趙龍等

摘要：以南京白馬地區(qū)大量種植的黑莓為研究對象，采用高效超細(xì)濕法粉碎技術(shù)，對黑莓鮮果全利用加工技術(shù)進(jìn)行研究，分析黑莓物料的特性及其斷裂粉碎機(jī)理，提出對黑莓物料較為有效的粉碎方式為剪切粉碎，并利用JM系列膠體磨和自主研制的高速切割粉碎機(jī)，對新鮮黑莓進(jìn)行粉碎試驗，采用粒度儀分析黑莓全果在不同設(shè)備和不同操作參數(shù)下粒度分布情況。研究結(jié)果表明，采用高速切割粉碎機(jī)在動刀頭轉(zhuǎn)速為9 000 r/min、靜刀片齒數(shù)為222個、粉碎3次時，黑莓全果被粉碎的平均粒徑為83 μm左右，此時生產(chǎn)的黑莓濃漿細(xì)度最佳、效率最高，符合生產(chǎn)實際的需求。

關(guān)鍵詞：超細(xì)粉碎；黑莓全果；高速切割；制漿技術(shù)；粒度分析

中圖分類號： TS255.36 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）03-0206-04

黑莓又名美國塔斯洲黑樹莓、美國赫爾黑莓，原產(chǎn)于北美，1986年由位于南京的江蘇省中國科學(xué)院植物研究所首次引入我國[1]。黑莓屬薔薇科懸鉤子屬藤本植物，以“高營養(yǎng)、高抗性、無污染、純天然”等特點被聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）推薦為當(dāng)今國際第3代新型特種漿果類品種[2]。果實為聚合果，單果質(zhì)量6～10 g，成熟果實呈紫紅色，透亮晶瑩，柔嫩多汁，酸甜爽口。黑莓鮮果營養(yǎng)豐富，可溶性固形物、總糖、總酸、糖酸比、粗蛋白、維生素、礦物質(zhì)和氨基酸含量分別為75%、5.13%、1.36%、3.77、1.70%、1.246 mg/kg、16.865 mg/kg、82.90 mg/kg[3]，含水量高達(dá)855%，可制成果汁飲料、果醬、糖水罐頭、干紅酒、冷飲和糕點等，加工后大部分營養(yǎng)成分可以得到保留。

黑莓屬于加工型水果。黑莓產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)成為南京市溧水區(qū)農(nóng)業(yè)五大支柱產(chǎn)業(yè)之一，是全省最大的黑莓標(biāo)準(zhǔn)化示范園，被譽(yù)為“中國黑莓之鄉(xiāng)”。黑莓產(chǎn)量的增加能否促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，很大程度上決定于加工品的開發(fā)。目前，江蘇省黑莓加工產(chǎn)品主要是果汁飲料和糖水罐頭。黑莓加工存在不少問題，以加工黑莓汁為例，黑莓原料含水量大、黏稠度高、韌性強(qiáng)，若烘干后再進(jìn)行粉碎或采取傳統(tǒng)的濕法粉碎設(shè)備進(jìn)行粉碎加工，存在產(chǎn)量低、磨損大、能耗高、品質(zhì)低、污染嚴(yán)重等一系列問題，同時會產(chǎn)生大量的廢棄物——黑莓渣，生產(chǎn)1 t黑莓汁將產(chǎn)生大約250 kg的渣。殘渣中含有大量花色苷等多酚類化合物，對黑莓渣進(jìn)行開發(fā)和利用，不僅能夠減少環(huán)境污染和資源浪費，而且能大大提高產(chǎn)品的附加值。

從黑莓粉碎后粒徑和口感等角度出發(fā)，探究濕法粉碎設(shè)備中膠體磨和高速切割粉碎機(jī)的粉碎機(jī)理，比較2種濕法粉碎設(shè)備在不同操作參數(shù)下對黑莓全果粉碎效果的影響，以探究采用超細(xì)粉碎機(jī)工業(yè)化處理黑莓全果的可能性，為充分利用黑莓這一季節(jié)性強(qiáng)、產(chǎn)量大的農(nóng)產(chǎn)品提供有力的支持[4-7]。

1 黑莓物料特性與粉碎機(jī)理分析

1.1 黑莓物料特性

黑莓鮮果中纖維物質(zhì)的含量是其他水果的3倍多[8]，而纖維素化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有許多親水基團(tuán)，再加上植物纖維具有非常復(fù)雜的線性結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，物料也就具有了良好的持水性[9-10]。纖維素在水中浸泡后會具有很強(qiáng)的韌性，這使得纖維物料具有較高的抵抗變形和吸收沖擊的能力，因此，黑莓經(jīng)粗破碎以后會產(chǎn)生大量的皮渣（圖1）。

1.2 物料粉碎機(jī)理

對纖維素有效的粉碎方式為拉應(yīng)力、剪應(yīng)力以及研磨力的綜合作用。在研磨力的作用下，植物纖維材料便會受到破壞，而拉應(yīng)力和剪切力則會使材料斷裂細(xì)化。在實際生產(chǎn)中，用于纖維物料粉碎的設(shè)備必須能夠保證機(jī)器在實際運行的過程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和研磨力[11]。若要產(chǎn)生如此強(qiáng)大的綜合力場，較為有效的方法是將粉碎機(jī)的的關(guān)鍵部件刀頭制作成如圖2所示的結(jié)構(gòu)，要加工的物料從動刀頭、定刀片之間的微細(xì)間隙流動，在機(jī)械力、流體力學(xué)效應(yīng)的綜合作用下，產(chǎn)生很大的剪切力、摩擦力、撞擊力等，物料運送過程中纖維被切斷，此種狀態(tài)下刀刃對物料的粉碎以剪切力為主，剪切效果良好。由于具有多把定刀片和動刀頭，從而使纖維物料在受到多次循環(huán)剪切的作用下被逐漸細(xì)化，達(dá)到粉碎的效果。因此，在對黑莓物料進(jìn)行粉碎制漿的時候，應(yīng)結(jié)合物料的特性選擇合理的粉碎方式，使粉碎效率最高、產(chǎn)品細(xì)度最好[12]。

2 濕法粉碎機(jī)理

2.1 膠體磨粉碎機(jī)理

膠體磨作為一種超微濕法粉碎加工設(shè)備，自20世紀(jì)70年代末進(jìn)入我國以來，已廣泛應(yīng)用在食品加工中。膠體磨又名分散磨（colloid or dispersion mill），其磨頭主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，兩者之間有一個帶有微小間隙的接觸面，工作時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動形成一個強(qiáng)大的離心空間，在重力作用下，被加工物料被吸入膠體磨的粉碎腔內(nèi)，在轉(zhuǎn)子離心力的作用下，物料被強(qiáng)制性通過定轉(zhuǎn)子之間的微小間隙，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，黏附在旋轉(zhuǎn)面上的物料速度最大，而在定子上的物料相對于轉(zhuǎn)子而言是靜止的，其間便產(chǎn)生了較高的速度梯度，這對具有一定黏度流動的物料產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力。膠體磨定轉(zhuǎn)子原理如圖3所示[13]。

膠體磨在工作過程中，可在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)對黏稠物料的固形物進(jìn)行超微粉碎，并兼有混合、乳化、均質(zhì)等作用。膠體磨機(jī)器結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，占地面積較??；但是由于膠體磨定子和轉(zhuǎn)子磨體之間的間隙極小、工作部分面積較大，加工精度雖然提高但易磨損。另外，由于結(jié)構(gòu)的原因，膠體磨的處理量非常有限，需要采用強(qiáng)制喂料裝置才能保證物料的順暢流動。

2.2 高速切割粉碎機(jī)的粉碎機(jī)理

基于高速切割粉碎技術(shù)而開發(fā)的粉碎機(jī)來源于美國食品機(jī)械行業(yè)[14]，主要用于對食品類物料的粉碎、分散和均質(zhì)等，特別是對流動性較好的黏稠狀物料，具有高效的磨碎效果。高速切割粉碎機(jī)采用漸次剪切原理，使產(chǎn)品一次性通過靜止的粉碎切割頭，粉碎效果較好且顆粒均勻，較傳統(tǒng)濕法粉碎方式而言產(chǎn)量也較高，該技術(shù)關(guān)鍵在于精密配合的粉碎切割頭部件與高速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的葉輪轉(zhuǎn)子。

高速切割粉碎機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4所示。黑莓原料在轉(zhuǎn)子形成的強(qiáng)大吸力和物料重力的綜合作用下，被吸進(jìn)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪中央?yún)^(qū)域，在電動機(jī)和葉輪離心力的驅(qū)動下，以極高速度撞擊在粉碎切割頭靜刀片露出的鋒利切割邊緣上。動刀頭和靜刀片在運動的過程中，上動刀片的切割邊緣與粉碎切割頭靜刀片的切割邊緣恰似剪刀的2個刃口，黑莓瞬時受到強(qiáng)剪切力的作用，植物纖維就像剪刀剪棉紗一樣被剪斷。由于定子中安裝的靜刀片數(shù)量很多，在葉輪高速旋轉(zhuǎn)的過程中，切割也在持續(xù)地進(jìn)行，從而使黑莓物料被漸次切割粉碎，粉碎后的產(chǎn)品顆粒從靜刀片之間的極小間隙強(qiáng)制排出，由于葉輪的轉(zhuǎn)速極高，黑莓物料在粉碎腔內(nèi)只能停留很短的時間。該設(shè)備各個刀片對物料的切割量穩(wěn)定，具有粉碎速度快、粉碎后產(chǎn)品粒度大小均勻等特點[15-16]。

3 材料與方法

3.1 試驗材料

新鮮黑莓，由南京市溧水區(qū)白馬鎮(zhèn)提供。

3.2 試驗設(shè)備及儀器

TCS-100型電子計價臺秤，永康市香海衡器廠生產(chǎn)；JM60型膠體磨，上海田崗機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)；QDWⅠ3000-18型臥式濕法粉碎機(jī)，無錫輕大食品裝備有限公司生產(chǎn)；QDGX-15型高速切割粉碎機(jī)，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；激光粒度分析儀Mastersizer2000，英國馬爾文儀器有限公司生產(chǎn)。

3.3 設(shè)備參數(shù)設(shè)置

JM60型膠體磨：間隙為110 μm左右（低于110 μm時，黑莓物料通過機(jī)器流動較困難），轉(zhuǎn)速為3 000 r/min（最高轉(zhuǎn)速），粉碎試驗次數(shù)分別采取1次、2次和3次。

QDGX-15型高速切割粉碎機(jī)：靜刀片數(shù)量分別為206個、216個和222個，轉(zhuǎn)速分別選取6 000、7 500、 9 000 r/min，粉碎試驗次數(shù)分別采取1次、2次和3次。

激光粒度分析儀：黑莓顆粒折射率為1.500，吸收率為 1.000，分散劑為純凈水，分散劑折射率為1.330，粒度分析軟件為Mastersizer2000自帶配套軟件。

3.4 試驗方法

按圖5所示步驟進(jìn)行：稱取約20 kg的新鮮黑莓，去除雜質(zhì)，洗凈晾干，放入QDWⅠ3000-18型臥式濕法粉碎機(jī)中進(jìn)行粗破碎，得到具有一定流動性的黑莓濃漿；將粗破碎后的黑莓漿液等分為13份，分別予以編號，取其中4份分別放入JM60型膠體磨和配備不同齒數(shù)的高速切割粉碎機(jī)中進(jìn)行多次粉碎試驗，分別取粉碎1次、2次和3次后的黑莓樣品用激光粒度儀分析測試，以體積平均粒徑作為濃漿的考察指標(biāo)；將其余9個樣品進(jìn)行L9（33） 正交試驗（表1）[17]，并作粒度測試，以研究高速切割粉碎機(jī)粉碎次數(shù)、動刀頭轉(zhuǎn)速、靜刀片數(shù)量對黑莓全果粉碎細(xì)度的影響。

3.5 基本指標(biāo)測定

選取在不同操作參數(shù)下粉碎的黑莓濃漿約10 mL，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2 200 r/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顯示黑莓濃漿的粒度分布及體積平均粒徑。

4 結(jié)果與分析

4.1 膠體磨和高速切割粉碎機(jī)多次粉碎試驗結(jié)果

膠體磨轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 r/min，高速切割粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速均為9 000 r/min。由圖6、圖7可見，用不同加工設(shè)備粉碎黑莓全果，隨著粉碎次數(shù)的增加，粒度都呈減小趨勢，但當(dāng)粉碎3次以后，曲線斜率降低，粉碎次數(shù)增加對粒度的影響變小。這是因為在粉碎初期，用QDWⅠ3000-18型臥式濕法粉碎機(jī)粗破碎后的黑莓粒徑在498 μm左右，大顆粒較多，經(jīng)過初次粉碎后，黑莓漿料的粒度變化較明顯，隨著顆粒的減小，受到定子與轉(zhuǎn)子間隙和轉(zhuǎn)速等條件的限制，較細(xì)的黑莓漿料難以受到更強(qiáng)烈的粉碎，其能耗的提高得不到應(yīng)有的粉碎效果。膠體磨隨著粉碎次數(shù)的增加，黑莓濃漿的粒度會有一定程度的變化，粉碎4次后，其體積平均粒度為136.228 μm，低于高速切割粉碎機(jī)不同配置同樣粉碎次數(shù)的粉碎細(xì)度。高速切割粉碎機(jī)以靜刀片數(shù)量為222個粉碎效果最好，在同樣粉碎次數(shù)下粉碎粒度最細(xì)。

試驗結(jié)果還表明，采用功率相同的設(shè)備粉碎約4 kg相同質(zhì)量的黑莓物料，在保證正常生產(chǎn)條件下，膠體磨單次粉碎需要20 s，產(chǎn)量推算為720 kg/h，配備222齒的高速切割粉碎機(jī)單次粉碎需要12 s，產(chǎn)量推算為1 200 kg/h，膠體磨粉碎時間相對較長。這是由于部分物料在多次粉碎條件下，在膠體磨的粉碎腔內(nèi)停留時間延長，受到定轉(zhuǎn)子研磨的次數(shù)增加。因此，采用高速切割粉碎機(jī)加工黑莓全果，效率較高，產(chǎn)量較大，更適合工業(yè)化大生產(chǎn)，膠體磨只適合于實驗室多次研磨細(xì)化

黑莓全果之用，不適合工業(yè)化大批量處理黑莓。

須注意的是，試驗發(fā)現(xiàn)，膠體磨粉碎黑莓全果過程中，物料用量過大會直接影響機(jī)器的正常運行，造成轉(zhuǎn)子卡死；隨著粉碎次數(shù)的增加，能耗增加，物料的溫度也明顯升高，會直接影響黑莓濃漿的品質(zhì)。

4.2 高速切割粉碎機(jī)粉碎正交試驗結(jié)果

由表2可知，在不同粉碎次數(shù)、動刀頭轉(zhuǎn)速和靜刀片數(shù)量的配比下，黑莓全果粉碎后的細(xì)度有所差異。由極差分析可知，對細(xì)度影響的主次順序為：動刀頭轉(zhuǎn)速（A）>靜刀片數(shù)量（B）>粉碎次數(shù)（C），其最佳因素組合為A3B1C3，即動刀頭轉(zhuǎn)速9 000 r/min、靜刀片數(shù)量為222個、粉碎次數(shù)為3次。在最佳工藝水平條件下重復(fù)3次試驗，馬爾文粒度儀測試后的粒度分布如圖8所示，黑莓全果粉碎后粒度在（83±3） μm，誤差范圍較小，符合生產(chǎn)實際的需求。

5 小結(jié)與討論

研究結(jié)果表明，膠體磨和高速切割粉碎機(jī)對黑莓全果的粉碎加工都有一定的作用，在一定程度上都能實現(xiàn)對黑莓鮮果的全利用，但是，并非2種設(shè)備都適合工業(yè)化生產(chǎn)中對黑莓全果的加工。新鮮黑莓經(jīng)膠體磨單次循環(huán)粉碎后粒徑為206.849 μm，處理量約為720 kg/h；經(jīng)配備222齒的高速切割粉碎機(jī)單次粉碎后粒徑為121.773 μm，處理量約為 1 200 kg/h，無論在細(xì)度上、產(chǎn)量上還是能耗上，高速切割粉碎機(jī)都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

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