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挤压膨化技术是一种新型的食品加工技术,具有工艺简单,成本低、原料利用率高、占地面积小、生产能力高、可赋予食品较好的感官特性和功能性等特点。由于挤压膨化技术具有其他加工方式所不具备的特殊的食品质构化特性,故奠定了在谷物食品加工等多种领域中的应用基础,在淀粉类膨化食品和早餐谷物食品中得到了广泛应用。
经过挤压膨化后的物料质地疏松,多成呈纤维状或蜂窝状等多孔结构。多孔状的结构不仅使得产品具有良好的口感和弹性,还赋予产品良好的复水性和松脆性。大多数实验研究仅从工艺和原料方面考虑对产品质构属性的影响,往往忽略了对挤出物质构品质有重要影响的几何结构参数。同时在实际加工生产中,挤压膨化食品不可避免地产生内部孔穴的不均一,以及孔穴支柱的弯曲和畸形等缺陷,这些都会影响产品质构品质中的硬度、弹性、脆性等力学特性。
本研究旨在从挤压膨化物的几何结构入手,以结构力学理论为基础,全面地分析了影响膨化物力学性质的结构参数和变形机理。采用有限元数值计算同时结合多孔结构经典理论分析的方法,选择适宜的求解工具进行求解物理模型,对挤压膨化物的力学性质进行分析研究。本研究的主要内容和结论如下:
1、建立三类球形开闭孔立方体模型本研究根据挤出物膨化过程的合理假设以及挤出物微观结构的特点,结合玉米淀粉的材料属性,建立了不同相对密度的三类球形开、闭孔(简单立方体、面心立方体、体心立方体)的单倍和多倍体模型。
2、分析立方体模型尺寸、网格密度对计算结果的影响为了研究立方体模型尺寸、网格密度对计算结果的影响,首先考察了边长尺寸分别为0.01m和0.02m的闭孔立方体模型,结果发现两者的弹性模量分别4.164e7和4.163e7,基本影响不大。
同时研究了闭孔模型普通(normal)、粗化(coarse)和较粗化(coarser)网格划分水平对计算结果的影响。结果发现当随着网格密度的加大计算结果精度提高,考虑到计算时间方面的影响,闭孔模拟计算都采用普通级的网格划分水平。由于开孔模型结构尺寸小,实验选择普通级(normal)、细化(fine)和较细化(finer)划分水平,最终确定开孔模拟计算采用细化级划分水平。
3、研究三类闭孔模型的相对密度与力学性质的关系实验建立了不同相对密度的三类闭孔单倍体模型,数值计算得到模型的弹性模量和破损强度,并把数值模拟的结果与Ashby-Gibson理论分析结果相比较。
简单、面心和体心立方体相对弹性模量计算值与Ashby-Gibson理论值的最大差值分别为0.16、0.13和0.16。三类闭孔模型的相对密度与相对弹性模量拟合方程分别为E/E,=0.9795·(ρ/ρs)1.9523、E/Es0.8035·(ρ/ρs)1.7765、E/Es=0.9018.(ρ/ρs)1.753、。通过对比拟合方程和Ashby-Gibson理论方程(公式1.18),发现闭孔简单立方体更接近理论拟合方程。破损强度也是简单立方体更接近Ashby-Gibson理论方程(公式1.18)。
4、研究三类开孔模型的相对密度与力学性质的关系与闭孔模型研究类似,实验建立了不同相对密度的三类开孔单倍体和多倍体模型,而开孔模型的研究是建立在二倍体基础上的。
三类开孔模型相对弹性模量与相对密度拟合方程分别为E/Es=0.6149.(ρ/ρs)1.1119、E/E=0.7728·(ρ/ρs)1.9626、E/Es=0.3332.(ρ/ρs)0.9642。通过对比弹性模量拟合方程和Ashby-Gibson理论方程(公式1.12),发现面心开孔立方体更接近理论拟合方程。破损强度也得出相同的结果,面心立方体更接近Ashby-Gibson理论方程(公式1.18)。