第一章-食品超微粉碎技术

第一章食品超微粉碎技术

粉碎操作的主要作用：

１、迎合某些消费和生产的需要。如面粉以粉末形式使用；巧克力生产时需将各种配料粉碎到足够小的细度，才能使物料混合均匀，以保证产品品质。

２、增加物料的表面积，以利加工。如喷雾干燥前，需将物料充分粉碎。

３、功能性食品生产的需要。各种功能性配料的用量非常小，只有充分粉碎，才能混合均匀。如硒是微量活性物质，用量很小，如果混合不均，还会导致严重副作用的产生。

第一节粉碎理论

一、有关粉碎的基本概念

１、粉碎：粉碎是用机械力的方法来克服固体物料内部凝聚力，使之破碎的单元操作。

┌> 破碎：将大块物料分裂成小块物料的操作

粉碎──┤

└> 磨碎或研磨：将小块物料分裂成细粉的操作

２、粒度：物料颗粒的大小

３、粉碎操作的种类（按细度分）

①粗粉碎：原料粒度在４０～１５００ｍｍ范围内，成品粒度若５～５０ｍｍ

②中粉碎：１０～１００，５～１０ｍｍ

③微粉碎：５～１０，１００μｍ以下

④超微粉碎：原料粒度０.５～５ｍｍ，成品粒度１０～２５μｍ以下。

４、粉碎的方法（按物料所处介质分）

（１）干法粉碎：原料直接粉碎，而不是悬浮于载体液流中进行粉碎。

①开路粉碎：物料经粉碎后而被直接卸出，不经筛分。

②自由粉碎：物料经筛分后，将较粗的物料进行粉碎。

③滞塞进料粉碎：在粉碎机出口插入筛网，以限制物料的卸出，以使物料粉碎得更细。

④闭路粉碎：将粉碎出来的物料经过筛分，分出过粗的物料重新回入粉碎机进行粉碎。（２）湿法粉碎：将原料悬浮于载体液流中进行粉碎。此法可避免粉尘飞扬，减少浪费。

５、粉碎的基本方法（根据物料受力的种类分）：

（１）压碎：物料置于两个粉碎面之间，施加压力后，物料因压应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）折裂：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的作用，当剪切力达到物料的剪切强度时，物料就被粉碎。

（５）冲击破碎：物料在瞬间受到外来的冲击力而粉碎，该法最适于脆性物料的粉碎。

６、粉碎度（粉碎比）：粉碎前后的粒度比

二、粉碎理论

（一）粉碎力的种类

挤压力、冲击力、剪切力（磨擦力）

（二）物料的力学性质（根据物料应变与应力、极限应力的关系）

１、硬度──它是根据物料弹性模量的大小来划分的性质。有硬和软之分。硬度越高，表明物料抵抗弹性变形的能力越大。

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越容易得到缓解。

（三）物料在粉碎时的变化

１、物料受到各种粉碎力的作用──>产生相应的应变、变形内能积蓄──>变形能超过临界值时，物料发生裂解。

２、能量的利用情况

用于粉碎和产生新表面而能量不到１％，其余能量则消耗在其它方面：

（１）未破碎的颗粒的弹性变形；

（２）物料的来回运转；

（３）颗粒之间的磨擦；

（４）颗粒和粉碎机之间的磨擦；

（５）发热；

（６）振动的噪音；

（７）机械和电机的无效消耗。

第二节干法超微粉碎和微粉碎

┌─>气流式

一、种类──┤

└─>机械式：高频振动式、旋转球（棒）磨式、转辊式、锤（盘）击式、

自磨式

二、基本原理

（一）气流式超微粉碎

１、基本原理

利用空气、蒸汽或其它气体通过一定压力的喷嘴喷射产生高度的湍（tuan）流和能量转换流，物料颗粒在这高能气流作用下悬浮输送着，相互之间发生剧烈的冲击、碰撞和磨擦作用，加上高速喷射气流对颗粒的剪切冲击作用，使得物料颗粒间得到充足的研磨而粉碎成超微粒子，同时进行均匀混合。由于欲粉碎的物料大多熔点较低或者不耐热，故通常同时使用空气。被压缩的空气在粉碎室中膨胀，产生的冷却效应与粉碎时产生的热效应相互抵消。

２、气流式超微粉碎的特点

（１）粉碎比大，成品颗粒平均粒径在５微米以下。

（２）粉碎设备结构紧凑、磨损小且维修容易，但动力消耗大。

（３）在粉碎中设置一定的分级作用，粗粒由于受到离心力的作用不会混到细粒成品中，保证了成品粒度的均匀一致。

（４）压缩空气或过热空气膨胀时会吸收很多能量产生致冷作用，造成较低的温度，所以对热敏性物料的超微粉碎有利。

（５）易实现多单元联合操作，如利用热空气同时进行干燥。

（６）卫生条件好，易实现无菌操作。

（二）高频振动式超微粉碎

１、高频振动式超微粉碎的原理

利用球形或棒形研磨介质作高频振动时产生的冲击、磨擦、剪切等作用力，来实现超微粉碎，并同时起到混合分散作用。所用设备为振动磨。

２、高频振动式超微粉碎的特点

（１）研磨效率高ｐ17

（２）成品粒径小，粒径在２－３微米以下

（３）可实现连续化生产，并可采用完全封闭式操作，以改善操作环境

（４）外形尺寸比球磨机小，占地较少、操作方便、维修容易

（５）可用于干法和湿法粉碎中。

（６）但振动噪音大，需使用隔音或消音设备。

（三）旋转球（棒）磨式超微粉碎或微粉碎

（四）转辊式微粉碎或超微粉碎

（五）锥击式和盘击式微粉碎

第三节湿法超微粉碎

球磨机和振动磨等设备，既可用于干法粉碎，也可用于湿法粉碎，但搅拌磨、胶体磨和均质机等，是湿法粉碎的专用设备。

一、搅拌磨

搅拌磨的基本原理是：在离心机高速旋转产生的离心力作用下，研磨介质和液体浆料颗粒冲向容器内壁，产生强烈的剪切、磨擦、冲击和挤压等作用力（主要是剪切力），使浆料颗粒得以粉碎。

二、双锥磨

１、双锥磨的结构特点

双锥磨是一种新型高能量密度的超微粉碎设备，它利用两个锥形容器的间隙构成一个研磨区，内锥体为转子，外锥体为定子。在转子和定子之间用研磨介质填充，，研磨介质为玻璃珠、陶磁珠和钢珠等。研介直经通常为0.5～3.0mm ，转子与定子之研磨间距（缝隙）为6～8mm，与研磨介质直经相适应。介质直经大，则间距也大。通常锥形研磨区可以得到渐进的研磨效果，供研磨的能量从进料口至出料口逐渐增加，因为随着被研磨物料细度的增加，必须使其获得更高的能量才能进一步磨细。

２、双锥磨的特点

能量密度高，研磨容器小，因此成品的细度高、生产量大；

结构紧凑，操作密闭，适于研磨含有机溶剂的物料；无空气加入，研磨时不会起泡；

适于研磨低沸点下溶解的物料和热敏性物料。

图1-19 双锥磨的结构示意图

三、胶体磨和均质机

（一）胶体磨

１、胶体磨的工作原理

工作构件由一个固定的磨子（定子）和一个高速旋转的磨体（转子）所组成。两磨体之间有一个可以调节的微细间隙。当物料通过这个间隙时，由于转子的高速旋转，使附着于转子面上的物料速度增大，而附着于定子面上的物料速度为零。这样，产生了急剧的速度梯度，从而使物料受到强烈的剪切、磨擦和湍流骚扰，产生了超微粉碎作用。

２、胶体磨的特点

粉碎时间短、颗粒细（可达１微米以下），同时兼有混合、搅拌、分散和乳化作用；

效率高，为球磨机和辊磨机的２倍以上；

间隙可调，细度可控；

结构简单、操作方便、占地小。

（二）均质机

１、均质机的工作原理

与胶体磨的工作原理相似，当高压物料在阀盘与阀座间流过时，产生了急剧的速度梯度，速度以缝隙的中心为最大，而附着于阀盘与阀座上的物料流速为零。急剧的速度梯度产生强烈的剪切力，使液滴或颗粒发生变形和破裂以达到微粒化的目的。

四、超声波乳化器

１、超声波的发生

图1-33（上）是一种普通的机械式超声波乳化装置，它有一边缘为楔形的簧片置于喷嘴的前方，液体被泵送经喷嘴成为液体，冲击簧片前缘使簧片振动。簧片以其自然频率引起共振，并将超声波传送给液体。声波强度虽不大，但足以使簧片附近的液体内部产生空化作用，从而达到乳化目的。