CN1352527A - 用于加工冷冻食品的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种挤压机,当其用于加工冰淇淋时,其螺杆包括多于一个的螺纹头,而且螺旋角介于28和45度之间。

Description

用于加工冷冻食品的方法和装置
发明的技术领域
本发明涉及一种用于加工冷冻食品的方法和装置，具体而言，本发明涉及一种用于加工冰淇淋的方法和装置。
背景技术
螺旋式挤压机例如单螺杆挤压机和双螺杆挤压机已被广泛使用，而且已长期应用于食品工业，例如应用在以谷类为主要原料的食品加工过程中。近年来，有人提出将单螺杆或双螺杆挤压机用于冰淇淋的冷冻过程中。
EP713650公开了一种用于挤压充气冷冻食品的方法和装置，该方法和装置中使用了双螺杆挤压机。在该挤压机中，螺杆的特征在于：其长度与直径的比率介于30至60之间。但该文件未公开所述的直径是否就是螺杆中心部分的直径或螺杆中心部分的直径加上螺距后的尺寸。EP0808577公开了一种类似的方法和装置，而且该方法和装置使用了一个具有相同几何形状的单螺杆挤压机。
EP561118公开一种用于加工冷冻食用泡沫例如冰淇淋的方法和装置，该方法和装置采用了一个双螺杆挤压机。螺杆的几何形状由一个约为0.1的比率(沟槽深度/沟槽宽度)和一个介于22至30度之间的螺旋角来加以限定。
WO97/26800公开了一种用于加工冷冻食品泡沫例如冰淇淋的方法和装置，该方法和装置中采用了一个单螺杆挤压机。螺杆的几何形状由一个介于5和10之间的比率(螺杆的长度/挤压机料筒的内径)、一个介于1至2之间的比率(螺距/螺杆外径)及一个1.1至1.4的比率(螺杆的外径/螺杆的内径)来加以限定。根据附图，该螺杆具有一个单螺纹头(single thread start)。
使用挤压机制造冰淇淋所面临的一个巨大问题在于：温度要尽可能地低，同时还要求保持合适的流量。但是，如果温度越低，那么由摩擦产生的流动阻力也就越大，这种流动阻力还会使处于冷却状态下的产品再次被加热，这样就限制了可以达到的温度。因此，就需要以下述方式优化挤压机的几何形状：使产品被冷却时所产生的摩擦力的增加最小，目的是使温度尽可能地低。
现在，我们发现：当将挤压机用于冰淇淋的制造时，可通过下述方式显著提高挤压机的性能：
●在冰淇淋的制造过程中以一个沿用至今的外部螺旋角操作；
●用设置有一个以上的螺纹头的螺杆操作，而至今公开了只应用单螺纹头的螺杆操作。
●用远远短于沿用至今的挤压机操作。
测试和定义
1.螺杆参数
挤压机由需要精确定义的不同参数来加以限定。为利于这些参数的定义，请参照附图1，图中示出了一个安装在一单螺杆挤压机上的常规螺杆。这种挤压机，例如，已在1978年由Krieger出版公司发行，作者为Zehev Tadmor的“塑炼挤压工程原理”(Engineering principle ofplasticating extrusion-Zehev Tadmor-Krieger PublishingCompany)第39至45页中被描述过。
螺杆长度：LT(与料筒相接触的螺杆长度)
节距：Sp(转满一圈(螺距)的轴向距离)
螺纹头：一根螺杆上可包括多于一条的螺旋线，在说明书的其它部分中，每条螺旋线都被称为一个螺纹头，而螺纹头的数量为‘n’。在图1中，所示的螺杆设置有两个螺纹头。
沟槽深度：H(螺杆中心轴和料筒内表面之间的距离减去螺杆顶部和料筒内表面之间的径向间隙)
螺杆直径De：料筒的直径减去螺杆中心轴和料筒内表面之间的距离。
螺旋角：Arctg(Sp/pi.De)
沟槽宽度：Wc(沿螺旋线上的螺齿之间的距离，其中螺旋线垂直于螺齿)。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种包括一挤压螺杆的挤压机，其特征在于：所述螺杆包括2至6个螺纹头，最好为2至5个螺纹头；其螺旋角介于28至45度之间，最好介于32至42度之间。
该挤压机最好包括冷却装置，而且冷却装置最好由一个能够使冷却液体在其中循环流动的冷却回路构成。另外，冷却液体最好为氨或氮。
已经发现：螺纹头的数量越多，在挤压机的出口处达到给定温度所需的氨的温度也越高，这表明增加螺纹头的数量将会产生更好的冷却效果。
比率(H/wc)最好小于0.2，而且最好大于0.1。已经发现：H/wc的比值较小时，热交换(冷却)效果能够得以改善，但由于摩擦而产生的热扩散(加热)却增加了。反之，如果H/wc的比值较大，那么热交换效果就会降低，而热扩散更显著降低，因此，最好以较高的H/wc的比率工作。尽管如此，但可以采用的H/wc比率还是有一个极限，因为当其高于某一极限值时，产品热量不再均匀，而是出现不能再相互混合的寒冷区域和温暖区域。
螺杆最好包括3至4个螺纹头，而且冷却液体最好为氨。
螺杆的LT/De比率优选介于2和10之间，最好介于2和5之间，介于2和4之间则更好。我们发现：与现有技术不同，不仅不必采用长螺杆，而且还可以有效地消耗能量。如果螺杆太长，由于冷却产生的粘性的增加而产生了摩擦，由这种摩擦而产生的热扩散将会抵消冷却作用，并使两种现象(冷却和散热)平衡，因此就不会在螺杆的端部产生冷却作用。尽管如此，但存在于没有冷却作用产生的螺杆端部的摩擦需要额外的扭矩来保持螺杆旋转，而螺杆的这种旋转对该工艺或最终产品没有任何意义。
挤压机最好是一个单螺杆挤压机。
本发明的第二目的在于提供一种包括一挤压螺杆的挤压机，其特征在于：螺旋角介于28和45度之间，最好介于32和42度之间；LT/De的比率介于2和10之间，最好介于2和5之间，介于2和4之间则更好。
本发明的第三目的在于提供一种用于制造冷冻食品的方法，其中食品组分被混合在一起并被充入气体，然后冷却到介于-4℃和-7℃之间的温度；接下来在一挤压机内对其进行加工，以进一步冷却到介于-12℃和-20℃之间的温度下，其特征在于：所述挤压机包括一个挤压螺杆，该螺杆包括2至5个螺纹头，所述螺杆的螺旋角介于28和45度之间，最好介于32和42度之间；所述挤压机还包括冷却装置，该冷却装置最好由一个能够使冷却液体在其中循环流动的冷却回路构成。
冷却液体最好选自氨或氮。螺杆最好包括3至4个螺纹头，冷却液体最好为氨。
螺杆的LT/De比率介于2和10之间，优选介于2和5之间，最好介于2和4之间。
挤压机最好是一个单螺杆挤压机。
本发明的第四目的在于提供一种用于制造冷冻食品的方法，其中食品组分被混合在一起并被充入气体，然后冷却到介于-4℃和-7℃之间的温度；接下来在一挤压机内对其进行加工，以进一步冷却到介于-12℃和-20℃之间的温度下，其特征在于：所述挤压机包括冷却装置，所述冷却装置最好由一个能够使冷却液体在其中循环流动的冷却回路构成；所述挤压机还包括一个挤压螺杆，该螺杆的螺旋角介于28和45度之间，最好介于32和42度之间，该螺杆的LT/De比率介于2和10之间，优选介于2和5之间，最好介于2和4之间。
冷却液体最好选自氨或氮。螺杆最好包括3至4个螺纹头，而且冷却液体最好为氨。
本发明的详细说明
参照附图，接合如下的实例对本发明作出进一步的说明，其中附图：
图1为包括有一个挤压螺杆的挤压机之示意图。
冰淇淋的预先混合原料包括下列成分：
脂肪的总量：8.4％
稳定剂、乳化剂：0.56％
加入的糖：16.8％
蛋白质的总含量：3.5％
固体总量：34.9％
其中牛奶固体(非脂肪)的含量：9.55％
水：其余
通过使用传统的装置向上述成分中充入超过100％的气体并将其冷却到-4.5℃，以用于后面的加工处理。
接着，所得到的冷却产品被输送到一个根据本发明的单螺杆挤压机内，用于随后的挤压操作。产品在一个用氨冷却、螺杆直径为200mm的单螺杆挤压机内以每小时500升冰淇淋(的生产率)受到挤压。
我们对具有各种不同几何形状的螺杆进行了测试，测试结果见下表。
  螺旋角(度)   沟槽深度(H)(mm)   螺旋头的数量   H/Wc   冰淇淋的温度(℃) 扭矩(Nm)   氨的温度(℃)   转速(rpm)   挤压机的入口压力(bar)
    12     15     2  0.28   -11.6     1572    -30.8     29.0     8
    14     17     3  0.43   -11.6     1486    -30.5     30.2     8
    19     10     4  0.25   -12.1     1597    -27.2     22.6     8
    28     8     4  0.12   -11.9     1629    -27.5     18.8     8
    35     8     4  0.10   -12.9     1602    -25.9     14.6     8
    40     11     4  0.12   -14.1     1600    -26.8     12.4     8
    40     5     6  0.09   -12.2     1609    -25.0     21.0     10
    40     7     6  0.12   -12.7     1604    -26.1     20.6     10
    40     9.8     6  0.17   -13.7     1602    -26.2     13.2     10
    40     11     6  0.19   -13.1     1600    -26.1     12.4     10
    40     11     3  0.09   -13.6     1601    -28.2     12.1     10
    40     15.5     3  0.12   -13.4     1597    -28.0     10.4     10
    40     18     3  0.14   -13.8     1602    -27.6     9.7     10

Claims (14)

1、一种挤压机，其包括一个挤压螺杆，所述挤压螺杆的特征在于：其螺纹头的数量介于2至6个之间，其螺旋角介于28和45度之间，最好介于32和42度之间。
2、根据权利要求1的挤压机，其包括：冷却装置，所述冷却装置最好由一个能够使冷却流体在其中循环流动的冷却回路构成。
3、根据权利要求2的挤压机，其特征在于：所述冷却液体选自氨或氮。
4、根据权利要求3的挤压机，其特征在于：所述螺杆包括3至4个螺纹头，而且冷却液体为氨。
5、根据权利要求1的挤压机，其特征在于：所述螺杆的LT/De比率介于2和10之间，优选介于2和5之间，最好介于2和4之间。
6、根据权利要求2的挤压机，其特征在于：所述螺杆的H/Wc比率小于0.2，最好大于0.1。
7、根据上述权利要求之一的挤压机，其特征在于：所述挤压机是一个单螺杆挤压机。
8、一种包括一挤压螺杆的挤压机，所述挤压螺杆的特征在于：其螺旋角介于28和45度之间，最好介于32和42之间；LT/De的比率介于2和10之间，优选介于2和5之间，最好介于2和4之间。
9、根据权利要求8的挤压机，其包括：冷却装置，所述冷却装置最好由一个能够使冷却液体在其中循环流动的冷却回路构成。
10、根据权利要求9的挤压机，其特征在于：所述冷却液体选自氨或氮。
11、根据权利要求10的挤压机，其特征在于：所述螺杆包括3至4个螺纹头，而且冷却液体为氨。
12、根据权利要求8至11之一的挤压机，其特征在于：所述挤压机是一个单螺杆挤压机。
13、一种用于制造冷却食品的方法，其中食品组分被混合在一起并被充入气体，然后冷却到介于-4℃和-7℃之间的温度；接下来在一挤压机内对其进行加工，以进一步冷却到介于-12℃和-20℃之间的温度下，其特征在于：所述挤压机包括冷却装置，所述冷却装置最好由一个能够使冷却液体在其中循环流动的冷却回路构成；所述挤压机还包括一个挤压螺杆，该螺杆的螺旋角介于28和45度之间，最好介于32和42度之间。
14、根据权利要求13的方法，其特征在于：所述螺杆的LT/De比率介于2和10之间，优选介于2和5之间，最好介于2和4之间。
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