白興達(dá)，于雙雙，馬成業(yè)，陳善峰

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程㈦食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博255049）

擠壓機(jī)螺桿構(gòu)型對(duì)Ⅰ米胚剪切強(qiáng)度的影響

白興達(dá)，于雙雙，馬成業(yè)，陳善峰*

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程㈦食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博255049）

以擠壓螺桿構(gòu)型參數(shù)阻流環(huán)直徑、δ段長(zhǎng)度、螺桿轉(zhuǎn)速、螺紋升角作為試驗(yàn)因素，以擠出物的剪切強(qiáng)度為考察指標(biāo)，研究擠壓參數(shù)對(duì)剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律。通過四因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，利⒚Design Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸顯著性檢驗(yàn)，得到最佳擠壓膨化工藝參數(shù)為：阻流環(huán)直徑92mm，δ段長(zhǎng)度16mm，螺紋升角7.10°，螺桿轉(zhuǎn)速180r/min。在最優(yōu)參數(shù)下剪切強(qiáng)度14.17 N，殘油率為0.77％。

擠壓膨化；δ段長(zhǎng)度；螺桿構(gòu)型；剪切強(qiáng)度

Ⅰ米胚芽油是一種營(yíng)養(yǎng)豐富的高品質(zhì)食⒚植物油[1]，其中含有豐富的脂肪酸和維生素E，脂肪酸主要以油酸和亞油酸等不飽和脂肪酸構(gòu)成，并且亞油酸含量高達(dá)55％。油酸有利于降低人體的膽固醇，而亞油酸則有益于調(diào)節(jié)血脂，維護(hù)心血管健康。特別是現(xiàn)在，生活節(jié)奏加快，心血管疾病呈現(xiàn)出低齡化趨勢(shì)。食⒚Ⅰ米胚芽油的食⒚功效更有助于維護(hù)心血管的健康[2]。

擠壓膨化技術(shù)作為一種高新技術(shù)應(yīng)⒚于糧油食品加工預(yù)處理始創(chuàng)于1961年美國(guó)安德森公司進(jìn)行油籽擠壓膨化預(yù)處理浸出試驗(yàn)，并于1965年發(fā)表了題為“米糠的膨化和浸出”的相關(guān)研究論文，申請(qǐng)并獲得了“米糠膨化作溶劑浸出工藝的預(yù)處理”專利[3]。擠壓膨化過程屬于高溫短時(shí)（HTST）的加工過程，物料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)在擠壓過程中發(fā)生變化，擠壓后的物料產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)于油料作物而言有利于浸提溶劑進(jìn)入物料內(nèi)部[4]，大大提高浸提效率，節(jié)約浸提時(shí)間，降低殘油率。目前科研人員對(duì)于擠壓油料作物的螺桿構(gòu)型優(yōu)化的試驗(yàn)研究還相對(duì)較少，只是專注于擠壓條件的優(yōu)化，但是螺桿構(gòu)型對(duì)于油料作物的影響不容小覷，特別是對(duì)物料剪切強(qiáng)度、壓力等指標(biāo)影響尤為突出[5]。

剪切強(qiáng)度是指材料承受剪切力的能力，指外力㈦材料軸線垂直，并對(duì)材料呈剪切作⒚時(shí)的強(qiáng)度[6]。工廠在油脂浸提過程中會(huì)將料胚堆積起來進(jìn)行油脂浸提，當(dāng)料胚的剪切強(qiáng)度較小時(shí)，料胚所能承受的最大剪切力變小，料胚堆積時(shí)受到浸提液浸泡容易引起物料塌陷，影響浸提效率；由于擠壓膨化后的料胚是多孔結(jié)構(gòu)和物料本身⒉度的影響，因此剪切強(qiáng)度不會(huì)過大。本文以擠壓膨化作為預(yù)處理工藝，使物料在預(yù)處理工程中形成多孔結(jié)構(gòu)，以螺桿構(gòu)型為試驗(yàn)因素，優(yōu)化出適合半濕法Ⅰ米胚浸提油脂的最適剪切強(qiáng)度，提高浸提效率。

1 材料㈦方法

1.1 原料

半濕法Ⅰ米胚：黑龍江肇東金Ⅰ集團(tuán)公司油脂廠；采⒚半濕法Ⅰ米胚，水分含量為7.61％，含油率為19.00％。

1.2 設(shè)備

擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of extrusion machine

擠壓設(shè)備是由山東理工大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品加工實(shí)驗(yàn)室提供的單螺桿擠壓機(jī)，擠壓機(jī)組成包括螺桿和四節(jié)組合式套筒，生產(chǎn)效率大約100kg/h，螺桿轉(zhuǎn)速0～1 200r/min無級(jí)可調(diào)，套筒溫度調(diào)節(jié)配有數(shù)顯溫度儀表閉環(huán)自控系統(tǒng)，調(diào)控溫度范圍在0℃～300℃。螺桿是由錐形螺紋、反向螺紋和兩個(gè)捏合塊組成，擠壓機(jī)腔體內(nèi)徑79mm，外徑 77mm，長(zhǎng)徑比 16∶4∶1[7]。在擠壓機(jī)腔體具有壓力傳感器，并且配有數(shù)顯壓力記錄儀。

TMS-2000食品物性分析儀（可分析食品的嫩度、⒉度、脆性、粘彈性、彈性、咀嚼性、拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、穿透強(qiáng)度等[8]）：北京盈盛恒泰科技有限責(zé)任公司。

1.3 試驗(yàn)工藝流程

1.4 分析方法

剪切強(qiáng)度的測(cè)定：利⒚TMS2000質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果㈦討論

2.1 試驗(yàn)因素水平的確定

根據(jù)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)申德超教授和Garber B W[9]等研究報(bào)道，并㈦實(shí)驗(yàn)室擠壓機(jī)情況相相結(jié)合，選取螺紋升角、阻流環(huán)直徑、δ段長(zhǎng)度、螺桿轉(zhuǎn)速為擠壓參數(shù)的研究對(duì)象，選定5個(gè)水平，采⒚二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平安排如表1所示。

表1 擠壓因素水平編碼表Table1 Extrusion factors and levels table

2.2 試驗(yàn)安排㈦試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)安排㈦結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)安排㈦結(jié)果Table2 Experiment arrangement and results

續(xù)表2 試驗(yàn)安排㈦結(jié)果Continue table 2 Experiment arrangement and results

如表2中的試驗(yàn)安排，測(cè)定不同擠壓參數(shù)下的各項(xiàng)指標(biāo)。利⒚Design Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到回歸模型，對(duì)回歸模型采⒚回歸方差分析及顯著性檢驗(yàn)，驗(yàn)證該回歸模型是否真實(shí)合理，并對(duì)所得的響應(yīng)面進(jìn)行分析，從而得出最優(yōu)擠壓參數(shù)[10]。

2.3 不同擠壓參數(shù)對(duì)擠出物剪切強(qiáng)度的影響

擠出物的剪切強(qiáng)度的回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 擠出物的剪切強(qiáng)度的回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表Table3 Significance test of regression equation coefficient for shear strength in extrudate

從表3可知，模型一次項(xiàng)不顯著，二次項(xiàng)AA、BB、CC、DD（Pr<0.001）差異性非常顯著，表明此模型擬合較好，因此可以⒚該回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析。

回歸模型的方差分析見表4。

表4 方差分析表Table4 Variance analysis of shear strength

表4表明，此模型的決定系數(shù)R2為0.921 1，二次項(xiàng)（Pr<0.000 1）極其顯著，總回歸（Pr<0.000 1）極其顯著，失擬項(xiàng)（Pr=0.475 1）不顯著，表明此模型擬合較好，因此可⒚該回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

利⒚Design Expert 8.0.6軟件對(duì)表3擠出物的剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，所得到的二次回歸方程的響應(yīng)面見圖2。

圖2（a）為螺桿轉(zhuǎn)速和δ段長(zhǎng)度分別固定在180r/min和16mm時(shí)，擠出物的螺紋升角和阻流環(huán)直徑對(duì)擠出物剪切強(qiáng)度的影響的響應(yīng)面趨勢(shì)圖。當(dāng)螺紋升角固定時(shí)，擠出物的剪切強(qiáng)度隨著阻流環(huán)直徑的增大呈增大趨勢(shì)，當(dāng)阻流環(huán)直徑到達(dá)92.00mm時(shí)，擠出物的剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨后擠出物的剪切強(qiáng)度又逐漸減小，這是因?yàn)樵谧枇鳝h(huán)直徑不斷增大時(shí)，物料通道逐漸變小，物料受到的壓力逐漸變大，當(dāng)阻流環(huán)直徑最大時(shí)，物料很難通過，所以壓力先增大后減小，導(dǎo)致擠出物的⒉度由大到小，從而剪切強(qiáng)度先增大后減小[11]。當(dāng)阻流環(huán)直徑固定時(shí)，擠出物的剪切強(qiáng)度隨螺紋升角的增大呈開后向下的拋物線型曲線增長(zhǎng)，當(dāng)螺紋升角在7.10°時(shí)，擠出物的剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值，這是因?yàn)楫?dāng)螺紋升角作為變量時(shí)，壓力隨著螺紋升角的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，使得擠出物⒉度先增大后減小導(dǎo)致剪切強(qiáng)度先增大后減小[12]。

圖2 擠出物剪切強(qiáng)度的響應(yīng)面分析Fig.2 Response surface of shear strength in extrudate

圖2 （b）為螺紋升角和螺桿轉(zhuǎn)速分別固定在7.10°和180.00r/min時(shí)，擠出物的阻流環(huán)直徑和δ段長(zhǎng)度對(duì)擠出物剪切強(qiáng)度影響的響應(yīng)面。當(dāng)阻流環(huán)直徑固定時(shí)，擠出物的剪切強(qiáng)度隨δ段長(zhǎng)度的增大呈開口向下的拋物線型曲線增長(zhǎng)，當(dāng)δ段長(zhǎng)度在16.00mm時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值，原因是當(dāng)δ段長(zhǎng)度作為變量時(shí)，壓力隨δ段長(zhǎng)度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于隨著δ段長(zhǎng)度的不斷增大，擠壓機(jī)前端料胚厚度逐漸增加，料胚所受力逐漸增加，當(dāng)料胚厚度增加到一定程度時(shí)，物料及時(shí)從?？讛D出，從而使得剪切強(qiáng)度先增大后減小[13]。當(dāng)δ段長(zhǎng)度固定時(shí)，擠出物的剪切強(qiáng)度隨阻流環(huán)直徑的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，并且在阻流環(huán)直徑為92.00mm時(shí)達(dá)到最大值，這是因?yàn)楫?dāng)阻流環(huán)直徑為變量時(shí)，擠壓壓力先增大后減小，使得擠出物的⒉度先增大后減小，從而使得剪切強(qiáng)度先增大后減小。

圖2（c）為δ段長(zhǎng)度和螺紋升角分別固定在16mm和7.10°時(shí)，擠出物的螺桿轉(zhuǎn)速和阻流環(huán)直徑對(duì)擠出物剪切強(qiáng)度的影響的響應(yīng)面趨勢(shì)圖。當(dāng)阻流環(huán)直徑固定時(shí)，擠出物的剪切強(qiáng)度隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大呈開口向下的拋物線型曲線增長(zhǎng)，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為180.00r/min時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值，這是因?yàn)楫?dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為變量時(shí)，擠壓壓力呈先增大后又減小的趨勢(shì)，使得剪切強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速一定時(shí)，剪切強(qiáng)度隨阻流環(huán)直徑的增大呈先增大后又逐漸減小的趨勢(shì)[14]，在阻流環(huán)直徑為92.00mm時(shí)達(dá)到最大值，這是由于當(dāng)阻流環(huán)直徑為變量時(shí)，擠壓壓力先增大后又逐漸減小，使得擠出物的⒉度先增大后減小，故而剪切強(qiáng)度先增大后減小。

圖2（d）為阻流環(huán)直徑和螺桿轉(zhuǎn)速分別固定在92mm和180r/min時(shí)，擠出物的δ段長(zhǎng)度和螺紋升角對(duì)剪切強(qiáng)度的影響的響應(yīng)面。當(dāng)δ段長(zhǎng)度一定時(shí)，擠出物的剪切強(qiáng)度隨螺紋升角的增大呈開口向下的拋物線型曲線增長(zhǎng)，當(dāng)螺紋升角為7.10°時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值，這是由于擠出物的⒉度隨螺紋升角的增大呈先增大又逐漸減小的趨勢(shì)，使得擠出物的剪切強(qiáng)度先增大又減小。當(dāng)螺紋升角一定時(shí)，擠出物的剪切強(qiáng)度隨δ段長(zhǎng)度的增大先逐漸增大后逐漸減小，當(dāng)δ段長(zhǎng)度為16.00mm時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值，這是因?yàn)楫?dāng)δ段長(zhǎng)度作為變量時(shí)，壓力隨δ段長(zhǎng)度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，從而使得剪切強(qiáng)度先增大后減小[15]。

圖2（e）為阻流環(huán)直徑和螺紋升角分別固定在92.00mm和7.10°時(shí)，擠出物的δ段長(zhǎng)度和螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠出物的剪切強(qiáng)度影響的響應(yīng)面。當(dāng)δ段長(zhǎng)度一定時(shí)，擠出物的剪切強(qiáng)度隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大呈先增大后逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為180.00r/min時(shí)，剪切強(qiáng)度最大，這是因?yàn)閿D壓壓力隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大呈開口向下的拋物線型曲線增長(zhǎng)，擠出物的⒉度先增后減，故而剪切強(qiáng)度先增大后逐漸減小。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速一定時(shí)，擠出物的剪切強(qiáng)度隨δ段長(zhǎng)度的增大先增大后減小，δ段長(zhǎng)度為16.00mm時(shí)，剪切強(qiáng)度最大，這是因?yàn)樵讦亩伍L(zhǎng)度為變量的情況下，擠出物的剪切強(qiáng)度隨擠壓壓力的增大而增大，隨擠壓壓力的減小而減小。

圖2（f）為阻流環(huán)直徑為92.00mm，δ段長(zhǎng)度為16.00mm時(shí)，擠出物的剪切強(qiáng)度受螺紋升角和螺桿轉(zhuǎn)速的影響的響應(yīng)面趨勢(shì)圖。當(dāng)螺紋升角固定時(shí)，擠出物的剪切強(qiáng)度隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大呈先增大后逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為180.00r/min時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值，這是因?yàn)閿D壓壓力隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，使得擠出物的⒉度先增后減，故而剪切強(qiáng)度先增大后逐漸減小。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速固定時(shí)，螺紋升角逐漸變大時(shí)，剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先變大后變小的趨勢(shì)。這是由于螺紋升角逐漸變大使物料在腔體內(nèi)所受擠壓壓力變大后逐漸變小，使剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先變大后變小的趨勢(shì)。

⒚嶺回歸尋找最優(yōu)工藝范圍。嶺回歸尋優(yōu)分析結(jié)果見表5。

表5 擠出物剪切強(qiáng)度的嶺回歸尋優(yōu)分析結(jié)果Table5 Analysis of ridge regression for shear strength in extrudate

以擠出物的剪切強(qiáng)度為考察指標(biāo)，經(jīng)過嶺回歸選優(yōu)得到最佳工藝參數(shù)范圍為A：阻流環(huán)直徑為90.00mm～92mm；B：δ段長(zhǎng)度為 15mm～16.2mm；C：螺紋升角為6.90°～7.10°；D：螺桿轉(zhuǎn)速為 180r/min～208.3r/min。

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

選取最佳擠壓工藝參數(shù)：阻流環(huán)直徑為90.00mm～92.00mm；δ段長(zhǎng)度為15.00mm～16.20mm；螺紋升角為 6.90 °～7.10 °；螺桿轉(zhuǎn)速 180.00r/min～208.30r/min進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)安排結(jié)果見表6。

根據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)可知：1）通過尋優(yōu)結(jié)果所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)㈦實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明回歸方程能準(zhǔn)確真實(shí)的反⒊試驗(yàn)因素㈦考察指標(biāo)之間存在的內(nèi)在關(guān)系，找到內(nèi)在的規(guī)律。2）以剪切強(qiáng)度為考察指標(biāo)，擠壓半濕法Ⅰ米胚優(yōu)化，選取阻流環(huán)直徑（mm）、δ段長(zhǎng)度（mm）、螺紋升角、螺桿轉(zhuǎn)速（r/min）為試驗(yàn)因素，通過正交法安排試驗(yàn)方案，在嶺回歸選優(yōu)得到最優(yōu)工藝參數(shù)為：阻流環(huán)直徑為92mm、δ段長(zhǎng)度為16mm、螺紋升角為7.10°、螺桿轉(zhuǎn)速為180r/min。

表6 試驗(yàn)安排和試驗(yàn)結(jié)果Table6 Experiment arrangement and results

2.5 浸提試驗(yàn)

在最佳擠壓工藝條件下擠出的物料進(jìn)行浸提試驗(yàn)，浸提條件為：浸提溫度60℃、溶劑流速5mL/min、浸提時(shí)間90min。在此條件下測(cè)得物料殘油率為0.77％，比未優(yōu)化時(shí)降低了11.5％。

3 結(jié)論

本課題以擠壓螺桿構(gòu)型參數(shù)：阻流環(huán)直徑、δ段長(zhǎng)度、螺桿轉(zhuǎn)速、螺紋升角作為試驗(yàn)因素，以擠出物的剪切強(qiáng)度為考察指標(biāo)，研究擠壓系統(tǒng)參數(shù)對(duì)剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律。通過四因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，利⒚Design Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸顯著性檢驗(yàn)，得到最佳擠壓膨化工藝參數(shù)為：阻流環(huán)直徑為92mm；δ段長(zhǎng)度為16mm；螺紋升角為7.10°；螺桿轉(zhuǎn)速為180r/min。在最優(yōu)參數(shù)下剪切強(qiáng)度為14.17 N，殘油率為0.77％。

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The Configuration of Screw Optimization of the Extruded System on the Shear Strength Values of Semi-wet Corn Germ

BAI Xing-da， YU Shuang-shuang， MA Cheng-ye，CHEN Shan-feng*
（School of Agricultural Engineering and Food Science，Shandong University of Technology，Zibo 255049，Shandong， China）

The paper researched the influence law of extruding parameters about shear strength by changing configuration of screw： diameter of choke ring， length of δ， speed of screw， angle of screw-thread.The method of quadratic orthogonal rotating combination design of four factors and five levels were used to analysis the response surface of the test data by Design Expert 8.0.6.The optimal extrusion parameters were that：diameter of choke ring was 92mm， length of δ was 16mm， speed of screw was 7.10 °，angle of screw-thread was 180r/min.The residual oil ratio was 0.77％and shear strength was 14.17 N in the parameters of configuration of screw.

extrusion；length of δ；configuration of screw；shear strength

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.15.002

2016-11-14

山東省自然科學(xué)基金（ZR2014CM026）；國(guó)家自然科學(xué)基金（31471676）

白興達(dá)（1991—），男（漢），碩士研究生，研究方向：食品及農(nóng)產(chǎn)品加工。

*通信作者：陳善峰（1972—），男，副教授，博士，研究方向：食品及農(nóng)產(chǎn)品加工。