食品粉碎技术概述.doc

. 食品粉碎技术食品粉碎技术是食品加工的重要技术之一，简单而言它是一种将物料颗粒尺寸变小的加工技术。人们对这一加工技术并不陌生，如将大米粉碎成米粉等。在一定的粒度范围内，粉碎仅仅是改变物料的尺寸及与其他物料的混合性能，对食品物料的物理性质有影响但不是很大。但是当粒度尺寸减少到一定值之下时，物料的性质会发生显著的影响，如碳酸钙。一般性的粉碎对其在人体内的利用没有多少影响，但当将其粒度减小到400目以上时，其在人体内的吸收利用率会大大提高。因此现代食品粉碎技术的研究包括两个方面：一是改变物料尺寸以改变其加工性能，如形态变化、物料重组等；二是通过改变物料尺寸来改变物料的生物价，如易吸收钙剂等。因此了解粉碎技术和相关理论的进展对于食品技术人员来讲是很有用的。 食品粉碎方式与理论一、食品粉碎的目的与方式粉碎是利用机械的方法克服固体物料内部的凝聚力而将大尺寸的固体变为小尺寸的固体的一种操作，是食品加工、特别是在食品原料加工中的基本操作之一。（一）食品粉碎目的1.减少固体尺寸，可以加快溶解速度或提高混合均匀度，或是重新赋形以改进食品的口感，如盐、糖等的粉碎；2.控制多种物料相近的粒度，防止各种粉料混合后再产生自动分级的离析现象如调味粉、代乳粉、乳饮料等；3.进行选择性粉碎使原料颗粒内的成分进行分离，如玉米脱胚、小麦制粉等；4.减小体型，加快干燥脱水速度；5.许多食品产品要求有一定的粒度，以保证粉料和粒料的容积质量，使之不影响包装容积、速溶度和调理性等。（二）食品粉碎级别根据粉碎的粒度大小，可以将粉碎分成以下几种级别：1.粗破碎：物料被破碎到200-100mm的粒度2.中破碎：物料被破碎到70-20mm的粒度3.细破碎：物料被破碎到10-5mm的粒度4.粗粉碎：将物料粉碎到5-0.7mm的粒度5.超细粉碎：将物料90%以上粉碎到能通过200目标准筛网6.微粉碎：将物料90%以上粉碎到能通过325目标准筛网7.超微粉碎：将全部物料粉碎到微米级的粒度（三）食品粉碎方式食品粉碎方式很多，主要有以下几种：1.挤压粉碎指物料置于两个工作构件之间，逐渐加压，使之由弹性变形或塑性变形而至破裂粉碎的食品粉碎方式。这种粉碎方式仅适用于脆性物料。食品加工中常用的挤压方式是对辊粉碎，当对辊的线速度相等时，则为纯粹的积压方式。被处理物料若是具有一定的韧性和塑性，则处理后物料可呈片状。例如轧制麦片、米片以及油料轧片等处理方式均属于此类。2.弯曲折断粉碎指物料在工作构件间承受弯曲应力超过强度极限而折断的食品粉碎方式。一般用来处理较大快的长或薄的脆性物料，例如榨油残渣油饼、玉米穗等，粉碎的力度较低。3.剪切粉碎指物料在构件间承受切应力超过强度极限而折断的食品粉碎方式。这是一种粉碎韧性物料能耗较低的粉碎方式。新形成的表面比较规则易于控制处理后粒度的大小，一般果蔬和肉类的切块、切片、切丝、切丁都属于这一类。在小麦磨粉用的拉丝对辊磨粉机中，剪切也起着重要作用。4.撞击粉碎指当物料与工作构件以相对高速运动撞击时，受到时间极短的变载荷，物料被击碎的食品粉碎方式。这种粉碎方式适用于质量较大的脆性物料。撞击粉碎应用范围很广，从较大块的破碎到微粉碎均可使用，而且可以粉碎多种物料。最典型的撞击粉碎是锤式粉碎机，它在食品工业中用得很多。也有利用物料自身高速运动而碰撞粉碎的机器，称为超音速喷射粉碎机，但是其能耗很大。5.研磨粉碎指物料与粗糙工作面之间在一定压力下相对运动而摩擦，使物料受到破坏，表面剥落的食品粉碎方式。这是一种既有挤压又有剪切的复杂过程。对于某一种物料而言，当两个工作表面之间的压力小于某一个最小的极值或两个工作表面之间的间隙不小于某一个最小的极值时，通过研磨粉碎可以得到所需要的粉碎效果。在一般性粉碎或是选择性粉碎中，由于研磨工作表面的差异，可以产生形形色色的工艺效果。例如小麦粒在对辊磨粉机中，首先受到挤压和剪切作用而使麸皮列展开，胚乳脱离麸皮，麸皮尽量保持完整；然后借挤压和剪切将分出的胚乳部分磨成细粉。这个过程称为选择性粉碎。大豆和玉米的选择性粉碎过程又不一样。在胶体磨中，由于物料颗粒被粉碎到微米级，处理后物料的性质又与纯固体粉碎的不同。二、粉碎理论（一）粉碎力的种类与形式物料粉碎时所受到的作用力包括挤压力、冲击力和剪切力（摩擦力）三种。根据施力种类与方式的不同，物料粉碎的基本方法包括压碎、劈碎、折断、磨碎和冲击破碎等形式。1.压碎 物料置于两个粉碎面之间，施加压力后物料因压力达到其抗压强度极限而被粉碎。2.劈碎 用一个平面和一个带尖棱的工作表面挤压物料时，物料沿压力作用线的方向劈裂，这是由于劈裂平面上的拉应力达到或超过物料拉伸强度极限。3.折断 被粉碎的物料相当于承受集中载荷的两支点或多支点梁，当物料内的弯曲应力达到物料的弯曲强度极限时而被折断。4.磨碎 物料与运动的表面之间受一定的压力和剪切力作用，当剪应力达到物料的剪切强度极限时，物料就被粉碎。5.冲击破碎 物料在瞬间受到外来冲击力而粉碎，它对于粉碎脆性物料最有利。（二）物料的力学性质物料的力学性质与所要选择的粉碎方式有很大的关系。根据物料应变与应力的关系以及极限应力的不同，其力学性质包括以下4种：1.硬度它是根据物料弹性模量大小来划分的性质，有硬与软之分。硬度越高表明物料抵抗弹性变形的能力越大。物料的硬度是确定粉碎作业程序、选择设备类型和尺寸的主要依据。2.强度它是根据物料弹性极限应力的大小来划分的性质，有强与弱之分，强的材料抵抗塑变的能力越大。3.脆性它是根据物料塑变区域长短来划分的性质，有脆性和可塑性之分。4.韧性它是一种抵抗物料裂缝扩展能力的特性，韧性越大，则裂缝末端的应力集中就容易得到缓解。对一种具体的物料来说，上述4种力学特性之间有内在的联系，导致物料综合性质的复杂化，这些对粉碎时所需的变形力均有影响。总的来说，凡是强度越强、硬度越小、脆性越小而韧性越大的物料，其所需的变形能就越多。选择粉碎方法时，须视被粉碎物料的物化性质与所要求的粉碎比而定，尤其是物料的机械性质影响更大，其中物料的硬度和破裂性更居首要地位。对于特别坚硬的物料用挤压和冲击很有效，对于韧性物料用研磨和剪切较好，而对于脆性物料则以劈裂、冲击为宜。实际上，任何一种粉碎机都不是单纯利用上述某种方法进行粉碎，而是结合利用两种或两种以上的粉碎方法实现的，例如压碎和折断，冲断和磨碎等。三、粉碎能量消耗的机理目前，人们对粉碎机理的认识尚不彻底。通常认为物料受到各种不同粉碎力作用后，首先要产生相应的应变，并以变形内能形成积蓄于物料内部。当局部积蓄的变形能超过某临界值时，裂解就发生在脆弱的断裂线上。从这一角度分析，粉碎至少需要两方面的能量：一是裂解发生前的变形能，这部分能量与颗粒的体积有关；二是裂解发生后出现新表面所需的表面能，这部分能量与新出现表面积的大小有关。达到临界状态（未裂解）的变形能与颗粒的体积有关，这是因为脆弱的断裂线和疵点对于粒度愈大的颗粒存在的可能性就愈大。大颗粒所需的临界应力就较小颗粒小，因而消耗的变形能也就较少。这就是粉碎操作为什么随着力度减小而变得更加困难的原因。在粒度相同情况下，由于物料的力学性质不同所需的临界变形能也不相同。物料受到应力作用时，在弹性极限应力以下则发生弹性变形；当作用的应力在弹性极限应力以上时就会出现永久变形，直至应力达到屈服应力。在屈服应力以上，物料开始流动，经历塑变区域直至达到破坏应力而断裂。对于任何一个颗粒来说，都存在着一个临界粉碎能量。但粉碎条件纯粹是偶然的，许多颗粒受到的冲击不足以使其粉碎，而是在一些特别有力的猛然冲击下才粉碎的。因此，最有效的磨碎机只利用了不到1%的能量去粉碎颗粒和产生新表面。其余的能量则消耗于以下几个方面：（1）未破碎颗粒的弹性变形；（2）物料在粉碎室内的来回运转；（3）颗粒之间的摩擦；（4）颗粒和粉碎机之间的摩擦；（5）发热；（6）振动的噪音；（7）传动机件和电动机的物效能耗。四、粉碎规则与粉碎操作（一）粉碎规则粉碎物料的基本原则是只需将物料粉碎到所需的粉碎程度，而不作过度的粉碎。因此粉碎规则如下。1.对被粉碎物料只需粉碎到需要的或适于下一工序加工的粉碎比，到达此程度后，应立即使物料离开粉碎机；2.在粉碎操作的前后，都要过筛，凡能通过所需大小筛孔的物料，就不使它再经过粉碎机粉碎，以免引起过度粉碎，降低粉碎机的生产能力；3.当所需粉碎比较大时，应分成几个步骤进行粉碎，实验证明当粉碎比在4左右时，操作效率最高；4.粉碎过程尽可能单一，不应添加其它操作（二）粉碎操作在粉碎操作中，首先要考虑的是采用何种粉碎方法或设备，这主要取决于被粉碎物料的大小和所要求的粉碎比及物料的物性，而其中物料的硬度和破裂性是最为重要的考虑因素。挤压和冲击力对于特别坚硬的物料很有效，剪切力（或摩擦力）对于韧性物料有效。将大块固体物料粉碎为细粉，由于一次粉碎比很大，通常分为若干级，使每级负担一定的粉碎比。通常干法操作有开路磨碎、自由压碎、滞塞进料和闭路磨碎几种方法。1.开路磨碎研磨操作的一种最简单的方法。这种方法不用振动筛等附属分粒设备，设备投资费用低。物料加入粉碎机中经过粉碎作用区后，即作为制品卸出，粗粒不再循环。由于有的粗粒可能会很快通过粉碎机，而有的细粒在机内停留时间很长，故制品粒度分布很宽，能量利用不充分。2.自由压碎可以保持物料在作用区的停留时间很短。当与开路磨碎结合时，让物料借重力落入作用区，限制了不必要细粒的粉碎，减少了过细的粉末形成。此法在功率消耗方面较经济，但由于有些大颗粒可能会迅速通过粉碎区，仍可能产生较宽的粒度分布。3.滞塞进料利用机器出口插入筛网，限制制品的卸出，对于给定的进料速度，制品滞塞于粉碎作用区，直至粉碎成能通过筛孔大小为止。因物料在粉碎作用区中停留时间长，细粒会受到过度粉碎，功率消耗大。滞塞进料法常无法用于需要细破碎制品的场合，用一台机器操作可获得很大的粉碎比。4.闭路磨碎从粉碎机出来的物料先经分粒系统，分出过粗的物料粒，再重新回入粉碎机，粉碎机的工作只是针对较大的颗粒，物料在粉碎作用区中的停留时间短，动力消耗较为经济。所采用的分粒方法根据送料的形式而定，采用重力加料或机械螺旋送料时，常采用振动筛作为分粒设备，当用水力或气力输送时则常采用旋风分离器。粉碎操作除了上述所谓干法粉碎外，还有湿法粉碎，即被处理的物料在悬浮于载体液流中进行粉碎。常用水作载体，其中水起着硬度降低剂的作用。亦可采用其他表面活性剂作硬度和黏度降低剂。实践证明，湿法粉碎操作一般能量消耗比干法粉碎大，同时设备的磨损也严重。但湿法粉碎比干法粉碎易获得更细的制品，在超微粉碎中应用广泛。除上述干法粉碎和湿法粉碎操作外，还有低温粉碎操作等。低温粉碎是针对那些在常温下有热塑性或非常强韧、粉碎有困难的物料，当其冷却到低温时，物料成为脆性物料可进行相应的粉碎。五、助磨剂（一）概述在粉碎中，能够显著提高粉碎效率或降低能量消耗的化学物质（固态、液态或气态化学物质）称为助磨剂。由于粉碎作业，尤其是超为粉碎的能量消耗较高，能量利用率又很低，因此助磨剂的研究具有重要的理论意义和实际意义。（二）作用原理两种学说：1.吸附降低硬度学说首先由列宾捷尔和威斯特沃德提出，称之为“列宾捷尔效应”或“威斯特沃德效应”助磨剂分子在颗粒上的吸附降低了颗粒的表面能或者引起金表面层晶格的位错迁移，产生点或线的缺陷，从而降低颗粒的强度和硬度，促进裂纹的产生和扩展；2.矿浆流变学调节学说由克兰帕尔等人提出来助磨剂通过调节浆料（如矿浆）的流变学性质和颗粒的表面电性等，降低浆料（如矿浆）的黏度，促进颗粒的分散，从而提高浆料的可流动性，阻止颗粒在磨研介质及磨研机挡板上的黏附以及颗粒之间的团聚。（三）分类与应用1.助磨剂的种类按助磨剂添加时的物质状态可分为固体助磨剂、液体助磨剂和气体助磨剂；根据化学性质可分为有机助磨剂和无机助磨剂。固体助磨剂：如硬质酸盐类、固体二氧化硅、炭黑、氧化镁粉、胶体石墨等液体助磨剂：包括各种表面活性剂、分散剂等。如用于水泥熟料、分解石、石灰石等粉碎的三乙醇胺；用于石英等粉碎的烷基油酸（钠）；用于滑石粉碎的聚羧酸钠；用于硅灰石粉碎的六篇磷酸钠等气体助磨剂：如蒸汽状的极性物质（丙酮、硝基甲烷、甲醇、水蒸气）以及非极性物质（四氯化碳等）从化学结构上来说，助磨剂应具有选择性的良好分散作用，能够调节浆料的黏度，具有将强的抗Ca2+、Mg2+的能力，受pH的影响较小等，也即助磨剂的分子结构要与磨物料系统复杂的物理化学环境相适应。在非金属矿的湿式超微粉碎中，常用的助磨剂通常是表面活性剂，根据其化学结构可以分为以下三种：（1）碱性聚合无机盐，在这类中，除了用于硅酸盐物料的磨物料外，多聚磷酸盐优于多聚硅酸盐；（2）碱性聚合有机盐，在这类中，最适合的是聚丙烯酸酯，它受pH的影响最小（3）偶极-偶极有机化合物，如烷烃醇胺等2.助磨剂的应用虽然对粉碎中助磨剂的使用已进行了长期的研究，包括实验室试验、半工业性试验和工业性试验，但是，除了水泥及部分工业物料（如云母、滑石、硅灰石、高岭土、碳酸钙、石墨等）、颜料物料以及金属粉末的细磨或超细磨外，助磨剂尚未在粉碎工业中推广使用。其原因除了经济因素（如成本等）和环保要求（如必须无毒、无污染等）外，还有以下原因：（1）只有在粉碎粒度细，研磨浓度高或浆料（如矿浆）黏度大大增加时，使用助磨剂才能取得显著的效果，在粉碎粒度较粗，研磨浓度不高或料浆不粘时，使用助磨剂没有显著的效果。（2）大多数助磨剂的用量要求较严，用量太小，助磨效果不明显；用量过大时，不仅不助磨，有的反而起阻磨作用。例如，当十二胺的浓度超过6x10-4mol/L后，助磨效果明显下降。（3）由于粉碎是一个包括多种因素的物理化学相互交织的复杂过程，加上缺乏规范化的实验技术，试验时对许多重要的参数和界面性质，如浆料（如矿浆）pH、离子浓度、吸附、表面张力、动电电位、絮凝和分散、浆料的流变学性质等缺少统一的控制、检查和测定，试验结果有时出现相互矛盾的情况。虽然存在上述问题，且还有许多问题有待于进一步研究，但由于助磨剂在提高粉碎效率、降低粉碎能量消耗方面的重要价值，随着超微粉碎技术的发展以及助磨剂研究的深入，助磨剂无疑将逐步应用于工业生产，这方面的前景是诱人的。整理版