李延華 王偉軍 郭 亮 邵志鵬 張婷婷
(浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1,杭州 310018) (浙江一鳴食品股份有限公司2,溫州 325000)
粉末結(jié)塊現(xiàn)象是食品行業(yè)普遍存在的瓶頸問題。粉末結(jié)塊可以被看作是粉末顆粒的聚集,將易自由流動的粉末轉(zhuǎn)化為塊狀物質(zhì),當(dāng)壓力很大時塊狀物質(zhì)會很容易地破裂,變成不可逆的顆粒[1]。儲藏環(huán)境和機(jī)械條件對食品粉末的轉(zhuǎn)化有很大影響。在某些情況下,一種物質(zhì)可能會吸濕性很強(qiáng),甚至?xí)l(fā)生潮解。目前,食品粉末的結(jié)塊和潮解是導(dǎo)致其功能性和低質(zhì)量的重要原因[2]。食品粉末結(jié)塊是一個極具挑戰(zhàn)性的問題。
在理解食品粉末的結(jié)塊傾向時,主要涉及機(jī)械類、化學(xué)類、塑料流型、電類等四大方面內(nèi)容,內(nèi)聚力、彈性、屈服應(yīng)力、無定形含量、吸濕性、粒徑等許多因素都不可避免地影響結(jié)塊行為,溫度、濕度、應(yīng)力、應(yīng)變率、振動等外部因素也可能對結(jié)塊產(chǎn)生很大的影響,這使得很難可靠地預(yù)測粉末結(jié)塊的行為[1]。因此,探究食品粉末顆粒間的相互作用,跟蹤評定顆粒中晶體固體的轉(zhuǎn)化過程對有效控制粉體的結(jié)塊現(xiàn)象具有重要意義。
食品粉體可能會經(jīng)歷各種不同的顆粒間力,根據(jù)力的相對大小,從最強(qiáng)到最弱順序為:實心橋、液橋、范德華力、靜電力和磁性[3]。然而,這些力不可能自發(fā)地導(dǎo)致結(jié)塊,通常情況下,在外在因素的干預(yù)下,范德華力、靜電力和液體橋等力可以使食品粉體粒子發(fā)生接觸,導(dǎo)致彈性變形、塑性變形、表面粗糙度、固體橋形成等現(xiàn)象發(fā)生。
范德華力有不同的類別,特定的范德華力是由于分子與永久偶極子的相互作用,色散力是由電子隨機(jī)漲落產(chǎn)生分子內(nèi)部局部極化引起的,這些瞬態(tài)的和誘導(dǎo)的力被認(rèn)為是非特定的相互作用[4]。
食品顆粒沉積加上容器壁上的空氣,可能產(chǎn)生靜電力促進(jìn)粉末的粉化。然而,幾乎沒有證據(jù)表明靜電力對粉末結(jié)塊起著重要的長期作用。一個可能的解釋是:部分顆粒之間的潛在差異與結(jié)塊所需的時間相比,粒子之間的勢差消散得比較快。然而,在電場的存在下,由于電夾持現(xiàn)象,粒子間的黏附性很強(qiáng)[5]。另一方面,雖然塊狀物的強(qiáng)度通常相對較弱,但電結(jié)塊被認(rèn)為是可能導(dǎo)致結(jié)塊的一種可能機(jī)制。例如,機(jī)械應(yīng)力的作用會導(dǎo)致晶體中的電荷極化,即所謂的壓電效應(yīng),由于加熱或冷卻結(jié)晶物料而產(chǎn)生電荷極化,從而促進(jìn)結(jié)塊,熱釋電結(jié)塊也會發(fā)生。最后,當(dāng)晶體置于電場中時,可能會發(fā)生鐵電結(jié)塊。
液體在散裝食品粉末結(jié)塊中起著關(guān)鍵作用,可能是由于蒸汽凝結(jié)而在顆粒間存在。毛細(xì)血管現(xiàn)象是導(dǎo)致顆粒結(jié)塊形成的一種初始機(jī)制,目前已有許多研究探討了團(tuán)聚體強(qiáng)度與顆粒間力的關(guān)系[6]。液體橋間的靜態(tài)力會隨著粒子的分離而變化。當(dāng)兩粒子分開時,力會受到液體黏度和分離率的影響。此外,當(dāng)粒子分離時,液體可能會從薄膜注入橋中,從而增加了橋的體積[7]。
顆粒間的接觸力學(xué)是考慮塊狀粉末轉(zhuǎn)變時不容忽視的一個重要領(lǐng)域。不管最初結(jié)合粒子的機(jī)制是什么,關(guān)鍵是影響粒子間力的參數(shù)是接觸面積的大小。顆粒在彈性或塑性上都可能變形,這意味著粒子將各自地完全恢復(fù)或永久變形。此外,還應(yīng)考慮顆粒粗糙度的作用。
當(dāng)施加的應(yīng)力消除后,彈性變形的粒子就會完全恢復(fù)。然而,這一說法的例外是:當(dāng)彈性變形的表面在相當(dāng)長的時間內(nèi)接觸時,由于分子重排而形成的接觸永久鍵,這種結(jié)合方式很可能產(chǎn)生弱的結(jié)塊,因為彈性變形接觸有足夠的殘余彈性應(yīng)變能。如果接觸發(fā)生塑性變形,材料將無法完全恢復(fù),這將導(dǎo)致更高的接觸面積和更高的附著力,可能導(dǎo)致結(jié)塊的形成。當(dāng)接觸應(yīng)力大于食品粉體的屈服應(yīng)力時,接觸會發(fā)生塑性變形。塑性變形的程度不一定是顯著的,它會導(dǎo)致塊體粉末強(qiáng)度的急劇增加[8]。應(yīng)該注意的是:較小的粒子更容易發(fā)生塑性變形。這是由于顆粒之間的黏著力與顆粒直徑(d)成正比;然而,接觸面積與d4/3成正比,因此,接觸面積以比黏著力更快的速度減小。
食品粉末顆粒的一個有趣的特點是:其表面不是非常光滑的,而是凹凸不平的,這將影響顆粒與顆粒之間的相互作用。表面粗糙度的另一個特征是表面凹凸不平會影響接觸和毛細(xì)凝結(jié)處的應(yīng)力。Landi等[9]認(rèn)為即使是相對光滑的玻璃微珠,水也主要凝結(jié)在顆粒粗糙的表面,影響顆粒間的毛細(xì)管力。如果冷凝液在相對濕度較高的情況下吞沒表面,則可以通過減小范德華引力的影響來改變接觸的方式,這將導(dǎo)致黏著由液體橋主導(dǎo)為主[10]。因此,散粒體轉(zhuǎn)變時表面粗糙度的影響不容忽視。
固體橋形成非常強(qiáng)的粒子間相互作用,這些相互作用對于形成食品塊狀粉末至關(guān)重要。固體橋形成一個連續(xù)的固體連接,可以產(chǎn)生許多機(jī)制,包括燒結(jié)、熔化-凝固、溶解-結(jié)晶、化學(xué)反應(yīng)和黏合劑的固化。
顆粒的聚結(jié)是由系統(tǒng)驅(qū)動的,它通過減小表面積來最小化表面自由能。顆粒間接觸時間和外加應(yīng)力是導(dǎo)致固體橋燒結(jié)的重要參數(shù)[11]。在彈性接觸中燒結(jié)是可能的,當(dāng)變形抗力為彈性時,平衡接觸尺寸是粘著力和彈性回復(fù)力之間的平衡。然而,彈性燒結(jié)結(jié)塊并不是推動結(jié)塊形成的主要機(jī)制之一。原因是塑性變形引起的接觸面積比彈性系統(tǒng)大。因此,塑性變形引起的燒結(jié)在結(jié)塊中更為重要。塑性接觸區(qū)的發(fā)展被假定是瞬時的,但是在某些情況下,由于顆粒的黏性流動,接觸可能會隨著時間的推移而發(fā)展。當(dāng)顆粒結(jié)合時,會導(dǎo)致塊狀粉末的不可逆致密化。黏性接觸是常見的非晶態(tài)粉末,高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度;由于接觸黏度降低(即分子遷移率增加)。穩(wěn)定附聚物的存在可以抵抗黏性流動,粉體系統(tǒng)中的殘余應(yīng)力會促進(jìn)結(jié)塊形成。此外,在結(jié)塊形成過程中也存在固相擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、表面擴(kuò)散、氣相輸運(yùn)和液相輸運(yùn)五種擴(kuò)散機(jī)制(圖1)。
圖1 晶體顆粒燒結(jié)擴(kuò)散機(jī)制示意圖
通常固體橋是由于原粉末中的可溶成分所致,液體橋之間存在的顆粒和液體含有溶質(zhì)的物質(zhì)可能是溶質(zhì)凝固時產(chǎn)生液體蒸發(fā)的固體橋。例如:研究發(fā)現(xiàn)由于乳糖溶于水而導(dǎo)致溶解和再結(jié)晶,從而促進(jìn)固體橋的形成,同時也發(fā)現(xiàn)碾磨促使吸濕性非晶體乳糖形成,更易結(jié)塊[12-13]。
在很多情況下,粉末會包含許多會影響系統(tǒng)結(jié)塊行為的復(fù)雜成分。Bika等[14]通過顆粒單軸壓縮實驗確定了黏結(jié)強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)各組分的相容性影響結(jié)塊物的強(qiáng)度。到目前為止,討論的焦點是形成仍處于平衡狀態(tài)的橋梁。然而,橋梁很可能會隨著時間的推移而發(fā)展。如Bagster[15]發(fā)現(xiàn)固定16周的糖類樣品在儲藏過程中,剪切強(qiáng)度隨儲藏時間的增加而增加,在儲藏30 d和儲藏80 d剪切強(qiáng)度分別達(dá)到最大值,分析原因為:由于微結(jié)晶度的存在,橋梁的強(qiáng)度下降。隨后,這些裂紋將“愈合”,剪切強(qiáng)度提高。
通過自由流動粉末的量對結(jié)塊程度進(jìn)行量化,該方法傾向于說明粉末是否已經(jīng)結(jié)塊,但沒有提供預(yù)測能力,從測試中獲得的信息已被減少到最低限度。這對大樣本的測試是不切實際的,特別是對于高價值的食品粉末物料。理想結(jié)塊實驗的屬性如下:1)提供黏結(jié)程度和強(qiáng)度的預(yù)測指示。2)通過適當(dāng)?shù)膬x器最大限度地提供有用的信息。3)通過仔細(xì)的參數(shù)控制,使隨機(jī)誤差最小化。4)使用最少數(shù)量的樣本。結(jié)塊測試是預(yù)測將來食品粉末是否會結(jié)塊的一種方法。加速結(jié)塊的挑戰(zhàn)是可能需要增加水分含量和/或溫度,或使用過大的壓縮力。因此,加速結(jié)塊可能導(dǎo)致錯誤的信息。快速測試應(yīng)允許預(yù)測結(jié)塊的傾向,同時保持在參數(shù)包絡(luò)內(nèi)的正常操作,采用加速結(jié)塊實驗來預(yù)測結(jié)塊需要相關(guān)物料的特性及其對水分含量和溫度變化的響應(yīng)。
各種機(jī)械測試方法可用于研究塊體粉末的流動行為,并可用于評價結(jié)塊性能。
2.1.1 剪切單元實驗
剪切單元實驗通常被用來研究粉末的結(jié)塊和流動行為,一般有三種主要的剪切測試:Jenike剪切、環(huán)狀剪切和Peschl剪切,后兩種是具有無限剪切應(yīng)變的旋轉(zhuǎn)裝置[16-17]。當(dāng)樣品處于壓縮應(yīng)力下時,控制環(huán)境室的溫度和相對濕度的使剪切單元成為預(yù)測結(jié)塊實驗的良好候選材料。
2.1.2 單軸壓縮實驗
單軸壓縮是用來形成一個柱狀的物料,并已被軸向壓縮。固結(jié)后,拆除圍墻,柱在其周長周圍處于無約束狀態(tài)。隨后,將載荷再施加到試樣上,以破壞時的實測應(yīng)力作為無約束屈服強(qiáng)度。Calvert等[18]基于單軸壓縮的環(huán)境結(jié)塊鉆機(jī)析了加速結(jié)塊過程,圖2為環(huán)境結(jié)塊鉆機(jī)的示意圖。該實驗通過粉末樣品滲濾,使樣品與理想的環(huán)境狀態(tài)快速平衡。粉末用自重壓實,結(jié)塊測試儀放置在環(huán)境控制室中,計算了粉末床入口溫度、出口溫度、相對濕度和壓實率。研究了高吸濕和潮解粉末的結(jié)塊傾向,指出結(jié)塊物強(qiáng)度與塊體變形程度呈線性關(guān)系。
圖2 環(huán)境結(jié)塊鉆機(jī)設(shè)置示意圖
2.1.3 拉伸實驗
Nikolakakis等[19]和Pierrat等[20]分別采用拉伸實驗研究了顆粒形狀及含水量對粉體結(jié)塊的影響。然而,由于在試件上施加拉伸載荷方面存在困難,該方法尚未得到廣泛應(yīng)用。
2.1.4 ICI結(jié)塊實驗
ICI黏結(jié)實驗可以消除高縱橫比單軸實驗機(jī)的缺點,該方法利用氣壓法生產(chǎn)結(jié)塊物,在等溫條件下放置實驗機(jī),用位移傳感器監(jiān)測結(jié)塊過程中試樣的收縮情況[20]。經(jīng)過壓縮后,測試器的頂蓋和試樣下面的圓形插頭被移除,樣品頂部的負(fù)載被重新施加,直到插頭被移開,發(fā)生這種情況的壓力與粉末結(jié)塊的程度有關(guān)[21]。通過ICI結(jié)塊實驗測量的蛋糕強(qiáng)度與環(huán)形剪切實驗機(jī)得到的流動函數(shù)值有很好的相關(guān)性[22]。
2.1.5 蠕變實驗
蠕變實驗可以分析貯存時間和環(huán)境條件對監(jiān)測樣品隨時間變化的結(jié)塊行為。結(jié)塊物厚度的在線測定可以通過壓力-位移測量來確定[23]。Walker等[21]發(fā)現(xiàn)粉末的強(qiáng)度與塑性蠕變引起的空隙率的降低成正比,并提出蠕變評價相對較快,可通過外推預(yù)測粉體的結(jié)塊行為,并認(rèn)為該方法適用于評價粉體物料的黏結(jié)傾向。
2.1.6 滲透實驗
Knight等[24]提出一種滲透實驗方法,該方法考慮了粉末的無約束屈服強(qiáng)度fc與實測力F和穿透深度d之間的關(guān)系。
(1)
式中:afc是一個常數(shù),與壓頭和粉末之間的動態(tài)摩擦系數(shù)和粉末的內(nèi)摩擦動態(tài)角有關(guān)。
對于一定范圍的粉末,在afc=1.4的條件下,與剪切單元實驗的無約束屈服強(qiáng)度測量值相比較,該方法對研究粉末的結(jié)塊性能有一定的應(yīng)用前景。Hassanpour等[25]提出了一種測定粉末滲透行為的改進(jìn)方法,如圖3所示。在該方法中,由壓頭直徑和侵徹深度計算,從材料的最大應(yīng)力比到投影面積之比,得到了代表材料流動應(yīng)力的體積塑性變形(硬度)。即使物料內(nèi)部散裝粉末尚未結(jié)塊,通過表面硬度的變化也可以很容易發(fā)現(xiàn)結(jié)塊的開始,具有快速檢測表面結(jié)塊開始的能力。
圖3 粉末物料壓痕硬度的幾何測量
2.1.7 粉末流變儀
粉末流變儀可以確定粉體在動態(tài)條件下的行為,并已被許多研究人員用于測量粉末的流動性[26-27]。Chavez等[28]使用粉末流變儀研究可可粉的結(jié)塊行為,并分析旋轉(zhuǎn)葉片向下時進(jìn)入黏結(jié)粉末所需的能量。
在食品工業(yè)采用常采用篩分替代實驗區(qū)分結(jié)塊的程度[29]。通常,自由流動的粉體物料會通過一個比本身結(jié)構(gòu)大的篩子孔,如果物料結(jié)塊,一定比例的物料則不會通過篩子,可以采用結(jié)塊指數(shù)來分析食品粉末的結(jié)塊行為。結(jié)塊指數(shù)實驗是以保留在篩子上的物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來進(jìn)行的。例如:采用篩分法對抗結(jié)塊添加劑性能進(jìn)行量化。Aguilera等[2]在研究結(jié)塊動力學(xué)時,對儲藏時間的影響進(jìn)行量化。然而,結(jié)塊指數(shù)實驗應(yīng)慎重對待,它快速、簡單,但不可能對不同材料的結(jié)塊指標(biāo)進(jìn)行比較。
吹氣儀可以測量乳粉的黏聚性和結(jié)塊,使用時粉末首先由空氣在一定濕度和溫度下進(jìn)行調(diào)節(jié),將空氣的沖擊射流引入到粉末表面,氣流速度逐漸增加,直到形成一個切斷通道。該方法與具有一定流速的粉末物料的黏結(jié)性或結(jié)塊物強(qiáng)度有關(guān)[30]。食品粉末在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上結(jié)塊往往與顆粒在接觸過程中的黏性流動有關(guān)。Downton等[31]對顆粒所需的黏度進(jìn)行探討,研究中在密封容器中攪拌果糖和蔗糖粉末,同時緩慢提高溫度,由于攪拌所需扭矩突然增加而產(chǎn)生黏性點,隨著含水量的增加,黏著力溫度急劇下降。此外,也可以用核磁共振方法和感官分析法研究食品粉末的結(jié)塊行為[32-33]。
食品粉末的結(jié)塊行為會隨時間發(fā)生變化,是一個動態(tài)過程,由于環(huán)境和機(jī)械條件的變化而變得復(fù)雜。目前,大多數(shù)研究都是基于不變的環(huán)境條件,通常忽略傳熱和傳質(zhì)的影響。然而,結(jié)塊的形成和結(jié)塊強(qiáng)度嚴(yán)重地受食品粉末內(nèi)或周圍環(huán)境中溫度和水分分布的影響。
在食品工業(yè)中非晶態(tài)粉末比較常見,以亞穩(wěn)態(tài)存在,在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上,非晶態(tài)粉末以類液體膠狀的形式存在;在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下,以一種剛性玻璃態(tài)存在。非晶態(tài)粉末中的分子具有移動性,顆粒存在黏性流動,粉末中水分的存在起到增塑劑的作用,降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[2]。在玻璃化溫度以下,食品粉末固體的黏度升高,分子的運(yùn)動受到限制。在玻璃化溫度以上,黏度急劇下降,同時,其他性質(zhì)也會發(fā)生變化,主要包括:自由分子體積增加,彈性模量和塑性模量降低,熱容量增加,熱膨脹系數(shù)增大,介電系數(shù)增大[34]。
復(fù)雜食品粉末中成分的微小變化可能導(dǎo)致最終產(chǎn)品發(fā)生較大的變化。Foster等[35]研究了脂肪對含有無定形乳糖乳粉的作用,發(fā)現(xiàn)如果顆粒表面存在足夠的脂肪,則會通過脂肪的再結(jié)晶導(dǎo)致結(jié)塊。Perez等[36]研究發(fā)現(xiàn)噴霧干燥豆奶中的高脂肪含量降低了流動性。相反,F(xiàn)itzpatrick等[37]證明脂肪的存在減少了非晶態(tài)材料結(jié)塊的傾向,因為疏水脂肪抑制了水毛細(xì)管的形成。這兩方面作用表明:結(jié)晶脂肪增加結(jié)塊現(xiàn)象發(fā)生的同時,其疏水性質(zhì)也會減少食品粉末的結(jié)塊行為,同時也給出了非晶態(tài)食品粉末結(jié)塊行為預(yù)測示意圖(見圖4)。
圖4 非晶態(tài)食品粉末結(jié)塊行為預(yù)測示意圖
目前,食品粉末結(jié)塊的研究重點主要集中在溶解和再結(jié)晶形成固體橋方面,關(guān)于結(jié)塊與傳熱和傳質(zhì)相關(guān)性的研究相對較少。然而,食品粉末結(jié)塊不僅受黏性流動或燒結(jié)的影響,溫度和水分也會發(fā)揮作用。因此,傳熱和傳質(zhì)在食品體系中尤為重要。Johanson等[38]研究了溫度循環(huán)對一系列可溶性物質(zhì)(包括食鹽和蔗糖)的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)樣品在密封容器中恒溫保存1.5 d時,鹽形成很強(qiáng)的塊狀物。這種轉(zhuǎn)變是由于水分的重新分配造成,直到達(dá)到平衡為止。鹽的結(jié)塊強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)呈線性增加。相反,蔗糖在一個周期后達(dá)到最大結(jié)塊強(qiáng)度。Cleaver等[39]發(fā)現(xiàn)結(jié)塊指數(shù)隨溫度循環(huán)次數(shù)在20~40 ℃之間呈穩(wěn)定上升趨勢,表明顆粒<250 μm時結(jié)塊范圍更廣,在密封容器中恒溫儲存時,結(jié)塊強(qiáng)度穩(wěn)定提高,分析原因為亞微米表面特征的優(yōu)先溶解,被稱為Ostwald結(jié)塊。
Tanaker[40]研究了氯化鈉結(jié)塊行為中結(jié)晶橋的形成,通過溶解固體和隨后從毛細(xì)管橋蒸發(fā)水而導(dǎo)出以下關(guān)系:
(2)
式中:b為再結(jié)晶固體橋最窄部分的半徑;R為粒子半徑;εc為再結(jié)晶橋的孔隙度;Cs為再結(jié)晶橋的飽和濃度。
式(2)建立了B/R與團(tuán)聚體抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系,使結(jié)塊強(qiáng)度得到充分發(fā)展,但該方法沒有考慮時間依賴性。Tardos等[41]研究蒸汽在粉末中的恒溫擴(kuò)散。一維擴(kuò)散方程用于計算水分分布和時間的函數(shù)。結(jié)果表明,吸水率對等溫線非常敏感,在相對濕度變化的窄范圍內(nèi),水吸附等溫線可視為是線性的,這也說明亨利定律是適用的。因此,可以得到擴(kuò)散方程的解析解,從而給出無量綱蒸汽相濃度φ的表達(dá)式。
(3)
式中:C為蒸汽相中的水濃度,下標(biāo)i對應(yīng)于時間t=0的初始濃度,以及濃度的最大值或參考值的下標(biāo);ζ為粉末表面以下的深度;Deq為定義系統(tǒng)物理特性的等效擴(kuò)散系數(shù)。
式(3)用于確定水分對粉末的滲透深度??諝庠跇悠分械臐B透是一種更有效的快速樣品平衡方法,這樣平衡達(dá)到的速度比空氣停滯時快一個數(shù)量級。在擴(kuò)散過程中,由于毛細(xì)管橋的作用,系統(tǒng)孔隙率可能發(fā)生變化,顆??赡軙蚪Y(jié)晶水而發(fā)生膨脹、非晶塌陷或相變。
Rastikian等[42]發(fā)現(xiàn):在儲糖筒倉內(nèi)的傳熱傳質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù)隨蔗糖含水量的增加呈指數(shù)增長,當(dāng)相對濕度超過80%時結(jié)塊,筒倉內(nèi)的區(qū)域被確定為具有結(jié)塊風(fēng)險,提出了防止蔗糖結(jié)塊的方法:墻的良好隔熱性能,足夠的空氣流量和不超過75%的空氣相對濕度。這項工作是基于通過系統(tǒng)的強(qiáng)制對流,不適用于擴(kuò)散轉(zhuǎn)移或自然對流存在的情況。Leaper等[43]研究認(rèn)為傳熱只在徑向進(jìn)行,是由周圍環(huán)境與壁面的溫差驅(qū)動的,提出利用溫度剖面作為預(yù)測固體水分含量和間隙空氣相對濕度的工具。Christakis等[6]遵循Leaper等提出的結(jié)論,在粉末內(nèi)施加潤濕和干燥循環(huán),證明了濕度和空隙率對預(yù)測的抗拉強(qiáng)度有顯著影響。Billings等使用質(zhì)量和傳熱模型預(yù)測結(jié)塊的發(fā)生,發(fā)現(xiàn)由于溫差引起的水分在樣品中的遷移,并指出水分遷移會對結(jié)塊產(chǎn)生顯著影響[44]。此外,Specht[45]還提出了粉末內(nèi)部接觸力的分布會嚴(yán)重影響結(jié)塊物的強(qiáng)度,顆粒度與固結(jié)應(yīng)力呈反比關(guān)系。
通過分析食品粉末中成分的相互作用,可以預(yù)防或減少結(jié)塊現(xiàn)象的發(fā)生,一些方法可以減少食品粉末的結(jié)塊傾向:降低粉末的細(xì)粒含量;盡量減少水分含量;確定主要的結(jié)塊成分,并確定是否有替代辦法;酌情減少溫度、濕度循環(huán);在適當(dāng)情況下減少固結(jié)荷載;使用抗結(jié)塊添加劑減少結(jié)塊。
通過使用合適的添加劑可以減少結(jié)塊傾向。Aguilera等[2]闡述了結(jié)塊添加劑的作用機(jī)制,主要包括:1)與食品粉末競爭以獲取有效水分。這些添加劑通常是多孔的,具有很高的吸濕能力。2)作為粉末粒子之間的表面屏障,防止液體橋的形成,減少粒子間的摩擦,消散靜電力,或抑制晶體的生長。3)增加非晶相的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。4)在吸濕性粉末的表面形成防潮屏障,例如:使用脂質(zhì)。目前,食品粉末中常用的防止結(jié)塊的無機(jī)抑制劑包括:磷酸三鈣、碳酸鎂、硅酸鈣、硫酸鈣、淀粉和高嶺土。此外,硬脂酸鈣和二氧化硅被證明對單一潮解的食品配料(氯化鈉、蔗糖和果糖)和二元體系(氯化鈉與蔗糖混合物料、果糖或檸檬酸混合物料)的結(jié)塊行為有效[46]。
食品粉末顆粒之間存在影響體系結(jié)塊行為的相互作用,隨著儲存環(huán)境、機(jī)械條件及儲存時間的變化,結(jié)塊行為的動態(tài)過程變得更為復(fù)雜。食品工業(yè)中常見的非晶態(tài)粉末的結(jié)塊被認(rèn)為是由于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變引起的。然而,研究的重點不單單要關(guān)注食品中成分通過溶解和再結(jié)晶形成固體橋梁的作用,還應(yīng)深入研究粉末結(jié)塊與傳熱和傳質(zhì)的相關(guān)性。在采用機(jī)械實驗方法或替代實驗方法測試過程中,在研究物料特性及其對含水量和溫度變化響應(yīng)的同時,也需要跟蹤粉末顆粒間橋聯(lián)的演變過程,并提供可重復(fù)的結(jié)果,進(jìn)而有效預(yù)測不同食品粉末的結(jié)塊行為。