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微粉碎和超微粉碎
发布时间:2020-10-29 20:56

  微粉碎和超微粉碎_工学_高等教育_教育专区。参考书: 1. 《现代食品工程高新技术》高福成主编中国轻工业 出版社; 2. 《食品加工技术装备》张裕中主编 中国轻工业出 版社; 3. 《食品机械原理与设计》陆振曦主编 中国轻工业 出版社; 4.

  参考书: 1. 《现代食品工程高新技术》高福成主编中国轻工业 出版社; 2. 《食品加工技术装备》张裕中主编 中国轻工业出 版社; 3. 《食品机械原理与设计》陆振曦主编 中国轻工业 出版社; 4. 《食品通用 与设备》蒋迪清主编 华南理工大学 出版社; 5. 《食品机械学》上、下 李兴国主编 四川教育出 版社; 6. 《食品机械设备》石一兵主编 中国商业出版社。 第一章 微粉碎和超微粉碎 粉碎操作在食品工业中的地位: 1. 迎合某些食品消费和生产的需要; 2. 增加固体表面积以利于后道处理的顺利进行; 3. 工程化食品和功能性食品的生产需要; 4. 减小粉碎粒度,可加快溶解速度、提高混合均匀 度或重新赋形以改进食品的口感; 5. 控制多种物料相近的粒度,防止各种粉料混合后 再产生自动分级的离析现象; 6. 进行选择性粉碎使原料颗粒内的成分进行分离; 7. 减小体型加快干燥脱水速度; 8. 许多食品产品要求有一定的粒度,以保证粉料和 粒料的容积质量,使之不影响包装容积、速溶度 和调理性等。 超微粉碎手段出现原因: 1. 在功能性食品生产上,需要非常有效的超微粉碎 手段将之粉碎至足够小的粒度。加之有效的混合 才能保证它在食品中的均匀分布。 2. 膳食纤维的粒度与纤维的持水力、膨胀力有很大 相互关系。 3. 巧克力浆料精磨后的粒度与最终产品的质构和口 感特性的关系。 超微粉碎技术的研究重点: 超微粉碎技术已成为现代食品加工的重要新技 术之一。但在超微粉碎过程中能量的利用率很低, 目前对该技术本身的研究集中在如何提高能量的利 用率上。例如,大型球磨机粉碎过程中的能量利用 率仅0.6%,其余99.4%的能量以摩擦、热量和燥音等 形式损失掉,而气流式超微粉碎机的能量利用率也 仅在2%左右。 第一节 粉碎理论 一、有关粉碎的基本概念 粉碎:是用机械力的方法来克服固体物料内部凝聚力, 达到使之破碎的单元操作。习惯上有时将大块物料分裂 成小块物料的操作称为破碎;将小块物料分裂成细粉的 操作称为磨碎或研磨,两者又统称粉碎。 粒度:物料颗粒的大小称为粒度,它是粉碎程度的代 表性尺寸。对于球形颗粒来说,其粒度即为直径;对 于非球形颗粒,则有以面积、体积或质量为基准的各 种名义粒度表示法。 粉碎比:粉碎前后的粒度比称为粉碎比或粉碎度,它 主要指粉碎前后的粒度变化,同时近似反映出粉碎设 备的作业情况。一般粉碎设备的粉碎比为3~30,但超 微粉碎设备可远远超出这个范围,达到300~1000以 上。对于一定性质的物料来说,粉碎比是确定粉碎作 业程度、选择设备类型和尺寸的主要根据之一。 粉碎级别:根据被粉碎物料和成品粒度的大小,粉碎 可分为粗粉碎、中粉碎、微粉碎和超微粉碎四种。 粗粉碎:原料粒度在40~1500 mm内。成品颗粒 粒度在5~50 mm。 中粉碎:原料粒度在10~100 mm内,成品颗粒 粒度在5~10mm。 微粉碎(细粉碎):原料粒度在5~10 mm内,成品 颗粒粒度在100 um以下。 超微粉碎(超细粉碎):原料粒度在0.5~5mm,成 品颗粒粒度在10~25um以下。 二、粉碎理论 食品粉碎方式: 挤压粉碎:挤压粉碎是指物料置于两个工作构件之间, 逐渐加压,使之由弹性变形或塑性变形而至破裂粉碎 的食品粉碎方式。这种粉碎方式仅适用于脆性物料。 食品加工中常用的挤压方式是对辊粉碎,当对辊的线 速度相等时,则为纯粹的挤压方式。被处理物料若是 具有一定的韧性或塑性,则处理后物料可呈片状。例 如轧制麦片、米片以及油料轧片等处理方式均属于此 类。 弯曲折断粉碎:弯曲折断粉碎是指物料在工作构件间 承受弯曲应力超过强度极限而折断的食品粉碎方式。 一般用来处理较大块的长或薄的脆性物料,例如榨油 残渣油饼、玉米穗等,粉碎的粒度较低。 剪切粉碎:剪切粉碎是指物料在构件间承受切应力超 过强度极限而折断的食品粉碎方式。这是一种粉碎韧 性物料能耗较低的粉碎方式。新形成的表面比较规则, 易于控制处理后粒度的大小,一般果蔬和肉类的切块、 切片、切丝、切丁都属于这一类。在小麦磨粉用的拉 丝对辊磨粉机中,剪切也起着重要作用。 撞击粉碎:撞击粉碎是指当物料与工作构件以相对高 速运动撞击时,受到时间极短的变载荷,物料被击碎 的食品粉碎方式。这种粉碎方式适用于质量较大的脆 性物料。撞击粉碎应用范围很广,从较大块的破碎到 微粉碎均可以使用,而且可以粉碎多种物料。最典型 的撞击粉碎机械是锤式粉碎机,它在食品工业中用得很 多。也有利用物料自身高速运动而碰撞粉碎的机器, 称为超音速喷射粉碎机,但是其能耗很大。 研磨粉碎:研磨粉碎是指物料与粗糙工作面之间在一 定压力下相对运动而摩擦,使物料受到破坏,表面剥 落的食品粉碎方式。这是一种既有挤压又有剪切的复 杂过程。 粉碎规则: 粉碎物料的基本原则是只需将物料粉碎到所需的 粉碎程度,而不作过度的粉碎。因此粉碎规则如下: 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。 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粉碎过程尽可能单一,不应添加其他操作。 粉碎操作: 在粉碎操作中,首先要考虑的是采用何种粉碎方 法或设备,这主要取决于被粉碎物料的大小和所要求 的粉碎比及物料的物性,而其中物料的硬度和破裂性 是最为重要的考虑因素。挤压和冲击力对于特别坚硬 的物料很有效,剪切力(或摩擦力)对于韧性物料有 效。将大块固体物料粉碎为细粉,由于一次粉碎比很大, 常分为若干级,使每级担负一定的粉碎比。典型的三级 粉碎流程如图1-3所示。 开路磨碎是研磨操作的一种最简单的方法。这种方法 不用振动筛等附属分粒设备,设备投资费用低。物料加 入粉碎机中经过粉碎作用区后,即作为制品卸出,粗粒不 再循环。由于有的粗粒可能会很快通过粉碎机,而有 的细粒在机内停留时间很长,故制品粒度分布很宽, 能量利用不充分。 自由压碎可以保持物料在作用区的停留时间很短。当 与开路磨碎结合时,让物料借重力落入作用区,限制 了不必要细粒的粉碎,减少了过细的粉末形成。此法 在功率消耗方面较经济,但由于有些大颗粒可能会迅 速通过粉碎作用区,仍可能产生较宽的粒度分布。 滞塞进料是利用机器出口插入筛网,限制制品的卸出, 对于给定的进料速度,制品滞塞于粉碎作用区,直至 粉碎成能通过筛孔的大小为止。因物料在粉碎作用区 中停留时间长,细粒会受到过度粉碎,功率消耗大。 滞塞进料法常用于需要细破碎制品的场合,用一台机 器操作可获得很大的粉碎比。 闭路磨碎(图1-4)是从粉碎机出来的物料流先经分粒 系统,分出过粗的物料粒,再重新回入粉碎机,粉碎 机的工作只是针对较大的颗粒,物料在粉碎作用区中 的停留时间短,动力消耗较为经济。所采用的分粒方 法根据送料的形式而定,采用重力加料或机械螺旋送 料时,常用振动筛作为分粒设备,当用水力或气力输 送时则赏用旋风分离器。 助磨剂: 在粉碎中,能够显著提高粉碎效率或降低能量消 耗的化学物质(固态、液态或气态化学物质)称为助磨 剂。由于粉碎作业,尤其是超微粉碎的能量消耗较高, 能量利用率又很低,因此助磨剂的研究具有重要的理 论意义和实际意义。 第二节 干法超微粉碎和微粉碎 一、气流粉碎技术与设备 基本原理: 气流粉碎的基本原理是利用空气、水蒸气或其他 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作用下悬浮输送,相 互发生剧烈的冲击、碰撞和摩擦,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 研磨而粉碎成细小粒子。 气流粉碎的特点: ①粉碎比大,粉碎颗粒成品的平均直径在5μm以下; ②在粉碎过程中设备有分级作用,粗粒由于受离心力作 用不会混到细粒成品中,保证了成品粒度的均匀一致; ③设备结构紧凑、磨损小且维修容易,但功率消耗大; ④易实现无菌操作,卫生条件好; ⑤压缩空气(或过热蒸汽)膨胀时会吸收很多能量产生 制冷作用造成较低的温度,所以适合应用于对热敏性物 料的超微粉碎的加工; ⑥易实现多单元联合操作。例如可利用热压缩气体同时 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 喷入所需的包囊溶液对粉碎颗粒进行包囊处理。 气流粉碎设备 环形喷射式气流粉碎机 环形喷射式气流粉碎机的工作原理和结构如图1- 27示。待粉碎物料经由喂料装置输送到环形粉碎室底 部喷嘴上,压缩空气从管道下方的一系列喷嘴中喷出 形成高速喷射气流(射流),夹带着物料颗粒运动。 在管道内的射流大致可分为外、中、内3层。各层射流 的运动速度不相等,这迫使物料颗粒在粉碎室内互冲 击、碰撞、摩擦以及受射流的剪切作用达到粉碎。 环形喷射式气流粉碎机可适用于加工粒度分布较宽 的物料。 叶轮式气流粉碎机 叶轮式气流粉碎机不是通过喷嘴形成的射流,而是 通过叶轮形式的循环气流产生冲击和碰撞等作用力将 物料进行粉碎的,该机带有两级粉碎、内分级叶轮、鼓 风和排渣等机构,因此可认为是一个小型机组。 该粉碎机的结构和工作原理如图1-28和图1-29所示。 将小于10mm的物料颗粒,由加料器定量连续地加至第一 粉碎室内,第一段粉碎叶轮的5支叶片具有30°扭转角, 它有助于形成旋转风压;第二段分级叶轮的5支叶轮不具 有扭转角,所以形成气流阻力。第一段粉碎叶轮形成的 风压在第一粉碎室内引起气流循环,随气流旋转的物料 颗粒之间就会发生相互冲击、碰撞、摩擦和剪切,并且 受离心力的作用冲向内壁受到撞击、摩擦、剪切等作用 而被粉碎成细颗粒;第二段分级叶轮具有分级作用。 (分级是由第二段分级叶轮所产生的离心力和隔环内径 之间所产生的气流吸力来决定,若颗粒受的离心力作用 大于气流吸力则被滞留下来继续被粉碎,若颗粒所受的 离心力作用小于气流吸力,则它被吸向中心随气流进人 第二粉碎室。) 进入第二粉碎室的细颗粒进行同样的粉碎和分级。 高频振动式超微粉碎技术与设备 基本原理: 高频振动式超微粉碎的原理是:利用球形或棒形 研磨介质作高频振动时产生的冲击、摩擦和剪切等作 用力,来实现对物料颗粒的超微粉碎,并同时起到混 合分散作用。振动磨是进行高频振动式超微粉碎的专 门设备,它在干法或湿法状态下均可工作。 振动磨的工作原理和结构示意图如图1-8所示,槽形或 管形筒体支承于弹簧上,筒体中部有主轴,轴的两端 有偏心重锤,主轴的轴承装在筒体上通过挠性轴套与 电动机连接。主轴快速旋转时,偏心重锤的离心力使 筒体产生一个近似于椭圆轨迹的快速振动。筒体内装 有钢球或钢棒等磨介及待磨物料,筒体的振动使磨介 及物料呈悬浮状态,利用磨介之间的抛射与研磨等作 用力而将物料粉碎。 振动粉碎的特点: 振动粉碎是靠磨机系统的振动,使研磨体得到加速度 运动而冲击和研磨物料的一种超细磨设备。其主要优 点为: ①破碎比高,粉碎时间很短; ②在影响粉碎的主要因素中,如排出口径、排出面积、 振动幅度、介质等均可任意地改变,因而不用分级器 也可获得期望的粒度; ③适应性强,可用于任何物料的超细磨,可以用于干 磨或湿磨。其缺点是进料粒度不能过大。 磨介尺寸与原料及成品粒度的相互关系 研磨介质有钢球、钢棒、氧化铝球和不锈钢珠等, 可根据物料性质和成品粒度要求选择磨介材料与形状。 为提高粉碎效率,应尽量先用大直径的磨介。如较粗 粉碎时可采用棒状,而超微粉碎时使用球状。一般说 来,磨介尺寸越小,则粉碎成品的粒度也越小。 物料充填率与粉碎率(以单位时间内的比表面的增加 来表示)之间的关系 振动磨磨介的充填率一般在60%~80%范围内, 物料充填率(筒体内物料松容积占磨介之间空隙的百 分率)在100%~130%之间。物料充填率与粉碎率 (以单位时间内的比表面的增加来表示)之间的关系 示于图1~11。由图可见,物料充填率高则粉碎率下 降,但振动磨筒体内新生总表面积与粉碎率(纵坐标) 和物料充填率(横坐标)的乘积成正比。物料充填率增 加时,单位时间内新生的总表面在一定范围内仍是增 加的。 第四节 超微粉碎或微粉碎的应用 一. 超微或微粉碎技术在巧克力生产上的应用: 1. 各组成物的相: 1) 巧克力属超微颗粒的多相分散体系; 2) 油脂在此体系中属于分散介质,是一种连续相; 3) 糖和可可以细小的质粒作为分散相分散于油脂连续 相内; 4) 大部分可可、糖、乳干物质粒度在20~30μm间; 5) 少量和空气在此体系内属分散体。 2. 在常温下,精制的巧克力被看作是一种高度均一的 固态混合物。 3. 作为一种固态混合物,各个物质被均匀地分布在油 脂内,成为高度乳化的乳浊体。 4. 对巧克力口感起决定作用的因素是巧克力配料的粒 度。 1) 当配料的平均粒度在25μm左右,且其中大部分质粒 的粒径在15~20 μm间时,口感较好。 2) 当平均粒度超过40μm时,口感明显变差。 5. 巧克力生产流程: 1) 可可豆经发酵和干燥; 2) 发酵后的可可豆经干燥,分级和清理后,进行焙炒; 3) 对焙炒后的可可豆进行揉搓或碾轧以便皮壳和豆肉 分离; 4) 可可豆磨细一般分阶段进行: 初粉碎阶段: a. 将可可豆肉单独磨成初浆料 b.设备:辊磨,盘磨,球磨和胶体磨等. c.初磨后浆料颗粒的粒度在50~120μm间; d. 可从浆料中据生产需要提取部分可可脂也可再补充 些可可脂以调整浆料组成或百分比。 5) 混合配料 6) 精磨(超微粉碎): a. 巧克力的细度取决于精磨方式和精磨程度; b. 精磨设备的性能,效率直接影响精磨过程的总效果; c. 常用设备是五辊和三辊精磨机; d. 精磨过程的操作程序与精磨效果也有密切关系,必须 控制适当的温度来调节适宜的粘度. 7) 精炼以使巧克力细腻滑润香味优美和醇 a. 精炼常用旋转式精练机; b. 在精练作用下,巧克力浆料中的油脂会分散至料内干 物质表面,使料内粒子间容易滑动而降低粘度,同时改 善口感. c. 精炼中使产品口感柔滑,外观光亮; d. 精炼过程可使物料含水量减少,粘度减少,使浆料变得 较为稀薄而易于流散。 8) 调温处理: a. 作用是使巧克力浆料在不同温度下发生相态转变; b. 调温过程包含晶核形成和晶体成长两方面,对温度的调 节和变化控制要求十分严格而准确。 9) 浆料经浇模,硬化,脱模,包装。 10)生产中,精磨时间常持续16~22h,精炼时间持续 24~72h。 二 .超微粉碎技术在功能性食品基料生产上的应用: 1. 功能性食品: 1) 通过其成分增强人体的身体防御功能,调节生理节律, 预防疾病和促进康复等有关功能的工程化食品。 2) 功能性食品中真正起作用的成分叫生理活性成分,富 含这些成分的物质即叫功能性食品基料或生理活性 物质 2. 确认具有生理活性的基料包括膳食纤维,真菌多糖,功 能性甜味剂,多不饱和脂肪酸酯,复合脂质,油脂 替代品自由基清除剂,维生素,微量活性元素,活 性肽,活性蛋白质和乳酸菌等十多大类。 3. 利用超微粉碎技术将蛋白质颗粒粉碎至某一粒度, 便得到可用来代替油脂的功能性食品基料。 4. 膳食纤维是一种重要的功能性食品,能防止多种疾 病增加膳食中纤维摄入量,是提高自身健康而采取 的一项重要措施。 1)可利用自然界中富含纤维的原料如小麦 皮,燕麦皮, 玉米皮,豆皮,米糠,甜菜渣和蔗渣等来生产膳食 纤维添加剂。 2) 蔗渣生产膳食纤维的工艺: 原料清理 粗粉碎 浸泡 异味脱除 二次漂洗 漂白脱色 脱水干燥 微粉碎 功能活化 超微粉碎 3) 膳食纤维的持水力和膨胀力,除与出发纤维源(原料) 和纤维的制备工艺有很大关系,还有终产品颗粒的 粒度有关。 a. 粒度越小比表面积越大,则纤维的持水性,膨胀力 也相应增大。 b. 超微粉碎技术在高活性纤维制备中有重要的作用。