王伟光 刘俊荣 梁 佳 张筱潇 赵艳秋 辛 草

(大连海洋大学食品工程学院,大连 116023)

大豆蛋白挤压蒸煮处理过程中系统功耗的研究

王伟光 刘俊荣 梁 佳 张筱潇 赵艳秋 辛 草

(大连海洋大学食品工程学院,大连 116023)

利用双轴挤压蒸煮机处理大豆蛋白,考查了挤压操作参数对挤压系统参数的影响。采用可旋转的中心组合设计,以螺杆转速(X1)、腔体温度(X2)及系统供水率 (X3)为输入变量,以挤压蒸煮系统的运行电流(I)为响应变量,探索在蛋白质挤压蒸煮处理过程中挤压参数与系统功耗的关系。结果表明:螺杆转速的变化对系统的比能值影响不大,随着系统进水率的不断减小,系统的比能值逐渐变大,腔体温度对系统比能值的变化影响显著。得到挤压操作参数 (X1、X2、X3)与系统功耗 (y)的拟合模型为:y=3 242+0.29x1-1.45x2-2.18x3+0.98x1x2-0.50x1x3-1.37x2x3+0.46+2.05+1.35。

大豆蛋白 挤压蒸煮 挤压参数 比能

食品挤压技术是多学科交叉所产生的一门高新技术。挤压蒸煮作为一种高温短时的加工方法,能够将输送、压缩、混合、蒸煮、变性、杀菌、膨化、成型等多种操作单元同时完成。它具有连续的高温高压加工、短时无损处理、高效的生化反应器特性、高质量和高效率的杀菌效果、挤压产品清洁卫生。因此,经过半个多世纪的发展,挤压—蒸煮在食品、粮油、发酵、饲料、医药等工业部门的应用,日益广泛[1-3]。近年来,双轴挤压技术在低值鱼深加工方面的研究越来越受到关注[4-5]。

挤压蒸煮系统的功耗一般用比能来表示,比能是指挤压系统处理单位质量物料时所消耗的能量。比能直接反映了挤出功率即能量消耗的大小,同时也间接反映了挤出过程中剪切作用的强弱和熔体黏度的高低,是挤压过程系统稳定的重要因素。另一方面,由于比能能够准确反映系统能量的利用率,因此也是评价整机性能的重要技术经济指标。

以大豆蛋白为原料进行双轴热塑挤压蒸煮组织化处理,探索中高水分下蛋白质挤压组织化过程中功耗变化规律,通过研究蛋白质挤压组织化过程中挤压操作参数对系统功耗的关系模型,为蛋白质高水分挤压组织化过程有关功耗问题的研究提供基础参考[6-8]。

目前国内外对食品挤压系统功耗的研究尚不是很多,对系统功耗规律的研究可能得到非设备专一性的普遍适用的方法,挤压蒸煮系统功耗问题的研究是中试以至放大生产的重要前提[9]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

大豆脱脂粉:安阳漫天雪蛋白有限公司,粗蛋白52.3%,粗脂肪 1.0%,水分 6.2%,沙砾 0.02%,菌落总数 4 000个/g,色泽微黄。

1.2 主要设备

CLEXTRAL-BC45型同向旋转完全啮合自洁式的双轴挤压蒸煮机,主要技术参数为:有效工作螺杆长为 1 000 mm,长径比为 18/1,其挤压系统呈积木式结构特征,由 13组螺旋元件,一对花键芯轴,5段腔体构成。每个腔段长为 200 mm。模头系统为共有 8个出口直径为 4 mm的圆形模孔,本试验采用两个模孔。

1.3 系统功耗

比能,俗称 S ME,即消耗单位质量原料系统所消耗能量的大小,是衡量一个系统稳定、高效与否的一个重要指标。针对本系统 S ME的计算如下:

式中:y为比能 S ME/kWh/kg;P为消耗的功率/ kW;C为供料速度 /kg/h;450为额定电压/V;I为运行电流值/A;R为螺杆转速/r/min;612为最大螺杆转速/r/min。

1.4 方案设计

挤压蒸煮系统是一个多输入多输出的系统,作为同向旋转的双轴挤压蒸煮机又是一个高效的生物反应器,是一个典型的黑箱模型。针对黑箱模型的特点,采用可旋转的中心组合设计方法进行试验设计[10-14],以螺杆转速 (X1)、腔体温度 (X2)、系统供水率(X3)作为自变量,每个变量有 5个水平,见表 1。

表1 各变量实际数值和代码对照表

1.5 统计分析

采用DESIGN EXPERT 7.1.1分析软件对数据进行分析处理。

2 结果与讨论

2.1 挤压操作参数与挤压系统功耗的关系模型

按照可旋转的中心组合试验设计方案,中心点进行6次重复试验,共进行了 20组处理,测得系统在蛋白质挤压蒸煮过程中的系统运行电流,再根据比能方程(1)计算相应的比能 Y,结果见表 2。

表 2 二次回归旋转组合设计试验安排及结果表

利用DESIGN EXPERT 7.1.1对表2进行统计分析,得到大豆蛋白挤压处理过程中挤压操作参数与系统功耗的拟合模型(2):

对拟合模型所进行的方差分析(表 3)结果表明,腔体温度(X2)和螺杆转速二次项 (X12)对系统的比能值 (Y)影响较显著 (0.01

表3 操作参数对 S ME的影响效果的方差分析结果

2.2 螺杆转速对比能的影响

由图 1可知,在系统进水率一定的条件下,随着螺杆转速的增加系统的比能值是呈逐渐减小的趋势,但是减小的幅度很小。由图 2可知,在腔体温度一定的条件下,随着螺杆转速的增加系统的比能值是一个逐渐增大的过程,但是增大的幅度很小。可见,螺杆转速的变化对系统的比能值影响不大,和方差分析结果吻合。

2.3 进水率对比能的影响

由图 3可知,在腔体温度一定的条件下,在较大的进水率条件下,系统的比能值变化不大,在较小的进水率的条件下,系统的比能值增大的幅度较大。由图 4可知,在系统螺杆转速一定的条件下,随着进水率的不算减小,系统的比能值迅速变大。可见,随着进水率的不断减小系统的比能值逐渐变大。

图1 螺杆转速和腔体温度对比能的影响

图 2 螺杆转速和进水率对比能的影响

图 3 进水率和螺杆转速对比能的影响

图 4 进水率和腔体温度对比能的影响

2.4 腔体温度对比能的影响

由图 5可知,在螺杆转速一定的条件下,在较低的腔体温度下,系统的比能值逐渐减小,在较高的腔体温度下,系统的比能值又迅速变大。由图 6可知,在系统进水率一定的条件下,在较高的腔体温度下,系统的比能值变化不大,在较小的腔体温度下,系统的比能值变大的趋势明显。可见,腔体温度对系统比能值的变化影响显著,和方差分析结果一致。

图 5 腔体温度和进水率对比能的影响

图6 腔体温度和螺杆转速对比能的影响

3 1结论

通过可旋转的中心组合设计考查了大豆蛋白在湿挤压组织化过程中挤压操作参数对系统功耗的影响以及它们之间的关系,结果表明:螺杆转速的变化对系统的比能值影响不大;随着进水率的不断减小系统的比能值逐渐变大;腔体温度对系统比能值的变化影响显著;挤压操作参数 (X1、X2、X3)与系统响应参数(比能值 y)的拟合模型为:

志谢:大连水产学院食品工程学院,食品科学与工程 2005级黄西龙、王刚、程珍珠、孔楠楠同学参加了部分研究工作。

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Relation of Extrusion Parameters and SpecificMechanical Energy inWet Extrusion Cooking of Protein

WangWeiguang Liu Junrong Liang Jia Zhang Xiaoxiao Zhao Yanqiu Xin Cao
(DaLian Ocean University,Depar tment of Food Engineering,Dalian 116023)

Soy protein was taken as raw material to investigate the specific mechanical energy(S ME)during twin screw wet extrusion cooking using central composite design.Three main processing parameterswere taken as in2 put variables including screw speed(X1),barrel temperature(X2)and water supply rate(X3);running current (I)was observed as response variable of the extrusion cooking system and S ME was analyzed based on them.Re2 sults:Screw speed has little effect on S ME.Reducingwater supply rate results in increase of S ME.Barrel tempera2 ture has significant influence on S ME.The fitting equation bet ween the three main processing parameters and S ME was obtained as follows:

y=3 242+0.29x1-1.45x2-2.18x3+0.98x1x2-0.50x1x3-1.37x2x3+0.46+2.05+1.35

soy protein,wet extrusion cooking,processing parameters,specific mechanical energy

TS203 文献标识码:A 文章编号:1003-0174(2010)06-0037-05

国家科技支撑计划(2008BAD94B00),辽宁省海洋与渔业厅科研计划(200913)

2009-07-10

王伟光,男,1984年出生,硕士,水产品加工及贮藏工程

刘俊荣,女,1962年出生,教授,硕士生导师,水产品加工及贮藏工程