余 濤，葉 巖，姚鑫淼，蔡曉華

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 食品加工研究所，哈爾濱 150086)

0 引言

伴隨著國(guó)內(nèi)人民生活水平的日益提高，多形式、多種復(fù)合口味的膨化食品需求日益增加，膨化食品以其入口松脆、營(yíng)養(yǎng)豐富、攜帶方便、原材料可加工范圍廣和加工生產(chǎn)成本較為低廉等優(yōu)勢(shì)，日漸成為廣大消費(fèi)者喜愛的休閑食品。膨化食品市場(chǎng)開發(fā)潛力巨大，伴隨著國(guó)內(nèi)膨化食品市場(chǎng)開發(fā)程度的不斷加深，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)膨化食品機(jī)械的進(jìn)步和發(fā)展。根據(jù)膨化食品設(shè)備用途和加工方法的不同，大體可將食品膨化機(jī)按機(jī)械結(jié)構(gòu)分為兩類，第一類是螺桿式擠壓膨化機(jī)，通過(guò)螺桿擠壓變形將食品原材料膨化成形。第二類是模壓膨化機(jī)，通過(guò)上下兩個(gè)模具擠壓膨化成型。按不同食品種類進(jìn)行劃分，主要有以下幾類：玉米膨化機(jī)主要用于膨化加工玉米和薏米等雜糧谷物；大豆膨化機(jī)主要用于大豆提取油料裝置；飼料和秸稈膨化機(jī)主要用于膨化養(yǎng)殖用顆粒飼料的生產(chǎn)。本文主要針對(duì)用于食品微型膨化機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成和工作原理進(jìn)行研究，旨在進(jìn)一步豐富膨化機(jī)在食品機(jī)械領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，以便能夠生產(chǎn)出多用途的實(shí)用微型膨化食品機(jī)械。

1 國(guó)內(nèi)外膨化機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)膨化機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)食品膨化機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)應(yīng)用起步較早，1980年中國(guó)第一臺(tái)擠壓膨化機(jī)是由北京食品研究所試制成功并穩(wěn)定投產(chǎn)，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)膨化食品機(jī)械加工設(shè)備開始起步，由該設(shè)備生產(chǎn)加工的膨化食品泡泡果，以其新穎的造型和口味深受廣大消費(fèi)者喜愛，但后期伴隨著人民生活水平的日益提高，此類膨化食品因口味單一、創(chuàng)新形式不足和產(chǎn)品開發(fā)及市場(chǎng)拓展能力后勁不足等問(wèn)題，逐步被市場(chǎng)和消費(fèi)者冷落[1]。

近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)消費(fèi)者對(duì)綠色健康及原生態(tài)食品需求的遞增，使膨化食品需求量逐漸增多，也進(jìn)一步促進(jìn)國(guó)內(nèi)微型膨化食品加工機(jī)械的發(fā)展。但就國(guó)內(nèi)食品膨化機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，中高端膨化食品機(jī)械生產(chǎn)廠家相比于其他食品機(jī)械廠家數(shù)量偏少，而小型和低端膨化食品機(jī)械相對(duì)較多。總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)中高端食品膨化設(shè)備種類相比于國(guó)外品類偏少，其功能和現(xiàn)代化程度相比國(guó)外先進(jìn)食品膨化設(shè)備較為落后，主要是由于國(guó)內(nèi)用戶購(gòu)置食品機(jī)械補(bǔ)貼力度低、用戶市場(chǎng)需求不穩(wěn)定和生產(chǎn)加工食品膨化設(shè)備利潤(rùn)率低等導(dǎo)致國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段中高端食品膨化設(shè)備發(fā)展水平不高，而微型和低端食品膨化設(shè)備制造廠家數(shù)量少，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)食品膨化機(jī)械總體現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程較為緩慢[2]。

1.2 國(guó)外膨化機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1. 儲(chǔ)料斗；2.投料桿及動(dòng)力部件；3.上模具及加熱板；4.下模具及加熱板；5.壓力傳感器；6.支撐板；7.機(jī)架；8.下模支座；9.導(dǎo)向套圖1 食品模壓膨化機(jī)主要構(gòu)成

國(guó)外食品膨化加工設(shè)備品類層級(jí)劃分較為明確，自動(dòng)化程度較高，能夠利用機(jī)電液汽相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制并檢測(cè)，自動(dòng)化生產(chǎn)加工成品率高達(dá)92%左右。國(guó)外食品機(jī)械發(fā)展趨勢(shì)良好，主要是依靠科技優(yōu)勢(shì)、性能優(yōu)良的機(jī)械材料和成熟配套的制造工藝作為產(chǎn)業(yè)支撐[3]。發(fā)達(dá)國(guó)家食品機(jī)械生產(chǎn)廠商更加注重產(chǎn)品科研開發(fā)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)外科研開發(fā)費(fèi)用約占企業(yè)銷售額的8%左右，持續(xù)的經(jīng)費(fèi)投入使國(guó)外食品機(jī)械生產(chǎn)廠商能夠更快地開發(fā)出適應(yīng)市場(chǎng)需求的最新產(chǎn)品，進(jìn)一步降低因市場(chǎng)變化給企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)外食品機(jī)械發(fā)展呈現(xiàn)系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化態(tài)勢(shì)。雖然采購(gòu)國(guó)外先進(jìn)食品機(jī)械成本相比國(guó)內(nèi)食品設(shè)備價(jià)格較高，但國(guó)外食品機(jī)械能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的高成品率，降低了后期運(yùn)營(yíng)成本，從而提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

2 食品模壓膨化機(jī)主要構(gòu)成

食品模壓膨化機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包括: 儲(chǔ)料斗、投料桿部件、送料管、上凸模、下凹模、上下模加熱板、溫控元件、壓力傳感器和機(jī)架等，其外形結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

3 工作原理及主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 膨化機(jī)的膨化必要條件及工作原理

微型食品膨化機(jī)正常運(yùn)行生產(chǎn)的必要條件包括溫度、壓力和原材料含水率，與此同時(shí)還要考慮食品原材料當(dāng)中的淀粉和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量等因素。本文設(shè)計(jì)的微型食品膨化機(jī)通過(guò)電機(jī)和溫度傳感器等元器件進(jìn)行調(diào)控溫度和壓力，而食品原材料內(nèi)含的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和含水率提前用水分儀和快速檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行抽樣檢測(cè)化驗(yàn)，從而保證各項(xiàng)試驗(yàn)的精準(zhǔn)性。

該設(shè)備工作原理為：在正常啟動(dòng)待機(jī)狀態(tài)下，將食品原材料投入到儲(chǔ)料桶中等待投料，當(dāng)上下模具溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，設(shè)備開始運(yùn)轉(zhuǎn)，首先通過(guò)帶凹槽的旋轉(zhuǎn)桿將定量原料投送到模具當(dāng)中擠壓膨化，達(dá)到設(shè)定預(yù)壓時(shí)間后，在機(jī)械結(jié)構(gòu)及缸體的運(yùn)行下實(shí)現(xiàn)上下凸凹模具脫模(脫模過(guò)程中伴隨著氣吹將膨化食品吹出模具)。其次上下模具擠壓過(guò)程中由于食品原料都含有少量水分，食品原材料受到高溫高壓的作用，模具內(nèi)腔的食品原材料水分被迅速氣化，脫模后擠壓膨化的食品瞬間失去高溫高壓后，原材料內(nèi)部淀粉會(huì)隨著水蒸氣的產(chǎn)生而在常壓下急速膨脹，形成膨大且松脆的膨化食品。食品膨化程度大小可利用膨化率E進(jìn)行標(biāo)定，膨化率是指食品膨脹前后的體積或截面積的比值，如以下公式所示

(1)

式中V0—膨化前體積，cm3；

V′—膨化后體積,cm3；

△V—膨化后增大體積,cm3；

S0—膨化前截面積,cm2；

S′—膨化后截面積,cm2；

△S—膨化后增大截面積,cm2。

3.2 驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

(2)

式中N—驅(qū)動(dòng)功率，kW；

K—電機(jī)功率儲(chǔ)備系數(shù)；

Q—由機(jī)械能變?yōu)闊崮艿哪芰浚琸J；

η—機(jī)械傳動(dòng)效率；

T—能量變換時(shí)間，s；

經(jīng)計(jì)算選用電機(jī)功率為120 W，轉(zhuǎn)速為1 250 r·min-1。

3.3 主要規(guī)格及參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)及重量：600 mm×700 mm×650 mm，重量為65 kg；

(2)產(chǎn)量:由于試制食品原材料的各個(gè)影響因素不一致，使得該機(jī)產(chǎn)量具有一定差異；

(3)成品大?。嚎赏ㄟ^(guò)更換上下模具調(diào)節(jié)確定成品尺寸；

(4)噪聲：小于80 dB(A)。

3.4 上下模具設(shè)計(jì)

上下模具采用熔模鑄造精鑄工藝代替金屬切削加工工藝生產(chǎn)，精鑄上下模具尺寸精度和表面質(zhì)量能夠符合設(shè)計(jì)要求，上下凸凹模具表面粗糙度的設(shè)計(jì)精度為0.03 μm，通過(guò)保證上下模具的表面質(zhì)量，從而減少食品原材料粘連在型腔內(nèi)問(wèn)題的發(fā)生概率。

4 影響食品膨化率的相關(guān)因素

4.1 上下模具擠壓的壓力

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得食品膨化機(jī)上下模具壓力高達(dá)3～8 MPa的高壓，溫度能達(dá)到200～260 ℃，在高溫高壓狀態(tài)下進(jìn)行擠壓，上下模具脫模瞬間，水分急劇蒸發(fā)，壓力驟降使食品原材料的溫度降為80 ℃左右，使得產(chǎn)品進(jìn)一步固化成型，從而得到模壓膨化產(chǎn)品。

4.2 上下模具溫度

上下模具擠壓型腔的溫度對(duì)膨化率有直接影響，當(dāng)利用上下模試制玉米膨化餅時(shí)，玉米碴子最佳模壓設(shè)定溫度為225 ℃，保壓時(shí)間為3～4 s，含水率15%～18%。薏米最佳模壓溫度為228 ℃，保壓時(shí)間為4～5 s，含水率在14%～16%左右。

4.3 上下模具擠壓時(shí)間

正確的保壓時(shí)間，要依據(jù)不同的食品原材料的特性進(jìn)行選擇，通過(guò)試驗(yàn)不同食品原材料的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，正確的保壓時(shí)長(zhǎng)范圍為3～8 s之間。如保壓時(shí)長(zhǎng)不足，會(huì)導(dǎo)致食品膨化率低，若保壓時(shí)長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，會(huì)提升食品糊化的概率。

4.4 食品原材料含水率

原材料的含水率高低直接影響食品膨化率大小，當(dāng)溫度一定時(shí)，食品原材料膨化率與含水量成反比。食品含水率低時(shí)，膨化率與含水率成正比，可以增加型腔內(nèi)食品原材料的膨化程度。但如果食品原材料含水率過(guò)低(含水率10%以下)，且保持在上述同等溫度設(shè)定值的情況下，則易引起食品過(guò)度膨化，甚至糊化的情況發(fā)生，此時(shí)應(yīng)減少保壓時(shí)長(zhǎng)來(lái)解決過(guò)膨化和糊化的問(wèn)題。

5 樣機(jī)試制與試驗(yàn)結(jié)論

5.1 樣機(jī)試制

2021年2月對(duì)微型食品模壓膨化機(jī)進(jìn)行了樣機(jī)試制，經(jīng)反復(fù)對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行空載運(yùn)轉(zhuǎn)和功能調(diào)試，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)調(diào)整和改進(jìn)，在保證樣機(jī)空載運(yùn)行各項(xiàng)功能夠穩(wěn)定和正常調(diào)控的情況下，對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行食品原材料的模壓加工作業(yè)。試制的食品原材料主要包括玉米細(xì)碎顆粒、薏米、小米、大米和大豆等，其中各類食品原材料在不同的溫度、壓力和保壓時(shí)長(zhǎng)條件下，所得各類膨化食品產(chǎn)量產(chǎn)生了一定的差別，經(jīng)多次膨化試驗(yàn)后，最終確定的技術(shù)參數(shù)能夠保持連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，合格率穩(wěn)定在90%以上。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)了可通過(guò)更換上下模具零件實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)不同規(guī)格和大小的膨化食品的機(jī)械功能。

5.2 試驗(yàn)結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)的微型食品膨化機(jī)使用范圍廣，可連續(xù)生產(chǎn)各類食品原材料，如玉米、薏米和小米顆粒等膨化食品，同時(shí)可通過(guò)更換模具的方式，生產(chǎn)不同尺寸和規(guī)格的膨化食品。

(2)在保證無(wú)二次污染情況下，經(jīng)過(guò)食品膨化機(jī)高溫高壓制作生產(chǎn)的食品，可提高其食用安全性。

(3)本文所試制的微型膨化機(jī)具有升溫快、占地面積小和操作簡(jiǎn)單易維修等優(yōu)勢(shì)。

綜上所述, 本文設(shè)計(jì)的微型食品膨化機(jī)，可用于生產(chǎn)各類膨化食品,同時(shí)也可選配壓力傳感器和高精度溫控電器元件用于技術(shù)升級(jí)。

(03)