陈洪兴,顾正彪,叶卫东,张裕中(江南大学,江苏 无锡 214036)

近年来,以集输送、混合、加热、加压等多种单元操作于一体的挤压膨化机实现的挤压膨化加工技术被应用于淀粉深加工领域,并以其设备配套简单、占地小、操作方便、适应性强的特点,逐渐引起人们的重视。已有报道:用挤压机作为反应器可制备淀粉多元糖醇,生产氧化、酯化、交联和醚化等多种变性淀粉。实践表明,挤压生产是实现淀粉转化的一种经济可行的方法。焦糖色素是一种深褐色至黑色的液体、块状、粉末状或糊状物质,无臭或略带焦糖香味。它被广泛应用于酒类、饮料、酱油、醋、酱菜、糕点、咖啡、巧克力、糖果、汤料、糖浆药品等行业。其传统的铵(氨)法生产工艺为:

将淀粉或淀粉质原料在酸或酶的作用下降解成较高ｄｅ值(葡萄糖值)的糖浆,然后加入氨基化合物,在一定温度下反应,制得焦糖色素。为了便于贮运,制得的粘稠性液体产品经冷冻干燥或稀释后喷雾干燥,可得到粉末状焦糖色素。本研究直接以淀粉为原料,混入酸和氨基化合物,经过螺杆挤压机的挤压,生产出固体焦糖色素。其机理为淀粉在挤压机机筒内的高温、高压、高剪切及酸作用下,降解成小分子糖,同时,加入的氨基化合物与还原性糖发生美拉德反应或小分子糖自身发生焦糖化反应,从而得到焦糖色素。与传统的铵(氨)法工艺相比,挤压生产省去了传统工艺中淀粉水解、浓缩等操作,具有生产周期短,生产效率高,生产成本低等优点。而且,直接得到固体产品,减少了传统工艺中用于除去物料中水分的能耗,节约了能源。挤压生产焦糖色素过程是一个受多因素影响的复杂过程。本文就挤压机种类和有关结构参数对产品质量的影响进行了探。

1 材料与方法

1.1 试验材料

普通玉米淀粉(品,山东诸城兴贸玉米开发有限公司),食用酸,氨基化合物。

1.2 试验仪器与设备

分光光度计,72—1型,上海精密科学仪器有限公司。单螺杆挤压机,自制。其主要参数为:套筒内径4.5ｍｍ,螺杆直径4.4ｍｍ,螺纹深度6.5～1.0ｍｍ(进料端—出料端),螺杆长度930ｍｍ(螺纹部分900ｍｍ),螺旋角θ=0.41°,压缩比3:1。ｄｓ56—ⅲ型双螺杆挤压机,济南赛信食品机械厂。供料系统:电机型号ｍｂｋ07—ｙ0.55—ｃ5,螺杆直径55ｍｍ,螺杆转速0～150ｒｐｍ。挤压系统:两螺杆均为,互相啮合;螺杆由多个部分组成,螺距分别为48ｍｍ、36ｍｍ、24ｍｍ、20ｍｍ,末端螺杆螺距为24ｍｍ;螺纹呈梯形,深度为9.5ｍｍ:螺杆直径65ｍｍ,螺杆长度1232ｍｍ、1008ｍｍ、784ｍｍ,电机功率22ｋｗ。

1.3 试验方法

1.3.1 挤压生产焦糖色素

称取一定量淀粉,用酸调节淀粉的ｐｈ值2.5～4.0,加入淀粉量1.0%～2.0%(ｗ/ｗ,以—ｎｈ2计)的氨基化合物,并加适量水使混合物含水量为16%～30%(ｗ/ｗ),混合均匀后装入挤压机的料斗中挤压。条件为:ｉ区温度(加料输送段)70℃,ⅱ区(压缩熔融段)温度160℃,ⅲ区(计量均化段)温度180℃,螺杆转速160ｒｐｍ/ｍｉｎ。挤压后经冷却,即得焦糖色素。

1.3.2 色率测定

称取样品1.000ｇ(以干燥样品计),用水溶解并定容至1000ｍｌ,过滤,用1ｃｍ比色皿,在610ｎｍ处测定滤液的吸光度ｏｄ610,测定三次,取平均值。色率(ｅｂｃ单位)=ｏｄ610×20000/0.076。

2 实验结果与讨论

2.1 单、双螺杆挤压机生产焦糖色素的比较

将混合均匀的物料分别用单、双螺杆挤压机挤压,待挤出物冷却后,测定其色率。

由表1可见,单、双螺杆挤压机都能用来生产焦糖色素,双螺杆挤压机生产出的焦糖色素色率高。单螺杆挤压机有一根与料筒密切配合的回转螺杆,在单螺杆挤压机中存在着连续的通道,输送作用的驱动力是拖曳流。如果用单螺杆挤压机处理高粘性物料,物料会粘到螺杆上,并在料筒表面打滑,即物料随着螺杆回转而不被推进。然而,对于酸作用下淀粉降解的反应体系,情况有所不同。随着淀粉降解程度的提高,物料粘度逐渐下降。既有助于物料在一定的螺纹前沿推力作用下沿螺杆表面向模口方向滑动,也有助于轴向压力梯度的建立以维持挤压机较为稳定的输出。因此,可以用单螺杆挤压机生产焦糖色素。在啮合型双螺杆挤压机中,一根螺杆的啮合部分阻止了另一根螺杆上的物料自由回转,粘在螺杆上的物料不与机筒表面打滑,而是被强制地向模口推移。与单螺杆挤压机相比,双螺杆挤压机的混合能力强,使机筒内物料的热分布均匀,反应充分,产品色率高。因此,双螺杆挤压机更适合于生产焦糖色素。

2.2 双螺杆挤压机螺杆元件的组合方式对产品色率的影响

试验中采用的螺杆是由若干个单独的结构元件连接而成的组合体。调整前,其中一根螺杆示意图如图1,另一根与之啮合。

调整后,该螺杆示意图如图2,另一根也相应调整与之啮合。

分别用调整前、后的螺杆进行挤压试验,测定挤出物的色率。

调整后的螺杆加有挡块,出料口采用反向螺旋,增加机筒内压力,延长物料在机筒内停留时间,明显提高产品的色率。

2.3 螺杆长径比对产品色率的影响

分别用3台不同长径比的双螺杆挤压机,在相同操作条件下挤压同一物料,待挤出物冷却后,测定其色率。

由表3可见,增大长径比,可显著提高产品色率。这是由于增大长径比,物料在机筒中的停留时间延长,利于物料充分反应。但是长径比增大,螺杆所消耗的功率相应增大。而且由于螺杆一端固定,另一端悬伸,若长径比过大,易使螺杆因自重导致弯曲,造成螺杆的端部与机筒之间的间隙不均,甚至在转动时螺杆与机筒磨刮,降低螺杆的使用寿命。因此,长径比的增大有一定限制。

2.4 模孔直径对产品色率的影响

在同一台双螺杆挤压机上,只改变模孔直径,挤压同一物料,待挤出物冷却后,测定其色率。

表4显示,模孔直径小,产品色率高。减小模孔直径,可增大出料阻力,使机筒内压力升高,利于反应。但模孔直径的变化对色率影响不十分显著,这可能是由于所用的螺杆上增加了挡块和反向螺旋,使机筒内压力增大,削弱了模孔直径的变化所产生的影响。

3 结论

双螺杆挤压机混合效果好,自清洁性能强,正位移输送能力大,更适合于生产焦糖色素。螺杆上安装挡块、出料口采用反向螺旋、增大螺杆长径比可显著提高产品色率。减小模孔直径也能提高产品色率。影响挤压生产焦糖色素的因素很多,如配料、挤压条件、挤压机的结构参数等。本文只是研究的一部分,试验结果也反映出,现有的挤压生产仍存在色率偏低的不足,以后将陆续报道其它因素对挤压生产焦糖色素质量的影响,生产出高质量的焦糖色素。

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