简华斌，杜志龙,2，张 克,2，张丽娜,2，王 也,2，郭亚琳，李振龙
（1.中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083；
2.农业装备技术全国重点实验室，北京 100083）
马铃薯泥香滑软糯、营养丰富，常被作为原辅材料制成马铃薯泥系列的面条、馒头、薯片和糕点等马铃薯食品，具有较高的加工适应性[1]。马铃薯泥可以由鲜马铃薯直接冲压或捣制而成，也可以在脱水马铃薯全粉中加入热水冲调制成[2]。手工捣碎制泥的方式效率低、劳动强度大、污染严重，难以满足现代工业化生产规模和生产节奏的需要。目前，国内主要是利用马铃薯颗粒粉或雪花粉调制马铃薯泥，储运效率较高，但存在风味、质构劣变和营养成分流失等问题，限制马铃薯食品的推广应用[3]。
国内早期的马铃薯泥大批量生产大多是在传统工艺基础上进行优化，或者直接引进国外先进马铃薯泥生产线[1]。近30 多年来，我国马铃薯制泥技术快速迭代，在手工捣碎制泥的基础上，研发出了冲击制泥、碾压制泥（辊轴）、斩拌制泥和摩擦制泥等机器制泥技术，极大地提高了制泥效率，但仍存在能耗高、风味差、质构劣变等问题[4-7]。
螺旋挤压关键技术装备的升级优化，为马铃薯泥工艺创新和品质提升提供新的发展思路。樊佳玫等[8]研究发现，螺杆挤压技术可以提高马铃薯抗性淀粉和慢消化淀粉的含量，减缓餐后血糖上升速率，为马铃薯食品的深度开发提供一定的参考。中国机械工业集团有限公司[4]发明的原薯制泥成型一体机，利用螺旋桨叶装置实现了混合搅拌、冲压制泥的功能，同时螺旋挤压装置将各个工艺环节高度集中，使马铃薯泥的工业集成化生产能够得到跨越式发展。马铃薯泥加工技术与装备创新有利于促进产业化发展，提升马铃薯附加价值，保障国家粮食安全，已成为马铃薯食品研究领域的一个重要内容。
根据熟化试验结果，优化新鲜马铃薯切制和熟化等预处理工艺，为设备结构及尺寸优化设计提供工艺参数。研究制泥方式对产品主要营养成分和物化特性的影响，基于不同马铃薯泥成分及性状分析，建立马铃薯泥品质评价指标[9]。
1.1 材料与方法
1.1.1 材料
选用大西洋马铃薯作为试验原料，产自甘肃省定西市，单个质量为100～150 g，长径为8～12 cm，新鲜无损伤。试验过程如图1 所示。
图1 试验流程Fig.1 Pre-experiment flow chart
1.1.2 主要仪器与设备
SZ26B5 型蒸汽锅（浙江苏泊尔股份有限公司）；
HDJDG-28C304 型电煮锅（山东惠当家电器有限公司）；
2119N 型破壁机（西贝乐实业（上海）有限公司）；
DL-1 型电子万用炉（北京市永光明医疗仪器有限公司）；
TB-215D 型分析天平（赛多利斯科学仪器北京有限公司）；
GZX-9070MBE 型电热鼓风干燥箱（上海博讯实业有限公司医疗设备厂）；
SH220F 型石墨消解仪（海能未来技术集团股份有限公司）；
KDY-9 820 型凯氏定氮仪（北京通润源机电技术有限责任公司）；
DZKW-S-6 型电热恒温水浴锅（北京市永光明医疗仪器有限公司）。
1.1.3 主要营养成分含量测定
水分含量依据GB 5009.3−2016（直接干燥法）检测；
蛋白质含量依据GB 5009.5−2016（凯氏定氮法）检测；
还原糖含量依据GB 5009.7−2016（直接滴定法）检测；
淀粉含量依据GB 5009.9−2016（酸水解法）检测。
1.1.4 试验方法
（1）切制。将马铃薯清洗后按照不切制、切块和切片3 种方式进行处理。不切制马铃薯分为去皮和不去皮2 组；
根据棱长尺寸范围将马铃薯切制成大块和小块2 组；
此外，将马铃薯分别沿长径和短径方向切制成片状，并且按照0.5、1.0 和1.5 cm 厚度各分为3组进行切制。
（2）熟化。将1.0 cm 厚的马铃薯片基于不同熟化方式分为两组进行熟化。蒸汽熟化采用常压蒸汽11 min；
水煮熟化采用沸水浴煮11 min。
（3）制泥。将熟化后的马铃薯按照两种常见方式进行制泥。挤压制泥利用研钵将马铃薯连续挤压，压力为0.01～0.20 MPa；
斩拌制泥利用破壁机将马铃薯搅拌破碎，搅拌刀转速为20 000 r/min。
1.2 切制试验
将10 组不同切制方式下的马铃薯蒸汽熟化，完全熟化后，记录预处理效率和损耗率。由图2 可知，新鲜马铃薯带皮熟化后，表面的芽眼去除困难；
新鲜马铃薯去皮整颗熟化时间长，外层薯肉过分熟化，使内聚性降低，容易松散裂开并脱落，在煮制和水冷过程中更容易使薯肉分散入水中，损失率增加；
马铃薯去皮、切制成大块状熟化后，边角等处过分熟化，容易使薯肉脱落。由图3 可知，由大块变成小块状后，其表面积增大，褐变反应加剧；
沿长径方向切制的马铃薯片长宽比较大，在熟化过程中容易断裂，造成物质流失；
沿短径方向切片时，将马铃薯按照0.5、1.0 和1.5 cm 厚度切制后，使用常压蒸汽分别处理7、11 和15 min。0.5 cm 厚度的马铃薯片预处理后断裂数量最多，1.0 cm 厚度的马铃薯次之，1.5 cm 厚度的马铃薯片最少，但是1.5 cm 厚度的马铃薯片因外层薯肉脱落造成的损耗率为3%～5%，高于其他两种厚度的马铃薯片。因此，在螺杆挤压制泥过程中，选择沿短径方向切制1.0 cm厚度的马铃薯片最为合适[10]。
图2 带皮熟化马铃薯Fig.2 Potatoes heated with skin on
图3 小块状马铃薯Fig.3 Oxidized small size block potato
1.3 制泥试验
按照不同的熟化和制泥工艺，把制成的马铃薯泥分成4 组，其风味性状如表1 所示。分别检测4 组马铃薯泥的水分、蛋白质、淀粉和还原糖含量，其中，蛋白质、淀粉和还原糖含量都进行去水分修正，检测结果如表2 所示。蒸熟和煮熟后的马铃薯中水分含量略有提高，表明在蒸煮过程中，薯肉吸收了更多水分；
相对于未熟化的马铃薯，蒸熟的马铃薯淀粉含量下降了11.1%，煮熟的马铃薯淀粉含量下降了15.4%。挤压和斩拌两种方法制出的马铃薯泥淀粉含量差异较小。可能是高温熟化使部分淀粉转化为还原糖，此外，制泥过程中破碎方式对淀粉含量无显著影响。煮熟马铃薯的营养成分含量都低于蒸熟的马铃薯，表明在水煮过程中，部分游离的蛋白质、淀粉和还原糖逸散进入了水中。斩拌破碎产生了更大剪切应力，导致细胞破碎率增大，蛋白质和还原糖逸散损失率增加。由于蒸熟后挤压制成的马铃薯泥口感风味最佳，并且营养成分损失小，因此选择蒸制的方式熟化马铃薯片[11-12]。
表1 不同马铃薯泥风味性状Tab.1 Flavor and shape characteristics of different mashed potatoes
表2 薯泥主要营养成分含量Tab.2 Content of main nutrients in potato puree
1.4 评价指标建立
除了机器制泥外，还包括冲调制泥等多种马铃薯制泥方式，而且马铃薯泥制品种类繁多，风味性状不一。因此，目前还没有完善的马铃薯泥评价体系。基于杨妍建立的马铃薯泥质量标准，制定挤压制泥产品的评价指标[11-14]。如表3 所示，主要包括外观、风味、口感等评价内容。
表3 薯泥质量评价标准Tab.3 Standards for quality evaluation of potato puree
沟槽腔体变螺距螺杆挤压制泥机主要由机架、传动装置、输送装置、挤压装置和出口装置组成，其主要结构及部件如图4、图5 所示。其中，挤压装置和出口装置是核心部件。电机通过带传动将动力传递到传动轴上，传动轴与拨轴头连接，从而带动螺杆旋转。制泥时，将蒸汽熟化后的马铃薯片沥干后从入料口倒入输送段腔体中，输送段螺杆通过旋转将马铃薯泥均匀稳定地输送到挤压段腔体中；
而挤压段螺杆上的变螺距螺旋叶片实现物料增压，将马铃薯破碎压实，并挤压进入多孔板外筒中；
多孔板外筒中的铰刀将马铃薯泥混合均化、搅拌磨碎，最终多孔板外筒中的压力将马铃薯泥从多孔板挤出。制泥机结构稳固、拆装方便、控制简单及挤压装置紧凑，制泥过程较短，运行稳定可靠[15-17]。
图4 整机结构Fig.4 Overall structure
图5 挤压装置结构Fig.5 Structure of extrusion device
3.1 出口部件
出口部件主要由多孔板、固定套筒、端盖等组成，其中，多孔板是核心零件。多孔板采用食品级的304不锈钢制成，通过固定套筒进行定位，并利用键连接的方式固定在多孔板外筒中。端盖通过螺纹连接方式紧固在多孔板外筒的末端，从而对整个出口装置进行固定。
设置马铃薯泥密度1 018 kg/m3，黏度20 Pa·s，入口速度0.01 m/s，入口相对大气压为0.1 MPa，出口相对大气压为0.001 MPa，采用Viscous-Laminar 模型求解，对模孔进行仿真，结果如图6、图7 所示。腔体内的压力及流体流速受直孔的影响而分布不均，并且随着直孔孔径增加，腔体内压力减小和出口最大速度呈反比例减小。为了稳定腔体内的挤压环境，采用小孔径模孔且多孔分布的孔板结构。小孔直径为6 mm，呈中心对称的均匀分布模式，多孔板上的孔隙率为30%左右。由于小孔均匀分布在多孔板上，尺寸较小，出口处的压力和流速变化都能控制在较小范围内，从而保证腔体内压力和流速的均匀稳定。此外，为了减小多孔板内侧小孔处出现的压力激变现象，在多孔板内侧小孔处进行倒角，从而将流速和压力的剧变向小孔内延后。多孔板中心处设计了直径62 mm 的通孔，使出料轴头穿过通孔支撑在固定套筒上，便于螺杆安装。
图6 直孔压力分布Fig.6 Straight hole pressure profile
图7 直孔速度分布Fig.7 Straight hole velocity profile
3.2 腔体结构
腔体主要分为输送段腔体、挤压段腔体和模孔板外筒3 段，首尾端面皆使用螺栓连接，模孔板外筒末端通过螺纹固定出口端盖，实现了模块化腔体设计。输送段腔体和模孔板外筒都采用光滑壁面，提高马铃薯泥的输送效率。为了避免制成的马铃薯泥中存在较大的颗粒，在挤压段腔体内壁上分布螺旋状的沟槽结构。矩形沟槽端面深度为4 mm，螺旋角为15°，旋向与螺杆一致。由图8 可知，沟槽腔体不仅能够抑制马铃薯泥在挤压过程中的回流，使出料更快，而且有利于增强腔体内壁附近的压力变化和对马铃薯泥的剪切作用，使马铃薯泥破碎效果更加彻底[18-19]。
图8 腔体结构Fig.8 Cavity structure
3.3 螺杆结构
螺杆上选择直母线螺旋叶片，主要分为输送段螺杆和挤压段螺杆。两段螺杆利用同一件中空杆件，分别焊接等螺距螺旋叶片和变螺距螺旋叶片制成，两种螺旋叶片之间光滑连接。等螺距螺杆螺距为270 mm，螺槽深度为50 mm，较大的行程能够快速输送薯泥，持续为挤压段腔体填充物料。由图9 可知，挤压段螺杆的螺旋角采用阶梯变加速增加的方式设计，使得其能在较短行程内实现快速增压的效果。螺杆首端焊接拨轴头，与传动轴直接连接输入动力，带动螺杆旋转。末端固定出料轴头，支撑于固定套上，同时对铰刀起到了支撑和传动作用。
图9 挤压段螺杆结构Fig.9 Screw structure of extrusion section
输送段的螺旋叶片由于螺距大，所以只有推进面受到压力，并且受力较小。挤压段螺杆在旋转过程中，螺旋叶片推进面、非推进面和叶片外沿都受到压力，推进面上的压力最大。螺旋角越小，螺旋叶片推进面上受到的压力越大。因此，在薯泥不发生阻塞的情况下，挤压段末端的螺旋叶片受到的压力最大。
3.4 铰刀结构
铰刀采用多齿结构，端面和铰刀齿侧面分布沟槽。铰刀安装在螺杆末端，紧邻模孔板。由图10 可知，铰刀随螺杆转动时，一方面铰刀齿产生搅拌作用，使马铃薯泥沿铰刀表面沟槽发散流动，提高了马铃薯泥的混合均化效果；
另一方面铰刀产生磨盘的作用，其端面沟槽和模孔板上均布小孔的相对运动增加了马铃薯的剪切、挤压过程，使马铃薯泥更加细腻，避免了较大颗粒的存在。此外，铰刀的旋转使模孔交替闭合，能够避免因压力过大或物料过于稀疏产生的喷射现象。
图10 铰刀结构Fig.10 Reamer structure
根据马铃薯泥的半固体性状，以及螺杆挤压过程中物料的运动方式，选择Ansys Fluent 软件模拟出马铃薯泥挤压的初始环境，分别对模孔、腔体、螺杆等核心部件进行挤压状态仿真。从物料流速、压力、轨迹等角度进行分析，并完成相关的数据记录和动画描述[20]。
设置马铃薯泥密度1 018 kg/m3，黏度15 Pa·s，入口速度0.04 m/s，螺杆转速120 r/min，入口和出口相对大气压为0，采用Viscous-Laminar 模型求解挤压状态下马铃薯泥压力和流速的分布情况。在仿真过程中发现，螺旋叶片尾端马铃薯泥的压力和轴向速度呈明显的周期性变化。由图11、图12 可知，沟槽腔体内壁附近物料的压力和速度容易发生激变，叶片外沿附近的马铃薯泥甚至出现了局部迟滞的现象。另外，根据压力分布可知，挤压段螺杆对马铃薯泥挤压造成的压力连续递增，到达螺纹末端后，压力达到最大。
图11 轴面压力分布Fig.11 Axial pressure distribution
图12 轴向速度分布Fig.12 Axial velocity distribution
变螺距螺杆螺槽的容积发生变化，容易导致流体变形，增加物料的径向流动。马铃薯泥具有一定的黏度，因此腔体内壁、螺杆表面和模孔内壁都出现了速度迟滞，螺槽中心和两侧的马铃薯泥速度差值较大。
由图13 可知，挤压段腔体内壁附近有少量物料流动且速度缓慢。而模孔板外筒中的物料因铰刀旋转快速混合。
由图14 可知，铰刀旋转时，铰刀齿压力面受到较大的压力，铰刀齿外沿与模孔板外筒内壁之间的流体受到挤压，压力发生剧变。此外，由于螺旋叶片末端流体压力呈现周期性变化，因此，各铰刀齿受到的压力不对称。
图14 铰刀端面压力分布Fig.14 Pressure distribution of reamer face
由图15 可知，挤压段腔体的沟槽结构使得螺旋叶片与腔体内壁之间流体压力变化剧烈，剪切力和压力增加，使薯泥破碎效果更加彻底。其中，沟槽一侧受到的压力大于另外一侧，螺旋叶片压力面受到的压力也大于非压力面。
图15 螺杆端面压力分布Fig.15 Pressure distribution of screw face
设置不同入口流速和不同螺杆转速，进行仿真试验，得到不同状态下挤压段腔体和模孔板外筒中的压力分布。仿真结果发现0.05 m/s、60 r/min，0.05 m/s、90 r/min，0.05 m/s 、120 r/min ，0.04 m/s 、60 r/min，0.04 m/s、90 r/min，0.03 m/s、60 r/min 共6 种条件下螺杆前端压力过大，并呈现递减的变化趋势。因此，进料速度过大或者转速过小都容易造成物料在螺杆前端堵塞的现象。
由图16、图17 可知，在不发生堵塞的情况下，随着螺杆转速提高，挤压段和模孔板外筒中的压力缓慢增加。此外，两者压力也都随着进料速度的增加而上升。
图16 挤压段压力变化Fig.16 Pressure variation in extrusion section
图17 外筒中压力变化Fig.17 Pessure variation in outer cylinder
选择VOF 模型，对马铃薯泥挤出模孔后的流动状态进行仿真，并用动画描述。根据仿真结果可知，马铃薯泥挤出后，受到重力影响竖直向下流动，但是由于马铃薯泥具有较大的黏度，容易在模孔板外侧出现堆积现象。由图18 可知，外伸式的出口设计，可以让马铃薯泥在重力的牵引下垂落，避免马铃薯泥黏附在出口下方的垂直壁面上。
图18 薯泥挤出状态Fig.18 Mashed potato extrusion state
首先按照优化的工艺对马铃薯进行预处理，利用沟槽腔体变螺距螺杆挤压制泥机进行马铃薯制泥试验。结果发现，在保持填料充分的条件下时，螺杆转速>120 r/min，制出的马铃薯泥薯会开始出现的焦糊味。随着转速增加，腔体内温度增加，马铃薯泥淀粉糊化反应加重。此外，剪切力也随着转速增加而增大，导致细胞破碎率增加，黏度增大，降低了马铃薯泥的口感与风味。
由图19 可知，当进料速度控制在10 kg/min，转速设置为120 r/min 时，制泥机制成的马铃薯泥色泽明亮、香味浓郁、黏稠细腻、无明显的颗粒。相较于传统手工制作的马铃薯泥，沙砾感略低，更加软糯紧密。即食口感略逊于传统手工制作的马铃薯泥，不过作为初加工食材进行烹饪的效果更好。
图19 马铃薯挤出制泥试验Fig.19 Experiment on extrusion of potatoes into mud
由表4 可知，对制成的马铃薯泥产品进行成分检测，发现相对鲜马铃薯来说，其营养成分变化较小。因此，该集成化、封闭化的加工过程能够有效减小马铃薯泥的营养损失。
表4 马铃薯泥成分检测Tab.4 Detection of mashed potato composition
根据已建立的薯泥质量评价指标，对制成的马铃薯泥进行质量评价，对薯泥风味性状的评价如表5 所示，发现沟槽腔体变螺距螺杆挤压制泥机制成的薯泥产品达到了预期目标，具有较优的品质。
表5 薯泥质量评价Tab.5 Quality evaluation of potato puree
为了提高马铃薯泥的产出质量和效率，优化马铃薯制泥工艺，设计了沟槽腔体、变螺距螺杆等关键零部件。进料速度和螺杆转速对马铃薯泥的质量和制泥效率影响显著。进料速度越大，螺杆转速越高，工作压力越大，出泥速度也越高。集成化的工艺和螺杆挤压设备能够实现制泥速度>400 kg/h，颗粒直径<1 mm，满足工业化制泥的要求。优化后工艺参数为马铃薯片厚1.0 cm、汽蒸11 min，制泥机进料速度10 kg/min、转速120 r/min。
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