用于能量优化地且粘度适宜地形成冷冻充气物料的显微结构的低温挤出方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术描述了用于能量优化地且粘度适宜地形成冷冻充气系统例如冰淇淋的显微结构的低温挤出方法和装置。通过所述方法和装置，在优化了由粘滞摩擦导致的机械能耗散（１）与向制冷剂传递耗散热和附加的相变热（冷冻）（２）之间的平衡的条件下，在非常低的温度下达到非常高的冻结水含量，从而获得了分散良好的显微结构。通过这种新的方法和装置，充气物料在最小的／优化的机械能输入的条件下被连续冷冻并获得了优化的显微结构。这样处理的物料的显微结构，一方面，甚至在很低的温度下都具有较好的流变性质，从而改善了造型、分割及挖出特性，另一方面，延长了保存期（热冲击稳定性）并改善了口感（例如，乳脂状、融化特性）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及一种用于在使机械能输入优化并同时使耗散热和相变(冷冻)热的传递优化的条件下制造深度冷冻甜品-尤其是冰淇淋-的方法，以便产生均质的、分散良好的显微结构，并且冻结水在很低的温度下达到很高的含量；本专利技术还涉及一种实施该方法的装置。
技术介绍
单螺杆挤出机和双螺杆挤出机是公知的连续加工装置，主要用于聚合物和陶瓷工业，但也用于食品工业，例如生产干面食(pasta)和快餐食品的工业。自1992年(DE 4202231 C1)以来，挤出机也被推荐用于冷冻甜品-例如冰淇淋-的连续冷冻。加工方面如几个文献(见参考文献2-19)所述，低温挤出机在同时作用的机械应力下通过剪切流动可以将冰淇淋和其它食品物料-例如酸奶和果浆-深度冷冻至含有很高程度的冻结水(是可冷冻水含量的80-90％)。除了结晶热(冷冻)外，还必须有效地传递在高粘度的部分冷冻系统(动力粘度高达104帕(斯卡)秒(PaS))中由粘滞摩擦引起的耗散热，然而生成的热量和传递的热量之间的平衡是根据热传递系数k(描述了热量通过粘附在挤出机壳体内壁上的产品层到该钢壁并通过该钢壁到与挤出筒外壁接触的蒸发制冷剂内的传递)进行调整的。迄今为止，通过选择合适的挤出螺杆几何形状，使挤出螺杆螺纹顶端和挤出筒内壁之间具有狭窄的泄漏间隙，以便有效地更换靠在挤出筒壁上的冷冻材料层，并通过使用蒸发制冷剂(例如，氨)冷却挤出机壳体，来获得最大的热传递系数。由于在双螺杆挤出机系统中使用具有小的恒定的螺杆通道高度和小的螺杆轴距的螺杆几何形状，在螺杆通道内产生的剪切速率(shear rate)分布狭窄(EP 0561 11881)。这意味着不会存在具有很高的或者很低的剪切速率的膨胀区。对于典型的冰淇淋物料，在最大剪切速率为大约20-30s-1时，在挤出机出口处可以获得-12至-18℃的出口温度。在挤出机出口处，物料的最小牵引温度取决于物料的冰点下降性能、该物料在各温度下的粘度和由粘滞摩擦引起的机械能耗散。在冰淇淋挤出生产中(例如，根据专利EP 0561118，US 5,345,781)，沿挤出机长度仅产生很小的压力梯度。在挤出机入口和出口之间的总压力差一般≤1-5巴。这在很大程度上保证了避免在挤出机入口处粘度仍然很低的气液(泡沫)混合物分层。另外，在分别根据EP 0561118、US 5,345,781或DE 4202231 C1的低温挤出机中，特殊的挤出机螺杆构造和螺杆布置(双螺杆)能对物料进行温和、有效的混合。在双螺杆布置中，这尤其可以通过在螺杆之间的螺杆螺纹重叠/啮合区内的合适的料流分布获得。产品方面除了上述的装置和方法外，还主要关心通过低温挤出的冰淇淋的特别有利的产品特性。一般来讲，通过低温挤出产生的有利特性涉及冰淇淋显微结构成分冰晶体、空气泡/空气胞以及脂肪球凝块的更良好分散。分散效果的程度也取决于冰淇淋的配方。下面的描述涉及香草冰淇淋的典型的标准配方，然而脂肪/乳脂(0-16％)和干物质(35-43％)的含量不同。低温挤出的冰淇淋的特别有利特性与冰淇淋内的主要分散结构成分有关，这些成分是水冰晶体(1)、空气泡/空气胞(2)以及脂肪球凝块(3)，它们都能在低温条件下、在挤出机料流内的层流剪切和长形流场内的高机械应力作用下、在挤出机料流内分散得更好。对于冰晶体，除了在筒内壁处的进一步的一次冰晶体成核外，通过晶体摩擦和晶体破碎形成二次成核反应，与在凝冻机内并随后在硬化隧道内的传统冰淇淋加工相比，因素2-3减小了晶核尺寸。与传统方法相比，由于导致空气泡/空气胞破裂的作用剪切应力增加，因素3-5减小了空气泡/空气胞的平均尺寸。在挤出机料流中，机械处理的强度很大程度上取决于物料的粘度，在某具体温度下，该粘度与冻结水含量有关。在形成狭窄环形间隙的挤出机螺杆通道的截面上，剪切应力分布相当均匀且狭窄(目前，流动区具有应力峰值)。沿挤出机长度，随着冰淇淋在挤出机通道内的停留时间增加以及由于冻结水含量增加而导致的物料粘度增加，机械能输入也会增加。在典型地应用剪切速率的方法/装置中，避免了由于太高的能量耗散和相应的摩擦热生成而造成的冰淇淋结构的局部破坏(EP 056118)。由于在高压均质化机内在液态下进行的冰混合处理，在含有脂肪的冰淇淋中存在脂肪球，所述脂肪球具有球直径为1微米或者小于1微米的非典型主要尺寸。在低温挤出加工中，这些脂肪球还会受到进一步的机械处理。对于脂肪球，这种处理会导致脂肪球表面从蛋白质/乳化剂膜剥离，并且挤出机内的强烈剪切作用也会导致部分脂肪球严重变形。因此，希望这样处理过的脂肪球具有更强的疏水作用。因此，气体/空气泡界面也存在更强的亲水力。处理过的脂肪球之间的进一步的相互作用导致形成脂肪球凝块。然而，在高粘度低温冰淇淋中，这些脂肪球的移动性很低，因此不会形成具有能感觉到(嘴巴)的尺寸的高度膨胀的脂肪球凝块。这避免了产生导致黄油样口感的结构。从感觉角度，较小的冰晶体和气体/空气泡以及经过机械处理但凝块不是很大的脂肪球，可导致产品具有更强的可感觉到的乳脂状。同时，其它的感觉特征也会受到冰淇淋的低温挤出的显著积极影响，例如融化特性、在口腔中的冷感以及挖出能力。由于冰淇淋分散成分的更好的分散性导致前述的乳脂状感增加，低温挤出可以在低得多的脂肪含量下产生与传统的冰淇淋加工可比拟的乳脂状。构造方面(挤出机螺杆) 为了产生均质的冰淇淋显微结构(1)，且同时达到低于大约-12℃的非常低的挤出机出口物料温度(2)(标准的香草冰淇淋)，在给定的转速下，对于相应的流动条件，挤出机螺杆的构造是至关重要的。EP 561118描述了用于连续冷冻冰淇淋的双螺杆挤出机，该挤出机的螺杆具有非常扁平的螺杆通道(通道高度H与通道宽度W之比大约为0.1，通道高度与螺杆外径之比大约为0.1)以及大约22-30°的螺旋角。EP 713650涉及一种也包括用于挤出冷冻产品的双螺杆挤出机的方法。仅通过挤出机长度与螺杆直径之比对螺杆特征进行了描述。EP 0808577描述了一种使用单螺杆挤出机的对比方法，该单螺杆挤出机具有与EP 713650给出的螺杆类似的构造原理。WO97/26800描述了用于制造冷冻可食用泡沫-例如冰淇淋-的方法和装置，其也使用了单螺杆挤出机。挤出机螺杆的几何形状的特征特性是比例螺杆长度与挤出机壳体内径之比在5和10之间，螺杆的上升高度与螺杆外径之比在1和2之间，螺杆外径与螺杆内径之比在1.1和1.4之间。挤出机螺杆只有一个螺杆螺纹。还存在公知的用于处理冰淇淋的低温挤出机(单螺杆挤出机和双螺杆挤出机)，所述挤出机具有2-6个螺杆螺纹，优选2-5个，并且螺旋角为28-45°，优选32-45°。总高度与总宽度之比优选小于0.2，但大于0.1。螺杆通道长度与螺杆内径之比为2-10，优选2-4。这导致相当短的挤出机。在低温挤出系统中连续冷冻冰淇淋的基本困难涉及机械处理与通过持续冷冻而导致的同时凝固的结合。后者使得产生与粘度成正比的能量耗散的粘滞摩擦增加，从而导致除了传递由冷冻加工释放出的结晶热外，还需要传递所述耗散热。由于充气冰淇淋物料的相当低的热传导率以及在冰淇淋的低温挤出层流中的可获得的热传递系数k，这种耦合热传递受到限制。热量必须从流动的冰淇淋物料，通过粘附在筒内壁上的未混合的冰淇淋层，然本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于能量优化地且粘度适宜地形成冷冻充气物料例如冰淇淋的显微结构的低温挤出方法，其中，根据局部冷冻的充气物料的局部粘度，沿挤出机长度对物料沿螺杆通道分段机械处理，使得在随后的每个区段内空气泡／空气胞继续分散、同时温度降低并且冻结水含量相应增加。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 2004-1-22 10 2004 003 448.61.一种用于能量优化地且粘度适宜地形成冷冻充气物料例如冰淇淋的显微结构的低温挤出方法，其中，根据局部冷冻的充气物料的局部粘度，沿挤出机长度对物料沿螺杆通道分段机械处理，使得在随后的每个区段内空气泡/空气胞继续分散、同时温度降低并且冻结水含量相应增加。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据分别用于持续分散空气泡/空气胞、同时降低温度或者提高冻结水含量的机械能输入，将挤出机分成区段，每个区段的特征长度是螺杆外径的1-10倍，优选是螺杆外径的1-2倍。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据分别用于持续分散空气泡/空气胞、同时降低温度或者提高冻结水含量的机械能输入，将挤出机分成区段，每个区段的特征长度是螺杆外径的1-10倍，优选是螺杆外径的1-2倍，并且这些区段沿挤出机具有恒定的长度。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据分别用于持续分散空气泡/空气胞、同时降低温度或者提高冻结水含量的机械能输入，将挤出机分成区段，每个区段的特征长度是螺杆外径的1-10倍，优选是螺杆外径的1-2倍，并且区段的特征长度适于物料粘度的局部变化。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，改变加工参数螺杆转速(1)、通过安装在挤出机入口处的正排量泵调整的物料流速(2)、以及通过所使用的制冷剂的蒸发压力调整的挤出机壳体内壁处的冷却温度(3)；对于给定的挤出机螺杆几何形状，调整上述参数使得对于传统的标准香草冰淇淋，在从挤出机入口测量的挤出机长度的第一个50-75％-优选在所述长度的50-65％-内，物料温度≤-11℃，或者更一般地，冻结水含量是可冷冻水总的大约≥60％。6.根据权利要求1-5所述的方法，其特征在于，通过改变螺杆通道高度，来根据挤出机相关区域的物料粘度调整物料机械处理。7.根据权利要求1-5所述的方法，其特征在于，通过改变螺杆的数量，来根据挤出机相关区域的物料粘度调整物料机械处理。8.根据权利要求1-5所述的方法，其特征在于，通过改变螺旋角，来根据挤出机相关区域的物料粘度调整物料机械处理。9.根据权利要求1-5所述的方法，其特征在于，通过改变螺杆螺纹上的切口的宽度，来根据挤出机相关区域的物料粘度调整物料机械处理。10.根据权利要求1-5所述的方法，其特征在于，通过调整固定在挤出机筒内壁上的销使之与螺杆螺纹上的切口相啮合，来根据挤出机相关区域的物料粘度调整物料机械处理。11.根据权利要求1-5所述的方法，其特征在于，通过使螺杆螺纹外径与挤出机壳体内径之间的泄漏间隙宽度降至最小，优化了向与挤出机壳体外壁接触的蒸发制冷剂的热传递，从而沿挤出机长度温度降低量增加并且冻结水含量增加。12.根据权利要求1-5所述的方法，其特征在于，通过在螺杆螺纹的外前端产生一种使没被螺杆螺纹擦掉的冷冻材料壁层厚度减小到小于泄漏间隙宽度的流动模式，优化了向与挤出机壳体外壁接触的蒸发制冷剂的热传递，从而沿挤出机长度物料温度降低、冷冻物料含量相应增加并且显微结构的分散增强。13.根据权利要求1-5所述的方法，其特征在于，通过调整向筒内壁倾斜或用限定好的半径倒圆的螺杆螺纹前边缘的外轮廓，在螺杆螺纹的外前端产生一种使没被螺杆螺纹擦掉的冷冻材料壁层厚度减小到小于泄漏间隙宽度的流动模式，优化了向与挤出机壳体外壁接触的蒸发制冷剂的热传递，从而沿挤出机长度物料温度逐渐降低、冷冻物料含量逐渐增加并且显微结构的分散增强。14.一种用于根据权利要求1或随后的任一权利要求在能量优化地且粘度适宜地形成显微结构的条件下低温挤出冷冻充气物料...

【专利技术属性】
技术研发人员：EJ温德哈贝，J维尔德莫泽，
申请(专利权)人：雀巢技术公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]