食品加工论文:《挤压机作为生化反应器在淀粉行业中应用的改进思路》
摘 要: 本文对挤压机加工谷物膨化食品和加工固体焦糖色素这两种不同的挤压过程作了一个对比研究,帮写食品加工论文阐述了挤压反应的特点及挤压机作为反应器的不足之处,提出了挤压机作为生化反应器在淀粉行业中应用的一些改进思路。
关键词: 挤压机; 挤压反应; 淀粉
前言
挤压加工虽然已有近百年的历史了,但其应用和技术仍在继续发展,挤压机所独特的连续、短时间、高温高压及高剪切的加工优势是其它设备所不及的。对挤压技术的研究,根据对挤压机不同层次的认识有所侧重,目前总结起来有三种认识:①作为食品加工机械的挤压机;②作为具有多种单元操作复合体的挤压机;③作为连续式生化反应的挤压机。把挤压机与生物、化学转化联系起来是80年代以后的事情[1],这一构思突破了传统把挤压机仅仅作为食品加工机械的观念,将挤压机用于以蛋白质、淀粉、纤维素等聚合物为基质的生物材料进行直接或间接的生物或化学转化,大大拓宽了挤压技术的应用领域。笔者对挤压机作为一般的食品加工机械和作为生化反应器在淀粉行业中的应用进行了对比研究,比较了它们之间的挤压过程,提出了挤压机从食品加工机械发展为生化反应器的几点改进思路。
1．挤压机作为食品加工机械的研究
挤压机在淀粉行业中的应用最早就是挤压加工膨化的谷物食品。谷物原料在挤压机的螺杆机筒中由于高温、高压而得到蒸煮、淀粉糊化,从模头处挤出来时体积膨胀,从而获得熟化的、松脆可口的膨化食品。虽然在这一过程中,谷物原料也发生了一系列复杂的生化反应,如:淀粉糊化、蛋白质变性、大分子降解为小分子,但大家普遍认为,挤压机在此只是作为一台普通的食品加工机械,其用途是加工膨化谷物食品。
1.1 原料及设备
我们采用市场上膨化食品常采用的两种谷物原料—玉米和大米作为试验原料,玉米粉和大米粉的配比为1∶1。实验设备采用的是法国Clextral公司的BC45型同向啮合双螺杆挤压机。
1.2 实验方法
将挤压机的三个操作参数:螺杆转速、进料速率和机筒加热温度作为考察的三个因素,通过正交试验来找出这三个因素对膨化产品品质的影响。先将熔融段处的机筒加热温度定为180℃,变化螺杆转速和进料速率这两个参数,分别取三个水平,来安排正交试验。考察挤压机的螺杆转速和进料速率发生改变对产品的膨化度和水溶性指数有何影响规律。做完正交试验后,单独考察机筒加热温度对产品品质的影响,将螺杆转速定为120r/min、进料螺杆转速定为16r/min时改变熔融段处的机筒加热温度,取三个水平160℃、180℃和200℃,测定产品膨化度的变化。实验数据采用统计分析软件STATISTICA和EXCEL软件处理并生成图形。
1.3 结果与讨论
挤压机的螺杆转速和进料速率对产品膨化度和水溶性指数的影响规律。我们可以看出螺杆转速对产品品质的影响是很显著的,在实验范围内,随着螺杆转速的增加,产品的膨化度逐渐增大并达到最高值,水溶性指数亦逐渐增大。这是由于螺杆转速增大会使物料受到的剪切力增加,部分大的直链淀粉变成小分子,支链淀粉的部分侧链小分子也被游离出来,淀粉分子间的氢键作用被削弱,分子骨架的自由空间加大,使得物料中的水分更容易“渗入”而使其发生溶胀;同时,这也有利于水分在淀粉面团中的均匀分散,产生更为疏松的组织,因而产品的膨化度高、可溶物增多。当我们用STATISTICA软件处理实验数据并进行回归生成回归曲面,发现螺杆转速超过150r/min时其变化趋势是产品的膨化度和水溶性指数均下降。这说明当螺杆转速过高时,会发生过度剪切,产品的膨化度和可溶性反而下降,这种现象在有关文献[2]中也已提到。
我们看到挤压机的进料速率增加时,产品的膨化度会增大,但水溶性指数反而减小。这是由于当进料速率增加时,机筒内物料的填充率高,并形成较高的模头压力,使得机筒内的混合程度加大、热传递也加大,从而使得水分在物料中分散得更均匀,产生较高的膨化度。而产品的水溶性指数与能量输入的大小有关,这是由Van Lengerich得出的结论[3]。当进料速率增加时,机筒内物料增多,同一转速下的单位能量输入就小,所以水溶性指数会下降。产品的水溶性指数反映了淀粉的降解程度。
我们可以看出机筒加热温度的提高会使产品膨化度增大。因为机筒加热温度的增高使整个挤压蒸煮的温度升高,从而使物料温度上升并且熔融速率增大,由于蒸煮温度升高,在水分和温度的作用下面团蒸煮得更彻底,水分更易渗入面团使其发生溶胀,并且水分在面团内分布得更均匀,所以会得到高的膨化率。
2. 挤压机作为生化反应器的研究
由于挤压机具有集输送、混炼、剪切、加热、加压等多种单元操作于一体的特点,研究人员开始把挤压机与生物、化学反应联系起来作为生化反应器研究,拓展了挤压机的应用,挤压机作为生化反应器在淀粉行业中的应用已有不少报道。1989年Carr和Cunninghay成功用同向旋转双螺杆挤压机,通过对部分由于挤压产生的淀粉解聚作用产物进行缩醛反应,由淀粉直接生产出乙二醇苷[4];1990年Elisabeter Salay等研究了用挤压机生产磷酸脂淀粉[5];Meuser和GuyDellaValle等人利用双螺杆挤压机,将淀粉衍生物生成阴离子和阳离子淀粉[6-7];无锡轻工大学丁霄霖等人对用挤压机作为反应器制备高麦芽糖浆和淀粉多元糖醇进行了研究[8]并对玉米淀粉在挤压过程中的降解动力学进行了深入研究[9-12];无锡轻工大学顾正彪等人对用挤压机作反应器制备羧甲基淀粉进行了研究[13]。
近几年来,江南大学机械学院张裕中教授和食品学院顾正彪副教授共同组成课题组,对将挤压机用作生化反应器制备固体焦糖色素进行了研究。焦糖色素是食用色素中用量最大、使用范围最广、占整个色素用量的90%以上的一种天然人造食品色素。国外已有专利[14]报道用单螺杆挤压机生产固体焦糖色素,但国内还没有相关的研究。若能利用性能优越的双螺杆挤压机作为生化反应器,采用来源丰富、成本低廉的玉米淀粉为原料,生产出固体焦糖色素,这将是对国内焦糖色素生产工艺的一次重大变革,也是淀粉深加工的一种新的方法与途径。
2.1 原料及设备
课题组采用玉米淀粉和催化剂(酸和铵盐)为原料,实验设备是自制的实验用同向部分啮合型双螺杆挤压机,该机是长径比可改变的一台小型实验用机,其主要参数为螺杆外径:32mm;螺杆总长:380mm、580mm;模孔直径:34mm。
2.2 实验方法
由于在实验过程中我们发现当挤压机的进料速率较小时易发生堵机和回料现象,为了让实验容易进行,进料速率调至最大即全进料,将挤压机的螺杆转速和熔体段机筒温度这两个操作参数作为考察的两个因素,分别取三个水平,安排正交试验。由于挤压机的长径比直接影响着挤压反应过程的时间及压力分布,对焦糖色素的挤压有很大的影响,故实验采用两种长径比,分别进行正交试验,再进行对比。考察的指标是挤出物焦糖色素的色率。实验数据采用统计分析软件STATISTICA处理并生成图形。
2.3 结果与讨论
在不同长径比下挤压机的螺杆转速与机筒加热转速对生产焦糖色素的色率影响非常大,随着螺杆转速的逐渐增大,色率先增后减。这是由于在进料速率一定的情况下,当螺杆转速较小时,在模头处产生的压力小,导致机筒内部的压力梯度小,物料在机筒内的混合程度低,从而使玉米淀粉和催化剂的反应不完全,生产出的焦糖色素的色率低。随着螺杆转速增加,模头处的压力升高,有利于生化反应的进行,同时机筒内由于压力流的存在,各种泄漏增加,使物料之间的混合作用明显,反应完全,生产出的焦糖色素的色率明显提高。但当螺杆转速过高时,又会使得物料在机筒内的停留时间缩短,使反应不完全,这时的产物在检测过程中发现有白色的沉淀物产生。焦糖色素的色率又随着挤压机机筒加热温度的提高而增加,这主要是由于焦糖色素的生产与温度有着很大的关系,对于生化反应中的褐变反应,无论是美拉德反应还是焦糖化反应都是随着温度的升高而增加。
我们可以看出长径比大的挤压机生产出的焦糖色素色率比长径比短的要高,这主要是由于机筒长度的加长后,即使在螺杆低速情况下,也使玉米淀粉与催化剂在挤压机机筒内的停留时间加长,使玉米淀粉与催化剂能够充分地发生生化反应,所以挤压生产出的焦糖色素的色率有了明显的增加。用长径比大的挤压机生产出的焦糖色素的色率最高点处的螺杆转速要明显高于长径比小的挤压机的螺杆转速,这是由于当螺杆转速较高时,由于挤压机机筒的加长,仍能保证一定的反应时间,使玉米淀粉与催化剂仍能得到充分的反应。
3．两种挤压过程的比较
通过挤压机挤压玉米和大米的混合物生产膨化谷物食品以及挤压机挤压玉米淀粉生产固体焦糖色素的实验,我们可以知道螺杆转速对这两种挤压过程都影响很大。在实验条件下,生产膨化谷物食品的最佳螺杆转速在150r/min左右,而生产固体焦糖色素的最佳螺杆转速在85~100r/min之间。挤压机生产膨化谷物食品时,主要是对谷物原料进行蒸煮熟化,挤压机螺杆转速的提高使得物料受到的剪切力增加,淀粉的大分子结构被剪断成小分子,有利于水分的渗入;同时,螺杆转速的提高,使物料在机筒内的混合程度增加,有利于温度和压力在物料内部的均匀分布,从而缩短了谷物的蒸煮熟化时间,产生较理想的膨化谷物食品。但用挤压机生产固体焦糖色素时,由于在机筒内要发生复杂的生化反应,挤压机作为一个反应器,要提供反应所需的时间、温度和压力,当螺杆转速较高时,会使物料在机筒内的停留时间过短,从而使反应不完全,所以其螺杆转速不能太高。
当挤压机作为反应器时,要保证反应完全,得到可靠的反应产物,其结构参数—长径比
