第一章-食品超微粉碎技术.ppt

1、第一章 食品超微粉碎技术,张 怡,主要内容,前 言,一、粉碎技术在食品工业中的意义、目的 1、生活的需要 面粉、调味品、咖啡 2、减小体积、增加表面积、加快干燥速度 果蔬干燥、玉米湿加工 3、满足某些功能性食品生产的需要 硒 4、控制多种物料有相近的粒度，防止各种粉料混合后再产生自动分级的离析现象 调味粉、代乳粉。 5、进行选择性粉碎，使原料颗粒内的成分进行分离 玉米脱胚、小麦制粉,二、基本概念 粉碎： 是用机械力的方法来克服固体物料内部凝聚力，使之破碎的单元操作。 破碎：将大块物料分裂成小块物料 粉碎 磨碎或研磨：将小块物料分裂成细粉的操作 粒度：物料颗粒的大小 粉碎度（粉碎比）：粉碎前后的

2、粒度比,（4）目数：物理上定义为物料的粒度或粗细度，一般定义是指筛网在1英寸线段内的孔数即定义为目数。,筛孔网目数与粒径关系换算表,筛孔网目数与粒径关系换算表,三、食品粉碎的方式 物料粉碎时所受到的作用力：挤压力、冲击力和剪切力(摩擦力) 。根据施力种类与方式的不同。物料粉碎的基本方法包括挤压、弯曲折断、剪切、撞击和研磨等形式。,四、粉碎原则 （1）对被粉碎物料只需粉碎到需要的或适于下一工序加工的粉碎比，到达此程度后，应立即使物料离开粉碎机，避免过度粉碎。 （2）在粉碎操作的前后都要过筛，凡能通过所需大小筛孔的物料，就不使它再经过粉碎机粉碎，以免引起过度粉碎，降低粉碎机的生产能力。 （3）当所

3、需粉碎比较大时，应分成几个步骤进行粉碎，实验证明当粉碎比在4左右时，操作效率最高。 （4）粉碎操作过程尽可能单一，不应添加其他操作。,五、干法粉碎的方法 （1）开路粉碎 无振动筛等附属分粒设备，最简单。物料加入粉碎机中经过粉碎作用区后即作为产品卸出，粗粒不作再循环。由于有的粗粒很快通过粉碎机，而有的细粒在机内停留时间很长，故产品的粒度分布很宽。 （2）自由粉碎 粉碎过程中已达到粉碎粒度要求的粉末能及时排出，而不影响粗粒的继续粉碎的操作。 自由粉碎法中，物料在作用区的停留时间很短，当与开路粉碎结合时，让物料借重力落入作用区，限制了细粒不必要的粉碎，因而减少了过细粉末的形成。此法在动力消耗方面较经

4、济，但由于有些大颗粒迅速通过粉碎区，导致粉碎物的粒度分布较宽。,（3）滞塞进料粉碎 在粉碎机出口处插入筛网，以限制物料的卸出。对于给定的进料速率，物料滞塞于粉碎区直至粉碎成能通过筛孔的大小为止。因为停留时间可能过长，使得细粒受到过度粉碎，且功率消耗大。 （4）闭路粉碎 从粉碎机出来的物料流先经分粒系统，分出过粗的料粒后重新回入粉碎机。在这种情况下，粉碎机的工作只是针对颗粒较大的，物料的停留时间短，所以动力消耗可以降低。 分粒方法根据送料的形式而定，如采用重力法加料或机械螺旋送料时常用振动筛作为分粒设备，当用水力或气力输送时则常用 旋风分离器。,第一节 干法超微粉碎和微粉碎 一、超微粉碎技术 一

5、般是指将物料颗粒粉碎至粒径在30m以下的粉碎技术。 超微粉碎技术通常又可分为微米级（1100m）、亚微米级粉碎（0.11m）、纳米级粉碎（0.0010.1m，即1100nm），在天然动植物资源开发中应用的超微粉碎技术一般达到微米级粉碎。,二、气流式超微粉碎 1. 基本原理：利用空气、蒸汽或其他气体通过一定压力的喷嘴喷射产生高度的湍流和能量转换流，物料颗粒在这高能气流的作用下悬浮输送着，相互之间产生剧烈冲击、碰撞和摩擦作用，加上高速喷射气流对颗粒的剪切冲击作用，使得物料颗粒间得到充分的研磨而粉碎成超微粒子，同时进行均匀混合。,2.气流式超微粉碎的特点,（1）粉碎比大，粉碎颗粒成品的平均粒径在5u

6、m以下； （2）粉碎设备结构紧凑、磨损小且维修容易，但动力消耗大； （3）在粉碎过程中设置一定的分级作用，粗粒由于受到离心力的作用不会混到细粒成品中，这保证了成品粒度的均匀一致；,（4）压缩空气（或过热蒸汽）膨胀时会吸收很多热量产生致冷作用造成较低的温度，所以对热敏性物料的超微粉碎有利； （5）易实现多单元的联合操作，例如可利用热压缩空气同时进行粉碎和干燥处理，在粉碎同时还能对两种配合比例相差很远的物料进行很好的混合，此外在粉碎的同时可喷入所需的包埋溶液对粉碎颗粒进行包囊处理； （6）易实现无菌操作，卫生条件良好。,3.气流式超微粉碎机的类型,（1）环形喷射式气流粉碎机 （2）圆盘式气流粉碎机

7、 （3）对喷式气流粉碎机 （4）超音速式气流粉碎机 （5）叶轮式气流粉碎机,环形喷射式气流粉碎机,对喷式气流粉碎机,三、分级设备,在食品加工中，为了保证产品的规格和质量；降低加工过程中原料的损耗率，提高原料的利用率，降低产品的成本；提高劳动生产效率，改善工作环境；促进生产的连续化和自动化。通常将经过粉碎的物料，要进行进一步的分级。,四、常用的食品分级设备,常用的食品分级设备,五、分级系统,在实际生产中通常将分级设备与空气压缩机、除水除油装置、收集器、除尘装置等连接为一个完整的分级系统。,分级系统,分级系统,分级系统,六、其他干法超微粉碎方法,高频振动式超微粉碎 转辊式超微粉碎 锤击式和盘击式微

8、粉碎,第二节 湿法超微粉碎,一、胶体磨 1.工作原理：工作构件由一个固定的磨体（定子）和一个高速旋转的磨体（转子）所组成，两磨体之间有一个可以调节的微小间隙。当物料通过这个间隙时，由于转子的高速旋转，使附着于转子上面的物料速度最大，而附着于定子面的物料速度为零。这样产生急剧的速度梯度，从而使物料受到强烈的剪切、摩擦和湍流骚扰，产生了超微粉碎作用。 ,2.胶体磨的特点,（1）可在极短的时间内实现对悬浮液中的固形物进行超微粉碎，同时兼有混合、搅拌、分散和乳化的作用，成品粒径可达1um； （2）效率和产量高，大约比球磨机和辊磨机的效率高出两倍以上； （3）可通过调节两磨体间隙（最小达1um以下）达到

9、控制成品粒径的目的； （4）结构简单，操作方便，占地面积小。但是由于定子和转子磨体间隙极小，因此加工精度较高。,卧式胶体磨结构,立式胶体磨结构,二、均质机,工作原理 均质机的工作部件是均质阀，与胶体磨相似，当高压物料在阀盘与阀座间流过时产生了急剧的速度梯度，速度以缝隙的中心为最大，而附于阀盘和阀座上的物料流速为零。由于急剧的速度梯度产生强烈的剪力，使液滴或颗粒发生变形和破裂以达到微粒化的目的。,在均质中，牛乳被强制通过一个窄缝，在此脂肪球破裂。,2. 均质机特点,均质机主要由均质阀和高压泵两部分组成，高压泵多采用三柱塞往复泵。 均质机适于处理粘度较低的制品（低于0.2Pas）,而胶体磨适用于处

10、理粘度较高的制品（大于1.0Pas）。 对粘度介于上述范围之间的物料两者均可使用，但均质机可得到更细的乳化分散性。,均质阀结构图,高压均质机,均质前后乳中脂肪球的变化,均质机,三、超声波乳化,超声波是频率大于16kHz的声波。当它遇到障碍时，会对障碍物起着迅速交替的压缩和膨胀作用。在膨胀的半个周期内物料受到张力，物料中存在的任何气泡将膨胀；而在压缩的半个周期内，此气泡将被压缩。当压力的变化很大而气泡又很小时，压缩的气泡就急速崩溃，对周围产生巨大的复杂应力，这种现象称为“空蚀”作用，可释出相当的能量。空蚀作用也可能发生在没有气体存在的物料中，但物料中存在溶解氧或气泡可促进这种现象的发生。,第三节

11、 粒度的分布与测定,一、粒度 粒度就是粉碎物颗粒大小的尺度。对球形颗粒来说粒度就是颗粒的直径。对于非球形颗粒来说，则,规 则 颗 粒,规则颗粒粒度的表征,不规则颗粒的粒度,三轴径：在一水平面上，将一颗粒以最大稳定度放置于每边与其相切的长方体中，用该长方体的长度l、宽度b、高度h定义的粒度平均值。 投影径：颗粒以最大稳定性置于一平面上，由此按其投影的大小定义的粒径 筛分径：当颗粒通过粗筛网并停留在细筛网上时，粗细筛孔的算术或几何平均值。 球当量直径：亦称球相当径。,球当量直径,体积直径dV：亦称等体积（球）相当径，是指与颗粒等相同体积的球的直径；,面积直径dS：亦称等表面积（球）相当径，是指与颗

12、粒等表面积的球的直径；,面积体积直径dSV：亦称等比表面积（球） 相当径，是指与颗粒等比表面积的球的直径；,Stokes直径dst：亦称为沉降速度相当径或牛顿径，指与颗粒具有相同密度且在同样介质中具有相同自由沉降速度（层流区）的直径；,投 影 径,Ferret 径,二、粒度分布的测定,粒度分布：指各种粒度的颗粒在总系统中所占的比例（可以是数量，也可以是质量），也即将粉体（颗粒群）以一定的粒度范围按大小顺序分为若干级（粒级），各级别粒子占颗粒群总量的百分数。,（一）筛析法 筛析法是利用机械力摇动样品使之通过一系列一级比一级小的筛，并称量每个筛上保留的样品重量。 用筛析法分析粉碎物粒度分布时，其运

13、动形式、筛分时间和载荷都应该标准化。筛分操作完成后，应检查各级的重量总和与取样量的差值，不应超过1%2%，否则需重新取样分析。 一般认为筛析法的分析下限是50um，用微目筛的话下限可以扩大到10um。,1、在筛析进行中，要避免或尽量减少微小颗粒的飞扬。2、过筛后，要检查筛孔中是否夹有颗粒，若夹有颗粒，应将颗粒轻轻刷下，放入该筛盘一并称量,套筛,筛析的优缺点,优点 统计量大, 代表性强 便宜 重量分布,缺点 下限50微米 人为因素影响大 重复性差 非规则形状粒子误差 速度慢,（二）沉降法,沉降法主要是指通过颗粒在液体中沉降速度来测量粒度分布，可用在1200um粒度范围内。沉降法又分为重力沉降和离

14、心沉降两种方法。 重力沉降法是在专用的重力沉降粒度测定仪上进行，当测得颗粒沉降至一定高度H所需的时间t后，就可计算出沉降速度，依据Stokes公式可求出颗粒直径d, 并得出粒度分布曲线。,自然重力状态下的dt的函数（Stokes）,离心力状态下的dt函数,颗粒在液体中的沉降状态示意图,优点 测量重量分布 代表性强 经典理论, 不 同 厂 家仪器结果对比性好 价格比激光衍射法便宜,缺点 对于小粒子测试速度慢, 重复性差 非球型粒子误差大 不适应于混合物料 动态范围比激光衍射法窄,沉降法方法的优缺点,（三）显微镜法,显微镜法是测定粒度分布最直观的方法，采用定向径方法测量。其分析下限由透镜的分辨能力

15、所决定。光学显微镜 0.25250m，电子显微镜0.0015m。,显微镜方法的优缺点,优点 可直接观察粒子形状 可直接观察粒子团聚 光学显微镜便宜,缺点 代表性差 重复性差 测量投影面积直径 速度慢,要求： 粒度范围宽的粉末10000以上 粒度范围窄的粉末1000 左右,（四）激光粒度测定法,测量原理：光在行进过程中，遇到粉体颗粒（障碍物）时，将偏离原来的传播方向继续传播，这种现象中叫光散射； 当颗粒尺寸愈小，散射角愈大，颗粒尺寸愈大，散射角愈小，即利用激光照射到不同大小的颗粒上时产生的散射光空间分布不同的原理进行测理。,全自动激光粒度分析仪,激光粒度测定法的优缺点,优点： 1.测量的动态范围

16、大，目前可以超过1：1000； 2.测量速度快，从进样至输出测试报告，只需1min； 3.重复性好，由于取样量多，对同一次取样进行超过100次的光电采样，故测量的重复精度很高，达1%以内； 4.操作方便，不受环境温度影响（相对于沉降仪）。,缺点： 1.分辨率较低，不宜测粒度分布过窄又需要定量测量其宽度的样品如磨料微粉。,粒度测定方法的选定主要依据以下一些方面： 1.颗粒物质的粒度范围； 2.方法本身的精度； 3.用于常规检验还是进行课题研究。用于常规检验应要求方法快速、可靠、设备经济、操作方便和对生产过程有一定的指导意义； 4.取样问题。如样品数量、取样方法、样品分散的难易程度，样品是否有代表

17、性等； 5.要求测量粒度分布还是仅仅测量平均粒度； 6.颗粒物质本身的性质以及颗粒物质的应用场合。,粒度测定方法的选定,第四节 超微粉碎或微粉碎的应用,1、食物资源的充分利用 小麦麸皮、燕麦皮、玉米皮、玉米胚芽渣、豆皮、米糠、甜菜渣和甘蔗渣等，含有丰富的维生素、微量元素等，具有很好的营养价值，但由于常规粉碎的纤维粒径大，影响食用的口感，从而使消费者难以接受。通过对纤维的微粒化，能明显改善纤维食品的口感和吸收性，从而使食物资源得到了充分的利用，而且丰富了食品的营养。果皮、果核经超微粉碎可以转变为食品。蔬菜在低温下磨成微粉膏，既保存了全部的营养成分，纤维质也因微细化而增加了水溶性，口感更佳。一些动

18、植物体的不可食部分如骨、壳（蛋壳）、甲、虾皮等、也可以通过超微化而成为易被人体吸收利用的钙源和甲壳素。,2、新型功能食品或添加剂,1)、膳食纤维食品。增加膳食纤维的摄入是提高人体健康的重要措施。借助现代微粉碎技术，使食物纤维微粒化，能明显改变纤维食品的口感和吸收性。 2)、补钙食品。动物骨、壳、甲、皮等，通过超微粉碎后得到的微粉属有机钙，比无机钙更容易被人体吸收、利用。当这些有机钙（包括珍珠粉）的粒径小于5m（微米）时，可用于某些缺钙食品如豆奶等的强化钙剂。 3)、甲壳素。蟹壳、虾皮、蛆、蛹的超微粉末可用作保鲜剂，持水剂、抗氧剂等，改性后还有其他许多功能特性。4）、水果、蔬菜微粉。各种干燥的水

19、果、蔬菜都可以利用超微粉碎技术制备成微粉。由于微粉的颗粒细度大多小于30m，可以方便的添加入各类面制品、肉制品及各类特殊营养制品中，达到增强营养，改善风味等作用。,3、改变传统工艺,改善食品的品质、提高原料（资源）的利用率、降低生产成本，超微粉碎可以使部分食品加工过程或工艺产生革命性变化。如速溶茶生产，已往的方法是通过萃取，先将茶叶中的有效成分提取出来，然后浓缩、干燥制得粉状的速溶茶。现在采用超微粉碎仅需一步工序便得到粉茶产品，既大大简化了生产工艺，又大大降低生产成本。 豆粉的生产，过去的工艺是先将大豆浸泡，然后破碎、去皮、细磨、脱水、干燥，如果采用干法超微粉碎技术，大豆毋须加水浸泡，便可直接破碎、超微得到豆粉产品。这样，既保留了豆皮和浸泡过程中损失的营养，又节省了能源，因为过去的工艺方法须先加水，最后再脱水、干燥，浪费了很多能量。,4、软饮料加工与新类型食品的开发,利用超微粉碎技术，可以开发出软饮料有粉茶、豆类固体饮料、超细微骨粉配制富钙饮料和速溶绿豆饮料等。如果将茶叶在常温、干燥状态下制成粉茶、使粉体粒径小于5m（微米），则茶叶的全部营养