玉米胚原油挤压膨化工艺的优化

白兴达++于双双++陈善峰

摘要：螺杆是挤压机的重要组成部分。以挤压机螺杆构型参数阻流环直径、轴头间隙长度、螺杆转速、螺纹升角为试验因素，以浸提玉米胚原油的碘值为考察指标，研究挤压参数对碘值的影响。通过四因素五水平二次正交旋转组合法设计试验，利用SAS9.1软件对试验数据进行响应面分析，得到最佳挤压膨化工艺参数为阻流环直径92 mm、轴头间隙长度16 mm、螺纹升角为7°06′、螺杆转速为180 r/min，在最优参数下碘值为78.56 g/100 g。

关键词：玉米胚；挤压膨化；轴头间隙；螺杆构型；碘值

中图分类号：TS229 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）09-1721-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.09.030

Optimization of the Technology of Extrusion Swelling of Corn Germ

BAI Xing-da， YU Shuang-shuang， CHEN Shan-feng

（School of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo 255049， Shandong， China）

Abstract：Screw is an important part of extruder. Using the configuration parameters of screw， extruder diameter of choke ring， length of δ， speed of screw and angle of screw-thread as experimental factors， extraction of corn germ oil iodine value as index， the effects of configuration parameters on the iodine value were studied. The method of quadratic orthogonal rotating combination desion of four factors and five levels was used， the response surface of the test data were analysed by SAS 9.1. The optimization of the technology of extrusion swelling of corn germ were diameter of choke ring 92 mm，length of δ 16 mm， speed of screw 7°06′， angle of screw-thread 180 r/min. The iodine value ratio was 78.56 g/100 g in the paremeters of configuration of screw.

Key words：corn germ；extrusion and swelling；length of δ；configuration of screw；iodine value

玉米油是常用食用油之一，含有丰富的不饱和脂肪酸、维生素E和多酚类物质，且含有较多的不饱和脂肪酸[1]。在欧美国家，玉米油被作为一种高级食用油而广泛食用[2]。

挤压膨化技术作为一种高新技术已经被广泛应用于食品加工行业，与传统加工工艺相比，具有生产能力大、成本低、原料中营养损失小等优点[3]。目前，人们对于挤压膨化油料作物的研究越来越多，李宏军等[4]以玉米胚为原料，通过挤压膨化预处理工艺研究了套筒温度、模孔孔径、物料含水率和螺杆转速对玉米胚浸油工艺各项指标的影响，并优化出了最佳挤压工艺参数；詹玉新等[5]研究了以残油率为主要考察指标，挤压膨化玉米胚，通过响应面分析方法优化出了最佳挤压膨化参數。

螺杆是挤压机的主要组成部分，螺杆构型对于挤压机挤出物料的品质、结构具有重要的影响，本研究以半湿法玉米胚为原料，以玉米油碘值为考察指标，通过二次回归旋转组合设计试验和响应面分析，以期得到半湿法玉米胚浸提最佳螺杆构型参数。

1 材料与方法

1.1 原料

半湿法玉米胚（黑龙江肇东金玉集团公司油脂厂）。本试验采用半湿法玉米胚，玉米胚水分含量为7.61%，含油率为19.00%。

1.2 试验设备与仪器

单螺杆挤压膨化机（山东理工大学农产品精深加工中心提供），如图1所示。该装置包括挤压主体、物料输送装置和控制部分。37 kW电动机配45 kW变频器作为动力部分，通过皮带轮传动，带动挤压螺杆旋转，挤压喂入的油料，可通过传感器检测腔体内的温度与压力，套筒温度可进行闭环控制。适用于含油率为16%～25%的油料及淀粉类谷物的挤压试验研究和可视化研究[6]。

主要用途：可实现淀粉类谷物的挤压预处理，然后用于酿酒、制糖、生产酒精等领域；可实现低含油率油料浸油前处理，简化工艺流程，降低残油率[7]；可对挤压过程中物料在腔体内的温度、压力实时检测，并完成固定温度控制；可以实现喂料量、转速、温度、轴头间隙、膜孔孔径长度等因素对挤出物料性质影响的试验研究。

油脂浸提器（山东理工大学农产品精深加工中心提供），如图2所示。它的构造从上到下依次是溶剂储藏室、水浴室、混合油储藏室三部分，其中水浴室中包括温度控制仪、电加热管、溶剂输液管和样品室。旋转蒸发器（山东理工大学农产品精深加工中心提供），如图3所示。

1.3 方法

1.3.1 指标测定 浸提后玉米原油碘值测定参考GB/T5532-2008[8]。

1.3.2 正交试验 根据前人研究报道，并与试验室挤压情况相结合，选择螺纹升角、阻流环直径、轴头间隙及螺杆转速4个影响因素，以挤压参数碘值为研究对象，同时选定5个水平，采用二次正交旋转组合设计安排试验，正交试验因素和水平如表1所示。

2 结果与分析

2.1 正交试验结果

以螺纹升角、阻流环直径、轴头间隙及螺杆转速作为影响因素，以玉米胚原油的碘值为考察指標，根据不同挤压参数下测定的各项指标的值，运用SAS9.1软件对试验数据进行分析，得到回归模型并对所得的响应面进行分析，得到最佳的挤压参数。试验安排与试验结果如表2所示。玉米胚原油碘值的回归方程系数显著性检验结果如表3所示。

从表3玉米胚原油碘值的回归方程显著性检验可知，模型交叉项X3X1（P<0.000 1）、X1X1（P=0.000 5）、X2X2（P=0.001 4）、X3X3（P=0.002 7）均极显著。回归模型的方差分析结果见表4。

表4表明，此模型的决定系数R2为0.830 4，响应模型的二次项（P<0.000 1）、交互项（P<0.000 1）、总回归（P<0.000 1）均极显著。

利用SAS9.1软件对表3玉米胚原油碘值的试验数据进行二次多元回归拟合，所得到的玉米胚原油碘值二次回归方程的响应面见图3。

图3-a为轴头间隙和螺杆转速分别固定在16 mm、180 r/min时，螺纹升角和阻流环直径对玉米胚原油碘值影响的响应面。当螺纹升角保持在较低水平时，原油碘值随阻流环直径的升高而减小；当螺纹升角保持在较高水平时，原油碘值随阻流环直径的升高而增加。当阻流环直径保持在较低水平时，原油碘值随螺纹升角的增加而降低；当阻流环直径保持在较高水平时，原油碘值随螺纹升角的增加而升高[9]。这充分说明二因素的交互作用效果显著。

图3b为螺纹升角固定在7°06′、螺杆转速为180 r/min时，轴头间隙和阻流环直径对玉米胚原油碘值影响的响应面。当轴头间隙保持不变时，原油碘值随阻流环直径的升高而先减小后增加。当阻流环直径保持不变时，原油碘值随轴头间隙的增加而先降低后增高。原因是当轴头间隙在较小水平下增大时，胚料层逐渐变厚，缓冲稳定性逐渐增强，不饱和脂肪酸减少，碘值降低；当轴头间隙大于16 mm时，随着轴头间隙的增大，腔内胚料的不饱和脂肪酸生成含量增加，碘值增加[10]。

图3c为轴头间隙固定在16 mm、螺纹升角为7°06′时，阻流环直径和螺杆转速对玉米胚原油碘值影响的响应面。当阻流环直径处于较低水平时，原油碘值随螺杆转速的升高而先降低后升高，并且整体呈升高趋势；当阻流环直径处于较高水平时，原油碘值随螺杆转速的升高而先降低后升高，并且整体呈降低趋势。当螺杆转速不变时，原油碘值随阻流环直径的增加呈抛物线的形状，当阻流环直径增加时，原油碘值先降低后升高。

图3d为阻流环直径在92 mm、螺杆转速为180 r/min时，轴头间隙和螺纹升角对玉米胚原油碘值影响的响应面。当轴头间隙不变时，原油碘值随螺纹升角增加而先减小后增加。原因是当螺纹升角由较小水平开始增加时，腔内压力逐渐增大，油脂的稳定性逐渐加强，不饱和脂肪酸含量降低，碘值降低[11]；当螺纹升角达到7 °0时，随着螺纹升角的增大，强内压力增大，油脂发生变性，生成不饱和脂肪酸含量增加，碘值增加。当螺纹升角保持不变时，原油碘值随轴头间隙的增加而先减小后增加。

图3e为阻流环直径和螺纹升角分别固定在92 mm、7°06′时，轴头间隙和螺杆转速对玉米胚原油碘值影响的响应面。当轴头间隙保持不变时，原油碘值随螺杆转速的增加先降低后升高。当螺杆转速保持不变时，原油碘值随轴头间隙的增加而先降低后升高。

图3f阻流环直径和轴头间隙分别固定在92 mm、16 mm时，螺纹升角和螺杆转速对玉米胚原油碘值影响的响应面。当螺纹升角处于较低水平时，原油碘值随螺杆转速的升高而先降低后升高，并且整体呈升高趋势；当螺纹升角处于较高水平时，原油碘值随螺杆转速的升高而先降低后升高，并且整体呈降低趋势。当螺杆转速不变时，原油碘值随螺纹升角的增加呈抛物线的形状，当螺纹升角增加时，原油碘值先降低后升高[12]。

用岭回归寻找最优工艺范围。岭回归寻优分析结果见表5。以原油碘值为考察指标，经过岭回归选优得到最佳工艺参数范围为阻流环直径92.00～93.42 mm、轴头间隙15.30～16.00 mm、螺纹升角 6°20′～7°06′、螺杆转速180.00～187.91 r/min。

2.2 验证试验

由于试验目的是为了在较短的时间内得到较小的挤压压力，因此将玉米胚原油碘值作为主要考察指标，选取最佳挤压工艺参数：阻流环直径为90.0～93.7 mm，轴头间隙长度为12.0～16.2 mm，螺纹升角为6°48′～7°42′，螺杆转速160.0～208.3 r/min进行验证试验，试验安排和结果见表6。

根据验证试验结果可知，通过寻优结果所得到的试验数据与实际试验结果基本吻合，说明回归方程能准确反映试验因素与考察指标之间存在的内在关系。以原油碘值为考察指标，采用挤压半湿法优化玉米胚原油提取挤压参数，选取阻流环直径、轴头间隙长度、螺纹升角、螺杆转速为试验因素，通过正交法安排试验方案，通过岭回归得到最优工艺参数为阻流环直径92 mm、轴头间隙长度16 mm、螺纹升角7°06′、螺杆转速180 r/min。

3 小结

螺杆是挤压机的重要组成部分。本研究以挤压螺杆构型参数阻流环直径、轴头间隙长度、螺杆转速、螺纹升角作为试验因素，以浸提原油的碘值为考察指标，研究挤压参数对碘值的影响。通过4因素5水平正交旋转组合法设计试验，利用SAS9.1软件对试验数据进行响应面分析，并对试验数据进行回归显著性检验，得到最佳挤压膨化工艺参数为阻流环直径92 mm、轴头间隙长度16 mm、螺纹升角7°06′、螺杆转速180 r/min，在最优工艺下碘值为78.56 g/100 g。

参考文献：

[1] 卢 敏.玉米胚的开发与利用[J].吉林粮食高等专科学校学报，1998（3）：1-3.

[2] MATHEW J M，HOSENEY R C，FAUBION J M. Effects of corn hybrid and growth environment on corn curl and pet food extrudates[J].Cereal Chemistry，1999，76（5）：625-628.

[3] 杨永怀，闻晓龙.玉米半湿法提胚制粉工艺及综合利用[J].粮食与饲料工业，2001（4）：48-49.

[4] 李宏军，申德超，崔广波.用于浸油的玉米胚挤压预处理技术的初试[J].东北农业大学学报，2001，32（2）：164-169.

[5] 詹玉新，谢科生，齐玉堂.挤压膨化技术在玉米胚浸出提油中的应用研究[J].粮食与饲料工业，2010（7）：38-39.

[6] 沈 赤.玉米湿法取胚制油工艺[J].中国油脂，1992（5）：52-54.

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[12] 王致凯.油料挤压膨化机实验研究[J].粮油加工与食品机械， 1993（6）：11-14.