粉粒体状强化食品生产的技术问题

粉粒体状强化食品生产的技术问题

1调味剂与食物的相互作用粉粒体混合处理广泛应用于食品和制药行业，是这些行业的重要运营单元。所谓粉粒体混合,就是把两种或两种以上不同成分组成的粉粒体,依靠外加的适当操作,尽量使各成分的浓度分布达到均匀化的一种操作。当代食品工业生产了众多包含粉粒状构造的食品,诸如面粉、奶粉、咖啡、调味料等,大多是由不同的原料与辅料所组成,有些成分如蛋白质、糖、盐是大量的,有些成分如防腐剂、维生素、矿物质则是少量的,出于营养、安全、口味等方面考虑,这些成分大都需要均匀混合。目前在我国可用于食物强化的营养强化剂有100余种,应用范围包括了如面粉、米粉、奶粉、肉松等为载体的粉体状食品及其他形态的食品。在实际加工过程中,按照相关食物强化的标准,将不同营养强化剂按比例并配一定辅料制成预混料,再将预混料按照一定剂量加入食物载体制成强化食品。其中一些微量营养素,在每千克食物载体中的添加量往往只有几毫克至几十毫克,因此,营养素强化剂在食物载体中的均匀分布就成为强化食品的重要质量指标,也是强化食品的重要技术基础。由于预混料中的不同营养素单体颗粒制造工艺不同,因而具有不同的颗粒物性,所以粉粒体状强化食品的生产是一个基于多种不同物性颗粒粉体混合的复杂过程。因此,明晰粉粒体混合的基本原理及易造成粉粒体混合物分级的主要原因,能为进一步探索适当的粉粒体状强化食品生产技术奠定理论基础。本文综述了粉粒体的混合机理,对造成粉粒体混合物分级的主要原因进行分析,并对粉粒体状强化食品营养素分布不均匀的可能原因进行综述分析。2粉粒体混合机理尽管粉体混合技术在食品工业及其它工业中应用已很广泛且由来已久,但对混合过程中粉体颗粒的运动及混合机理的认识和研究却是近代才开始的。粉体具有宏观上的的连续性和微观上的离散型,所以粉体的混合机理涉及到流体力学、工程学、物理学等诸多学科。很多文献都对粉粒体混合机理做过研究与报道,目前普遍比较认可的理论是Lacey划分的三类混合机理:对流混合:在搅拌混合操作中,相当量的粉粒体,分批放入容器中进行混合,由于搅拌容器本身或搅拌叶片的回转,使颗粒粉体移动较大的位置,在混合机内形成循环流,这种混合叫对流混合。这种机理对于混合物全体来说,能使之进行较大的宏观混合。剪切混合:在粉粒体中,由于物料群体中的粒子相互间形成剪切面的滑移和冲撞作用,引起局部混合,称为剪切混合。剪切混合属于准微观混合。扩散混合:相互接近的颗粒当相互交换位置时或新形成的表面扩散时产生的局部混合叫做扩散混合。实际上是由于颗粒的形状、充填状态、流动方向上很小的速度差以及回转颗粒不规则运动产生的。这种混合比对流混合和剪切混合的速度明显小,但是在组成的均化上是不可或缺的微观混合作用。图1以搅拌式混合来说明三种混合机理在粉体混合过程中的相互作用。实际的混合过程往往是这三种作用混合机制共同作用的结果,图2反映了混合过程的三个阶段。第一阶段是混合开始后的一段时间内,混合度(成分标准偏差σ)在短时间内下降迅速,表明这一阶段主要受对流混合机理的支配。第二阶段,即所谓对流与剪切共同作用阶段,这一阶段,除对流混合机理外,由剪切引起的混合机理也在起作用,此阶段混合速度有所减慢。最后的阶段是扩散混合阶段,由粒子的交换位置达到各成分的互相渗透,使得混合与分离双重作用达到了动态的平衡。3食品粉体流动性的其他指标粉粒体混合物在不同混合器中经由上述三种混合机理不同程度的影响发生混合作用,以两相粉粒体混合物为例,混合物中粉粒体的混合状态大体如图3所示,图3(a)是混合前的状态。图3(d)中两种粒子达到了整齐交叉排列的程度,是理论上的完全混合状态,在实际情况中是不存在的。图3(c)是实际生产中期望的比较理想的混合状态,即随机混合状态,这种实际混合操作中所能达到的完全混合状态是属于统计学上的一种平衡状态,也就是说某成分颗粒的出现概率在任何一点都相等的混合物。然而,由于不同粉粒体间物性的差别,实际操作中的真实混合状态常常如图3(b)所示。造成粉粒体食品中不同成分混合不均匀的原因有很多,最主要原因是由于混合物中不同种类颗粒在混合操作过程中体现了不同的粉体流动性,因此,可以认为不同粉体颗粒流动性上的差异是制约混合操作过程中混合均匀度提高的决定性因素。粉粒体颗粒的流动性主要是由其物理性质所决定,目前已知的可表征粉粒体流动性差异的指标主要是粉体休止角、抹刀角、内摩擦角、堆密度、振实密度等。Carr结合大量实践经验,将粉体休止角、压缩度、抹刀角、凝集度作为衡量粉体流动性的最重要的4个物性指标,即目前普遍用于表征粉体流动性的Carr指数,Carr指数满分为100,得分越高表明该粉体流动性越好,一般累计得分低于60的粉体流动性较差。此外,常见的可用于表征粉体流动性的指数还有Johanson指数与Hausnerratio指数。食品粉体休止角等物性指标的差异主要是由于组成粉体的颗粒个体在颗粒粒径、颗粒形状、颗粒密度及颗粒水分含量等因素上的差异造成的。笔者结合相关文献对颗粒个体的物性差异导致粉粒体混合物混合不均匀甚至分级的主要原因进行分析。颗粒粒径:较小的颗粒会有相对较大的比表面积,随着比表面积的增加,颗粒的表面活性会导致固体颗粒粘结趋势的增加,即颗粒的黏着性与附着性的增加,进而会显著影响粉体的流动性。Plinke认为随着颗粒粒径的减小,颗粒间的内部作用力如范德华力、静电力、空气阻滞力、毛细管作用力等将取代颗粒自身重力成为主导颗粒机械运动的主要作用力。因此,颗粒的流动性大体上与粒径呈正相关,所以如果组成粉粒体混合物的颗粒个体间有较大的粒径差异时,在混合过程中就会表现出不同的运动特性,进而导致混合不均匀甚至分级现象的出现。Williams认为当颗粒的绝对粒径小于500μm时,主导其运动的主要作用力即为颗粒间内部作用力。Castellanos认为当颗粒粒径小于10目时,颗粒间的内部黏附作用力即与颗粒所受重力处于同一数量级。Carson认为,当组成混合物的不同颗粒粒径之比控制在1.3∶1以内时,会获得比较好的粉粒体混合效果。颗粒形状:颗粒形状一般可分为规则的与不规则的,一般认为具有规则形状的圆球形颗粒具有比较好的流动性,而不规则形状的颗粒流动性较差。Teunou的解释是不规则形状颗粒间会有较多接触位点,从而增加了颗粒间相互作用力,进而影响粉体的内部作用力,较强的粉体内部作用力会降低粉体的流动性。Mittal的解释是不规则形状的颗粒比较容易嵌入粉体内部的空隙中,从而使得不规则颗粒构成的粉体具有较差的流动性。颗粒密度:若混合物中不同种类颗粒粒径和形状相似,密度较大的颗粒个体常受到较大的重力作用,正因为如此,在混合过程中,密度较大的颗粒倾向于沉于混合物底层,而密度较小的颗粒则倾向于浮于混合物上层。这种趋势会导致粉体混合物难以混合均匀。水分含量:预混料中的营养强化剂单体颗粒及食物载体颗粒都含有一定程度的水分,特别是粉体颗粒的表面水分,会在颗粒间形成液桥结构,该结构会在一定程度上影响颗粒间的黏着力及颗粒与混合容器壁间的附着力,水分含量的多少则会直接决定黏着力与附着力的大小,进而影响粉体的流动性。若表面水分较多,较易形成大的团聚体,影响粉体流动性。反之,若水分含量太少,粉体颗粒在混合过程中可能由于摩擦会使颗粒表面产生电荷,由此产生的静电作用也会影响粉体流动性。因此,适当的水分含量对于保证粉体的流动性很重要。但水分含量对于流动性的影响比较复杂,它的作用效果会受到粉体颗粒的材料特性、颗粒粒径及颗粒形状等因素的综合影响。Doelker在对微晶纤维素的流动性进行测定时发现,当水分含量超过5%时,其流动性会有较明显的下降。Heng在分别对AvicelPH101和Emcocel这两种等级的微晶纤维素进行研究时发现,在水分含量小于30%时,Avicel颗粒间表现了更强的附着力,而在水分含量大于30%甚至更高时,两种等级的颗粒间则有相近的附着力。Kaye发现1μm的碳酸钙粉末比15μm的碳酸钙粉末体现了更好的流动性,其可能的原因是较小的颗粒表面吸附了较多环境水分子,形成了球形团聚体,增加了流动性。在上述易造成粉体混合不均匀的食品颗粒主要物性指标中,目前普遍认为,在水分含量一定的情况下,颗粒粒径的区别是最主要的影响因素,这可能是因为在粉粒体混合物中,颗粒个体在粒径这一指标间的差异可能会达到几百倍甚至上千倍,此差异倍数远远大于颗粒个体在形状、密度等其它指标上的差异。正是由于上述易影响粉粒体混合均匀度的因素的存在,才使得粉粒体状强化食品在生产过程中可能会出现微量营养素在食物载体中分布不均匀的情况,从而影响粉粒体状强化食品的产品质量与营养干预效果。4颗粒个体的影响粉粒体的混合是涉及到物理学、工程