980 kg/h。吳衛國等人還研究了維生素在谷物早餐擠壓膨化過程中的變化規律，研究表明，在一定的擠壓條件下，谷物早餐中的維生素含量隨著進料量減小、物料水分升高、螺桿轉速減慢，擠壓腔溫度上升等因素的變化而減小[21]。
在蛋白食品加工方面，陳瑞戰[22]等人采用BC45 型雙螺桿擠壓機，進行了玉米粗蛋白的擠壓改性研究，得到了獲得高NSI的最優擠壓條件為：物料水分 11%，螺桿轉速160 r/min，膨化溫度75 ℃，模頭長度 300 mm，研究表明，物料水分對玉米粗蛋白NSI的影響最大，其次是膨化溫度、模頭長度、螺桿轉速。蛋白質經過擠壓膨化處理，產品的色澤、氣味等都得以改善，消化利用率提高。
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在營養保健食品方面，鄭建仙等人[23]研究了擠壓蒸煮對蔗渣膳食纖維的影響。研究表明，擠壓蒸煮后，蔗渣膳食纖維的水溶性有顯著提高，從2.2%提高到12.4%，蔗渣膳食纖維的生理活性也有很大提高，且達到國際通用保健膳食纖維標準。杜冰[24]等人首次以青香蕉和玉米淀粉的混合物為原料，利用雙螺桿擠壓機研究了物料濕度、螺桿轉速、加工溫度和喂料速度對產品膨化特性的影響，并得出最佳工藝：物料濕度為16%、螺桿轉速為223 r/min、加工溫度145 ℃、喂料速度為18 r/min，研究表明，擠壓膨化后香蕉的抗性淀粉含量仍高達8.2%，可作為一種新型抗性淀粉食品開發利用，為香蕉的深加工提出了一條新思路
3.2 螺桿擠壓機在飼料加工中的應用
擠壓技術在加工特種動物飼料、水產飼料等方面有著傳統加工方法無可比擬的優點，如擠壓機生產的飼料產品蓬松性好，密度小，硬度小，且產品易消化，樣式豐富。過去在生產多色寵物飼料方面，商家一般采用聯合膨化法，這就需要兩個膨化機[25]，生產工藝較復雜。國外開發了一種應用于多色寵物飼料擠壓膨化設備上的混合模頭，這種模頭可以生產雙色及多種形狀的產品，只用一臺膨化設備即可加工出由12個色彩部分組成的產品[26]。瑞士布勒公司生產的擠壓設備可以完成夾心寵物食品的加工，其生產的 ECOtwinTM雙螺桿擠壓機的機械能和密度控制能保證始終如一的高質量產品。我國濟南賽信公司在擠壓膨化機方面的優勢在于在寵物食品生產線上能確保產品在特定的溫度、壓力、濕度和時間內完成，但其機械能和密度控制和國外相比還有一定的差距。
3.3 生化反應器
目前，把螺桿擠壓機作為生化反應器已成為擠壓技術發展的新熱點。Meuser等人利用雙螺桿擠壓機成功將淀粉衍生物生成陰離子和陽離子淀粉[27]。冉旭[28] 等人以玉米淀粉為原料，研究了雙螺桿擠壓機操作條件對淀粉酶轉化程度的影響，研究表明，淀粉酶轉化程度不受螺桿轉速影響，隨物料水分、酶質量分數和機筒溫度增加而增大，在機筒溫度95 ℃時淀粉酶轉化程度達到最大，且隨溫度進一步升高而降低。
此外，擠壓技術還廣泛應用于油脂浸出、釀造生產等領域。據報道，日本已研究成功利用螺桿類擠壓機將大豆蛋白制作成可食用的蛋白質包裝薄膜，并以此來代替天然腸衣和塑料薄膜，用于調味品或粉末藥品的小包裝，而此項技術在我國還是一項空白。
4 展望
螺桿擠壓機在食品工業及其它領域的應用日益廣泛，優勢也日漸突出，我國在螺桿擠壓技術的理論認識和實際應用等方面的研究還剛剛起步，有著較大的發展空間，隨著對螺桿擠壓機擠壓機理研究的深入和食品擠壓理論的完善，螺桿擠壓機及其應用將得到進一步的發展，這將在很大程度上促進我國食品、糧油等工業的發展。——論文作者：王會然，李宗軍
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