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大豆蛋白质挤压加工的实验与数值模拟研究

王洪武  
【摘要】:食品挤压是多学科交叉所产生的一门高新技术,它是本世纪食品工业和农产品深加工工业的发展方向之一。挤压法作为一种高温短时的加工方法,能够将输送、压缩、混合、蒸煮、变性、挥脱、杀菌、膨化、成型等多种操作单元同时完成,因而可有效地应用于植物蛋白组织化加工中。本文对大豆蛋白质的挤压组织化加工进行了实验和理论研究,研究内容包括:大豆蛋白质的流变性能、大豆蛋白质双螺杆挤压加工的工艺参数、复合组织蛋白高水分挤压的加工工艺、大豆蛋白质单螺杆挤压熔体输送段的数值模拟。 本文研究了大豆蛋白质的流变性能,考察了剪切速率、温度和含水量对表观粘度的影响规律,首次分段讨论了温度对粘度影响的不同趋势,并得出了大豆蛋白质的粘度模型和半经验公式。研究结果表明:大豆蛋白质是典型的非牛顿流体;其表观粘度随剪切速率的增大而减小,随含水量的增大而减小,在变性前,随温度的升高而降低,变性后,随温度的升高而升高。文中还考察了大豆蛋白质流变性能的动态变化。 本文利用作者参与开发的FTS-50双螺杆食品挤压机,研究了大豆蛋白质双螺杆挤压加工的工艺参数,从而可以指导挤压加工的研究和挤压机器的设计。研究结果表明,工艺参数对系统参数的影响显著而复杂,在一定范围内可以认为:挤出物产量随着螺杆转速的提高而增大,随着含水量的增加而增大;主机功耗随着螺杆转速的提高而增大,随着含水量的增大而减小;膨化比随着螺杆转速的提高而增大,随着含水量的增大而减小;物料停留时间随着螺杆转速的增大而减小,随着含水量的增大而增大;机头压力随着螺杆转速的增大而增大,随着含水量的增大而减小;比能耗随着螺杆转速的提高而增大,随着含水量的增大而减小,随着料筒温度的升高而略有减小;机头入口处面团温度随着料筒温度的升高而增高,随着含水量的增大而降低,随着螺杆转速的提高而略有增高。文中还得出反映工艺参数对系统参数影响的经验方程。 本文研究了复合组织蛋白高水分挤压的加工工艺,对高水分挤压这一食品挤 北京化工大学博士学位论文 压的难点和植物蛋白组织化的新技术进行了探索和突破。研究结果表明,原料体 系的性质与组成、工艺参数都对挤压产品的组织化质量的影响显著而复杂,具体 结果如下:原料的蛋白质含量和氮溶指数增大,产品的组织化质量提高;在挤压 加工复合组织蛋白时,油脂含量可高达10%以上;淀粉具有降低组织化程度和提 高成型稳定性的双重作用,大豆蛋白质、猪肉和淀粉的添加比例在4:1:0.5时 较好;原料的pH=6.5一7.5时,产品的纤维强度较好;在以脱脂大豆粉为主料加 工复合组织蛋白时,含水量在37%~45%之间比较合适,以大豆分离蛋白为主料 时,含水量在60%一65%之间比较合适;螺杆转速对挤压产品的纤维强度和密度 的影响较小,但是需要与含水量适当匹配,较佳的螺杆转速范围为 60r/min~loor/min;变性段温度提高,产品的组织化程度提高,挤压机机筒和机 头的最佳温度分布为:30,C一45,C一80oC一100oC一130oC一150℃一1000C。 本文用作者实验得出的大豆蛋白质的粘度模型及半经验的粘度方程,采用控 制容积法,首次对大豆蛋白质的单螺杆挤压的熔体输送段进行了准三维的数值模 拟,并考察了一些工艺参数对挤压过程的影响。研究结果表明,从非等温幂律流 体的速度场来看,沿螺槽横向存在着环流,z向速度呈现明显的拖曳流和压力流 复合的特征;随着物料含水量的增大,无量纲速度W*稍微增大。物料的无量纲 温度及其波动随着螺杆转速的增大而升高,随着含水量的增大而降低。压力梯度 和螺杆表面处温度等挤出变量有一个沿流向发展的过程,在计量段入口开始降 低,然后稍微增大,并逐渐变得稳定;压力梯度和螺杆表面处温度随着螺杆转速 的增大而增大,随着含水量的增大而减小。粘度在x一y截面上呈现近壁面处小、 中间位置处大的凸起状分布特性;粘度随着螺杆转速的增大而减小,随着含水量 的增大而减小。从数值模拟结果及其与实验结果的比较来看,对大豆蛋白质熔体 输送段的准三维模拟是比较准确的,模拟结果比较真实地反映出大豆蛋白质这种 粘度变化十分复杂的天然高分子物料的各个挤出变量的响应规律,从而可以为准 确理解大豆蛋白质的挤压过程和优化挤压变量提供较好的理论基础。


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