国家自然科学基金标书－螺杆构型对系统参数和产品特性的影响研究

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1、申请代码：E051304 受理部门： 收件日期： 受理编号：解除保护国家自然科学基金国家自然科学基金 申申 请请 书书资助类别：面上项目亚类说明：自由申请项目附注说明： 项目名称：螺杆构型对系统参数和产品特性的影响研究申 请 者：魏益民 电话： 010-62815956 依托单位：中国农业科学院农产品加工研究所 通讯地址：北京市 5109 信箱 邮政编码：100094 单位电话：62815952 电子邮件： 申报日期： 2007 年 3 月 20 日国家自然科学基金委员会国家自然科学基金申请书第 2 页 版本 1.004.835基本信息基本信息 yoKWT/OQ姓名魏益民性别男出生 年月195

2、7 年 11 月民族汉族学位博士职称教授主要研究领域食品科学与工程 电话010-62815956 电子邮件 传真010-62895382 个人网页工作单位中国农业科学院农产品加工研究所 申申 请请 者者 信信 息息在研项目批准号30671484 名称中国农业科学院农产品加工研究所代 码90000197 联系人董维 电子邮件 依托单位信息依托单位信息电话62815952 网站地址单 位 名 称代 码在此录入修改合作单位信息合作单位信息在此录入修改项目名称螺杆构型对系统参数和产品特性的影响研究资助类别面上项目 亚类说明自由申请项目 附注说明申请代码E051304:机械结构与系统动力 学基地类别预计

3、研究年限2008 年 1 月 2010 年 12 月研究属性应用基础研究 项项 目目 基基 本本 信信 息息申请经费25.6800 万元摘摘 要要( (限限 400400 字字) )：螺杆是食品挤压机的关键部件。由于缺乏设计螺杆的基础数据和基本方法， 从而导致食品挤压设备能源利用率低，无法稳定生产，挤压食品达不到质量标准等问题, 给设备制造和食品企业造成了巨大的损失。因此，拟开展以大豆蛋白高水分湿法挤压过程 为载体，以螺杆构型（螺杆元件类型、元件的几何参数、元件数量和位置等）为研究因素， 分别以挤压系统参数（扭矩、压力、单位机械能耗（SME） 、滞留时间分布（RTD） 、物料粘 度特性、产量等

4、）和产品特性（组织化程度、质构、色泽、吸水率等）为指标，采用排序、 比较、聚类等方法，建立螺杆构型与挤压系统参数和产品特性之间的数量关系；通过数学 模型筛选，确定不同螺杆构型的滞留时间分布（RTD）和物料粘度特性的数学模型。结合 产品品质评价，最终优化大豆蛋白高水分湿法挤压的螺杆构型，初步建立螺杆配置的原则 和方法，为食品挤压设备制造以及设计挤压产品提供理论和技术参考。关关 键键 词词(用分号分开，最多 5 个)螺杆构型；系统参数；产品特性；大豆蛋白；高水分挤压 国家自然科学基金申请书第 3 页 版本 1.004.835项目组主要项目组主要成成员员（注: 项目组主要成员不包括项目申请者，国家杰

5、出青年科学基金类项目不填写此栏。 ）编号姓 名出生年月性别职 称学 位单位名称电话电子邮件项目分工每年工 作时间 （月）1张波1978-4-2 男助理研究 员硕士中国农业科学院农产品加工 研究所 010- 62815846 试验实施与 数据分析 8 2张明晶1975-8-23 女助理研究 员硕士中国农业科学院农产品加工 研究所 010- 62815836 z- 实验操作与 数据采集 6 3严军辉1980-12-30 男实验员其他中国农业科学院农产品加工 研究所 010- 62815846 挤压机操作 与维护 8 4生广伦1952-8-5 男技师其他中国农业科学院农产品加工 研究所 010-

6、 62815846 设备维护与 元件制造 10 5陈锋亮1981-5-28 男硕士生学士中国农业科学院农产品加工 研究所 010- 62815846 c- 样品评价,数 据整理 10 6任嘉嘉1980-12-21 男硕士生学士中国农业科学院农产品加工 研究所 010- 62815846 化学分析 10 7在此录入修改8在此录入修改9在此录入修改总人数高级中级初级博士后博士生硕士生7122 2说明: 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报（含申请者） ，总人数自动生成。国家自然科学基金申请书第 4 页 版本 1.004.835经费申请表经费申请表 （金额单位：万元）科

7、目申请经费备注（计算依据与说明）一一. .研究经费研究经费18.7000 1.科研业务费15.0000 （1）测试/计算/分析费10.500030 次试验，每次试验检测指标 12 项，约需 30 次 350 元（2）能源/动力费1.5000水电费，平均 400 元/月（3）会议费/差旅费1.5000参加学术会议 3 次，每次 3500 元（4）出版物/文献/信息传播费1.0000购买相关书籍，复印资料，发表论文（5）其它0.5000课题总结，汇报2.实验材料费3.7000 （1）原材料/试剂/药品购置费1.0000大豆豆粕，30 次70 千克4 元；试剂 1600 元（2）其它2.7000部分

8、螺杆元件的加工制造，约需 6 种4500 元3.仪器设备费0.0000 （1）购置 （2）试制 4.实验室改装费 5.协作费 二二. .国际合作与交流费国际合作与交流费3.5000 1.项目组成员出国合作交流2.0000出访德国 Coperior 公司总部2.境外专家来华合作交流1.5000接待美国、德国食品挤压技术专家 2 人次，旅费 2 人5000 元，食宿 2 人2500 元三三. .劳务费劳务费2.2800研究生劳务费 2 人380 元30 月四四. .管理费管理费1.2000 合合 计计25.6800 国家其他计划资助经费 其他经费资助（含部门匹配） 与本项目相关的 其他经费来源其他

9、经费来源合计其他经费来源合计0.0000国家自然科学基金申请书第 5 页 版本 1.004.835报告正文报告正文查看报告正文撰写提纲螺杆构型对系统参数和产品特性的影响研究1 立项依据与研究内容11 项目的立项依据111 研究意义研究意义食品挤压集混合、输送、压缩、蒸煮、熔融、成型为一体，是一项生产连续性好，能源利用率高，废弃物和副产物少的节能环保绿色技术，已经成为现代食品加工中重要的质构重组技术，广泛应用于谷物早餐食品、休闲膨化食品和组织化植物蛋白的生产，尤其是大豆组织化蛋白产品的开发。大豆蛋白不含胆固醇，氨基酸平衡，为完全蛋白，还含有功能性成分，如大豆异黄酮、低聚糖、膳食纤维等。1999

10、年 10 月，美国食品药品管理局（FDA）健康声明宣布， “每天食用 25g 大豆，可以降低患心脏病的风险。 ” 大豆蛋白因此受到国际科学界和工业界的广泛关注，大豆蛋白工业迅速发展。我国的大豆压榨业 2005 年压榨大豆约3500 万吨；2004/05 年度大豆粕产量已达 2317 万吨，仅有 5%用于食品工业。我国优质蛋白质资源长期紧缺，拓展大豆蛋白质资源的用途，提高大豆蛋白的利用效率，是关系到国民身体健康、产业持续发展的战略性问题。挤压法生产的组织化大豆蛋白是现代大豆蛋白工业的重要组成部分。美国年生产组织化大豆蛋白超过 50 万吨，产量超过大豆浓缩蛋白和大豆分离蛋白的总和。我国从二十世纪

11、80 年代开始引进国际成套生产线，产能较大的约有 10 家企业，但开工率不到 40%，产量不足 8 万吨。制约我国组织化大豆蛋白工业发展的主要因素是缺乏基础研究，产品品种单一，更新换代慢，产品质量低。高水分湿法挤压(物料含水量50%，产品含水量45%)是国际上新兴的植物蛋白重组技术。与大豆蛋白低水分挤压相比，高水分挤压的优势在于产品具有组织化程度高，弹韧性强，质地更接近动物肉，加工温度较低，营养成分和生理活性成分损失少，结合清洁的包装技术，产品可以长时间保存。目前，大豆蛋白高水分湿法挤压小试工艺参数基本明确，即挤压温度 145155，挤压水分 45%50%，螺杆转速90rpm160rpm，喂料

12、速度 20gmin-140gmin-1。制约大豆蛋白高水分湿法挤压和其他挤压技术应用发展的主要因素是生产设备的国家自然科学基金申请书第 6 页 版本 1.004.835设计和制造，其中螺杆的设计是瓶颈。螺杆设计还缺乏挤压工艺基础数据的支撑。螺杆是挤压机的关键部件之一。物料通过它完成输送、混合、剪切、熔融、成型并挤出的过程。由于螺杆设计不当导致的挤压设备能源利用率低、或者无法稳定生产、生产的产品达不到质量标准等现象给企业造成巨大的经济损失。因此，研究螺杆构型对系统参数和产品特性的影响，优化螺杆构型，建立设计和配置螺杆的基本原则和方法已迫在眉睫。鉴于螺杆构型对系统参数影响的普适性，其研究结论不仅可

13、以服务于新型大豆组织化蛋白的开发，也可以服务于其它食品挤压技术参数的设计，更可以服务于设计挤压产品和制造挤压设备，因此本研究对促进大豆产业的发展和挤压技术的应用，以及提高食品机械制造业的自主创新能力都具有理论和实践意义。112 国内外研究现状及分析国内外研究现状及分析挤压是一个多输入多输出的系统。根据 Meuser 等（1992）提出的挤压机系统分析模型，可以将挤压参数分为工艺参数、系统参数和产品参数三部分。工艺参数包括操作参数（原料特性、挤压水分、喂料速度、挤压速度、挤压温度）和挤压机结构参数（螺杆构型、模头形状等） ，可以人为控制，属于自变量；系统参数包括扭矩、压力、螺杆填充度、单位机械能

14、耗、粘度、滞留时间分布、产量等，属于因变量；产品参数又称目标参数，主要指产品理化特性，也属于因变量。在这三类挤压参数中，系统参数是连接工艺参数和产品参数的中间环节，受工艺参数的影响和控制，并影响产品参数。挤压过程的工艺参数首先影响系统参数，进而影响产品参数。Hanwu Lei 等（2005）对不同工艺参数下的系统参数建立数学模型，发现压力是挤压水分、物料温度和喂料速度的函数，但不受挤压温度的影响；物料温度和扭矩是螺杆转速、挤压水分、喂料速度、挤压温度和螺杆构型的函数；在自变量中引进螺杆构型，大大提高了模型的显著性，但模型的准确性还需更多的试验验证。魏益民等（2005）研究了玉米挤压膨化过程中的挤压温度、物料水分、喂料速度、挤压速度对扭矩、压力、产品膨化率等的影响，认为挤压温度和物料水分对螺杆扭矩、挤压腔第 4 区压力、第 5 区压力、产品膨化率和含水量都有极显著影响：挤压温度对第 4 区压力影响较大，物料水分对扭矩、第 5 区压力、产品膨化率和含水量影响较大；随着挤压温度上升，挤压水分增加，扭矩、压力、产品膨化率降低，随着挤压温度升高，挤压水分下降，产品含国家自然科学基金申请书第 7 页 版本