干法工藝中全營(yíng)養(yǎng)特醫(yī)食品混合均勻度的影響因素

王溢 ，黃小暉，曾小飛，黃可意，胡品，夏紹北

1. 美廬生物科技股份有限公司技術(shù)研發(fā)中心（九江 332005）；2. 九江市特醫(yī)食品工程技術(shù)研究中心（九江 332000）

特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品（簡(jiǎn)稱(chēng)特醫(yī)食品，F(xiàn)SMP）是經(jīng)專(zhuān)門(mén)加工、滿(mǎn)足病人特殊營(yíng)養(yǎng)需要的一類(lèi)特殊膳食用食品。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，歐洲醫(yī)院病人營(yíng)養(yǎng)不良率20%～60%，而中國(guó)醫(yī)院病人的營(yíng)養(yǎng)不良率35%～65%[1]。2017年國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布的《國(guó)民營(yíng)養(yǎng)計(jì)劃（2017—2030）》中明確指出：開(kāi)展臨床營(yíng)養(yǎng)行動(dòng)以來(lái)，特醫(yī)食品越來(lái)越受到重視。

GB 29922《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品通則》[2]中對(duì)全營(yíng)養(yǎng)配方食品要求含蛋白、脂肪、碳水化合物等宏觀營(yíng)養(yǎng)素之外，其微量營(yíng)養(yǎng)素必須含有25種維生素及礦物質(zhì)，另加上可選擇性添加的營(yíng)養(yǎng)成分10余種，其產(chǎn)品微量的營(yíng)養(yǎng)素達(dá)幾十種之多。要在一個(gè)產(chǎn)品中強(qiáng)化各種毫克及微克數(shù)量級(jí)的營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑并將其混合均勻并非易事。干法工藝在嬰幼兒配方奶粉產(chǎn)業(yè)積累較為成熟的經(jīng)驗(yàn)，但尚缺少該類(lèi)食品生產(chǎn)中所涉的設(shè)備工藝及物料特性對(duì)混合均勻度影響的系統(tǒng)性研究，使得該類(lèi)產(chǎn)品生產(chǎn)大多停留在經(jīng)驗(yàn)層面。另鑒于全營(yíng)養(yǎng)特醫(yī)食品與嬰幼兒配方奶粉在蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪等宏觀營(yíng)養(yǎng)素的原料來(lái)源上有差異，供能比亦不同，因此，需要進(jìn)一步根據(jù)不同的物料特性選擇合適的混合方式及工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，以確保產(chǎn)品得到充分混合。

闡述食品工業(yè)中粉劑的干法工藝不同混合方式、混合設(shè)備參數(shù)、混合時(shí)間及原輔料的物性對(duì)混合均勻度的影響，提出生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)性研究工作，建立全營(yíng)養(yǎng)特醫(yī)食品與設(shè)備相匹配的混合工藝參數(shù)及原輔料物性控制，確保產(chǎn)品的混合均勻度符合相關(guān)要求，達(dá)到產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定可控。

1 干法工藝中特殊醫(yī)學(xué)用途全營(yíng)養(yǎng)配方食品的混合方式

特殊醫(yī)學(xué)用途全營(yíng)養(yǎng)配方食品的干法工藝混合是指將產(chǎn)品中各種原料、輔料、食品添加劑混合成營(yíng)養(yǎng)成分均一的粉狀產(chǎn)品過(guò)程。其混合原理是在機(jī)械或流體動(dòng)力等外力作用下，使多種物料組分互相摻合，相互分散，而達(dá)到在混合倉(cāng)里的各種組分微粒均勻分布的一種操作[3]。食品工業(yè)中常用的干法工藝混合方式有脈沖式氣流混合、三維混合、槳葉式混合，根據(jù)Lacey的混合機(jī)理分析可知[4]，無(wú)論選擇何種混合方式，混合過(guò)程均包含剪切、對(duì)流和位置交換3個(gè)要素，混合體系中的共混物通過(guò)3個(gè)要素的作用在一定的體積空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻隨機(jī)的分布。由于不同混合方式，3個(gè)要素的側(cè)重點(diǎn)略有差異，對(duì)物料產(chǎn)生的作用力不同。因此，需要結(jié)合均勻度、物料特性及終產(chǎn)品的要求等因素選擇合適的混合方式。

1.1 脈沖式氣流混合

脈沖式氣流混合是將壓縮空氣以脈沖方式?jīng)_擊物料，使物料在混合倉(cāng)內(nèi)呈現(xiàn)上升、擴(kuò)散、沉降運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)物料的混合均勻[3,5]。脈沖式混合一般可在3～10 min內(nèi)完成成批物料的混合操作，混合比可達(dá)1︰5 000，其具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、混合耗時(shí)短、批生產(chǎn)量大、單位能耗低等優(yōu)點(diǎn)。尤其對(duì)于顆粒密度約0.5～0.7 g/cm3且粉體流動(dòng)性好的原輔料具有更好的適用性。其物料的投料及輸送可做到全密閉，避免生產(chǎn)過(guò)程中與外界的交叉污染，此種混合方式需要關(guān)注生產(chǎn)前后設(shè)備及密閉管道的清洗與清潔。

1.2 三維混合

三維混合設(shè)備的混合原理是依靠容器回轉(zhuǎn)型的轉(zhuǎn)動(dòng)，容器在任何位置上可以圍繞中心軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，使物料在容器空間內(nèi)無(wú)離心作用力下進(jìn)行反復(fù)的擴(kuò)散和合并，實(shí)現(xiàn)混合效果[6]。三維混合設(shè)備其對(duì)產(chǎn)品物料本身的作用力相對(duì)較小，利于顆粒強(qiáng)度較敏感的原輔料進(jìn)行混合，其設(shè)備易于清潔，混合時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，一般較難做到投料及輸送物料過(guò)程的全密閉方式，采用此種混合方式需要關(guān)注特醫(yī)食品裸露的粉體在生產(chǎn)工序轉(zhuǎn)移過(guò)程中可能的交叉污染。

1.3 槳葉式混合

槳葉式混合設(shè)備的式樣較多，多為單軸或雙軸的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)槳葉推動(dòng)粉體產(chǎn)生較弱的剪切與對(duì)流混合。當(dāng)槳葉帶動(dòng)粉體到達(dá)混合室上部后，粉體被槳葉拋落或在重力作用下自由滑落，做不規(guī)則、無(wú)定向的運(yùn)動(dòng)，形成剪切與擴(kuò)散混合，具有混合速度相對(duì)較快且能耗低等特點(diǎn)，混合體系中物料間配比低至1︰10 000時(shí)，也具有良好的混合均勻性[7-9]。但槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)粉體產(chǎn)生一定作用力及導(dǎo)致溫度升高，應(yīng)關(guān)注作用力對(duì)特醫(yī)食品中一些微囊化原料物性的影響，以及溫度對(duì)特醫(yī)食品中熱敏感性物料的影響。

2 混合設(shè)備參數(shù)

混合設(shè)備參數(shù)是特殊醫(yī)學(xué)用途全營(yíng)養(yǎng)配方食品研發(fā)過(guò)程中工藝驗(yàn)證的一個(gè)重要部分，混合方式不同其混合設(shè)備即不同，相應(yīng)的混合參數(shù)亦不同。王德福等[10]通過(guò)將槳葉式日糧混合機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速優(yōu)化到8.6 r/min，獲得較好的混合均勻效果。麻開(kāi)香等[11]利用三維混合設(shè)備對(duì)特醫(yī)食品進(jìn)行混合研究發(fā)現(xiàn)，混合頻率過(guò)小或過(guò)大均影響混合效果。采用氣動(dòng)混合方式的，不同的混合壓力會(huì)產(chǎn)生不同風(fēng)速，混合時(shí)所需的操作風(fēng)速須比物料的臨界流化速度高才能使粉體在上下翻動(dòng)中進(jìn)行混合?；旌显O(shè)備參數(shù)是一個(gè)相對(duì)參數(shù)，企業(yè)在研發(fā)特殊醫(yī)學(xué)用途全營(yíng)養(yǎng)配方食品時(shí)需根據(jù)設(shè)備性能、產(chǎn)品物料特點(diǎn)及混合設(shè)備填充量等因素進(jìn)行工藝優(yōu)化，確定適合不同產(chǎn)品的混合參數(shù)。

3 混合時(shí)間對(duì)混合均勻度的影響

干法工藝中混合時(shí)間是特殊醫(yī)學(xué)用途全營(yíng)養(yǎng)配方食品生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，由于混合體系中原輔料之間存在顆粒度、相對(duì)密度等物性差異，粉體在混合的同時(shí)也發(fā)生著自動(dòng)分級(jí)而離析，當(dāng)混合和離析達(dá)到某種平衡狀態(tài)，即混合體系呈現(xiàn)出良好的混合均勻度，而如在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步混合，則有可能出現(xiàn)混合均勻度下降[12]。Tsuu等[13]對(duì)這一現(xiàn)象做過(guò)詳細(xì)的數(shù)值模擬研究，其研究結(jié)果也驗(yàn)證上述現(xiàn)象。因此，合適的混合時(shí)間參數(shù)優(yōu)化對(duì)特殊醫(yī)學(xué)用途全營(yíng)養(yǎng)配方食品的均勻度至關(guān)重要。

4 原料物性對(duì)混合均勻度的影響

原料的物性指原料的物理性質(zhì)，中國(guó)尚無(wú)食品原輔料與食品營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑混合相關(guān)物性方面技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，因而這些重要物性數(shù)據(jù)查詢(xún)困難，使得營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化食品生產(chǎn)大多停留在經(jīng)驗(yàn)層面。在對(duì)粉體混合體系已有的國(guó)內(nèi)外研究中，普遍認(rèn)為由于粉體因物性不同而會(huì)產(chǎn)生不同的顆粒間作用力，如摩擦力、靜電力、黏附力等。不同的作用力會(huì)使得粉體在混合過(guò)程中表現(xiàn)出不同的流動(dòng)性，從而制約著各組分的混合均勻程度，且在這些物性因素中顆粒粒徑、休止角、顆粒有效密度及吸濕性的影響較為關(guān)鍵[14-15]。

4.1 顆粒粒徑

顆粒粒徑指顆粒的大小，是影響顆粒行為特性及不同顆粒相互均勻分散程度的最重要因素[16]，這可能是由于與不同原輔料或者粉體間的顆粒密度、顆粒形狀等指標(biāo)差異相比，顆粒粒徑的差異顯著大于其他物性差異[17-20]。Plinke等[21]認(rèn)為隨著顆粒粒徑減小，其自身重力對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響變?nèi)?，而顆粒間的內(nèi)部作用力如靜電力、范德華力、空氣阻滯力、毛細(xì)管作用力等將成為主導(dǎo)顆粒機(jī)械運(yùn)動(dòng)的主要作用力。Castellanos等[22]認(rèn)為粉體顆粒粒徑小于10目時(shí)，顆粒間的內(nèi)部黏附作用力即與顆粒所受重力處于同一數(shù)量級(jí)。Pooja等[23]對(duì)二元食品配料的混合均勻性研究表明，不同密度與粒徑之比值控制在4.45時(shí)，會(huì)獲得比較好的混合效果。由此可見(jiàn)，粉體混合體系中顆粒粒徑大小不同，其所受影響的作用力會(huì)不同。顆粒尺寸減小時(shí)，顆粒分子間的作用力占主導(dǎo)，降低粉體流動(dòng)性，即相對(duì)削弱混合體系各組分的分離傾向?；旌象w系中各顆粒粒徑大小越相近時(shí)，其混合過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性則越相近，即其具有更好的混合均勻性，反之亦然。因此，建議企業(yè)在特殊醫(yī)學(xué)用途全營(yíng)養(yǎng)配方食品研發(fā)的原輔料篩選環(huán)節(jié)，建立配方中不同物料的粒徑分布數(shù)據(jù)，通過(guò)工藝驗(yàn)證優(yōu)選粒徑分布范圍與設(shè)備及工藝相匹配的物料。

4.2 休止角

休止角即指粉體在斜面處于下滑的臨界狀態(tài)時(shí)與水平面所成的最小夾角。研究表明，休止角的大小影響著粉體流動(dòng)性[24-25]。休止角越小的顆粒，越趨向于球形，混合時(shí)表現(xiàn)出良好的流動(dòng)性及分散性。而休止角越大的顆粒，顆粒間易產(chǎn)生咬合作用而呈現(xiàn)“架橋效應(yīng)”，影響粉體的混合效果。Teunon等[26]認(rèn)為形狀差異大的顆粒會(huì)在表面形成較多的接觸位點(diǎn)，較多的位點(diǎn)加強(qiáng)顆粒間作用力，進(jìn)而影響粉體的內(nèi)部作用力，較強(qiáng)的粉體內(nèi)部作用力會(huì)降低粉體的流動(dòng)性。Mittal等[27]的解釋是形狀差異大的顆粒比較容易嵌入到內(nèi)部不規(guī)則的空隙中，從而使得混合體系中的粉體流動(dòng)性變差，影響混合的均勻性。章肇敏等[28]對(duì)特殊醫(yī)學(xué)用途嬰兒配方食品中的物料休止角進(jìn)行了初步探索，宏觀營(yíng)養(yǎng)素的物料休止角在32°～49°之間時(shí)成品表現(xiàn)出良好混合均勻性。由于全營(yíng)養(yǎng)特醫(yī)食品中宏觀營(yíng)養(yǎng)素碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪的原料在配方中占比較高，是整個(gè)干法混合體系中流動(dòng)性的決定性因素。因此，為使產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中具有良好的混合均勻性，建議企業(yè)結(jié)合設(shè)備工藝建立物料的休止角與混合均勻度之間的數(shù)據(jù)模型。

4.3 顆粒有效密度

粉體的質(zhì)量除以真體積的密度即為真密度，單位體積的內(nèi)部閉孔體積顆粒的質(zhì)量即為假密度，真密度和假密度均為顆粒的有效密度，粒徑相同而形狀不同的顆粒，會(huì)具有不同的顆粒有效密度，其受外力作用時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同的慣性及運(yùn)動(dòng)行為。在混合體系中顆粒因密度不同會(huì)在一定的空間體積內(nèi)產(chǎn)生不同位移，如密度差異較大極可能會(huì)影響微觀混合效果[29]。解立斌[14]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，不同種類(lèi)粉體間的有效密度差異在3倍以?xún)?nèi)，明顯不如不同粉體粒徑分布這一物性指標(biāo)上的差異時(shí)，可不考慮有效密度對(duì)混合體系的影響。因此，全營(yíng)養(yǎng)特醫(yī)食品的混合體系中的顆粒有效密度在物料篩選時(shí)需要作一定評(píng)判。

4.4 吸濕性

粉體表面因吸附水分子而使粉體濕度增加的現(xiàn)象成為吸濕。粉體吸濕會(huì)使顆粒間黏著力增強(qiáng)，導(dǎo)致粉體之間因黏著而固結(jié)，進(jìn)而使粉體流動(dòng)性下降，混合變得困難[30]。解立斌[14]在25 ℃、相對(duì)濕度75%條件下，對(duì)營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化食品中常用的營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑樣品進(jìn)行24 h吸濕情況考察，結(jié)果表明，氯化膽堿、左旋肉堿、氯化、氯化鎂、泛酸鈣在2 h內(nèi)基本完全成為液態(tài)，不再具備固態(tài)顆粒的形狀，低聚果糖、聚葡萄糖、酪蛋白磷酸肽也在很快時(shí)間內(nèi)成類(lèi)糖漿狀，失去固態(tài)顆粒性狀。GB 29923《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品良好操作規(guī)范》中對(duì)粉狀特醫(yī)食品的生產(chǎn)中規(guī)定：無(wú)特殊要求時(shí)，溫度應(yīng)不高于25 ℃，相對(duì)濕度應(yīng)在65%以下。由此可見(jiàn)，考察混合體系中粉體的吸濕特性對(duì)于干法工藝中全營(yíng)養(yǎng)特醫(yī)食品的混合均勻度及生產(chǎn)可行性具有重要意義。

5 結(jié)語(yǔ)和展望

特殊醫(yī)學(xué)用途全營(yíng)養(yǎng)配方食品的目標(biāo)消費(fèi)人群較為特殊，為保證干法工藝中特殊醫(yī)學(xué)用途全營(yíng)養(yǎng)配方食品良好的混合均勻性及營(yíng)養(yǎng)充足性，從控制風(fēng)險(xiǎn)的角度應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：根據(jù)不同的混合設(shè)備及工藝，選擇和設(shè)備性能相匹配的物料，重點(diǎn)對(duì)物料的顆粒、休止角、顆粒有效密度、吸濕性進(jìn)行考察；根據(jù)確定后的物料特性，對(duì)設(shè)備參數(shù)及混合時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，選擇適合該配方的最優(yōu)生產(chǎn)工藝參數(shù)。