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文档简介

1、奶茶中粉包结块的预防和处理摘要奶茶粉是一种广受欢迎的健康速溶粉体食品。该产品由于其组分的特殊性,在一定条件下容易变粘结块。这不仅严重影响其加工和贮藏,而且破坏了口感和品质。而粉体物料的结块问题是一个粉体力学至今尚未完全解决的难题。传统的液桥和晶桥理论都无法准确解释非晶态粉体的一个结块特征,即露点温度以上,这些粉体结块倾向也随着随着温度的升高而增强。奶茶粉作为一种含有非晶态组分的食品粉体,其结块现象必须通过基于非晶态高聚物玻璃化转变的结块机理来解释。关键词:非晶态粉体;奶茶粉;玻玻化转变;流动性AbstractMilk powder is a kind of healthy instant po

2、wder food popular. The product due to the particularity of the group, easy to change the caking under certain conditions. It not only affects the processing and storage, but also the taste and quality. The agglomeration of powder materials is a difficult problem that has not been solved yet. Traditi

3、onal liquid bridge and bridge theory are unable to explain accurately the amorphous powders of a caking characteristics, namely temperature above the dew point, the powder caking tendency with increased with the increase of temperature. Milk powder as a component of food containing amorphous powder,

4、 the caking phenomenon must be explained by the caking mechanism transformation of amorphous polymer glass based.Key words: amorphous powder; milk powder; glass glass transition; liquidity1.食品粉体的结块机理和研究方法1.1食品粉体的结块机理 关于粉体物料的时效固结及结块,是一个粉体力学至今尚未完全解决的难题。粉体结块的机理,目前有晶桥和液桥两种说法。粉体表面的溶解,由于温度降低,溶解度下降,饱和析出形成晶

5、桥:或当温度降至露点以下时,冷凝蒸汽在粉体表面形成溶液,在毛细管作用下,溶液不断“稠化”和固化,最后形成固桥。然而,用这些说法都无法解释的一个事实是,对于有些粉体,在高于露点温度时,温度越高却越容易形成结块。曾经对一些食品高分子种蛋白质和5种多糖)物理化学性能功能进行了实验研究,得出类似结论,即随着环境温度的升高,结块倾向增大,而且含水量似乎对结块具有“特殊增速”作用。这说明在传统的两种结块机理之外,还一定存在其他机理解释。 粉体分为晶态和非晶态两大类,两者的结块机理是不同的。前者使用现有的晶桥和液桥的“硬结块”机理,就可以得到很好的描述;而后者必须应用玻璃化转变理论来作进一步研究。晶态粉体的

6、结块与粉体的表面过程(吸附、固化)有关,因而强烈地依靠于表面状态(表面稽核及表面物理、化学性能等);而非品态粉体的结块主要与粉体的二级热力学转变有关,因而更主要地取决于粉体的热性能(微观表现为分子的热运动),会更主要地于取决粉体的整体性能,而不完全是表面性能,即不会过分地依赖粉体的形状与粒径。当非晶态粉体的系统温度高于玻璃化转变温度,即(T-Tg)>0非晶态粉体发生玻璃化转变,颗粒模量减小变粘,致使非晶态粉体颗粒之间互相粘连,形成结块。而水份、分子量、分子结构等因素由于其对玻璃化转变温度的固有影响,而成为非晶态粉体结块的重要影响因素。1.2食品粉体结块的测定方法及进展由于在加工、贮藏、处

7、理各个方面的重要影响,粉体颗粒之间互相粘结现象几十年来一直为食品行业的专家们所关注。迄今为止,已经产生了许多种粉体结块程度和结块特征的测定方法。 (1)扭矩测定法叶轮驱动法是最古老的一种研究粉体粘结情况的实验方法。1956年,Lazar为了测定喷雾干燥番茄粉的粘化点(非晶态粉体略高于Tg的一个温度点)首次使用了这种方法。在试管中放入已知湿含量的粉体,将小叶轮置于粉体中,并逐渐提高粉体温度。当粉体体系温度超过粘化点时,粉体表面的模量下降,粉体变粘、粘结,致使维持叶轮转动所需的扭矩增大,则记录该温度为粉体粘化点。该方法在温度升高情况下,样品会有水份损失,而且叶轮为人力驱动,测试过程不客观,试验结果

8、不准确。根据测定到食品粉体粘化温度点的湿度和温度对应情况,可以绘制出粘化曲线。曲线之上为粉体的易结块区域,曲线之下为粉体的自由流动区。 (2)气流测定方法应用气流对粉体结块、粘性的测定方法,粉体所处测试环境与工业生产环境最为接近。吹气测定法是一种简便有效的粉体结块特征测定方法。Paterson等人曾经用这种方法进行了一些乳糖流动性和结块特性的实验研究。实验将40mm长1.3mm内径的喷嘴以45度角度悬停在2mm高处,吹动相应温度和相对湿度下处理一定时间的乳粉,当粉体表面出现痕迹时停止,并从摄像头的纪录中观察流量计出现过的最大流量。根据实际测量结果,Paterson对粉体的结块特征进行了定量描述

9、。实验结果表示在(T-Tg)超过10时乳糖才出现较大结块现象,而在(T-Tg)较低时,结块程度也很低。旋风粘度测试法是另一种应用气流测定结块的实验方法。等人使用这种方法表征了乳清粉的粘结程度。加湿箱组成的湿气生成系统,硅藻土颗粒填充柱和次级空气加热气组成的排湿系统,和旋风测试机三部分组成了这套设备。实验过程主要由设备参数调整和测定过程两步构成。参数调整时先预热系统,至温度稳定,并根据需求的相对湿度,将干空气和湿空气的流量调整到相对应的比例和数值。然后启动旋风测试机,平衡其中的温度和湿度。测试时将粉体样品迅速加入旋风测试机。在机器中的旋转气流作用下,粉体颗粒在测试机底部不停旋转。如果粉体在该温度

10、和湿度下足够粘,则在一内会互相粘结或者粘在测试机内壁上。经过足够长时间,所有粉体颗粒都会停止运动。实验时也可以不断调整干湿空气的比例,使测试机内的相对湿度由低到高缓慢上升,并观察粉体粘结情况的变化。 (3)其他测定方法Jenike于1964年提出了一种定量估计粉体时效固结的实验测定方法,利用剪切盒对盒内粉体进行粉体剪切力的测定实验。该方法如今应用已经相当广泛。安瓶法是最简单的检测粉体粘性的方法。这种方法测试粉体粘结程度随着温度和湿度的变化情况。将粉体预先处理到适当的湿含量后,放置于安瓶瓶中。然后用水浴或者油浴对其进行加热。每次升温5.5后维持45分钟,直到粉体崩溃,记录该温度。 Chuy和La

11、buza曾经应用这种技术测定婴儿乳品的“表面结块温度”。“表面结块温度”定义为乳品粉体结构崩溃时的环境温度。他们在2m1的玻璃安瓶瓶内放入1g乳品粉体样品,置于油浴中加热升温。每升温5并稳定后,将安瓶在坚硬质地平面上剧烈膨胀震动,如果粉体散开则继续升温,如果维持原状态无法分散,则记录该温度为表面结块温度。实验发现升温速率较低时,表面结块温度一般较低。这可能与升温时水分蒸发速度有关。实验还发现随着粉体水活度的增加,表面结块温度降低。实验能够得到一些有意义的结论,但是这种方法为人为操作,不同研究者之间的实验操作差别很大,没有可比性。2奶茶粉结块特性的实验研究2. 1引言脱脂速溶乳粉是一种流行的健康

12、食品,其中的重要成分乳糖(奶茶粉中的乳糖质量百分含量在50%左右)在一定的温度和相对湿度作用下,会发生玻璃化转变,导致粉体颗粒互相粘结成块,严重影响该产品加工和贮藏。乳粉的结块特性也应该能够体现软结块的特征。本章在乳糖结块规律基础上,使用正交偏光分析方法观察奶茶粉的结块特点,并采用旋转粘度计以及吹气、针刺和剪切等几种力学方法对奶茶粉和混合添加剂的奶茶粉的结块力学特性进行测定。实验确定四种行之有效的食品结块程度测定方法,总结奶茶粉的结块趋势和特点,应用非晶态粉体玻璃化转变理论分析实验数据,确定奶茶粉结块的影响因素和结块特征,得到大分子量和有包结作用的添加剂可以改善奶茶粉流动性的结论。2. 2奶茶

13、粉及含有添加剂奶茶粉结块行为的形态学分析和正交偏光分析2. 2. 1实验物料、原理、设备和方法 (1)实验原理固体物质的聚集状态有非晶态(无定形态)和晶态两种形式,它们分别处几取向态和非取向态,光学性质有很大差异。当一条天然光线在两种各向同性的介质的分界面上折射时,折射光线只有一条;当光线折入各向异性的介质时即分裂成两条光线,即寻常光线。和非常光线。两条光线沿着两个不同的方向折射,这种现象被成双折射。当物质的聚集状态为晶体,则其对光各向异性,会发生双折射现象,可以利用具有偏振片的光学显微镜对其进行观察和研究。在一般的光学显微镜(如生物显微镜)下,我们可以观察粉体颗粒的外观、大小和分布等。而在偏

14、光显微镜下进行观察,还可以因其聚集状态和晶型的不同而观察到一些特殊的图像。针对这些图像进行分析,不仅可以判断粉体聚集状态和程度,还可以分析其晶型和结构。 (2)实验物料奶茶粉 (3)实验设备 实验所选用显微镜为上海光学仪器进出口有限公司生产的XSP-l OCA型生物光学显微镜。该设备可配备三个目镜、四个物镜,有移动标尺工作台、电源光、四孔转换器,能够安装起偏镜和检偏镜,最大放大倍数1600倍。其目镜处可配合尼康数码相机拍摄图片。 (4)实验方法 通过光学显微镜观察普通光学图像及偏光图象的一般步骤如下: 确定起偏镜或检偏镜的振动方向:将起偏镜自显微镜上取下,通过此起偏镜以比较大的倾斜角观察任何一

15、个光亮的反射表面,转动起偏镜致一个最黑暗位置,即可确定起偏镜振动方向与水平方向垂直; 使起偏镜与检偏镜正交:安装检偏镜,并转动起偏镜观察到视野为最黑暗位置时即正交位置; 校正仪器中心; 取出检偏镜,按照生物显微镜的用法对载玻片上的粉体进行观察和拍摄; 在检偏镜正交的情况下,对载玻片上粉体进行观察和拍摄(非晶态粉体会呈现黑暗的视野,而晶态物质由于其折光的性质而出现亮点); 本节的实验,分别对三种粉体样品放大100倍进行了普通观察和偏光分析。它们分别为:新鲜奶茶粉、相对湿度6096 ,温度60下放置4. 5小时后的奶茶粉和同样条件下放置4. 5小时的黄原胶含量10%的奶茶粉。2. 2. 2观察结果

16、与讨论 放大100倍后看到的新鲜奶茶粉,是很多细碎的小颗粒。奶茶粉分散性良好。在正交偏光显微镜下,虽然视场黑暗,但可以看到星星点点的亮光。视场黑暗是由于粉体物质多呈现非晶态,而亮光来自由晶态物质的折光现象。偏光图像说明新鲜奶茶粉中既存在晶态组分的物质,也同时存在非晶态组分的物质,其中非晶态物质占很大比例。 按照前一章的结块数据,在60%相对湿度和60下放置4.5小时的的乳糖粉体应该出现强烈的结块现象。放置于同样条件下4.5小时的奶茶粉样品在光镜中几乎无法看到细碎颗粒,粉体颗粒均聚结成团,结块程度远高于新鲜奶茶粉。这说明该条件下奶茶粉由于含有大量乳糖,很容易粘结成块。 对的分析中已经判断新鲜奶茶

17、粉中含有一定量的晶态组分。因此奶茶粉的结块过程应该是部分按照液桥机理进行的,偏光显微镜下应该有明亮部分。但实际上,偏光镜下观察到的视野相当暗,乳粉粉体结块后在偏光显微镜下表现为非晶态。这可能是因为晶态组分的结块行为远没有非晶态组分的结块行为强烈。结块过程中晶态物质被乳糖等非晶态物质的结块所掩盖。奶茶粉的结块行为,绝大部分是按照非晶态物质的结块机理进行的。 添加剂黄原胶是一种分子量很大的高分子食品添加剂将对此物质作更为详尽的分析和介绍)。按照玻璃化转变理论中对Tg影响因素的描述,在物系的平均分子量及共混过程作用下,添加黄原胶可以提高体系的玻璃化转变温度,从而减少、非晶态粉体的结块推动力(T-Tg

18、),进而抑制非晶态组分的玻璃化转变,减弱粉体结块程度。添加黄原胶之后的奶茶粉,虽然与新鲜奶茶粉一样在60 0C、相对湿度60%的环境下下放置了4.5小时,可是从光镜中可以看到脱脂粉体聚集程度明显要低一些。 偏光显微镜下可以看到,粉体颗粒的很多位置出现了明显的折光现象,其晶态组分显现。这是由于黄原胶的添加抑制了非晶体组分的玻璃化转变,非晶态结块出现没有单纯的奶茶粉中那样强烈,故而晶态组分结块现象部分显现了出来。由此可见,黄原胶确实可以起到抑制非晶态组分的软结块的特殊作用。 通过对结块前后的奶茶粉以及混合黄原胶添加剂的奶茶粉的形态和偏光分析可以得到以下结论: (1)奶茶粉的组分中有很大一部分为非晶

19、态组分: (2)奶茶粉颗粒在一定的温度、相对湿度和时间的作用下,会聚结成块; (3)奶茶粉的结块过程中,玻璃化转变控制的非晶态组分的“软结块”机理起到了很重要的作用; (4)黄原胶一类的大分子量添加剂一黄原胶对奶茶粉的结块有抑制作用。结论论文针对非晶态食品粉体结块问题,选定奶茶粉这种常见的健康粉体食品为主要研究对象,在对奶茶粉中的重要非晶态组分乳糖的结块特性进行理论分析和实验研究基础上,使用多种实验手段和方案,对其结块特性进行了全面的研究。此外,在实验数据和玻璃化转变理论指导下找到添加剂预防奶茶粉粉体结块的方案,并用计算机模拟分析了一些玻璃化转变现象。 文章可以得出以下结论: (1)基于高聚物

20、玻璃态理论的非晶态粉体结块机理是正确的。该理论可以用来分析和解决食品粉体的结块问题。奶茶粉作为一种乳糖含量高达50%非晶态食品粉体,其结块特性与非晶态乳糖的结块特性密切相关,其结块机理主要体现为基于非晶态高聚物玻璃化转变理论的非晶态粉体“软结块”机理。 (2)研究过程中建立的吹气测定法、剪切力测定法以及针刺力测定法等测量食品粉体结块和流动性实验的装置操作简便、造价低廉、节省物料、数据可靠,可广泛应用于其它食品粉体结块特性的实验研究。 (3)在温度20 60、相对湿度30%,70%范围内,奶茶粉的结块程度随着温度、相对湿度和时间三个因素作用的增大而增大。这些因素中相对湿度对奶茶粉结块的影响最大,

21、温度也有很大影响,在几个小时的时间尺度内,时间的作用在后期往往不十分明显。奶茶粉的结块现象可以通过降低环境温度和相对湿度等贮藏条件来预防。(4)黄原胶由于其分子量巨大,混合在奶茶粉中可以提高体系玻璃化转变温度,抑制物系的玻璃化转变,起到一定的抑制结块作用。p一环糊精由于结构特殊,具有包埋作用,可以控制粉体物系与水分等小分子物质接触,在一定时间内维持体系的玻璃化转变温度,抑制玻璃化转变,提高奶茶粉的流动性。两种添加剂虽然作用方式不同,但是在作用机理上有其共同点:两者通过抑制非晶态粉体的玻璃化转变来达到控制结块的效果。两种添加剂抑制结块作用各有特色,互不影响,应该搭配使用来降低成本。(5)应用Mo

22、nte Carlo算法直接模拟高分子体系,可以对发展中的玻璃化转变理论进行分析和研究。 本课题得到的结论虽然多基于奶茶粉,但由于其结块机理相同,也可以用于指导其它非晶态粉体食品的加工和贮藏。文中涉及的实验方案对于其它粉体食品的结块特性研究有一定指导意义。参考文献1 Williams, M. L.,Landel, R. F.&Ferry, R. D. The temperature dependence of relaxation mechanisms in amorphous polymers and other glass-forming liquids J.Journal of t

23、he American Chemical Society, 1955.77(14):3701一3707.2 Gordon, M.,Taylor, J. S. None-crystalline copolymers J.Journal of Applied Chemistry, 1952.2:493-500.3 Aguilera, J. M.,Levi, G.,Karel, M. Effect of water content of the glasstransition and caking of fish protein hydrolyzates J.Biotechnol,1993. 9:6

24、51-654.4 Katz E. E.,Labuza T. P. Effect of water activity on sensory crispness and mechanical deformation of food products J.Food Sci,1981. 46:403-409.5王振字.淀粉的玻璃化转变及其对食品品质的影响.粮食与饲料I:业,2000. 1:40-42.6 Levi, G.,Karel, M. Volumetric shrinkage (collapse) in freeze-dried carbohydrates above their glass t

25、ransition temperature J.Food Res Int,1995. 28:145-151.7 Roos, Y.,Karel, M. Crystallization of amorphous lactose J.Food Sci,1992. 57:775-777.8 Karmas, E, Buera, M. P.,Karel, M. Effect of glass transition on rates of nonenzymatic browning in food systems J.Agric Food Chem, 1992.40:873-879,9林珊丽,张水华,张海德,宋秀光.玻璃化转变对食品加几和品质的影响.)一西轻l_业,2001. 2:19-23.10李文洪,李文农,于金波,蔡德明.剥皮制粉二艺中小麦结块、结拱问题J.中国粮油学报,1996. 11

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