沈培玉，吳紅霞，張?jiān)Ｖ?/p>

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫214122;2.江蘇省昆山第一職業(yè)高級(jí)中學(xué)，江蘇昆山215311)

基于高剪切技術(shù)的甜玉米粒粉碎實(shí)驗(yàn)研究

沈培玉1，吳紅霞2，張?jiān)Ｖ?

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫214122;2.江蘇省昆山第一職業(yè)高級(jí)中學(xué)，江蘇昆山215311)

討論了影響果蔬纖維飲料懸浮穩(wěn)定性的主要因素，在研究分析了甜玉米粒表皮結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用高速超剪切技術(shù)對(duì)甜玉米粒進(jìn)行濕法粉碎實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，高速剪切粉碎機(jī)對(duì)甜玉米粒液固混合物具有明顯的粉碎效果，在剪切時(shí)間為3min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6500r/min，定轉(zhuǎn)子間隙為0.12mm時(shí)，顆粒平均粒徑為d(0.5)為147.55μm，且顆粒分散均勻，可以提高甜玉米飲品的穩(wěn)定性。

甜玉米，懸浮飲料，穩(wěn)定性，剪切，粉碎，平均粒徑

Abstract:The factors of the aerosol stability were discussed for the influence on fruits and vegetables fiber drink.Through the research on the epidermis structure and the mechanics characteristic for sweet corn seed，the aqueous smashing and isotropic experiments were carried out with the high speed shearing technology for the sweet corn grain.The experiment indicated that the high speed shearing grinder had the obvious effect for the smashing isotropic for a sweet corn grain in liquid－solid mixture.If 3min for the shearing time，6500r/min for the rotor speed，0.12mm for stator－rotor gap，the average grain diameter can be d(0.5)=147.55μm，and the particle is even dispersed，so that the stability for the sweet corn drinks can be enhanced.

Key words:sweet corn seed;suspending beverage;stability;shearing;smashing;average grain diameter

甜玉米是一種果蔬型玉米，具有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，近年來已被開發(fā)制成飲品。但由于存在飲品的口感、穩(wěn)定性和原料的利用率等一些技術(shù)性問題，未能形成規(guī)模化生產(chǎn)。目前，對(duì)甜玉米飲品的研究多以加工工藝、風(fēng)味、穩(wěn)定劑等為主［1－2］，加工時(shí)一般都采用漿渣分離工藝，即取汁后去除皮渣，粉碎均質(zhì)設(shè)備基本上使用膠體磨、高壓均質(zhì)機(jī)。然而，玉米皮中富含人體所需的天然纖維素，稱為膳食纖維(Dietary Fiber)［3］，是對(duì)人體健康有益的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且膳食纖維的物性及其功能的發(fā)揮與其顆粒度有一定的關(guān)系［4］。濕法粉碎設(shè)備中，典型的壓力式粉碎設(shè)備有高壓均質(zhì)機(jī);基于剪切原理的粉碎設(shè)備有膠體磨、齒形定轉(zhuǎn)子高剪切粉碎機(jī)。對(duì)于纖維類物料，由于其良好的韌性，采用傳統(tǒng)的膠體磨、高壓均質(zhì)機(jī)很難達(dá)到理想的效果［5］。本課題則是利用基于剪切粉碎原理的高速剪切粉碎機(jī)，使分散相顆粒破碎細(xì)化，達(dá)到乳化、均質(zhì)與混合的效果。因此，有必要對(duì)甜玉米粒及其皮渣的粉碎技術(shù)進(jìn)行深入研究，以解決甜玉米原料的充分利用，提高甜玉米果汁飲品的穩(wěn)定性、改善飲品的感官品質(zhì)，豐富飲品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甜玉米 市售。

QLT科立泰IH微電腦電磁爐 深圳市元碩電子有限公司;SQ2119C多功能食品加工機(jī) 上海帥佳電子科技有限公司;高速超剪切微細(xì)粉碎實(shí)驗(yàn)裝置 無錫市匯光糧機(jī)制造有限公司;Master Sizer2000激光粒度分析儀 英國(guó)馬爾文儀器公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 懸浮飲料的穩(wěn)定性機(jī)理 果蔬纖維飲料屬于非均相液固混合物，一般要求產(chǎn)品在其有效期內(nèi)抗絮凝，防止分層、沉淀，維持懸浮顆粒的均勻分布，以保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品質(zhì)量。果汁中含有果肉等不溶性物質(zhì)，由于其密度與果汁密度不同，這些不溶性物質(zhì)在重力作用下會(huì)逐步沉淀［6］，沉淀速度遵循Stock公式:

式中:μ為連續(xù)相(液體)的粘度;d為分散相粒徑;g為重力加速度;ρ1為分散相顆粒密度;ρ2為連續(xù)相密度。

式(1)表明，分散相顆粒的沉淀速度與粒徑成正比，與液體粘度成反比。一方面可以添加穩(wěn)定劑增稠，但由于過高的粘度會(huì)影響產(chǎn)品的口感和香味的釋放，因此穩(wěn)定劑用量都有一定配比;另一方面可以通過粉碎均質(zhì)處理，減小分散相粒徑，使細(xì)小微粒穩(wěn)定、均勻地分散于連續(xù)相中而不分離，以有效提高產(chǎn)品在銷售存放過程中的穩(wěn)定性。

1.2.2 高速剪切粉碎機(jī) 高速剪切粉碎機(jī)關(guān)鍵部件是一對(duì)具有齒槽結(jié)構(gòu)的相互交錯(cuò)的多層小間隙定轉(zhuǎn)子。如圖1所示，帶有葉片的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，將物料不斷吸入，在強(qiáng)烈的湍流作用下，甜玉米漿受到葉片的強(qiáng)力攪拌而混合、擴(kuò)散。隨即以很大的速度通過轉(zhuǎn)子齒槽進(jìn)入定轉(zhuǎn)子間隙內(nèi)，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高切線速度在狹窄的定轉(zhuǎn)子間隙內(nèi)形成極大的速度梯度，同時(shí)由于高頻機(jī)械效應(yīng)帶來的強(qiáng)勁動(dòng)能，使混合物受到強(qiáng)烈的剪切、摩擦、撞擊、擠壓、射流以及空穴等綜合作用，而且這些作用由內(nèi)圈向外圈逐漸加強(qiáng)，使顆粒不斷細(xì)化、分散。研究表明，定轉(zhuǎn)子間隙δ、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n是影響剪切應(yīng)力場(chǎng)的重要因素，δ越小、n越大，產(chǎn)生的剪切應(yīng)力大，則顆粒越易粉碎。選擇適當(dāng)?shù)摩呐cn值是應(yīng)用基于高剪切原理的濕法粉碎設(shè)備的基本原則。

圖1 剪切原理圖

1.2.3 處理工藝

1.2.4 粉碎實(shí)驗(yàn) 將預(yù)處理后的甜玉米漿用高速超剪切粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎均質(zhì)，根據(jù)高剪切粉碎機(jī)理，選擇的主要操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)為剪切時(shí)間、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定轉(zhuǎn)子間隙。分別對(duì)上述每個(gè)參數(shù)做單因素實(shí)驗(yàn):即改變其中某一參數(shù)值，而保持另兩個(gè)參數(shù)為定值時(shí)，進(jìn)行剪切粉碎。再選擇出粉碎效果相對(duì)較好的水平，進(jìn)行三因素三水平正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，因素水平如表1所示。

1996年，金庸來杭州，參加浙江大學(xué)百年校慶。三天停留時(shí)間里，三次登門杭州著名的面館：奎元館，并且每次都點(diǎn)名要吃蝦仁爆鱔面。后來被人認(rèn)出，欣然為奎元館題詞：“奎元館老店，馳名百卅載；我曾嘗美味，不變五十年?！?/p>

1.2.5 測(cè)定分析 通過測(cè)定甜玉米粒粉碎后的粒度評(píng)價(jià)高剪切粉碎機(jī)的粉碎效果。用Master Sizer2000激光粒度分析儀，在泵速度為2000r/min下測(cè)定粒度大小，并用平均粒徑作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，分析各參數(shù)對(duì)該指標(biāo)的影響。

表1 實(shí)驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 甜玉米表皮的組織結(jié)構(gòu)

通過電子顯微鏡可以觀察甜玉米粒種皮的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)。甜玉米粒種皮細(xì)胞的排列具有一定的方向性，即沿其縱向成線性排列;而在橫向上，纖維組織細(xì)胞緊密的捆綁在一起，整體結(jié)構(gòu)固定。因此，甜玉米表皮具有良好的韌性、較高的抵抗變形和吸收沖擊能的能力，不易于粉碎。

2.2 甜玉米粒表皮的力學(xué)特性

甜玉米飲料加工中一般需要將原料預(yù)煮。研究表明，預(yù)煮時(shí)間影響表皮的力學(xué)特性。預(yù)煮時(shí)間越長(zhǎng)，甜玉米表皮的破裂應(yīng)力就越小，如圖2所示。在預(yù)煮時(shí)間為15min時(shí)，可以明顯改善表皮的結(jié)構(gòu)組織，有利于達(dá)到更好的粉碎效果［5］。

圖2 預(yù)煮時(shí)間與甜玉米表皮破裂應(yīng)力的關(guān)系

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

2.3.1 剪切時(shí)間對(duì)粉碎效果的影響 剪切粉碎機(jī)的定轉(zhuǎn)子間隙為1mm，保持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6500r/min，剪切時(shí)間分別到達(dá)1、2、3、4、5min時(shí)先后取樣，測(cè)出粒度，得到d(0.5)值與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)表明，前3min內(nèi)，隨著剪切粉碎時(shí)間的增長(zhǎng)，顆粒的粒徑不斷減小;但是當(dāng)剪切時(shí)間在3min以后，顆粒粒徑隨著時(shí)間的增長(zhǎng)又逐漸增大。主要由于物料在粉碎過程中吸收了大量的機(jī)械能、熱能，經(jīng)超細(xì)化后比表面增大，表面能升高，顆粒處于不穩(wěn)定狀態(tài);同時(shí)表面原子或離子數(shù)的比例大大提高，因而使其表面活性增加，再加上顆粒之間的距離極短，顆粒之間吸引力增大;另外，超細(xì)顆粒在粉碎過程中表面靜電很高，粒子之間在碰撞中互相吸引。因而顆粒聚集變大，粒徑增大。

圖3 剪切時(shí)間與粒徑的關(guān)系

2.3.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)粉碎效果的影響 定轉(zhuǎn)子間隙為1mm，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為 3900、5200、5850、6500、7800r/min條件下，剪切時(shí)間為3min時(shí)，分別取樣，測(cè)出粒度，得到d(0.5)值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與粒徑的關(guān)系

2.3.3 定轉(zhuǎn)子間隙對(duì)粉碎效果的影響 以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 6500r/min，調(diào)整定轉(zhuǎn)子間隙分別為 3、1、0.5、0.12mm條件下，剪切時(shí)間為3min時(shí)，分別取樣，測(cè)出粒度，得到d(0.5)值與定轉(zhuǎn)子間隙的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 定轉(zhuǎn)子間隙與粒徑的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)表明，玉米顆粒粒徑與定轉(zhuǎn)子間隙也呈線性關(guān)系，間隙越小，粒徑越小。從剪切粉碎效果看，定轉(zhuǎn)子間隙無疑越小越好。但間隙越小，流體流動(dòng)量減少，能耗增加，而且為了避免定轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生碰撞，小間隙定轉(zhuǎn)子的加工需要較高的精度要求，勢(shì)必增加了加工難度和成本。因此，定轉(zhuǎn)子齒隙的選擇，應(yīng)從物料的粉碎要求和加工成本綜合考慮。

2.4 正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用L9(33)正交表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2結(jié)果可以看出，各因素影響玉米顆粒粒徑的主次順序?yàn)镃＞B＞A。說明在甜玉米粒粉碎過程中，定轉(zhuǎn)子間隙和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速起著決定因素，粉碎剪切時(shí)間對(duì)玉米汁的粒度影響相對(duì)較小。分析得到高速剪切機(jī)參數(shù)的最佳配比組合為A2B3C1，即選擇剪切時(shí)間為3min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6500r/min，定轉(zhuǎn)子間隙為0.12mm，顆粒粒徑為 d(0.5)=147.55μm，達(dá)到理想的粉碎效果。

表2 L9(33)因素水平正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

在食品行業(yè)中，粉碎均質(zhì)技術(shù)已成為提高產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵工藝過程。對(duì)于甜玉米飲料加工中的粉碎均質(zhì)使用傳統(tǒng)的設(shè)備主要有膠體磨、高壓均質(zhì)機(jī)，但對(duì)甜玉米表皮的粉碎效果欠佳。針對(duì)甜玉米表皮韌性大、不易粉碎的特點(diǎn)，引入高速剪切粉碎技術(shù)，使甜玉米粒得到充分混合、細(xì)化。在對(duì)主要參數(shù)的單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定轉(zhuǎn)子間隙是影響甜玉米顆粒粒徑的重要因素，選擇的優(yōu)化參數(shù)為剪切時(shí)間3min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速6500r/min，定轉(zhuǎn)子間隙0.12mm。研究表明，高速剪切粉碎機(jī)對(duì)含纖維的豆粒型物料的粉碎十分有效，而且能節(jié)約能源，提高原料的利用率，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

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Experimental study on the pulverization for sweet corn seed based on high－shearing technology

SHEN Pei－yu1，WU Hong－xia2，ZHANG Yu－zhong1
(1.School of Mechanical Engineering，Southern Yangtze University，Wuxi 214122，China;2.Kunshan No.1 Vocational Senior High School，Kunshan 215311，China)

TS210.1

B

1002－0306(2010)08－0268－03

2009－09－24

沈培玉(1964－)，女，碩士，講師，研究方向:食品機(jī)械、粉碎均質(zhì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。