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1、CEREALS AND OILS PROCESSING 技术食品工程 基于 SolidWorks 的食品双螺杆膨化机三维实体建模 赵春芳 1 朱立学 2 （1仲恺农业工程学院轻工食品学院2仲恺农业工程学院机电工程学院） 【摘要】本文运用SolidWorks软件建立了食品双螺杆膨化机的三维模型， 结合机械设计与食 品加工的关系， 从膨化食品加工的角度对原料运动轨迹及其引起的化学变化进行了阐述， 并对 高温高压膨化环境下食品物料的流动进行了初步分析。 【关键词】食品； 双螺杆膨化机；SolidWorks； 物料流动 中图分类号：TS 203文献标识码：A文章编号：1673-7199(2010)12
2、-0150-04 图1膨化机主体外观 对于食品机械而言， 由于原料来源广泛、 种类繁 多、 成分多样， 加工过程多发生复杂的化学反应， 导 致传统看重产量、 稳定性和磨损率等指标的机械设计 不能充分发挥原料的特点。 随着食品加工条件对温度、 压力、 湿度等环境操作参数的高精度要求， 物理环境 对化学反应的影响愈来愈大， 仅仅改变机械参数已不 能满足生产和行业迅猛发展的要求。 因此， 寻找一种 新的途径， 用于构建食品物料在机械内部的加工环境 显得十分迫切。 以食品膨化加工过程为例， 由于膨化 过程封闭， 直接分析此段极为不便， 若将其环境特征 进行建模， 再分析压力、 热量、 黏度、 剪切力等
3、指标 的流场规律， 将有助于分析物料的物理性质、 化学结 构及产品品质改变的机理。 考虑到SolidWorks三维造型设计软件具有呈现机 械外观造型、 技术性能及特点的强大功能， 可通过拉 伸、 旋转、 扫描、 放样、 特征阵列、 打孔、 薄壁特征 以及高级抽壳等操作， 定义零部件的形状特征， 并依 照同心、 重合、 距离、 角度、 相切等约束关系对其进 行组合， 可实现零部件设计、 参数化建模及机构的装 配。 便于从食品加工的角度建立起双螺杆膨化机三维 模型， 研究对原料运动轨迹及其引起的化学变化， 为 分析高温高压环境下食品物料的流动状态提供基础。 1食品膨化机概述 食品挤压膨化机短时间内
4、， 高温高压条件下， 经 螺杆的推动作用形成一种质地松脆、 网状多孔的膨化 食品。 膨化机理比较复杂， 但其主要作用原理包括热 效应和机械效应。 热效应是在高温高压蒸汽作用下， 物料熔化和高温水解， 氢键断裂而吸水。 机械效应是 螺杆与物料的挤压、 摩擦、 剪切与膨化机出口处突然 减压将物料高速喷射而出， 致使物料组织爆破伸张。 膨化技术涉及数学、 物理、 化学、 热学、 电学、 机械 学、 计算机、 流变学等多门学科。 图1为SolidWorks 2007软件生成的同向啮合双螺 杆膨化机实体模型， 主要结构配置包括双螺杆、 机筒、 模板、 电加热片、 温度感应器、 模头压力感应器和进 料口。
5、 三段独立的电加热片为热力来源， 将热量从机 筒外壁传导至机筒内壁， 再经过螺杆的充分混合而均 匀地分布在物料中， 同时每段物料配有一个温度感应 器。 在模板腔内、 靠近两螺杆出料末端处有一个压力 感应器， 指示模头压力。 膨化工艺分为加料输送、 压 缩糅合、 熔融熟化和计量均化四段， 前三段在密封腔 150 食品工程技术 CEREALS AND OILS PROCESSING 图4单螺杆中物料的流动方式 图5机筒 图6双 “C” 形螺道 内， 末段为脱离模头进入空气。 2膨化工艺 21加料输送段 螺杆决定了原料的运动轨迹。 啮合同向双螺杆的 螺纹 （如图2所示） 设计成左旋 （顺时针）， 螺
6、杆相互 交错的螺纹 （如图3所示） 嵌入对物料产生正位移式 启动、 有效混合和自洁的作用。 当物料被强制输送时， 只要控制进料速度和螺杆转速， 就易于控制滞留时间； 反之， 不再添料时， 其具有高度的热转换率， 启动效 果较好。 螺杆的推动使物料密度和温度均发生改变。 喂料时， 内部滞存空气且颗粒分散的原料被引入进料 口， 在密封腔体内连续被推动及混合， 空气随之被排 掉， 物料也渐渐被压实， 温度随着电热的传导开始升 高， 是一个物理输运过程。 螺杆的设计也影响着物料的特征， 包括其形态特 征和成分特征。 两螺杆啮合产生的刮离作用避免了物 料绕螺杆打滑， 故可处理黏性大、 油滑和高水分的物
7、料及产品， 即使添加25的油也是可能的。 同时， 螺 杆的啮合处具有较大的径向剪切力和挤压力， 故此挤 压机可适用于从细粉状到粒状的颗粒范围。 22压缩糅合 螺杆、 机筒结构 （如图5所示） 的组合还影响着 物料的运动方向和轨迹。 物料沿螺纹方向运动产生 “曳流”， 连续的螺槽能够形成 “有压流”，螺纹顶部与 机筒间隙还存在 “漏流”， 螺杆的某一区段物料循环流 动形成 “错流”（如图4所示）。 但啮合双螺杆的独特 之处是双 “C” 形螺道 （如图6所示）， 向沿套筒内壁 形成左右两个C形物料流， 这是物料的主流； 另一个 是通过螺杆啮合部分的间隙形成逆流。 产生逆流的原 因是左螺杆把物料拉入
8、啮合的间隙， 而右螺杆又把物 料从间隙中拉出， 结果使物料呈 “” 字形前进， 改变 料流方向。 另外， 此节段机筒直径扩大， 有利于加料 段释放物料， 防止堵塞。 物料所处环境及物料本身的各种指标也受到螺杆 推动的影响。 当物料被进一步压紧， 颗粒变形， 密度 变大， 开始产生对机筒的挤压力。 物料经过糅合黏度 增加， 内层之间阻碍增大， 剪切力开始产生并逐渐成 为主要作用力， 但此阶段剪切适中。 至此， 挤压与剪 切共同产生的摩擦作用将机械能转化为热能， 物料温 度继续升高， 可达到其熔融过渡温度。 此时的物料再 经过螺杆的搅拌、 挤压及糅合， 就形成了一个具有整 体性、 弹性及流动性的热
9、面团。 23熔融熟化 螺道的环境条件 （如图7所示） 促使物料发生化 学变化。 就螺杆和机筒结构而言， 螺杆继续推动、 压 图2螺杆螺纹 图3进料口 151 CEREALS AND OILS PROCESSING 技术食品工程 图7膨化机剖面视图 图8模板 缩面团， 机筒后段突然变窄， 模孔的反向阻滞， 使物 料获得最大限度压缩， 机筒内压强升高最快。 此阶段 温度最高， 且挤压压力大于此段温度的饱和蒸汽压， 水分不会沸腾蒸发， 在物料中流动并传导热量。 高温 高压条件下， 物料开始融化， 更加黏稠， 物料内产生 强剪切， 物料被强烈混合， 大量摩擦转化为热量， 温 度上升最快。 挤压、 蒸汽
10、及剪切的综合作用使物料处 于38MPa的高压和200的高温环境下。 此时， 面团 固相全部破碎， 处于无定形和组织化的熔融状态， 呈 流态化。 物料所有组分积蓄的能量为其化学反应提供了前 提条件。 原料的主要成分是淀粉， 当物料和水分温度 上升时， 淀粉颗粒非结晶区的水合作用使淀粉分子间 的氢键断裂、 吸收水分， 释放淀粉分子。 达到某一极 限时结晶区才发生水合作用， 形成一种胶凝化的淀粉 基质来包围和维系着其他的谷类成分和加入的组分。 淀粉在挤压过程中的糊化是一个低水分 （1222） 状态下的糊化， 这个过程中剪切应力通过机械作用破 裂淀粉结构而达到糊化， 若缺少剪切作用， 糊化只是 一个水
11、合过程。 水分和剪切程度的变化还会引起产品 宏观尺寸的不同， 具有低水分、 短时间、 高温 （和高 剪切） 熟化过程的产品， 从熔融环境立即进入常压下 会膨化。 因此， 含水量剪切程度、 加工温度加工时 间是两个影响谷物糊化速度的重要因素； 蒸煮加工过 程的选择， 在很大程度上取决于产品质量， 并不只取 决于热力效率。 24计量均化 若将物料从模孔进入常压环境的过程作为计量均 化段， 则在机筒末端， 熔融态的物料被挤压至模板上 的多个孔内， 经过锥形空间再被挤压至模板的最终具 有某种形状的卸料孔 （如图8所示）， 使最终产品成 型。 此外， 模孔的高度约束性还影响着物料在机筒内 的填料速度、
12、滞留时间和能量输入。 模板的设计对最终产品的功能特性和品质也有影 响， 当物料从一单模结构到多联模结构改变时， 剪切 率、 机筒填充度都有所改变。 典型的挤压是一个玻璃 化和熔化的过程。 经挤出口至常温常压环境时， 水分 子骤然汽化， 带走了大量热量， 使物料在瞬间从挤压 时的高温迅速降至80； 糊化后的淀粉分子相互交联， 形成网状空间结构， 巨大的膨胀压力使物料组织遭到 强大的爆破伸张作用， 最终形成细微多孔、 固化定型、 体积膨胀、 质地松脆的产品。 3结论 基于SolidWorks双螺杆膨化机三维实体模型的建 立， 从物料运动方式 （挤压与剪切） 角度深化了物料 理化变化 （熔融、 糊化
13、） 的认识。 三维外形立体、 形 象地反映了食品加工工艺及其配套设施， 机械能通过 剪切耗散作用进入物料中， 除了产生热量还影响着产 品的结构， 包含着挤压段的物料流动规律。 将实体建 模应用到食品工艺中， 通过模型的全方位旋转、 剖面 视图使食品物料的运动轨迹更加清晰、 具体， 从而脱 离了空泛、 笼统的想象。 三维实体的构建还可放大加 工过程中易被忽略的重要环节。 因此， 将机械制造业 的SolidWorks软件应用于食品加工工艺分析中， 将有 力促进机械设计与食品加工技术的共同发展， 应用前 景广阔。 参 考 文 献 1 顾俊峰， 高连兴， 李芝银 Solidworks软件及其在膨化机械
14、设计 中的应用 J中国农机化，2005（4）：5355 152 食品工程技术 CEREALS AND OILS PROCESSING 2 金征宇挤压食品 M北京： 中国轻工业出版社，2005 3 陆启玉方便食品加工工艺与配方 M北京： 科学技术文献 出版社，2001 4 张裕中， 王景食品挤压加工技术与应用 M北京： 中国轻 工业出版社，1998 5 张欣， 徐慧挤压技术在谷类食品加工中的应用 J河北农业 科学，2008，12（6）：9091，111 项目资助： 广东省农业科技计划项目药用银杏叶细胞粉碎技术与设 备研究 （No2009B020312015）。 收稿日期：20100809 作者简
15、介： 赵春芳 （1985）， 女， 辽宁沈阳人， 硕士生， 研究方向 从事食品加工工艺及设备。 通讯作者： 朱立学 （1970）， 浙江三门人， 教授， 工学博士， 研究 方向机械工程。 通信地址：（510225） 广东省广州市海珠区纺织路东沙街24号 响应面法优化石花菜琼脂多糖提取工艺 俞瑜余筱洁周存山王允祥 （浙江农林大学农业与食品科学学院） 【摘要】利用响应面分析 （RSA） 对石花菜琼脂多糖的提取工艺进行优化， 选取料液比、 提 取时间、 提取温度和提取次数为试验因素与水平， 根据BoxBenhnken中心组合试验设计原理， 采用四因素三水平的响应面分析法， 依据回归分析确定各工艺条件
16、的影响因子， 以石花菜琼脂 多糖提取率为响应值作响应面和等高线。 结果表明： 石花菜琼脂多糖浸提的最佳工艺条件为： 料液比321mLg、 提取时间19h、 提取温度100、 提取次数3次。 在最佳工艺条件下， 石花菜 琼脂多糖的实际1次提取率可达2885。 【关键词】石花菜； 多糖； 提取； 响应面分析 中图分类号：TS 2023文献标识码：A文章编号：1673-7199(2010)12-0153-04 受独特的海洋生态环境的影响， 大多数海藻能产 生一些很有特色的代谢产物， 在抗病毒、 抗菌、 抗肿 瘤方面显示出很大的潜力。 由于植物源农药不易残留、 不会引起生物富集现象， 因此成为目前农药
17、研究领域 的热点， 最近10年人们对陆地植物的抑菌活性成分 （如硫酸酯多糖， 萜类， 甾醇等） 的化学结构、 生物活 性进行了深入的研究。 石花菜， 又称牛毛菜、 沙根子、 冻菜、 海冻菜、 大本、 海草、 鸡毛菜、 草珊瑚等。 此 菜属藻类植物红藻门石花菜科植物， 分布于渤海、 黄 海、 台湾北部的沿海地区。 古代医药典籍记载， 石花 菜味甘咸， 性寒， 全藻入药能消热解毒、 缓泻， 有润 肺化痰、 滋阴降火、 消热消炎、 利便利尿之功效， 可 用于治疗支气管炎、 肠炎、 痔疮、 便秘、 肾盂肾炎等 症。 民间用石花菜治矽肺、 体癣、 甲状腺肿大等症。 此外， 石花菜还可食用， 可作酱菜、 拌菜， 还可熬制 成胶状， 加入果汁制成果冻。 然而这些应用大多数都 是石花菜琼脂多糖的功能， 为此， 本研究针对石花菜 琼脂多糖进行系统提取模型研究， 期待有一定的理论 指导意义。 1材料与方法 11材料与试剂 石 花 菜 ， 浙 江 舟 山 联 华 超 市 ； 苯 酚 、 浓 硫 酸 （AR）、 葡萄糖 （AR）、 蒸馏水。 12主要仪器 JY系列电子天平， 上海方瑞仪器有限公司；HH S2型电热恒温水浴锅， 北京精科华瑞仪器有限公司； UV2000型紫外可见分光光度计， 上海尤尼柯有限公 153