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(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇無錫 214122;2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無錫 214122;3.江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無錫 214122)

黑莓原產(chǎn)于北美,1986年由位于南京的中國科學(xué)院植物研究所首次引入我國,屬薔薇科懸鉤子屬中的藤本植物,以“高營養(yǎng)、高抗性、無污染、純天然”等特點(diǎn)被聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦為當(dāng)今國際第三代新型特種漿果類品種[1],黑莓鮮果營養(yǎng)豐富,各種營養(yǎng)成份如表1[2]所示。黑莓屬于加工型果蔬,隨著人們健康意識的逐漸增強(qiáng),純天然果蔬汁作為具有一定生理功效的營養(yǎng)飲品越來越受到人們的重視[3-4]。

如今,黑莓加工中仍存在不少問題,以黑莓汁為例:觀察發(fā)現(xiàn)黑莓原料含水量大、粘稠度高、韌性強(qiáng)。若烘干后在進(jìn)行干法粉碎,產(chǎn)量低、機(jī)器磨損大、能耗高。若采取膠體磨或破碎機(jī)等傳統(tǒng)的濕法粉碎設(shè)備進(jìn)行粉碎加工,所得產(chǎn)品的品質(zhì)較差,需要采用過濾等工序,加工過程中會產(chǎn)生大量的廢棄物——黑莓渣,生產(chǎn)1噸黑莓汁將產(chǎn)生大約250kg的渣,不僅產(chǎn)量低,而且污染嚴(yán)重。因此,對黑莓渣進(jìn)行開發(fā)和全利用,解決黑莓傳統(tǒng)粉碎技術(shù)的難題,研制出品質(zhì)優(yōu)良的黑莓全果飲品,不僅能省時(shí)省力,提高產(chǎn)量,減少環(huán)境污染,還可以增加產(chǎn)品的附加值,為企業(yè)創(chuàng)效,對促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)和區(qū)域性高效農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有重要的意義。

表1 黑莓鮮果營養(yǎng)成份含量Table 1 The nutrients content of the fresh fruits of BlackBerry

本研究基于高效剪切技術(shù)[5],剪切式粉碎機(jī)的基本原理是物料在高速運(yùn)動的動靜刀片之間像剪刀一樣被剪斷,在拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、研磨力和離心力的綜合作用下,物料被粉碎[6],隨后經(jīng)過靜刀片之間的微小間隙排出。以新鮮黑莓為實(shí)驗(yàn)材料,采用高效剪切技術(shù),在不同操作參數(shù)下研究了粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速、靜刀片齒數(shù)和粉碎實(shí)驗(yàn)次數(shù)對黑莓濃漿穩(wěn)定性的影響,確定了最佳的操作參數(shù),為黑莓的全利用和黑莓濃漿飲品的開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮黑莓:“切斯特”品種(南京市溧水縣白馬鎮(zhèn)提供)。

QDWⅠ3000-18型臥式濕法粉碎機(jī) 無錫輕大食品裝備有限公司;QDGX-15型剪切式粉碎機(jī)(轉(zhuǎn)子外徑為50mm) 江南大學(xué)食品裝備工程研究中心與無錫輕大食品裝備有限公司聯(lián)合研制;TCS-100型電子計(jì)價(jià)臺秤 永康市香海衡器廠;NDJ-5S型數(shù)顯粘度計(jì) 上海平軒科學(xué)儀器有限公司;Mastersizer2000型激光粒度分析儀 英國馬爾文儀器有限公司;E02140 型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司;HC-TP11-2架盤天平 上海精科天平廠;AXTD4A型臺式低速離心機(jī) 鹽城市安信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;LYGDS-150型恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱 魯毅實(shí)驗(yàn)設(shè)備(上海)有限公司;試管若干;操作臺;不銹鋼盆等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 黑莓濃漿的加工工藝流程 黑莓濃漿制備的工藝流程為:新鮮黑莓→篩選→去除雜質(zhì)→清洗瀝干→粗破碎(QDWⅠ3000-18型臥式濕法粉碎機(jī)循環(huán)破碎)→細(xì)粉碎(配備不同齒數(shù)的QDGX-15型剪切式粉碎機(jī))→細(xì)膩的黑莓濃漿→取樣觀察并測試

1.2.2 原料的篩選 以南京白馬地區(qū)種植的“切斯特”新鮮黑莓為原料。要求黑莓新鮮,色澤鮮艷,干凈,少雜質(zhì),大小均勻,果實(shí)飽滿,無異味、無機(jī)械損傷等。

1.2.3 黑莓粗破碎 取篩選好的新鮮黑莓放入清水中多次清洗,力度不易過大,以免果實(shí)破裂,完畢后瀝干水分,稱重并取10kg,用臥式濕法粉碎機(jī)進(jìn)行循環(huán)粉碎,循環(huán)時(shí)間約2min,粉碎完畢盡快將濃漿引出,以便減少氧化反應(yīng)的發(fā)生。

1.2.4 細(xì)粉碎 將粗破碎后的黑莓濃漿放入剪切式粉碎機(jī)中進(jìn)行細(xì)粉碎,參考相關(guān)資料[7],設(shè)計(jì)了單因素實(shí)驗(yàn)[8],剪切式粉碎機(jī)的初始操作參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)中,除了被研究因素的取值依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案變動外,其他操作參數(shù)均為初始操作值。

1.2.5 黑莓濃漿制作操作要點(diǎn) 由于黑莓破碎后產(chǎn)生的濃漿中含有大量果酸及維生素C,它們都屬于還原酸,很容易發(fā)生氧化還原反應(yīng),使黑莓濃漿的顏色由紫變黑,因此整個操作過程中,為保證濃漿的品質(zhì),減少氧化反應(yīng)的發(fā)生,粉碎過程采用全封閉的管道式加工系統(tǒng),取樣后應(yīng)盡快進(jìn)行觀察和測試。

表2 初始操作參數(shù)Table 2 The initial operating parameters

1.2.6 黑莓濃漿的靜置穩(wěn)定性觀察 濃漿飲品的靜置穩(wěn)定性也是評價(jià)其質(zhì)量的重要因素,為了研究操作參數(shù)變化對濃漿靜置穩(wěn)定性的影響,分別在靜刀片齒數(shù)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和粉碎循環(huán)次數(shù)發(fā)生變化時(shí)設(shè)計(jì)了三組單因素實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)一方面得出了各主要操作參數(shù)對濃漿靜置穩(wěn)定性的影響,另一方面也為濃漿飲品在常溫下的保藏和應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

1.2.7 剪切機(jī)的操作參數(shù)變化對濃漿各項(xiàng)指標(biāo)的影響 為了探究轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、靜刀片齒數(shù)和粉碎循環(huán)次數(shù)對濃漿穩(wěn)定性、粒度和粘度的影響,設(shè)計(jì)了如表3所示的五組對比實(shí)驗(yàn),其中以濃漿的沉淀率來代表其穩(wěn)定性[9],取各組樣品,分別測定其粒度和粘度并計(jì)算沉淀率,通過觀察和計(jì)算不同操作參數(shù)條件下各條曲線的斜率,來確定它們對濃漿各項(xiàng)指標(biāo)的影響程度。

表3 操作參數(shù)變化對濃漿影響的實(shí)驗(yàn)方案Table 3 The experimental scheme of the operating parameters changes on the pulp

1.2.8 基本指標(biāo)的測定和計(jì)算方法

1.2.8.1 粒度的測定 黑莓濃漿的細(xì)度決定了飲品的口感,粒度越細(xì)口感也就越滑爽,因此,可用濃漿的細(xì)度大小近似代表產(chǎn)品的口感好壞。取濃漿樣品約10mL,放入盛有純凈水的粒度儀測試專用燒杯中,混合攪拌并搖勻,粒度儀分散頭的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為2200r/min。稍候片刻,待黑莓濃漿在純凈水中完全分散均勻之后,儀器的系統(tǒng)分析軟件會自動以表格和圖像的形式將黑莓濃漿的粒度分布及體積平均粒徑D[4,3]顯示出來[10]。

1.2.8.2 靜置穩(wěn)定性觀察 黑莓濃漿中含不溶性物質(zhì)時(shí),由于其密度與液體密度不同,在重力作用下,這些不溶性的物質(zhì)會逐漸沉淀。取粉碎后的漿液約20mL,放入不同的試管中,靜置于恒定溫度(10℃)的環(huán)境下,定時(shí)觀察各個試管的沉淀高度,比較不同工藝條件下黑莓濃漿的穩(wěn)定性。

1.2.8.3 沉淀率的測定 果汁類飲品中原輔料的配比和加工工藝過程都是造成沉淀的重要原因,如何解決沉淀問題成為研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。以沉淀率為評價(jià)指標(biāo),根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算各種不同工藝條件下黑莓濃漿的沉淀率。準(zhǔn)確稱取一定量的樣品溶液(約20mL),放入離心試管中,離心機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)速為1000r/min,離心10min后去除上清液,準(zhǔn)確稱取沉淀質(zhì)量,計(jì)算沉淀率,公式如下[11]:

沉淀率(%)=沉淀質(zhì)量/樣品溶液質(zhì)量×100

式(1)

1.2.8.4 粘度的測定 采用數(shù)顯粘度計(jì),選用3#轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)速6r/min,在10℃的恒溫環(huán)境下,測定不同工藝條件下黑莓濃漿的粘度[12]。

1.2.8.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 為了研究操作參數(shù)的變化與濃漿的靜置穩(wěn)定性、粒度、粘度和沉淀率變化之間的關(guān)系,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制曲線圖,通過計(jì)算數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差繪制各條曲線的誤差線,最后計(jì)算出不同操作參數(shù)和濃漿各種指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)r,公式如下[13]:

式(2)

其中,n為樣品的數(shù)量,x、y為不同的變量。|r|=1時(shí),為完全相關(guān),r=+1為完全正相關(guān),r=-1為完全負(fù)相關(guān);r=0時(shí),不存在線性相關(guān)關(guān)系;-1≤r<0時(shí),為負(fù)相關(guān);0

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 剪切機(jī)的靜刀片齒數(shù)對黑莓濃漿穩(wěn)定性的影響 剪切機(jī)的靜刀片齒數(shù)分別為180、200、206、216、222個時(shí),數(shù)據(jù)如圖1所示,粉碎機(jī)齒數(shù)和靜置穩(wěn)定性之間的相關(guān)系數(shù)r1h=0.859,r6h=0.985,r20h=-0.960,在開始階段,隨著時(shí)間的增加,濃漿的穩(wěn)定性跟齒數(shù)變化呈現(xiàn)正相關(guān),并且相關(guān)性逐漸緊密。隨著剪切機(jī)齒數(shù)的增加,曲線的斜率逐漸減小,反映了濃漿的沉淀速度減慢。20h后呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),且濃漿趨于穩(wěn)定,最終不同樣品的沉淀高度也有所不同。采用180齒剪切機(jī)加工的濃漿開始沉淀速度最快,最終沉淀高度最高,而222齒開始沉淀速度最慢,最終沉淀高度比216齒略高一點(diǎn)。分析原因是由于齒數(shù)少、粒度大,開始時(shí)顆粒重量較大,因此沉淀速度較快,靜置后所占體積也較大,因此沉淀高度最高,相反齒數(shù)多的剪切機(jī)粉碎的濃漿粒度較小,沉淀速度較慢,最終就由于顆粒體積小,沉淀高度低。隨著濃漿粒徑繼續(xù)減小,顆粒間產(chǎn)生了一定的團(tuán)聚現(xiàn)象,致使222齒最終的沉淀高度略高于216齒。

圖1 不同靜刀片齒數(shù)對濃漿穩(wěn)定性的影響 Fig.1 The influence of different number of static blades on the stability of the BlackBerry pulp

2.1.2 剪切機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對黑莓濃漿穩(wěn)定性的影響 剪切機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為4000、6000、7500、8500、9000r/min時(shí),數(shù)據(jù)如圖2所示,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和靜置穩(wěn)定性之間的相關(guān)系數(shù)r1h=0.956,r6h=0.975,r20h=-0.97,開始階段,隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高,濃漿的穩(wěn)定性跟轉(zhuǎn)速變化呈現(xiàn)正相關(guān),并且相關(guān)性逐漸緊密,濃漿的初始沉淀速度逐漸降低,20h后呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),沉淀趨于穩(wěn)定,最終轉(zhuǎn)速為4000r/min時(shí),沉淀高度最高,8500r/min時(shí)沉淀高度最低。分析原因是由于,轉(zhuǎn)速越高,相同質(zhì)量的物料被剪切的次數(shù)就越多,濃漿粒度就越小,因此轉(zhuǎn)速為9000r/min時(shí)沉淀速度最慢,最終沉淀高度也較低。

圖2 不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對濃漿穩(wěn)定性的影響 Fig.2 The influence of different rotor speed on the stability of the BlackBerry pulp

2.1.3 粉碎循環(huán)次數(shù)的對黑莓濃漿穩(wěn)定性的影響 黑莓物料的粉碎循環(huán)次數(shù)分別為1、2、3、4、5次時(shí),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示,循環(huán)次數(shù)和靜置穩(wěn)定性之間的相關(guān)系數(shù)r1h=0.866,r6h=0.99,r20h=-0.935,開始階段,濃漿的穩(wěn)定性跟循環(huán)次數(shù)變化呈現(xiàn)正相關(guān),并且相關(guān)性逐漸緊密,隨著循環(huán)次數(shù)增加,初始沉淀速度減慢,沉淀高度越來越低,20h后呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),并趨于穩(wěn)定,當(dāng)循環(huán)次數(shù)為4次時(shí),樣品的沉淀高度最低,穩(wěn)定性最好,繼續(xù)增加循環(huán)次數(shù)則沉淀高度略有升高。分析原因是由于隨著粉碎循環(huán)次數(shù)的增加,一方面物料被切割次數(shù)增加,粒度減小,另一方面在多次循環(huán)粉碎的作用下,物料在粉碎過程中吸收了大量的機(jī)械能和熱能,使較細(xì)的顆粒表面具有相當(dāng)高的表面活化能,粒子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。顆粒為了降低這些能量使其趨于穩(wěn)定,往往通過相互聚攏來達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此顆粒間團(tuán)聚,粒徑變大,沉淀高度升高。

圖3 不同粉碎循環(huán)次數(shù)對濃漿穩(wěn)定性的影響 Fig.3 The influence of different number of grinding cycles on the stability of the BlackBerry pulp

2.2 操作參數(shù)變化對濃漿各項(xiàng)指標(biāo)影響的分析

圖4反映了操作參數(shù)變化與濃漿粒度變化之間的曲線圖。由圖中數(shù)據(jù)可得出它們之間的相關(guān)系數(shù)r齒數(shù)=-0.997,r轉(zhuǎn)速=-0.996,r循環(huán)次數(shù)=-0.991,因此齒數(shù)變化和粒度變化的關(guān)系最密切,也就是影響最大,其次是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,最小的是粉碎循環(huán)次數(shù),并且均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),及隨著齒數(shù)、轉(zhuǎn)速和粉碎循環(huán)次數(shù)的增加,粒度逐漸減小。

圖4 操作參數(shù)變化對濃漿粒度的影響 Fig.4 The influence of different mainly process parameters on the particle size of the pulp of BlackBerry

圖5反映了操作參數(shù)變化與濃漿粘度變化之間的曲線圖,由圖中數(shù)據(jù)可得出操作參數(shù)變化與濃漿粘度之間的相關(guān)系數(shù)r齒數(shù)=0.981,r轉(zhuǎn)速=0.978,r循環(huán)次數(shù)=0.972,因此齒數(shù)變化和濃漿粘度變化的關(guān)系最密切,也就是影響最大,其次是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,最小的是粉碎循環(huán)次數(shù),并且均呈現(xiàn)正相關(guān),即隨著齒數(shù)、轉(zhuǎn)速和粉碎循環(huán)次數(shù)的增加,濃漿粘度逐漸增大。由圖中曲線的末端可以看出隨著齒數(shù)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的持續(xù)增加,濃漿的粘度有一定程度的下降,分析原因是由于黑莓顆粒過小,產(chǎn)生了團(tuán)聚現(xiàn)象,使?jié)鉂{粒徑變大,粘度降低。

圖6反映了操作參數(shù)變化與濃漿沉淀率變化之間的曲線圖,由圖中數(shù)據(jù)可得出操作參數(shù)變化與濃漿沉淀率之間的相關(guān)系數(shù)r齒數(shù)=-0.973,r轉(zhuǎn)速=-0.964,r循環(huán)次數(shù)=-0.956,因此齒數(shù)變化對濃漿沉淀率的影響最大,其次是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,最小的是粉碎循環(huán)次數(shù),并且均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),及隨著齒數(shù)、轉(zhuǎn)速和粉碎循環(huán)次數(shù)的增加,濃漿的沉淀率逐漸減小。在各條曲線的最后階段濃漿的沉淀率都略有上升,其原因也是由于黑莓濃漿的顆粒過小產(chǎn)生了團(tuán)聚現(xiàn)象,使沉淀率有所提高。

圖5 操作參數(shù)變化對濃漿粘度的影響 Fig.5 The influence of different process parameters on the viscosity of the pulp of BlackBerry

圖6 操作參數(shù)變化對濃漿沉淀率的影響 Fig.6 The influence of different process parameters on the rate of deposition of the pulp of BlackBerry

2.3 產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)

通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析表明,當(dāng)剪切機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為8500r/min,靜刀片齒數(shù)為216個,粉碎循環(huán)4次時(shí),黑莓濃漿飲品的粒度為87.494μm,粘度為398MPa·s,沉淀率為21.83%,所得產(chǎn)品靜置后的最終沉淀高度為69mm,為所有樣品中的最低值。因此,采用此工藝生產(chǎn)的濃漿飲品其粘度、沉淀率、粒度和靜置穩(wěn)定性都較佳。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用高效剪切技術(shù)加工新鮮黑莓全果,研制出一種黑莓濃漿飲品,通過觀察黑莓濃漿的靜置穩(wěn)定性以及測量濃漿的粒度、粘性、沉淀率等,研究了主要工藝操作參數(shù)對濃漿的影響。結(jié)果表明:剪切機(jī)的靜刀片齒數(shù)對濃漿的粒度、粘性和穩(wěn)定性影響最大,其次是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,影響最小的是粉碎循環(huán)次數(shù),當(dāng)剪切機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)置為8500r/min,靜刀片齒數(shù)為216,粉碎循環(huán)4次時(shí),濃漿的各項(xiàng)指標(biāo)都較好。本研究初次將剪切技術(shù)應(yīng)用與黑莓全果的制漿中,僅從工藝的角度對濃漿的粒度、粘性和穩(wěn)定性做了分析,今后還需對濃漿飲品的可溶性固形物含量、營養(yǎng)價(jià)值分析、產(chǎn)品接受程度等方面進(jìn)行深入的分析與研究。本次實(shí)驗(yàn)得到的濃漿產(chǎn)品,其細(xì)度可達(dá)87μm,完全可以滿足生產(chǎn)實(shí)際需求,不僅可以作為鮮榨果汁直接飲用,也可為進(jìn)一步的深加工提供更優(yōu)的選擇,各項(xiàng)工藝操作參數(shù)對濃漿粘度和穩(wěn)定性的影響也可為生產(chǎn)過程提供相關(guān)數(shù)據(jù)參考,為新鮮黑莓的加工全利用提供更新、更好、更有效的加工方法。

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