豆渣超微粉制備工藝優(yōu)化 及其特性分析

程姣姣,羅倉學(xué),*,劉 劍,李 博

(1.陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,陜西西安 710021;2.陜西秦豆園農(nóng)業(yè)科技有限公司,陜西咸陽 712000)

豆渣是豆制品加工過程中的主要副產(chǎn)物[1]。我國豆制品生產(chǎn)和需求量較大,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國每年大約產(chǎn)生2000萬噸濕豆渣[2-3]。研究表明,豆渣中膳食纖維占50% ～70%,蛋白質(zhì)含量占19% ～23%,脂肪含量8%～11%[4-6],但是由于豆渣口感粗糙,目前大部分豆渣被當(dāng)作動(dòng)物飼料、肥料,甚至廢棄物直接扔掉[7]。豆渣膳食纖維含量高且生產(chǎn)成本較低,可將其加工成一種高膳食纖維粉體,作為一種膳食纖維補(bǔ)充劑來預(yù)防糖尿病、肥胖癥、心血管疾病等;也可以作為一種食品原料,在提高產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí),減少感官影響。

流化床氣流磨超微粉碎機(jī)是將空氣壓縮機(jī)處理后的高壓氣體通過特殊形狀的拉瓦爾噴嘴加速成高速氣流后射入研磨系統(tǒng),使通過加料系統(tǒng)進(jìn)入的物料呈流態(tài)化。具有巨大動(dòng)能的高速氣流使物料顆粒被加速,在兩噴嘴交匯處發(fā)生劇烈的相互碰撞、反復(fù)摩擦、高速剪切,從而達(dá)到被粉碎的目的[8]。氣流超微粉碎中的壓縮空氣經(jīng)過噴嘴,由于絕熱膨脹產(chǎn)生降溫效應(yīng),使粉碎過程不會(huì)產(chǎn)生高溫,從而可以減少對物料中原有營養(yǎng)成分的破壞[9]。通過超微粉碎技術(shù)得到的物料不僅粒度降低,比表面積、比表面活性增大,而且其口感和理化性質(zhì)也得到改善,利用率提高。有研究顯示超微粉碎技術(shù)可以改善膳食纖維物質(zhì)功能性質(zhì)和食用品質(zhì),謝怡斐等[10]通過對超微粉碎后豆渣功能性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)超微粉碎后豆渣的功能性質(zhì)得到改善。本研究主要通過流化床對撞式氣流磨對豆渣進(jìn)行超微粉碎,在控制粉碎時(shí)間一定的條件下,研究不同工藝參數(shù)對豆渣粉碎效果的影響,通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化氣流粉碎豆渣的工藝參數(shù)。同時(shí)對粉碎前后粉體的色澤及粒度分布情況進(jìn)行分析、用掃面電鏡及傅里葉紅外光譜儀對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,為豆渣超微粉體工業(yè)化生產(chǎn)提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

豆渣 由陜西秦豆園農(nóng)業(yè)科技有限公司提供。

QLM-90K氣流磨 浙江省上虞市和力粉體有限公司;LS-POP(6)型激光粒度分析儀 歐美克儀器有限公司;DHG-9030型電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;RHO-400高速多功能萬能粉碎機(jī) 浙江永康市榮浩工貿(mào)有限公司;FEI-Q45環(huán)境掃描電鏡 美國FEI公司;CM-5色差儀 日本Minolta公司;傅立葉紅外光譜儀 德國布魯克Bruker公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 豆渣超微粉加工工藝流程 新鮮濕豆渣→干燥→粗粉碎→過篩→氣流磨超微粉碎→豆渣超微粉。

操作要點(diǎn):干燥:將新鮮的濕豆渣在60 ℃熱風(fēng)干燥箱中平鋪約1 cm厚,將水分含量烘干至10%左右。粗粉碎:將烘干后的豆渣用萬能粉碎機(jī)粉碎過40目篩。氣流磨超微粉碎:稱取一定量過篩后的豆渣粗粉,加入氣流磨研磨系統(tǒng)進(jìn)行粉碎,通過旋風(fēng)收集器收集豆渣超微粉。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn) 通過前期預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉碎時(shí)間對粉體中位粒徑值響較小,所以本實(shí)驗(yàn)是在控制粉碎時(shí)間一定(30 min)的條件下研究進(jìn)料量、粉碎頻率、研磨壓力對豆渣粉碎效果的影響?？刂品鬯闀r(shí)間為30 min,以粉碎頻率20 Hz,研磨壓力0.6 MPa,研究進(jìn)料量分別為30、50、70、90、110 g對粉碎效果的影響;以進(jìn)料量50 g,研磨壓力0.6 MPa,研究粉碎頻率分別為15、20、25、30、35 Hz對粉碎效果的影響;選擇進(jìn)料量50 g,粉碎頻率20 Hz,探究在研磨壓力0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 MPa條件下,豆渣粉體中位粒徑的變化。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 通過對單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,選取進(jìn)料量、粉碎頻率以及研磨壓力為實(shí)驗(yàn)因素,以豆渣超微粉中位粒徑(D50)為響應(yīng)值,對豆渣超微粉碎工藝進(jìn)行優(yōu)化。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology

1.3 粉體特性分析

1.3.1 豆渣超微粉粒度的測定 取約0.5 g超微粉碎后的豆渣粉,加入30 mL水?dāng)嚢韬蟮玫綉腋∫?緩慢加入激光粒度儀中。設(shè)置折射率為1.5,控制遮光比為12%。

1.3.2 豆渣超微粉碎前后色澤測定 采用色差儀測量豆渣超微粉碎前后的L*、a*、b*、值。L*為樣品的亮度(100為白色,0為黑色);a*為樣品的紅綠度(正值為紅色,負(fù)值為綠色);b*為樣品的黃藍(lán)度(正值為黃色,負(fù)值為藍(lán)色)。

1.3.3 掃描電鏡觀察 分別取少量超微粉碎前后的豆渣粉,通過制樣、噴金后在掃描電鏡下觀察其微觀結(jié)構(gòu)變化。

1.3.4 紅外光譜分析 分別取少量粉碎前后的豆渣樣品,與適量KBr混勻后研磨、制片,進(jìn)行紅外光譜掃描。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Origin 9.0、SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和處理,采用DX8.exe軟件進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 不同進(jìn)料量對豆渣超微粉中位粒徑的影響 由圖1可以看出隨著進(jìn)料量的增加,粉體的中位粒徑D50先減小后又增大,當(dāng)進(jìn)料量為90 g時(shí),粉體中位粒徑值達(dá)到最低。物料只有在粉碎腔內(nèi)被氣流束流態(tài)化后才能進(jìn)行有效的撞擊粉碎[9],在一定范圍內(nèi),隨著進(jìn)料量的增加,物料顆粒在機(jī)腔內(nèi)碰撞的概率增大,粉碎效果更好,但是在研磨壓力一定的條件下,進(jìn)料量過多會(huì)導(dǎo)致機(jī)腔內(nèi)每個(gè)物料顆粒獲得的能量減少,從而顆粒與顆粒之間的碰撞效率降低,影響粉碎效果。因此選擇進(jìn)料量為70～110 g。

圖1 進(jìn)料量對豆渣粉碎效果的影響Fig.1 Effect of feed quantity on crushing effect of soybean dregs

2.1.2 不同粉碎頻率對豆渣超微粉中位粒徑的影響 由圖2粉碎頻率對豆渣超微粉中位粒徑的影響可以看出,隨著粉碎頻率的增大,粉體中位粒徑明顯下降,但當(dāng)頻率大于30 Hz后,物料粒徑又有重新變大的趨勢。因?yàn)槲锪项w粒在機(jī)腔離心力場中主要受到離心力和介質(zhì)粘滯阻力的作用,只有當(dāng)離心力比介質(zhì)的粘滯阻力小時(shí),被粉碎的物料顆粒通過分級輪葉輪,隨著氣流進(jìn)入粉體收集系統(tǒng)[11-12],頻率越大,分級輪葉輪旋轉(zhuǎn)速度越快,離心力場的切向速度越高,形成的離心力場也越強(qiáng)大,同時(shí)物料在機(jī)腔內(nèi)的碰撞次數(shù)越多、力度越強(qiáng),得到的粉體粒徑越小,但是頻率過大會(huì)導(dǎo)致粉體總表面積增大,表面能增加,從而粉體又重新聚集,導(dǎo)致粒徑變大[13]。綜合考慮選擇粉碎頻率為25～35 Hz。

圖2 粉碎頻率對豆渣粉碎效果的影響Fig.2 Effect of crushing frequency on crushing effect of soybean dreg

2.1.3 不同研磨壓力對豆渣超微粉中位粒徑的影響 一定范圍內(nèi)減少研磨壓力,可以提高產(chǎn)品的細(xì)度,但同時(shí)會(huì)降低出粉率[14],不利于工業(yè)生產(chǎn)。由圖3可以看出在壓力為0.6～0.9 MPa的范圍內(nèi),隨著研磨壓力的增加,所得超微細(xì)粉的中位粒徑逐漸減小,但是壓力大于0.8 MPa后,粉體粒度下降趨于平緩。這主要是因?yàn)殡S著研磨壓力的增加,噴嘴出口處的氣流速度隨之增大,從而使物料獲得的動(dòng)能提高,物料顆粒與顆粒以及顆粒與機(jī)腔壁之間碰撞的能量更大,物料被粉碎的速度加快,從而得到的產(chǎn)品粒度更小[15],但是研磨壓力過大時(shí),造成噴嘴前后壓力比被破壞,從而在粉碎腔內(nèi)產(chǎn)生激波使氣流速度有所下降,影響粉碎效果[16]。因此選擇研磨壓力為0.7～0.9 MPa。

圖3 研磨壓力對豆渣粉碎效果的影響Fig.3 Effect of grinding pressure on crushing effect of soybean dregs

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與條件優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 豆渣超微粉碎工藝優(yōu)化的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Design and result of response surface experiment

用Design-Expert軟件對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以進(jìn)料量(A)、粉碎頻率(B)、研磨壓力(C)為自變量;以豆渣超微粉體的中位粒徑(Y)為響應(yīng)值,得到的多元二項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型回歸方程Y=15.04-0.41A-1.00B-0.48C-0.27AB+0.22AC+0.27BC+1.73A2+1.14B2+0.89C2

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Analysis of variance of regression model

注:**為極顯著(p<0.01),*為顯著(p<0.05)。

2.2.2 各因素交互作用分析 圖4～圖6分別顯示當(dāng)一個(gè)因素為最佳值時(shí),其它兩個(gè)因素對豆渣超微粉體中位粒徑值的交互影響效應(yīng),從各因素之間交互作用響應(yīng)面圖可以看出,響應(yīng)面圖開口向上,呈凹面狀。響應(yīng)曲面圖曲線越陡則說明對豆渣超微粉體中位粒徑值的影響越顯著,曲線越平滑說明影響越不顯著。圖4中的曲線較為平緩,說明進(jìn)料量和研磨壓力交互作用對豆渣超微粉體中位粒徑影響不顯著;圖5顯示曲面坡度陡峭,說明粉碎頻率和研磨壓力交互顯著;從圖6可以看出當(dāng)研磨壓力為0.8 MPa時(shí),保持研磨壓力一定,隨著進(jìn)料量的增加,粉體粒徑先減小后增大且趨勢較明顯,進(jìn)料量保持一定,隨著研磨壓力的增大,粉體粒徑先減小后增大且幅度較大,說明粉碎頻率和研磨壓力交互顯著,與表3中分析一致。

表4 豆渣超微粉粒徑特征Table 4 Particle size characteristics of bean dregs superfine powder

圖4 進(jìn)料量與研磨壓力交互作用的響應(yīng)面Fig.4 Response surface of interaction between feed quantity and grinding pressure

圖5 粉碎頻率與研磨壓力交互作用的響應(yīng)面Fig.5 Response surface of interaction between grinding frequency and grinding pressure

圖6 進(jìn)料量與粉碎頻率交互作用的響應(yīng)面Fig.6 Response surface of interaction between feed quantity and grinding frequency

2.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 通過Design-Expert軟件對實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析后,得到超微粉碎豆渣最佳工藝參數(shù):進(jìn)料量92.84 g、粉碎頻率32.16 Hz、研磨壓力0.82 MPa,該條件下所得超微粉體中位粒徑的預(yù)測值為14.85 μm?？紤]到實(shí)際操作的可行性,將最佳工藝參數(shù)調(diào)整為進(jìn)料量93 g、頻率32 Hz、研磨壓力0.8 MPa,在此條件下所得豆渣超微粉D50實(shí)際值為14.98 μm,與預(yù)測值較吻合,因此采用該模型優(yōu)化的工藝條件可靠。

2.3 粉體特征分析

2.3.1 豆渣超微粉體粒度測定 對最佳工藝條件下所得到的超微粉體進(jìn)行粒度測定,所得豆渣超微粉體粒徑分布如圖7和表4所示?？梢钥闯霎?dāng)粒徑在10.00～19.50 μm時(shí),該區(qū)間上的粉體含量約為83.39%,說明粉體顆粒分布較集中;豆渣超微粉的體積平均徑D(4,3)為15.80 μm,與中位粒徑D50(14.98 μm)比較接近,可以判斷出粉體的整體顆粒較均勻;面積平均徑D(3,2)為14.13 μm,與體積平均徑也較為接近,說明樣品顆粒的形狀比較規(guī)則[17]。

圖7 豆渣超微粉體粒徑分布圖Fig.7 Grain size distribution diagram of bean dregs superfine powder

2.3.2 豆渣超微粉碎前后粉體色澤測定 色澤是評價(jià)食品的重要指標(biāo),由表5可以看出超微粉碎后的豆渣與原粉色澤差異較大。超微粉碎后粉體的L*值明顯(p<0.05)增大,a*、b*也顯著(p<0.05)變小,說明超微粉碎后的豆渣更白亮。可能是因?yàn)槌⒎鬯楹蠖乖牧礁?比表面積變大,使物料顆粒內(nèi)部暴露,從而對粉體色澤產(chǎn)生影響。因此超微粉碎可以明顯改善豆渣粗粉偏黃偏暗的現(xiàn)象。

表5 豆渣超微粉碎前后色澤變化Table 5 Changes of color of soybean dregs before and after superfine grinding

注:同一列的不同字母表示兩組數(shù)據(jù)間有顯著性差異(p<0.05)。

2.3.3 豆渣超微粉碎前后粉體掃描電鏡觀察 由圖8可以看出超微粉碎前的豆渣顆粒較大,呈疏松多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。而在相同倍數(shù)條件下,超微粉碎后的豆渣顆粒明顯變小,比表面積明顯增加,這是由于強(qiáng)烈的機(jī)械剪切作用使豆渣中的大顆粒變?yōu)楦蛹?xì)小的顆粒,從而使豆渣內(nèi)部的多空網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞。

圖8 豆渣超微粉碎前后掃描電鏡圖片(×1000)Fig.8 Scanning electron microscope pictures of soybean dregs before and after superfine comminution(×1000)

2.3.4 豆渣超微粉碎前后紅外光譜分析 圖9為豆渣超微粉碎前后的紅外光譜圖,通過對比可以發(fā)現(xiàn)粉碎前后樣品的出峰位置和峰的大小大致相同,說明超微粉碎后豆渣的主要成分并沒有發(fā)生改變。圖9中3300 cm-1附近的峰是(O-H)伸縮振動(dòng)引起的;2926 cm-1附近的峰是由于(C-H)伸縮振動(dòng);1745 cm-1附近的峰為半纖維素羰基(C=O)的伸縮振動(dòng),1050 cm-1附近的峰是由于纖維素、半纖維素(C-O)伸縮振動(dòng),與纖維素結(jié)構(gòu)相符。圖9中峰的大小不同一方面是由于超微粉碎后豆渣粒徑變小,部分基團(tuán)暴露,另一方面是由于樣品顆粒大小不同引起散射強(qiáng)度變化而導(dǎo)致的[18]。

圖9 超微粉碎前后紅外光譜圖Fig.9 Infrared spectrum soybean dregs before and after superfine comminution

3 結(jié)論

本研究采用流化床氣流磨對豆渣進(jìn)行超微粉的制備,在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合實(shí)際條件確定最佳工藝條件為:進(jìn)料量93 g、分級輪頻率32 Hz、研磨壓力0.8 MPa。在此條件下得到的豆渣超微粉D50為14.98 μm,粉體顆粒均勻、形狀規(guī)則且分布集中。通過對比可以發(fā)現(xiàn)粉碎后的粉體比表面積增大,色澤亮白且結(jié)構(gòu)基本沒有變化。該研究結(jié)果可為豆渣超微粉加工技術(shù)提供參考依據(jù)。

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