王 觀，趙莉君，熊善柏，李前榮，吳明川，趙思明,*

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.廣東美的精品電器制造有限公司，廣東 佛山 528311)

豆?jié){機(jī)刀具結(jié)構(gòu)及其力學(xué)效應(yīng)對豆?jié){品質(zhì)的影響

王 觀1，趙莉君1，熊善柏1，李前榮2，吳明川2，趙思明1,*

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.廣東美的精品電器制造有限公司，廣東 佛山 528311)

以大豆為原料制作豆?jié){，研究刀具結(jié)構(gòu)及豆?jié){制作過程中的力學(xué)效應(yīng)對豆?jié){品質(zhì)的影響。結(jié)果表明：刀具傾角α較大時，其打擊力較大，切向力較小，制作豆?jié){時，豆渣率小，豆渣的粒度、硬度小，從而導(dǎo)致豆?jié){中更多營養(yǎng)物質(zhì)混入到豆渣中，使得豆?jié){中蛋白質(zhì)、游離氨基酸、總糖、脂肪含量少，黏度大；軸向力較大時，其對物料的攪拌更均勻，溫度分布的均勻性較好。根據(jù)相關(guān)性分析，刀具直徑與豆渣硬度呈顯著性相關(guān)，刀齒軸向角度與固形物含量、黏度、蛋白質(zhì)含量、總糖含量等也呈顯著性相關(guān)。

豆?jié){機(jī)；豆?jié){品質(zhì)；刀具結(jié)構(gòu)；力學(xué)效應(yīng)

傳統(tǒng)豆?jié){一般是大豆經(jīng)過浸泡、打漿、煮沸、過濾等工藝制成的食品[1]，含有豐富的優(yōu)質(zhì)蛋白[2]，對人體有很多保健作用[3]，而打漿、加熱等工藝參數(shù)對豆?jié){的品質(zhì)有很大影響[4-5]?，F(xiàn)代豆?jié){機(jī)可采用干法打漿，在打漿過程中大豆硬度相對較大，但具有一定的脆性，在制作豆?jié){時為了使大豆中的營養(yǎng)成分充分溶出[6]，常利用特殊結(jié)構(gòu)的刀具在高速旋轉(zhuǎn)條件下將大豆在短時間內(nèi)迅速打碎。刀具的結(jié)構(gòu)、擊打的速度、著力點(diǎn)和擊打方式對其打碎的程度和豆?jié){的品質(zhì)有較大關(guān)系。目前國內(nèi)外對于豆?jié){機(jī)中刀具的系統(tǒng)研究很少。

本實(shí)驗(yàn)通過對豆?jié){機(jī)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究刀具結(jié)構(gòu)及其所產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)與豆?jié){品質(zhì)的關(guān)系，旨在為豆?jié){機(jī)的設(shè)計和豆?jié){制作工藝的優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

黃豆，黑龍江巨豐2號，購于湖北富悅農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司。

pp131豆?jié){機(jī)(實(shí)驗(yàn)室改造，可進(jìn)行加熱功率和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)) 廣州美的生活電器制造有限公司；游標(biāo)卡尺(量程0～300mm，精度0.01mm) 桂林量具刃具廠；TA-XT2 Plus質(zhì)構(gòu)分析儀 英國Micro Stable Systerms公司；烏式黏度計 浙江椒江市玻璃儀器廠；MD2032B電能量測量儀 青島儀迪電子有限公司。

1.2 制備豆?jié){樣品的工藝流程

原料選擇→清洗→豆?jié){機(jī)內(nèi)煮豆、打漿、煮漿→濾網(wǎng)過濾→煮豆?jié){→冷卻→品質(zhì)分析

工藝說明：選擇無蟲、無霉變、顆粒飽滿的大豆為原料，用清水洗3遍，以豆水比1:17(m/V)于豆?jié){機(jī)內(nèi)煮豆、打漿、煮漿，總制作時間為3 0min。

攪打說明：0～10min：每加熱3min停一次，每次5s；每6min攪打一次，攪打15s。10～17min：每加熱15s，停5s(加熱時不攪打)；每80s攪打一次，每次20s。17～30min 每加熱15s，停5s。從10min起溫度均保持在95℃左右。

1.3 刀具的結(jié)構(gòu)尺寸

刀具的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中刀具最大寬度B1=12.8mm，最小寬度B2=5mm，刀齒個數(shù)n=5，刀齒面長度L=6.3mm，刀齒面寬度B3=2.16mm。其他參數(shù)見表1。

圖1 刀具圖Fig.1 Blender structure

表1 不同刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of different blenders

1.4 刀具運(yùn)動過程中的流場和力學(xué)效應(yīng)分析

1.4.1 渦流截面參數(shù)的獲取

在固定的電壓下，采用改裝后的豆?jié){機(jī)，讓刀具在清水中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，用照相機(jī)拍照[7]，然后測量刀具在清水中形成的渦流截面參數(shù)。

1.4.2 刀具的力學(xué)效應(yīng)分析

根據(jù)刀具的結(jié)構(gòu)尺寸以及其運(yùn)動情況對其受力進(jìn)行分析[8]，采用如下計算公式[9]。

式中：P為攪拌功率/W；Np為功率準(zhǔn)數(shù)；z為葉片個數(shù)(2個)；N為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速(8000r/min)；D為刀具直徑/m；R為刀具半徑/m；ρ為流體密度/(kg/m3)；ξ=f(B1、B2、H、n、L、B3、β、γ)，ξ為刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)。

1.5 理化指標(biāo)的測定

豆渣粒度分布的測定：將過濾得到的豆渣在105℃烘干，然后進(jìn)行連續(xù)過篩，過篩目數(shù)依次為20、40、60、80目，然后在分析天平上分別稱量，用x%表示各目數(shù)條件下質(zhì)量占總質(zhì)量的比例。

豆渣的平均粒徑按式(5)計算。

豆渣率按式(6)計算。

式中：x1為過篩目數(shù)＜20目；x2為過篩目數(shù)20～40目；x3為過篩目數(shù)40～60目；x4為過篩目數(shù)60～80目；x5為過篩目數(shù)＞80目。m豆渣為過濾后豆渣的干質(zhì)量；m豆為制作前大豆干質(zhì)量；m水為加水的質(zhì)量。

豆渣硬度的測定：采用一次壓縮模式，探頭為P/6，由質(zhì)構(gòu)特征曲線可得到硬度為：壓縮厚度為10mm時所達(dá)到的力，即第一個峰值對應(yīng)的力F。豆?jié){固形物含量(以干基質(zhì)量計)測定采用105℃干燥質(zhì)量恒定法[10]；蛋白質(zhì)含量(以干基質(zhì)量計)測定采用凱氏定氮法[11]；游離氨基酸含量(以干基質(zhì)量計)測定采用茚三酮法[10]；總糖含量(以干基質(zhì)量計)測定采用酸水解法[10]；總膳食纖維含量(以干基質(zhì)量計)測定參照GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》；粗脂肪含量(以干基質(zhì)量計)測定采用索氏抽提法[10]；游離脂肪酸含量(以干基質(zhì)量計)測定參照GB/T 5530—2005《動植物油脂 酸價和酸度測定》；豆?jié){密度測定參照GB/T 5009.2—2003《食品的相對密度的測定》；豆?jié){黏度測定采用內(nèi)徑為0.8～0.9的烏式黏度計測定，計算公式為：運(yùn)動黏度η=t×黏度系數(shù)；溫度測定采用多通道溫度記錄儀；能耗測定采用電能量測量儀。

1.6 數(shù)據(jù)處理

1.6.1 溫度數(shù)據(jù)處理

選取3個溫度點(diǎn)，溫度1、溫度2、溫度3分別為物料的頂部、緊貼加熱管的部位、物料的底部。溫度偏差ΔT表示為：

式中：n為采樣個數(shù)；xi1、xi2、xi3分別表示第i次采樣時溫度1、溫度2、溫度3各點(diǎn)的溫度；x表示溫度1、溫度2、溫度3的平均溫度。

第三是要求能夠建立起完整的管理會計信息安全系統(tǒng)與制度。信息安全是大數(shù)據(jù)時代中的重要話題，對于管理會計工作而言同樣如此。

1.6.2 理化指標(biāo)數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003、SAS 8.1(美國北卡羅來納州SAS軟件研究所)對刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)和豆渣的理化特性、豆?jié){的營養(yǎng)成分進(jìn)行處理和相關(guān)性分析[12]。本實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)均為3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 刀具的受力及流場分析

圖2 流體運(yùn)動的流場截面圖Fig.2 Section of fluid motion

圖2a為刀具在清水中旋轉(zhuǎn)形成的渦流圖，圖2b的D表示所示渦流橫截面的直徑，h1表示液面凹陷的深度，h3表示整個渦流的高度，h4表示渦流底部距容器底部的距離。各參數(shù)見表2。

如圖3所示，由于刀具具有傾角結(jié)構(gòu)，因此在高速轉(zhuǎn)動時，刀具產(chǎn)生切向力的同時還會產(chǎn)生軸向力，對原料在流場中的受力情況進(jìn)行分析，以Fq表示原料所受到的切向力，以Fz表示原料所受到的軸向力，以Fd表示原料所受到的打擊力，如圖4所示。

圖3 刀具受力分析Fig.3 Force analysis of blender

圖4 物料在流場中的受力分析Fig.4 Force analysis of material in the flow

由表2可以看出，刀具2在流場中形成的渦流橫截面面積最大，這是由于刀具2的直徑最大、切向力較大，則其在流場中形成的渦流橫截面面積較大；刀具1和4的直徑較小，切向力也較小，在流場中形成的渦流橫截面面積也較小。

表2 流場截面數(shù)據(jù)分析表Table 2 Data of flow section analysis

2.2 刀具對豆渣的影響

圖5 不同刀具制作的豆渣指標(biāo)Fig.5 Effect of different blenders on physiochemical properties of soybean residue

圖5是用4種不同刀具制作豆?jié){產(chǎn)生的豆渣，豆渣粒度反映的是刀具對大豆的破碎能力，豆渣硬度反映的是豆渣的蓬松程度以及水溶性物質(zhì)能否較容易的溶出。由圖5c可知，刀具1的豆渣率最小，其次依次為刀具4、2、3，主要是因?yàn)榈毒?的傾角最大，與大豆接觸的打擊面最大，并且在一次轉(zhuǎn)動中有兩次被打擊的過程，大豆被破碎的程度最大，導(dǎo)致豆渣率最少。由圖5a、5b可知，4種不同刀具制作豆?jié){獲得的豆渣粒度大部分集中在20～80目之間。其中以刀具1和2打漿后的豆渣粒徑較小，刀具3打漿后的豆渣粒徑最大，硬度也最大，這同樣是由于刀具1和2對大豆的打擊力較大，大豆被破碎的程度較大的原因[14]，而刀具3由于傾角方向相反，導(dǎo)致一次轉(zhuǎn)動只能打擊一次，大豆被破碎的程度較小，所以豆渣粒徑較大，豆渣率較大。圖5e是不同刀具制作的豆渣的含水量，可以看出刀具3豆渣中含水量最低，那是因?yàn)槠涠乖阶畲蟆⒂捕茸罡?，顆粒結(jié)構(gòu)較致密，比表面積較小，使得豆渣的持水能力最弱，導(dǎo)致其含水量最低，而其他3種刀具的豆渣粒徑較小，硬度也較小，比表面積較大，導(dǎo)致其持水能力較強(qiáng)，所以豆渣的含水量較高[15]。

2.3 刀具對豆?jié){品質(zhì)的影響

由圖6可以看出，刀具1和2制作的豆?jié){中固形物含量、脂肪、總膳食纖維含量、黏度較大。這是因?yàn)橹竞涂偵攀忱w維大部分存在于豆皮中，刀具1對大豆的打擊力較大，破碎能力較強(qiáng)，所以其脂肪和總膳食纖維含量較高；黏度主要是和物料的粒徑有關(guān)，打擊力大時，豆渣粒徑最細(xì)，潤脹充分，分子鏈伸展充分，黏度較大；同時豆渣粒徑最細(xì)且蓬松，其溶出的營養(yǎng)物質(zhì)最多，所以固形物含量較高。而用刀具1制作的豆?jié){中的蛋白質(zhì)、游離氨基酸、總糖、游離脂肪酸等含量較低，可能是由于其豆渣較細(xì)，使豆?jié){中的一部分可溶性物質(zhì)混入到了豆渣中，導(dǎo)致豆?jié){中蛋白質(zhì)、游離氨基酸、總糖、游離脂肪酸的含量減少。而刀具3的豆渣較硬，含水量較低，使得較少的可溶性物質(zhì)混入豆渣中，所以相反其制作的豆?jié){蛋白質(zhì)、游離氨基酸、總糖、游離脂肪酸的含量較高。刀具4所制作的豆?jié){其各營養(yǎng)成分均較高。對于不同刀具制作的豆?jié){的密度都在0.99g/mL附近。

2.4 刀具對溫度均勻性的影響

表3 不同刀具制作豆?jié){時溫度均勻性及能耗Table 3 Effect of different blenders on temperature uniformity and power consumption

由表3可見，刀具3在制作過程中，溫度偏差要小于其他3種刀具，主要是因?yàn)槠溆猩舷聝蓚€方向的軸向力，使其在制作過程中攪拌均勻，導(dǎo)致其溫度分布較其他3個刀具分布均勻。4種不同刀具的能耗均在0.18～0.19kW·h之間，沒有顯著性差異。

2.5 相關(guān)性分析

根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對4種刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)和其理化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。刀具直徑與豆渣硬度有極顯著的正相關(guān)性，隨著直徑的增大，豆渣硬度變大。刀具傾角α1與豆渣的硬度、豆?jié){的蛋白質(zhì)含量、游離氨基酸含量、脂肪含量呈負(fù)相關(guān)，隨著傾角的變大，其豆渣的硬度、豆?jié){蛋白質(zhì)、游離氨基酸、脂肪含量變小。固形物含量和黏度與刀具角β呈顯著性正相關(guān)，隨著刀齒角度的變小，其固形物含量和黏度也變小。蛋白質(zhì)含量、總糖含量與刀具角β呈顯著性正相關(guān)，隨著刀齒軸向傾角的變大，其蛋白質(zhì)、總糖含量增加。

表4 刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)和豆?jié){理化指標(biāo)相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between blender structural parameters and soybean milk physio-chemical properties

3 結(jié) 論

刀具結(jié)構(gòu)對豆?jié){的品質(zhì)有較大影響。刀具傾角α較大時，其打擊力較大，切向力較大，制作豆?jié){時，豆渣率小，豆渣的粒度、硬度小，導(dǎo)致了豆?jié){中的營養(yǎng)物質(zhì)混入到了豆渣中，使得豆?jié){中蛋白質(zhì)、游離氨基酸、總糖、脂肪、游離脂肪酸含量少，黏度小。刀齒軸向傾角β與固形物含量、黏度呈顯著性正相關(guān)，與蛋白質(zhì)含量、總糖含量呈顯著性負(fù)相關(guān)。軸向力較大時，其對物料的攪拌更均勻，溫度分布的均勻性較好。

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Effects of Blender Structure and Its Force of Soybean Milk Machine on Soybean Milk Quality

WANG Guan1，ZHAO Li-jun1，XIONG Shan-bai1，LI Qian-rong2，WU Ming-chuan2，ZHAO Si-ming1,*
(1. College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China；
2. Midea Premier Appliance Co. Ltd., Foshan 528311, China)

A commercial soybean milk machine with laboratory modifications for adjustable heating power and rotation speed was used to investigate the effects of blender structure and its force on soybean milk quality. The results showed that larger angle of blender elevation α provided larger strike force and smaller tangential force, and smaller soybean residue rate and smaller granule size and harness of soybean residue were obtained, which could cause the transfer of more nutrients from soybean milk to residue, the reduction in the contents of protein, free amino acids, total sugars and fat, and the increase in viscosity. Larger axial force resulted in more homogenous stirring of materials and more even temperature distribution. Furthermore, cutter diameter showed a significant correlation with the hardness of soybean residue, and the axial angle of cutter tooth was also significantly correlated with solid content, viscosity, protein content and total sugar content.

soybean milk machine；soybean milk quality；blender structure；force effect

TS214.2

A

1002-6630(2011)07-0162-06

2010-06-30

廣東美的精品電器制造有限公司項(xiàng)目(720107-097068)

王觀(1984—)，女，博士研究生，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail：littleguanguan92@yahoo.com.cn

*通信作者：趙思明(1963—)，女，教授，博士，研究方向?yàn)槭称反蠓肿咏Y(jié)構(gòu)及功能特性。

E-mail：zsmjx@mail.hzau.edu.cn