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范文海 马 亮 张贵阳 高瑞斌
摘 要 文章介绍了食品以及饲料行业挤压膨化技术的新进展。采用强调质技术是提高挤压机产量的有效方法，提出了挤压过程的稳流剪切技术和出料过程的稳流技术概念，通过模块化螺杆的组合来优化挤压工艺参数，还介绍了超临界二氧化碳挤压膨化技术在食品行业中的研究进展。
关键词 挤压膨化；强调质；稳流；模块化；超临界
中图分类号 S817.12+4
挤压膨化技术目前在食品行业以及饲料行业都已经得到了更为广泛的应用。近些年在挤压膨化领域一些新技术不断涌出，这些新技术的应用使得挤压膨化设备在效率、能耗、可靠性以及加工产品的品质和加工范围等各个方面都取得了长足发展。
1 高熟化强调质技术
物料进入挤压机前需要进行调质处理，调质的目的是使物料得到预糊化，糊化的好坏直接影响挤压机的工作性能、产品的品质。所以调质是挤压系统的一个重要关键技术。
普通的调质技术就是简单地让物料与水、蒸汽进行混合。简单的混合不能使水和热量均匀渗透到物料中；对于物料，尤其是部分油性物料在调质过程中从微观颗粒看，由于水的表面张力，水很难渗透到颗粒内部，从而很难使颗粒内部的糊化度提高。这势必需要更多的蒸汽、更长的时间才能提高调质效果。
高熟化强调质技术不再是简单的混合,强调的是调质过程中传热和传质的相对运动速度和渗透的速度。传热和传质的渗透速度取决于蒸汽和粉状颗粒物料内部与界面层的温度梯度、速度梯度、湿度梯度、物料性质（密度、 颗粒大小、含水量）等因素。而高速调质提高了温度梯度、速度梯度、湿度梯度,从而就提高调质效果。
高熟化强调质技术设置了分功能桨叶，让物料与传质在机体中形成一定的相对运动速度，形成强接触、强渗透，减少调质时间，减少蒸汽量的使用。同时由于物料在调质过程中没有全部沉降壳体底部，而是有一部分物料悬浮在壳体内部，这样进一步提高了物料在调质器壳体内的充满度，进而延长了调质时间。
高熟化强调质技术使调质器的充满度由原来的30％～35%提高到55％～60%，对于相同有效容积的调质器，在相同产量的前提下调质时间能由原先的40～45 s提高到180～200 s，糊化度由原先的35％～40%提高至50％~55%，耗汽量降低20%左右。
由于物料经过强调质，充分预熟化，与普通调质相比，新技术能使挤压机产量提高10％～15%，降低了挤压机的能源消耗；同时物料预糊化度的提高使挤压机运行平稳，显著减少对螺杆、膨化腔内衬套的磨损，减少更换易损件的成本，从而达到在挤压膨化技术中的节能高效的绿色调质效果。
2 稳态化剪切挤压技术
2.1 挤压过程的稳流与稳态化剪切技术
挤压过程是挤压膨化设备中最核心的工艺过程。从提升效率与降低能耗的角度出发，牧羊挤压设备研发人员提出了挤压腔中的物流稳流有利于提高挤压产品品质的设想，同时提出稳态化剪切的理论，进而通过试验验证了这一理论。该理论的应用能有效提高挤压机产量，降低能耗，减少螺杆及腔体的磨损，提高挤压产品的品质。同时该技术的应用扩展了膨化产品的加工范围，使单螺杆挤压机能加工1.0 mm小颗粒，乃至加工更小颗粒，能够稳定长时间生产。
2.1.1 挤压过程中的物流稳流技术
在挤压过程中由于压力差的存在，物料在螺杆中有多种流动形式，如图1所示，其中渗漏、错流的存在对物料品质的影响最大。在挤压腔中渗漏和错流的物流与顺流的物流在挤压腔内的停留时间存在很大的差异，这直接引起饲料或食品在挤出后的膨胀系数存在差异，最终影响到挤压产品品质，如颗粒不均匀、糊化度不一致等。
在新技术中通过螺杆的配置，同时设计了螺杆与挤压膨化腔“零”间隙，一方面尽力减少物料的渗漏，同时使用细分混合结构使渗漏的物流与其它物流充分混合，做到挤出的物料熟化均一，挤压切割后的颗粒均匀美观，有效地节约了由于渗漏物料在挤压腔内停留时间过长而造成的能源浪费。
2.1.2 挤压过程中的稳态化剪切技术（见图2）
饲料与食品的挤压技术中，物料熟化一般要求提高挤压腔体内的剪切程度。目前的技术中物料从挤压主机进料口进料到模板出料是一种急速剪切的过程，急速剪切伴随着高压、高能耗、高磨损，同时带来物流的不稳定，所以这样的方式对挤压机出料模具的技术要求很高。只有好的出料模具才能缓解物流的不稳定，才能让物流变成颗粒均一的膨化颗粒。
而稳态化剪切强调的是一个剪切过程，是一种平稳剪切的过程。在这个过程中，剪切的峰值比急速剪切小，但是通过螺杆配置的合理设置，让经过稳态化剪切的物料糊化度和急速剪切保持一致，甚至可以进一步提高糊化度。
由于在剪切过程中稳态化剪切峰值比急速剪切小很多，螺杆及腔体的磨损随之减少。不但提高了易损件的使用寿命，而且更重要的是提高了挤压膨化食品的安全可靠性。由于稳态化剪切是一种前后落差变化不是很大的过程，所以在整个过程中物料的渗漏相对减少，挤压腔中的物料均一，设备运行更稳定，最终挤出的膨化产品的颗粒均匀度、美观性更好。实践证明稳态化剪切也是一种节省能耗的剪切，应用稳态化剪切的挤压机能提高产量15%左右，挤压机系统的吨料电耗可以降低12%左右。所以，稳态化剪切是一种经济的、稳定的、节能的方式。
2.2 出料过程的稳流技术
出料模具技术是食品和饲料挤压领域核心技术之一。这直接关系到膨化产品的应用范围，而且影响到膨化产品的品质。
在螺杆挤压末端，物料是以一定速度旋转且不稳定，这样的物流直接进入模具，不利于成型，不利于膨化颗粒的均一性。稳流技术就是解决这种不稳定物流的一种技术，其结构见图3。
通过在挤压腔末端与出料模具之间增设具有导向型的稳流装置，首先让旋转的物流停止旋转，接着让物流形成一种环形挤压区域，这个区域的环面与模具的区域一致，之后物流的约束力缓慢放大、流速减慢，最终物流平稳、均匀地分布至模具开孔区域的正前方。这样的物流确保了物料能够均匀地进入出料模具中，保证了物料成型的均匀性。同时，由于物流从螺杆中挤压出来首先进入环形挤压区域，使物流对模具的冲击力大大降低，最大限度降低模具的损坏程度，提高模具的使用寿命。
3 模块化、柔性化螺杆组合及加工工艺参数优化技术
3.1 螺杆组合的模块化及柔性化
螺杆组合是挤压设备另一核心技术。对于不同原料和不同挤压膨化要求的场合应根据物料的物性配置不同形式的螺杆，同时螺杆配置必须和挤压机的加工工艺参数结合起来，共同作用才能生产出高品质的膨化产品（见图4）。
为了适应不同原料的物性以及适应各种膨化产品的不同膨胀要求，螺杆元件设计成标准的可自由组合模块化的形式。这样在生产中通过调整螺杆配置，再配以不同的加工工艺参数，能让同一台挤压机适应食品、饲料行业中的不同场合不同产品要求的膨化。
模块化柔性化的螺杆组合能极大地节省资源，使一条生产线能加工多种形式的膨化产品，避免了重复投资。
3.2 加工工艺参数控制与优化技术
合适的螺杆配置仅仅是加工高品质膨化产品的重要的必要条件之一，合适的加工工艺是另外一个重要的必要条件。
挤压机的应用范围广以及膨化产品要求的技术参数不一样，决定了挤压机需要使用不同的加工工艺参数;在各个厂家,无论食品行业还是饲料行业,加工膨化产品的配方一直是根据市场的要求在不断调整,这需要及时调整挤压机的加工工艺参数;甚至有时不同产地的原料也会对膨化产品有一定影响,所以这一切就决定了挤压机加工工艺参数的千差万别。
目前挤压机的加工工艺参数的控制一般还依赖于有经验的操作人员，操作人员水平的高低直接影响到膨化产品的品质，这也是目前很多挤压机应用厂家使用同一挤压机制造商的同一种型号的挤压机设备，但是各个厂家的使用效果不一样的根本原因。
加工工艺参数控制与优化技术首先为这千差万别的工艺参数提供了一种标准纪录的方法，这种标准数据使挤压机的控制系统能够读取，在挤压机操作人员的执行下能够指导挤压机进行标准化生产。
加工工艺参数控制与优化技术包含一个数据化库。该数据化库中数据首先来源于试验过程中经过不断调整、摸索得到的一个在加工某一配方、膨化产品技术要求一定的前提下得到的一个最佳数据；其次来源于对这些最佳数据的配方成分分析和膨化产品技术参数的分析。配方成分分析，如配方中淀粉含量、油脂含量、蛋白含量，其中蛋白中植物蛋白与动物蛋白各占多少等等；膨化产品技术参数的分析，如膨胀系数、糊化度、出料温度、出料水分等等。把这些数据与加工工艺参数链接形成“组数据”，通过试验的积累形成不同物性的配方对应有不同“组数据”，这样形成一个完整的加工工艺参数的数据库。
在应用过程中,当遇到新配方时,首先通过成分的化验与分析,找出数据库中相近的配方,通过数据优化技术得到一个合适的加工工艺参数,在工艺参数的控制下指导挤压机进行生产,完全避免操作人员主观因素的影响,能够做到膨化产品品质长期稳定一致。
4 超临界二氧化碳挤压膨化技术
传统的挤压膨化属于蒸汽膨化，物料的膨化是通过一定压力的水蒸气迅速蒸发形成的。挤压膨化中的高温（130～170 ℃ 或更高）、高压、低水分（13％～24％）和高剪切会造成食品物料中的热敏性成分（如风味剂、维生素、氨基酸等）一定程度的损失。
通过对现行的双螺杆挤压机改进，将超临界二氧化碳在高于筒内压力下注入到膨化腔的冷却段，与物料均匀混合，当物料被挤出模口，通过二氧化碳的膨胀作用而对物料进行膨化，得到质地更均匀的多孔膨松结构。
超临界二氧化碳应用于食品挤压膨化技术中，加工温度低于传统的基于蒸汽膨化的挤压温度。并且二氧化碳是一种惰性介质，对食品中的各种组分几乎没有破坏作用，可以较好地保护热敏性成分、维生素、风味物质、天然的色素成分等，使产品有更好的水溶解性指数（WSI）和吸水指数（WAI）值。目前这种加工技术在我国食品行业中的应用还处于研发阶段,有着非常广阔的发展前景。
5 结语
“十一五”期间我国食品（饲料）工业将重点突破质构重组与物性修饰技术、生物工程技术、质量与安全控制技术等关键技术。随着挤压设备的广泛应用，挤压膨化技术将会得到更加快速的发展。
（参考文献若干篇，刊略，需者可函索）
（编辑：崔成德，）
范文海，江苏牧羊集团，高级工程师，225127，江苏省扬州市牧羊路1号。
马亮、张贵阳、高瑞斌，单位及通讯地址同第一作者。
收稿日期：2009-01-08
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