基于限制-扩张模头设计的淀粉基食用泡沫流动历史工程

《Food Hydrocolloids》：Flow-history engineering of starch-based edible foams through restriction–diverging die design

　　

淀粉-水体系可通过挤出加工形成膨胀的食用基质，其中水同时充当增塑剂，控制基质流动性，并作为内部发泡剂，在模头出口驱动蒸汽诱导膨胀。所得泡孔结构决定了密度、泡孔连通性以及与质地相关的力学响应。因此，控制流动历史与降压过程之间的耦合关系，是设计淀粉基膨化食品结构的关键。本文提出一种面向过程的模头设计策略，以调控淀粉泡沫挤出过程中的形变历史与压力释放。研究人员设计了一种限制-扩张模头（restriction-diverging die），在出口上游施加可控的拉伸形变，同时允许形变历史在最终膨胀前发生部分松弛。为分离下游扩张补偿区的作用，还测试了一种仅含限制段的对照模头（restriction-only control die），即将下游扩张段去除，使出口与限制喉部重合。采用广义牛顿计算流体动力学（CFD）模拟量化速度场、压力损失和降压速率，并通过实验评估模头胀大（die swell）作为残余弹性恢复的间接表现。限制-扩张模头显著降低了各向异性模头胀大，同时保持了整体泡沫密度。在相近密度下，该改进模头产生了更细小、更均匀的泡孔形态，更低的开孔含量和更高的压缩应力。仅含限制段的对照模头则表现出显著更大的横向膨胀，其泡孔尺寸与常规模头相近，但在厚度方向上更为拉长，从而支持了下游扩张段在测试条件下对减小胀大的贡献。这些结果表明，流动历史工程可作为调控淀粉基膨化食品基质结构与质地相关性能的实用途径。

以下为论文解读文章：

**研究背景与意义**

膨化淀粉基产品是食品加工中结构形成的典型范例，热机械处理与快速水蒸气蒸发共同生成多孔结构，最终决定其质地、酥脆性和力学响应。淀粉基水胶体因兼具可持续性和生物可降解性，被广泛研究作为石油基聚合物的可再生替代品。在挤出加工中，淀粉-水体系表现出热塑性食品基质的特性，水同时扮演增塑剂和内部发泡剂的双重角色：一方面削弱淀粉链间氢键、提高分子迁移率；另一方面在模头出口因压力骤降而闪蒸成蒸气，驱动气泡成核与生长。先前研究多聚焦于配方变量、水分含量、机筒温度、螺杆转速等对膨胀、密度、泡孔形态和力学性能的影响，却较少将模头作为主动设计元件来调控膨胀前的形变与压力释放历史。模头胀大现象源于淀粉熔体在受限流道中积累弹性应力，出口处应力释放导致挤出物横截面相对于模头几何尺寸发生膨胀。能否通过模头几何设计调节弹性储能及其释放，进而影响泡沫膨胀和泡孔结构，仍缺乏系统研究。针对这一空白，研究人员提出以模头几何为工艺设计变量，采用“结构-过程-性能”视角，通过流动历史工程实现淀粉基泡沫的可控设计。该研究发表于《Food Hydrocolloids》。

**主要技术方法**

研究人员使用KMC（Brande, Denmark）提供的天然马铃薯淀粉与去离子水配制成水分含量（MC）为20 wt%的淀粉-水体系，在Sulzer中试泡沫挤出线上进行对比发泡实验，该线包含双螺杆挤出机、熔体冷却器、静态混合器和可更换模头。采用密闭腔流变仪（CCR）测量线性粘弹性，在线毛细管流变仪（ViscoIndicator）测量70–500 s^-1剪切速率下的非线性粘度，并用幂律模型拟合。利用COMSOL Multiphysics^? 6.3进行广义牛顿计算流体动力学（CFD）模拟，求解稳态不可压缩层流下的速度场、压力损失和降压速率。通过扫描电子显微镜（SEM）结合ImageJ分析泡孔尺寸，依据ASTM D792测密度，依据ASTM D6226测开孔率，依据ISO 844进行压缩测试。

**研究结果**

**3.1 流变表征**
通过频率扫描发现，淀粉-水基质的储能模量（G′）和损耗模量（G″）均随频率增加而升高，温度升高使G′与G″交点向高频移动并降低模量绝对值；水分含量从20 wt%增至30 wt%使两种模量约降低一个数量级，证实水的增塑作用。在线毛细流变数据在130°C下表现出显著剪切变稀行为，幂律拟合得到一致性指数K₀=8.8×10⁵ Pa·sⁿ，流动行为指数n=0.2，α=11.3，活化能约为11 kJ mol^-1，表明熔体粘度对温度的敏感性相对较弱。Cox-Merz型对应关系在振荡与稳态剪切数据间得到近似成立。

**3.2 模型辅助设计**

**3.2.1 形状设计**
研究人员提出限制-扩张模头设计，由收敛段、限制喉部和下游扩张补偿段组成。根据Cogswell分析定义拉伸变形速率（EDR），该设计中收敛段产生正EDR（EDR⁺），扩张段产生负EDR（EDR^?）。利用式(6) ED?R=(Q?/V)ln(A_in/A_out)估算各段平均EDR。结果显示，限制-扩张模头的净EDR（EDR?_net）从常规模头的1.75 s^-1降至1.09 s^-1，补偿率为70%；而仅限制对照模头因无负EDR贡献，净EDR高达3.59 s^-1。实验测得的方向性胀大比与EDR?_net呈一致趋势：常规模头S_x=1.42、S_y=2.82；限制-扩张模头S_x=1.02、S_y=1.41；仅限制对照模头S_x=2.40、S_y=6.36。

**3.2.2 压力降设计**
通过广义牛顿模拟预测，常规模头压力降Δp=57 bar，限制-扩张模头Δp=112 bar；对应平均降压速率分别约为31和60 bar s^-1。实验测量值分别为55和100 bar，相对偏差分别为3.5%和10.7%。更高的压力降和降压速率有利于气泡成核而非扩散生长，从而细化泡孔。

**3.3 实验结果**
在相同配方和操作条件（145 rpm，15 kg h^-1）下，限制-扩张模头显著降低各向异性胀大，保持挤出物截面更接近模头出口几何。SEM图像分析表明，常规模头泡孔平均当量直径约为970 μm，限制-扩张模头降至520 μm，而仅限制对照模头约为1000 μm，且分布更宽、大孔尾更长。开孔含量从常规模头的72±5%降至限制-扩张模头的57±4%，而仅限制对照模头因强烈垂直方向膨胀导致泡孔拉长和合并。虽然泡孔细化，但两种模头的堆积密度无显著差异（113±3 kg m^-3对比115±2 kg m^-3），说明形状控制不牺牲整体发泡效率。压缩测试显示，限制-扩张模头在10 mm位移处的压缩应力为990±30 kPa，高于常规模头的820±40 kPa，且完整应力-应变曲线在整个应变范围内均更高。

**讨论与结论**

讨论部分指出，限制-扩张模头通过下游扩张段对上游收敛产生的拉伸变形进行部分补偿，在保持强局部变形和快速降压的同时，降低出口处残余弹性恢复，从而同时改善形状保真度和泡孔结构。仅限制对照实验证明，仅靠限制喉部不足以细化泡孔，缺少扩张补偿段会引发强烈横向胀大和泡孔合并。研究结论表明，模头几何可作为工艺设计变量，有效协调形状保真度、压力释放动力学与泡孔发育。该策略为设计具有可控几何、细化微结构和改善质地相关力学响应的淀粉基食用泡沫提供了实用途径。未来工作需整合粘弹性本构模型、在线压力释放监测和更广泛的配方筛选，以进一步确定水分含量、松弛时间、拉伸形变历史与最终食品结构性能之间的加工窗口。