食品挤压加工设备.docx
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食品挤压加工设备
食品挤压加工设备
本章学习目标
1.了解挤压加工的原理即应用特点
2.掌握食品挤压加工设备的主要结构及工作原理
目录
一、挤压熟化技术的基本概念和特点，挤压熟化食品的特点，挤压机类型及特点
二、单螺杆挤压熟化机构成、原理和主要工作构件和操作
三、双螺杆挤压熟化机分类及特性、挤压过程
四、挤压过程工艺变量的测控
第一节 挤压熟化技术的基本概念
一、挤压熟化技术的概念：
属于高温高压食品加工技术。
利用螺杆挤压方式，通过压力、剪切力、摩擦力、加温等作用所形成的对于固体食品原料的破碎、捏合、混炼、熟化、杀菌、预干燥、成型等加工处理，完成高温高压的物理变化即生化反应，最后食品物料在机械作用下强制通过一个专门设计的孔口（模具），便制得一定形状和组织状态的产品。
这种技术可以生产膨化、组织化或不膨化的产品。
二、发展历史：
最早应用于塑料制品加工，20世纪30年代，第一台单螺杆挤压机问世。
我国研究和应用始于20世纪80年代，先后在膨化小吃食品、营养米粉、糖果、动物饲料的生产。
三、挤压熟化技术的特点
•连续化生产：
原料经预处理后，即可连续地通过挤压设备，生产出成品或半成品
•生产工艺简单：
生产流水线短，集粉碎、混合、加热、熟化、成型于一体，一机多能，便于操作和管理
•物耗少、能耗低：
生产能力可在较大范围内调整，能耗仅是传统生产方法的60％～80％应用范围广：
适合于小吃食品、即席谷物食品、方便食品、乳制品、肉类制品、水产制品、调味品等加工。
经过简单地更换模具，即可改变产品形状，生产出不同外形和花样的产品，有利于产销灵活性
•投资少：
生产流程短，减少了许多单机，避免了单机之间串联所需的传送设备生产费用低：
仅为传统生产方法的40％
四、挤压熟化食品的特点
•不易产生“回生”现象：
回生的主要原因是α-淀粉β化。
挤压加工中物料受高强度挤压、剪切、摩擦等作用，淀粉颗粒在含水量较低的情况下，充分溶胀、糊化和部分降解，再加上挤出模具后的闪蒸，使糊化之后的α-淀粉不易恢复其β－结构，故不易产生¡°回生¡±现象
•营养成分损失少，食物易消化吸收：
挤压膨化过程是高温短时的加工过程，由于原料受热时间短，食品中的营养成分几乎未被破坏。
在外形发生变化的同时，也改变了内部的分子结构和性质，其中一部分淀粉转化为糊精和麦芽糖，便于人体吸收。
又因挤压膨化后食品的质构呈多孔状，分子之间出现间歇有利于人体消化酶的进入，所以消化率提高。
如未经膨化的粗大米，其蛋白质的消化为75％，经膨化处理后可提高到83％。
五、挤压熟化食品的特点
•产品口感细腻：
谷物中的纤维素、半纤维素、木素等成分彻底微粒化，并且产生部分分子的降解和结构变化，水溶性增强，口感得以改善。
•风味好、食用方便：
高温短时的挤压加工过程，使得一些有害因子还未来得及作用便被破坏，避免了不良风味的产生，如大豆制品的豆腥味是由于大豆内部的脂肪氧化酶催化产生氧化反应的结果。
挤压过程中的瞬间高温已将该酶破坏，从而也就避免了异味的产生。
另外，一些自然形成的毒性物质，如大豆中的胰蛋白酶抑制因子等也同样收到破坏。
膨化后的制品呈多孔的海绵状结构，吸水性强，容易复水。
•产品卫生水平高，保存性能好：
加工时间短、路程短，基本无污染。
挤压加工的瞬间温度可达250℃左右，能够破坏原料中的微生物。
膨化后的产品含水量一般为5％～8％，不利于微生物的生长繁殖。
六、挤压机类型及特点
1.应用：
螺杆挤压机，主体是一根或两根在一只紧密配合的圆筒形套筒中旋转的螺杆。
2.类型：
•按螺杆数量分类：
•单螺杆挤压机：
最为普通的螺杆挤压机，结构简单，设计制造容易，工作可靠，价廉、易于操作、维修方便，但混合能力差，作用强度低
•双螺杆挤压机：
挤压机配置有两根螺杆，挤压作业由两者配合完成，是由单螺杆挤压机发展而来。
根据两螺杆的相对位置又分为啮齿型和非啮齿型，根据两螺杆旋转方向分为同向旋转和异向旋转（向内和向外）。
主流机型为同向旋转、完全啮合、梯形螺槽
七、分类
1.按挤压机功能分类
•挤出成型机：
螺杆结构具有较大的加压能力，利用夹层机筒和空心螺杆内通入冷却水抑制物料的过热，制取结构致密、均匀的未膨化成型产品。
塑性物料，一般为中间产品，需要经后续加工或利用
•挤压熟化机：
利用挤压机的加热蒸煮功能制取未膨化糊化产品。
•挤压膨化机：
可在挤压过程中迅速把物料加热到175以上，使淀粉流态化，当物料被挤出模孔时极度膨胀成松脆质地的产品。
用于生产膨化产品。
2.按挤压过程的剪切力分类
•高剪切力挤压机：
生产过程中剪切力较高。
往往带有反向螺杆段，以便提高挤压工程中的压力和剪切力。
工作性能较好，适合于简单形状的产品生产。
•低剪切力挤压机：
生产过程中剪切力较低，主要作用在于混合、蒸煮、成型。
该类设备较适合于湿软的动物、水产饲料或高水分食品的生产。
适用物料的含水量一般较高，挤压过程物料黏度较低，操作中机械能黏滞耗散较少。
3.按挤压机的受热方式分类
•自热式挤压机：
挤压过程所需热量来自物料与螺杆之间、特点：
物料与机筒之间、物料与物料之间的摩擦，挤压温度受生产能力、含水量、物料黏度、环境温度、螺杆转速、螺杆结构等多方面因素的影响。
故温度不易控制，偏差较大。
该类设备具有较高的转速，达500～800r/min，产生的剪切力较大。
自热式挤压机可用于小吃食品的生产，但产品质量不稳定，操作灵活性差，控制较困难。
•外热式挤压机：
依靠外部揉圆提高挤压机筒和物料的温度。
等温式挤压机和变温式挤压机。
特点：
原料和产品较多，设备灵活性大，操作控制容易，产品质量稳定。
•自热式挤压机一般为高剪切力挤压机，外热式挤压机可以为高剪切力，也可以为低剪切力。
第二节膨化食品工艺及原料
1.膨化食品：
原料（主要是谷物原料）进行高温高压处理后，被迅速释放到低压环境，体积大幅度膨胀而内部组织呈多孔海绵状态的食品。
其生产设备主要是螺杆挤压机。
螺杆挤压机既可制得膨化食品，也可生产非膨化食品。
其中，膨化食品为多孔组织，经干燥后即可食用；非膨化食抓一般为半成品，需经焙炒或油煎膨松、调味后方可食用。
2.生产工艺：
原料一混合一调理一挤压蒸煮、膨化、切割—烘烤一调味一冷却一称重、包装
3.原料：
大米粉、玉米粉、糖、奶粉和食盐，还可加人适量的调味粉和可可粉等。
3.食品膨化机
4.膨化小食品
第三节.单螺杆挤压机的构成
•组成：
喂料、预调质、传动。
挤压、加热与冷却、成型、切割、控制等八部分组成。
一.单螺杆挤压机的构成
•喂料装置：
用于将贮存于料斗的原料定量、均匀、连续地喂入机器，确保挤压机稳定地操作。
常用的喂料装置有振动喂料器、连续喂料器和液体计量泵，喂料量连续可调。
•预调质装置：
用于将原料与水、蒸汽或其他液体连续混合，提高其含水量和温度及其均匀程度，然后输送到挤压装置的进口处。
预调质装置为半封闭容腔，内部安装有配螺旋带或搅拌桨的搅拌轴。
•传动装置：
用于驱动挤压螺杆，保证其在工作过程中所需要的扭矩和转速。
•挤压装置：
由螺杆和机筒组成，是直接进行挤压加工的部件，为整个挤压熟化机的核心部分。
•加热和冷却装置：
用于控制挤压室内物料的温度。
通常采用电阻或电感应加热和水冷却装置来不断调节机筒或螺杆的温度
•成型装置：
即挤压成型模头，模头上设有一些使物料从挤压机挤出时成型的模孔。
模孔横断面有圆。
圆环、十字、窄槽等各种形状。
决定着产品的横断面形状。
•切割装置：
通过调整切割刀具的旋转速度和产品挤出速度间的关系来获得所需挤压产品的长度。
根据切割器驱动电机位置和割刀长度的不同忧愤偏心合围中心两种结构形式。
•控制装置：
主要由微电脑、电器、传感器、显示器、仪表和执行机构等组成，其主要作用是矿石各电机转速并保证各部分运行协调，控制操作温度与压力以保证产品质量。
二、单螺杆食品膨化机
1.单螺杆挤压机主要工作构件
•1.螺杆：
挤压机核心部件，是挤压机性能的决定性部件。
按总体结构分为普通螺杆和特种螺杆。
•普通螺杆：
•等距变深螺杆：
所有螺槽的螺距不变，二螺槽深度则逐渐变浅。
计量均化段较浅的螺槽有利于加强剪切混合，同时物料于机筒的接触面积较大，易从外部吸收热量，但受到螺杆强度的限制，不能用于压缩比较大的小直径螺杆。
b.等深变距螺杆：
进料口处的螺杆具有较高的强度，便于提高生产能力，但在接近模头的计量均化段剪切混合作用较差，甚至会出现熔料的倒流现象。
C:
变深变距螺杆：
在螺槽深度逐渐变浅的同时，螺距逐渐变小，具有前两者的优点，可得到较大的压缩比，但制造困难。
d:
带反向螺纹的螺杆：
压缩熔融段或计量均化段加设反向螺纹，使物料产生倒流趋势，进一步提高挤压及剪切强度，提高混合效果。
为扩大物料对流混合区域，通常在此处螺纹上开设沟槽。
2.特种螺杆
•分离型螺杆：
在压缩熔融段设置一副螺纹形成屏蔽，其外径小于主螺纹，导程也与主螺纹不同。
这种螺纹的副螺纹与机筒间的间隙只允许熔融料通过，从而强化了压缩熔融段的剪切作用，提高了熔融的均匀性，易形成可塑性面团，改善挤出物料质地的均匀性，有利于提高生产能力、产品质量和降低能耗。
2.特种螺杆
•b.屏障型螺杆：
在螺杆的某一段设置一屏障段，因一般设在组合螺杆的一端，通常称为屏障头。
其结构为在与螺杆同径的圆柱面上，沿圆周交替开设若干轴向进出料沟槽。
沿螺杆旋转方向，进料槽前的凸棱与螺杆外圆等高，而出料槽前的凸棱低于螺杆外圆，与筒体形成一较大的径向间歇，称之为屏障间隙。
未熔融的颗粒在通过屏障间隙时受到强烈的剪切作用而升温熔融，因螺杆的旋转，物料通过屏蔽间隙进入出料槽后形成涡流，有利于物料的进一步均匀化，产品质地更为均匀，同时挤出温度较低。
C:
分流型螺杆：
在螺杆上设置使物料形成绕流、分流及汇流的销钉、挡块或通孔，将含有固体颗粒的熔融料流分成许多小股流，然后又汇流混合在一起，经过数次反复该过程，使物料得以均化，并因提高了剪应力作用而使得固体颗粒呈现熔融状态。
d:
波状螺杆:
通常设置在螺杆的后半段或计量均化段。
其螺杆外径不变，而是螺槽底圆的圆心按一定规律偏离螺杆轴线，使得螺槽深度呈周期性变化。
螺槽最深处称为波谷，最浅处称为波峰。
物料经过波峰的时间虽然很短，但因间隙很小而使固体颗粒受到强烈的挤压及剪切作用。
在经过波谷时，因螺槽较深，容积较大，挤压及剪切强度低，停留时间长，可实现物料的分布性混合和热量的均化，料温不会 升得很高。
长径比是螺杆的重要构参数，它显示了物料在螺杆中停留时间的长短。
1.机筒
•机筒的结构形式关系到热量传递的稳定性和均匀性，影响到整个挤压熟化机的工作性能，加料输送段处的结构形式影响固体输送效率。
常见的机筒有整体式和分段式两种形式。
•整体式机筒：
受热均匀，制造时易保证加工精度和装配精度，装配工作简单，应用较多；加工要求比较高，机筒内表面磨损难以修复。
•分段式机筒：
便于改变长径比，分段太多时，难以保证各段的对中，法兰连接处会影响加热均匀性。
2.模具
•物料经过模孔时便由原来的螺旋运动变为直线运动，有利于物料的组织化作用。
模孔处的剪切作用区，进一步提高了物料的混合和混炼效果。
•常见的模孔内部结构有：
•锥形模孔：
无死角，不易产生堵塞现象，模孔内压力无突变，产品表面光滑。
•突变模孔：
利于进一步提高混炼、混合效果，产品质地更为均匀、微细，但易产生堵塞现象。
•侧向模孔：
提高产品外形层次感和纤维化结构
•长管模孔：
可减少产品的膨化长度，提高组织化程度共挤模头：
生产夹心产品
第四节 双螺杆挤压机
•组成：
料斗、机筒、两根螺杆、预热器、模板、传动装置等构成
一、双螺杆食品膨化机
二、双螺杆食品膨化机
三、双螺杆挤压机分类
•根据两螺杆间的配合关系分为全啮合型、部分啮合型和非啮合型；
•根据螺杆转动方向，分为同向旋转型和异向旋转型
Ø同向旋转型挤压机的混合特性好、磨损小，剪切率高、产量大以及更灵活，多用于食品挤压熟化。
Ø异向旋转型适用于要求输送作用强、剪切率较低、停留时间分布较窄的热敏性物料，特别适合于输送低黏性物料入速溶糖和口香糖等。
2.双螺杆挤压过程的停留时间分布
•停留时间分布：
指物料在挤压室内通过时间的分布状况，可表明挤压机挤压工艺条件的优劣。
根据停留时间分布，可以估计混合度、食品颗粒的平均停留时间和转换期间的总应力，了解挤压机作为化学反应器工作的全过程。
•在挤压熟化过程中，停留时间分布越窄，混合越充分，产品的均匀性也越好。
•为了保证完全混合，在挤压实践中，一方面是在进入挤压螺杆之间，将原料的各种成分进行预混合，另一方面就是提高物料在螺杆内部的混合作用，通常是在螺杆的熔融段和挤出段之间增设揉捏盘或切口螺旋等予以改善。
挤压过程工艺变量的测控
•挤压过程中测量和控制的工艺自变量有螺杆转速、喂料速率、蒸汽条件、料筒温度和切割速率等。
•由可控制的工艺变量和设计变量所影响的系统变量：
温度分布，模口压力、摄入扭矩和螺杆填充系数。
•评价产品特性的目标变量：
质地、色泽、风味、营养和费用
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