超細(xì)粉碎技術(shù)在黑莓全果制漿中的應(yīng)用

趙龍等

摘要：以南京白馬地區(qū)大量種植的黑莓為研究對(duì)象，采用高效超細(xì)濕法粉碎技術(shù)，對(duì)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(duì)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(duì)新鮮黑莓進(jìn)行粉碎試驗(yàn)，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(dòng)刀頭轉(zhuǎn)速為9 000 r/min、靜刀片齒數(shù)為222個(gè)、粉碎3次時(shí)，黑莓全果被粉碎的平均粒徑為83 μm左右，此時(shí)生產(chǎn)的黑莓濃漿細(xì)度最佳、效率最高，符合生產(chǎn)實(shí)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(lèi)號(hào)： TS255.36 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）03-0206-04

黑莓又名美國(guó)塔斯洲黑樹(shù)莓、美國(guó)赫爾黑莓，原產(chǎn)于北美，1986年由位于南京的江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所首次引入我國(guó)[1]。黑莓屬薔薇科懸鉤子屬藤本植物，以“高營(yíng)養(yǎng)、高抗性、無(wú)污染、純天然”等特點(diǎn)被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）推薦為當(dāng)今國(guó)際第3代新型特種漿果類(lèi)品種[2]。果實(shí)為聚合果，單果質(zhì)量6～10 g，成熟果實(shí)呈紫紅色，透亮晶瑩，柔嫩多汁，酸甜爽口。黑莓鮮果營(yíng)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(diǎn)等，加工后大部分營(yíng)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(guó)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(kāi)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(wèn)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(wèn)題，同時(shí)會(huì)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?jiān)泻写罅炕ㄉ盏榷喾宇?lèi)化合物，對(duì)黑莓渣進(jìn)行開(kāi)發(fā)和利用，不僅能夠減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，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(duì)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(huì)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(huì)產(chǎn)生大量的皮渣（圖1）。

1.2 物料粉碎機(jī)理

對(duì)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(huì)受到破壞，而拉應(yīng)力和剪切力則會(huì)使材料斷裂細(xì)化。在實(shí)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(shí)際運(yùn)行的過(guò)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(chǎng)，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(dòng)刀頭、定刀片之間的微細(xì)間隙流動(dòng)，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(yùn)送過(guò)程中纖維被切斷，此種狀態(tài)下刀刃對(duì)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(dòng)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(duì)黑莓物料進(jìn)行粉碎制漿的時(shí)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(guó)以來(lái)，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(gè)帶有微小間隙的接觸面，工作時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)形成一個(gè)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(guò)定轉(zhuǎn)子之間的微小間隙，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(duì)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(duì)具有一定黏度流動(dòng)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(guò)程中，可在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)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(dòng)。

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(kāi)發(fā)的粉碎機(jī)來(lái)源于美國(guó)食品機(jī)械行業(yè)[14]，主要用于對(duì)食品類(lèi)物料的粉碎、分散和均質(zhì)等，特別是對(duì)流動(dòng)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(guò)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(yùn)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(dòng)機(jī)和葉輪離心力的驅(qū)動(dòng)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(dòng)刀頭和靜刀片在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，上動(dòng)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(gè)刃口，黑莓瞬時(shí)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(guò)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(shí)間。該設(shè)備各個(gè)刀片對(duì)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(diǎn)[15-16]。

3 材料與方法

3.1 試驗(yàn)材料

新鮮黑莓，由南京市溧水區(qū)白馬鎮(zhèn)提供。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

TCS-100型電子計(jì)價(jià)臺(tái)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(wú)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(wú)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(guó)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(shí)，黑莓物料通過(guò)機(jī)器流動(dòng)較困難），轉(zhuǎn)速為3 000 r/min（最高轉(zhuǎn)速），粉碎試驗(yàn)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(gè)、216個(gè)和222個(gè)，轉(zhuǎn)速分別選取6 000、7 500、 9 000 r/min，粉碎試驗(yàn)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(yàn)方法

按圖5所示步驟進(jìn)行：稱(chēng)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(dòng)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(hào)，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(yàn)，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(cè)試，以體積平均粒徑作為濃漿的考察指標(biāo)；將其余9個(gè)樣品進(jìn)行L9（33） 正交試驗(yàn)（表1）[17]，并作粒度測(cè)試，以研究高速切割粉碎機(jī)粉碎次數(shù)、動(dòng)刀頭轉(zhuǎn)速、靜刀片數(shù)量對(duì)黑莓全果粉碎細(xì)度的影響。

3.5 基本指標(biāo)測(cè)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(cè)試專(zhuān)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(huì)自動(dòng)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(yàn)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(jiàn)，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(shì)，但當(dāng)粉碎3次以后，曲線斜率降低，粉碎次數(shù)增加對(duì)粒度的影響變小。這是因?yàn)樵诜鬯槌跗?，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(guò)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(huì)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(gè)粉碎效果最好，在同樣粉碎次數(shù)下粉碎粒度最細(xì)。

試驗(yàn)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(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。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(shí)間延長(zhǎng)，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(shí)驗(yàn)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，膠體磨粉碎黑莓全果過(guò)程中，物料用量過(guò)大會(huì)直接影響機(jī)器的正常運(yùn)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(huì)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(yàn)結(jié)果

由表2可知，在不同粉碎次數(shù)、動(dòng)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(duì)細(xì)度影響的主次順序?yàn)椋簞?dòng)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(dòng)刀頭轉(zhuǎn)速9 000 r/min、靜刀片數(shù)量為222個(gè)、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(yàn)，馬爾文粒度儀測(cè)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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(wú)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(shì)。

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