食品膨化技术Word格式.docx
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(2)按加热方式:
自热式;
间接加热式;
(3)按用途:
实验型;
生产型。
(4)按功能分:
通心粉(面条)挤压机、高压成形挤压机、低剪切蒸煮挤压机、膨化型挤压机、高剪切蒸煮挤压机、单一功能和多功能挤压机。
•2、食品挤压加工设备的工作原理
将食品原料通过输送装置喂入挤压机,电机带动螺杆做旋转运动,原料在螺杆及螺杆筒之间受到强烈的剪切、撞击、摩擦等机械作用,同时结合温度的变化,物料一次完成:
输送、混合(破碎)、压缩、剪切混炼、加热熔融、均压及模头成型等加工过程,在此过程中,发生了一系列物理及生化变化,完成原料的挤压膨化加工,再由切刀完成切割成型。
膨化食品生产所需要的相关设备
挤压机内工作区域的划分
•划分为七段:
物料输送段,物料的混合(破碎)段,压缩段,剪切混炼段,加热熔融断,均压
进料区过渡区限流区(定量区)
段,模头成型段;
成型区
•参照塑料挤压过程划分为四段:
进料区,过渡区,限流区(定量区),成型区
•3、挤压设备的构成
螺杆和筒体是挤压机的核心
(1)主机
挤压系统、传动系统、模头系统、加热(冷却)系统
(2)辅机
原料混合器、预处理装置、喂料器、切割装置、烘干(冷却)装置、调味装置、其他辅机。
(3)控制系统
①显示挤压机的工作状态;
②按程序启动,控制主机、辅机的转速和协调它门的运行;
③按工艺要求控制喂料量、温度和压力;
④用计算机控制可实现对整条生产线的全自动控制和管理。
•4、挤压设备的结构特点
螺杆和筒体构成逐渐减小的通道空间,使原料在压力和温度渐变的条件下完成变性.采用的方法是:
螺距渐变;
螺槽渐浅;
筒体渐窄等
•5、国际挤压设备的生产厂家
90年代后期挤压机代表性生产厂家:
美国Wenger、德国WP、意大利帕万——马布公司、法国Clextral公司、瑞士布勒公司、德国的Brabender公司等。
6、食品挤压机的发展现状及发展趋势
•6.1多螺杆6.2可视化6.3多极化6.4自动化
6.1多螺杆
•食品加工业所用的螺杆类挤压机有单螺杆挤压机,双螺杆挤压机,及目前刚刚兴起的三螺杆挤压机。
与单螺杆、双螺杆挤压机相比,三螺杆挤压机由于结构形式上的独特性,构成了其性能上和技术经济上的优越性
•单螺杆没有啮合区,双螺杆有一个啮合区,一字排列的三螺杆有两个啮合区,三角形排列的三螺杆有三个啮合区。
•三螺杆挤压机啮合区的增多,运转中对物料构成了高效的挤压、破碎、揉捏、压延、拉伸作用。
正是这种高效的混捏作用,使得三螺杆无需双螺杆的大直径、大长径比,就可获得同等质量同等产量的生产条件,充分体现出三螺杆挤压机高效的混合特性,结构上的紧凑性和经济性。
而且小直径的短螺杆比大直径的长螺杆加工造价低,安装及维护也较便利。
因此,三螺杆挤压机不仅在食品加工性能方面具有优良的特性,而且在自身结构及经济性等方面都具有显著的优点,将会成为未来食品挤压机的主流机型。
6.2可视化
•挤压机的可视化为研究原料在挤压过程中的变化提供了极大的方便,对于进一步探讨挤压加工机理,了解原料在加工过程中的变化规律具有重要的意义。
从而为配方设计、螺杆组合、工艺设定提供依据,以开发出更多的新食品及新原料。
•如北京化工大学塑料机械研究所研制的FTS-50型同向啮合式双螺杆食品挤压机,在机筒上用耐压30MPa,耐温300℃的玻璃,开设侧视窗(双向分布)7个,俯视窗6个,这样机筒全程三向可视,可以观察、摄录物料真实的挤出过程,以直接观察和分析食品在加工过程中的真实变化情况。
该技术对于产品研发,特别是实验研究具有很高的使用价值。
6.3多极化
•随着食品挤压机应用领域的不断拓展,挤压机也呈现多极化的发展趋势。
多功能、大功率机型以及小型实验机层出不穷,为挤压食品生产以及科学研究提供了性能良好、选择范围宽广的挤压设备,这无疑进一步推动了食品挤压技术的发展。
•如Wenger公司的C2TX-16.2挤压机功率高达600KW,生产率高达2,000-16,000kg/h;
再如Brabender公司生产的lab-station系列实验用机,体积小、省时、省料、移动灵活、操作方便,DSE25机型螺杆直径只有25mm,长度只有400~1200mm,电机功率只有7kw,但转速最高可达510r/min,特别适合实验室进行科学研究。
6.4自动化
研究自动开机阀,实现自动化开机,简化挤压机在开、停机时的操作步骤,节省时间,降低物料损失和能量损失。
开机时,可由计算机控制挤压机的转速、加水量、蒸汽量、糊化物量和干物料量,使其在尽可能短的时间里达到稳定的工作状态。
实现给料量、膨化温度、压力的自动控制和数字显示,以提高生产效率,降低劳动强度。
工作过程中,对压力、扭矩进行实时监控,避免造成机器堵塞及损坏等现象。
前面提到的DSE25双螺杆挤压机就具有上述自动化功能,为操作带来了极大的方便。
三、挤压加工对食品主要营养成分的影响
•1、淀粉及谷物粉剂压过程中的变化:
淀粉的挤出没有明显的熔融过程,首先淀粉以粉体状态输送,在输送过程中,物料受热,水分均匀融入淀粉中,受到更强的挤压和剪切作用。
淀粉达到湖化温度后,由粉粒逐步软化,最终变为凝胶体。
在湖化过程中,由于物料颗粒粒径不同,流体开始表现为细小的颗粒与凝胶体共混状,然后物料全部变为凝胶体,这种凝胶体处于高温、高压状态,它从机头挤出时,压力迅速降低,内部水分蒸发,使产品内部产生微孔结构。
经过挤压加工的淀粉和谷物粉其物理化学性质均发生了不同的变化,通过这些变化获得了不同的功能性质。
最主要的是淀粉的α化,可高达81.55%
•2、纤维素
纤维素在加压过程中的变化情况个方面的研究报道相差比较大,但较为一致的看法是纤维素经挤压后,可溶性膳食纤维的量相对增加(一般增加量在3%左右)。
这是由于加压加工中高温、高压再加上高剪切作用,促使纤维分子间价键断裂、分子裂解和分子发上极性变化所致。
•3、葡萄糖、蔗糖等
挤压食品物料中含有的糖分除了会影响淀粉的湖化外,还能致使糖分解成羧基化合物,它同物料中的蛋白质发生美拉德反应,从而使产品的颜色变深。
•4、脂肪在挤压过程中的变化
脂肪在食品的挤压过程中是一种敏感物料,挤压加工要求较低脂肪含量,一般单螺杆挤压机要求原料中脂肪含量要低于12%,超过此值挤压较难顺利进行。
脂肪在挤压过程中对食品的质构重组,成型、口感等影响较大。
首先在高温、高压、高剪切条件下,甘油三酯会部分水解,产生单甘油和游离脂肪酸,这两种产物与直链淀粉形成络合物,影响挤压过程的膨化,导致最终产品中淀粉的溶解性和消化率降低。
一般脂肪含量超过22%时,原料即失去膨化特性。
因此,生产挤压膨化食品原料的含油量低为好。
•5、蛋白质在挤压过程中的变化
富含蛋白质的食品原料在高温、高压、高剪切的食品挤压机内,蛋白质分子结构伸展、重组,表面电荷重新分布趋向均匀化,分子间氢键、二硫键等部分断裂,导致蛋白质最终变性。
不同来源的蛋白质物料经挤压加工后,消化率均显著提高,蛋白质的品质也获得改善,所以,挤压加工为开发低品质蛋白源以提高其营养价值提供了加工手段。
如人造肉。
•6、将大豆蛋白进行挤压膨化加工的特点
大豆加工的关键技术是去除豆腥味。
大豆中的豆腥味主要来源于大豆中的胰蛋白酶抑制剂、脲素酶、血凝集素等。
大豆挤出后的产品豆腥味明显减少,并且产品有豆香风味,表面有油脂益处,产品略呈淡黄色。
大豆中含有干扰蛋白质消化或影响健康的抗营养因子,与其他热处理方法一样,挤压可以减少这类化合物的数量或降低其活性。
在含水量20%时,挤压可以胰蛋白酶抑制素失活。
挤压加工参数一般为:
含水量18%;
温度160℃
四、挤压技术在食品加工中的应用及发展趋势
•1不断推出新型膨化小吃食品
•2扩大挤压技术在再制食品中的应用范围
•3开发膨化主食快餐
•4加大挤压膨化技术在食品辅料中的研究
•5充分利用挤压机生化反器的功能,开发新产品、新材料
•6其它应用功能
1、不断推出新型膨化小吃食品
•现在我们在超级市场的货架上可以看到琳琅满目的膨化食品,如虾条、满地可、小小酥、锅巴等,据统计一种膨化食品在市场上的平均寿命只有两年左右。
随着食品工业的发展,新技术和新工艺不断出现,而且随着人们生活水平的提高,人们对食品的要求越来越苛刻,低油、天然、绿色食品越来越受人们欢迎,膨化食品将面临着更大的挑战。
因此,作为膨化食品的研究开发人员和生产厂家,应着重市场调查和产品的更新换代,不断加强膨化理论与技术的研究,开发新原料、新工艺、新配方以提高自身的竞争力。
2、扩大挤压技术在再制食品中的应用范围
•膨化食品是各种辅料,经混合、挤压成型得到各种形状、不同风味的膨化产品。
不同的食品有不同的组织结构,而不同的原料经挤压也有不同的结构变化,不同的原料经混合配比再挤压后的结构变化更是多种多样。
把食品原料经合理配比,再经特定的挤压工艺加工后,可以得到结构和质地上与天然食品相近的制仿生食品。
人造肉、仿生果脯等就属于仿生食品,该类食品在质构上与天然食品相似,营养更加均衡,而且生产成本较低,经济性较好。
挤压加工仿生食品扩大了挤压技术在再制食品中的应用范围,具有广阔的开发前景。
3、开发膨化主食快餐
•食品挤压加工技术则比较容易满足快餐的生产供应原则,可以通过科学的配方设计,以较低价格为不同消费者提供最佳营养配方的食品;
•而且膨化食品保质期长,为传送、分配提供了充足的时间,可以很从容地按时送到消费者的手里;
膨化食品食用方便,可以节省消费者的用餐时间;
•膨化主食便于消化,其最终产品的形态和风格可以是多种多样的,特别是合于老人和儿童。
随着经济的发展,社会的进步,生活节奏加快,膨化主食快餐,将进入家庭,餐馆,企事业的集体伙食单位,将会逐渐得到消费者的喜爱。
4、加大挤压膨化技术在食品辅料中的研究
•挤压膨化技术主要应用在以粮食为原料的主食和小吃食品生产上,而用在辅料或食品添加剂的生产范围相对较小。
目前,除了应用在变性淀粉,糖浆和发酵辅料方面,其它应用领域还比较少。
•由于挤压膨化技术的先进性及对食品原料特有的改性能力,势必会在食品添加剂行业具有更宽的应用领域,以便生产高质量的食品添加剂,扩大生产规模,增加品种。
这需要在原料和挤压机以及加工工艺方面进行深入的研究。
5、充分利用挤压机生化反器的功能,开发新产品、新材料
•挤压机是一种特殊的生物化学反应器,食品在被挤压的过程中,会发生一系列的生化反应。
将挤压机作为食品加工中的生化反应器来进行研究,还属刚刚起步不久的新技术。
在食品加工领域,利用挤压机生化反应器的特殊功能,研究蛋白质、碳水化合物、脂肪、粗纤维等成分的相互作用,研究挤压过程中物料的营养价值及生化反应规律,更进一步还可从分子水平揭示食品的挤出加工机理,为开发新食品、新原料提供新技术、新手段。
6、其它应用功能
•代替搅拌反应器,完成乳制品酪蛋白盐反应物的生产;
代替蒸煮器和浇模机,用于甘草、水果软糖的生产;
代替精磨机用于巧克力的生产;
代替烤箱用于烘烤调料、焦糖生产;
代替烤炉用于面包片、饼干的生产;
作为榨汁机用于生产各种果汁、油料。
目前,世界上采用挤出法生产的食品范围已经相当广泛.有快餐食品、早餐食品、焙烤食品、冲调食品、儿童食品、植物蛋白食品、保健医疗和强化营养食品.在我国,近年来膨化和休闲食品的也得到了迅速的发展。
此外,螺杆挤压机还可以用于其它工业制品的加工,如造纸工业、纺织工业、金属铸造业、油井钻探等。
第二章食品膨化机
第一节食品挤压机的发展和分类
•螺杆和筒体是挤压机的核心。
•一、食品挤压机的发展
经历大体如下:
单螺杆、双螺杆到三螺杆;
单一功能到多功能;
长径比由5到20(目前有达45的);
由自热式到外热式;
由每小时几公斤的小产量到每小时2000~16000公斤的大产量;
由手工操作间歇作业到全自动电脑控制连续作业。
•二、食品挤压机的分类
•
(1)按螺杆的数量分
•
(2)按加热形式分
•(3)按功能分
通心粉(面条)挤压机、高压成形挤压机、低剪切蒸煮挤压机、膨化型挤压机、高剪切蒸煮挤压机、单一功能和多功能挤压机。
第二节挤压设备的组成和工作过程
•一、主机
•二、辅机
•三、控制系统
(1)显示挤压机的工作状态;
(2)按程序启动,控制主机、辅机的转速和协调它门的运行;
(3)按工艺要求控制喂料量、温度和压力;
(4)用计算机控制可实现对整条生产线的全自动控制和管理。
•四、挤压食品加工的主要过程
•
(1)混合;
•
(2)预处理;
•(3)喂料;
•(4)挤压;
•(5)切割;
•(6)干燥(冷却);
•(7)调味
第三节单螺杆挤压机的主要结构
•一、自热式单螺杆挤压机
•螺旋:
用钢丝绕成螺旋形与轴焊接在一起,外圆磨平。
•为了增强剪切作用,在靠近出料端的螺旋内,沿轴向分段焊有破碎杆,起阻挡作用。
•为了增大物料与筒体之间的摩擦力,筒体内壁上沿圆周互成120º
处加工有三根内杆。
•模头:
由锥模和模座组成。
锥模的端面上有7个螺栓孔,一个在中心,其余在圆周,用于与轴相连,同时与固定在筒体上的模座相配合形成一环形间隙。
利用轴向移动可调节锥模与模座的缝隙,从而限制产品的扁片厚度和产量。
•二、外热式单螺杆挤压机
•措施:
筒体夹套式;
中空螺杆轴;
分段,外面加有电热元件。
•三、多功能单螺杆挤压机
挤压机配有多个不同的螺杆;
芯轴和螺套组装式。
•单螺杆挤压机实现对物料压缩的措施:
(1)减小螺距型;
(2)增大螺旋底径型(3)螺旋筒体型;
(4)锥形筒体型;
(5)变螺距和锥筒体混合型。
第四节双螺杆挤压机的主要结构
•一、双螺杆挤压机的基本结构
•与单螺杆挤压机最大不同点:
螺杆和筒体的结构。
螺杆为并排的两根,筒体内孔断面成倒8字形。
•二、双螺杆啮合分类
罗纹啮合三种情况:
全啮合:
非啮合:
部分啮合:
-两螺杆中心距;
-螺旋齿顶圆半径;
-螺旋齿根圆半径;
-一根齿顶与另一根齿根之间允许的最小间隙。
两根螺杆的转向有同向和异向旋转两种,则可组合成6种双螺杆转动啮合形式。
异向旋转还可分为向内和向外旋转两类。
三、双螺杆挤压机的工作特性
•强制输送特性(不会出现倒流、停滞、抱螺杆现象)
•自清洁性能(速度差)
•螺杆转动方向不同,对物料的作用形式有所不同。
(同向旋转物料成∞形运动;
异向旋转成C型小室)。
四、整体式螺杆
•所谓整体式螺杆,就是将螺杆形状的各要素都加工制造在一根轴上,不可拆卸。
•优点:
强度高、使用、安装、维护方便。
•缺点:
加工制造难度大、成本高;
参数固定不变,对食品原料的适应性差,因局部磨损导致整体报废。
五、积木式螺杆
所谓积木式螺杆,就是将一根螺杆分成芯轴、螺套和紧固螺钉三大主要部分,组装而成。
芯轴和螺套:
靠花键;
轴向位置:
靠紧固螺母或紧固螺钉。
优点:
可以根据不同食品产品的不同工艺要求确定螺套的大小和数量,剪切块的位置不同可实现不同的压缩比和不同的剪切要求,组装出不同的螺杆;
加工方便;
磨损后可更换螺套,使用寿命延长。
六、整体式筒体
•含义:
从传动机架连接部分起,到出料端与模头组件相连接处止,包括进料口在内都加工在一体,没有可拆卸部分。
整体报废和不易分区温控
密封性好、强度高
七、积木式筒体
•定义:
将整个筒体纵向分成两段以上,每段之间用销钉定位,用螺栓紧固连接。
不同长径比、压缩比、剪切强度,可组合出适合各种用途的挤压机。
故称“多功能双螺杆食品挤压机”
采用积木式螺杆和筒体可组合成多功能双螺杆挤压机,实现下列各工艺要素的变化:
•
(1)过程长度。
•
(2)螺杆、螺套选配(压缩比、剪切强度)。
•(3)模头形状、开口面积。
•(4)转子转速。
•(5)温度、压力。
•(6)滞留时间。
八、单螺杆挤压机与双螺杆挤压机的性能比较
第五节模头系统
模头系统是食品挤压机限制出料、确定产品形状、保证产量、使机器正常运转的一个系统。
一、模头的主要结构
•
(1)多孔板
作用:
使挤出机出口处的不均匀物流再通过多孔板后,在截面上的压力、流向和流速基本达到均匀,起到均匀、匀速的作用。
•
(2)导流板
将物流从多孔板出口截面引向各模孔的入口,达到各模孔中的流速、流量均匀。
•(3)模孔板
使产品根据需要成型加工。
二、模板的形式
•
(1)锥面出口模板
•
(2)突变式出料模板
•(3)径向式排出模板
•(4)具有冷却水循环的冷却模板
•(5)有充填夹馅结构的模板
•对一些长条形的产品,出口也可放在侧面。
第六节挤压机的传动系统和过载保护
一、挤压机的传动系统
1.挤压机传动系统的功能
•用来驱动螺杆在需要的扭矩下转动,以完成物料从输入到挤出成形的过程;
变速与调速。
•恒扭矩传动特性:
•P=knxM=97360P/nM=97360knx/n
•P——功率消耗,kW;
n——转速(螺杆),r/min;
k——几何常数(与螺杆的几何参数和模头尺寸有关);
x——物料指数(与加工物料、螺杆转速、挤压工艺有关,一般近似取1);
M——转动扭矩。
2.传动系统的组成和传动形式
•组成:
通常由电动机、调速装置、减速装置等组成。
二、挤压机的过载保护装置
•机械式过载保护:
安装在电机输出轴与减速装置传动系统之间——剪切销或安全键;
•电器方面的保护装置:
在供电系统中设保险(快速熔断器);
在电路中加过流继电器。
第三章挤压食品生产中的辅助设备
第一节原料的混合和预处理设备
一、原料混合器
•单轴桨叶式混合器:
卧式、立式;
•锥形双螺旋混合器。
•卧式单轴桨叶式混合器实现均匀混料的措施。
•立式单轴桨叶式混合器实现均匀混料的措施。
•单轴桨叶式混合器的不足。
•锥形双螺旋混合器的工作原理。
•锥形双螺旋混合器的特点。
二、原料预处理器
•作用:
原料在进入机压机之前,按生产工艺要求进行的增湿或加温处理,以减少主机螺杆的负荷,起到保护最终产品质量的作用.
•工作过程
•通过调节三个因素可以满足加水混合工艺的要求:
转速、桨叶在轴上的安装角,筒体横向倾斜角。
第二节挤压食品生产用的切割器与干燥(冷却)设备
一、切割器
将从摸头模孔处挤出的食品均匀切断而成一定形状.
•主要结构:
可调速的驱动装置、刀具和安全罩组成。
•从切刀的切割形式上可将切割器分为三种不同的基本形式:
飞刀式切割器、高速旋转刀切割器、剪切式切割器。
•对切割器的设计要求
(1)接触角:
没有接触角的刀片对挤出物的分断是砍断式的;
有接触角的刀片对挤出物进行切割时有滑移运动,被切割的食品边缘光滑。
接触角越大,切刀对被切物的推力越小。
(2)刀片厚度应尽量做的薄些,宽度应尽量做的小些。
(3)切刀外要配安全罩。
二、干燥(冷却)设备
•干燥冷却设备的设计制造要考虑到多种可变因素,对于一台干燥机来说,能够调节的因素越多越好,适应性越强。
•Wenger公司的干燥(冷却)机气流(热的或冷的)在箱体内通过输送带的形式有4种:
(1)全向上流过两层输送带;
(2)全向下流过两层输送带;
(3)从两层输送带中间流入,分为向上和向下两股气流;
(4)一部分气流从上输送带的顶部向下,另一部分气流从下面输送带的底部向上,两股气流到两层输送带中间流向出口。
第三节调味处理机
•种类:
单滚筒式调味机、双滚筒式调味机、涂衣机(涂糊机)。
•单滚筒调味系统的工作过程。
•单滚筒调味系统的特点:
优点、缺点。
•双滚筒调味系统与单滚筒调味系统的区别。
•双滚筒调味系统的工作过程。
•双滚筒调味系统的特点。
•撒粉器的工作原理。
•涂衣机工作过程(巧克力酥糖)。
单筒调味系统的特点
•单筒调味系统的优点:
滚筒采用一个较长的筒体,设备少,喷油、喷粉在一筒内完成;
•缺点是:
喷粉浪费大,粉尘飞出,还会污染空气。
•采用双滚筒调味系统把筒内喷粉改成筒外撒粉可克服上述缺点。
第四节挤压食品生产过程中的控制
•实现控制的目的
•一、被控制的变量:
自变量、因变量。
(1)自变量
原料组分、水分、螺杆转速、喂料量、切刀转速、干燥(冷却)机的温度及其输送带速度、调味机的喷油量和喷粉量。
(2)因变量
粘度、挤出量、压力、温度、滞留时间。
•二、变量的测定
(1)喂料量的测定
•干
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