基于高剪切技術的甜玉米粒粉碎實驗研究

沈培玉，吳紅霞，張裕中

(1.江南大學機械工程學院，江蘇無錫214122;2.江蘇省昆山第一職業高級中學，江蘇昆山215311)

基于高剪切技術的甜玉米粒粉碎實驗研究

沈培玉1，吳紅霞2，張裕中1

(1.江南大學機械工程學院，江蘇無錫214122;2.江蘇省昆山第一職業高級中學，江蘇昆山215311)

討論了影響果蔬纖維飲料懸浮穩定性的主要因素，在研究分析了甜玉米粒表皮結構和力學特性的基礎上，應用高速超剪切技術對甜玉米粒進行濕法粉碎實驗。實驗表明，高速剪切粉碎機對甜玉米粒液固混合物具有明顯的粉碎效果，在剪切時間為3min，轉子轉速為6500r/min，定轉子間隙為0.12mm時，顆粒平均粒徑為d(0.5)為147.55μm，且顆粒分散均勻，可以提高甜玉米飲品的穩定性。

甜玉米，懸浮飲料，穩定性，剪切，粉碎，平均粒徑

Abstract:The factors of the aerosol stability were discussed for the influence on fruits and vegetables fiber drink.Through the research on the epidermis structure and the mechanics characteristic for sweet corn seed，the aqueous smashing and isotropic experiments were carried out with the high speed shearing technology for the sweet corn grain.The experiment indicated that the high speed shearing grinder had the obvious effect for the smashing isotropic for a sweet corn grain in liquid－solid mixture.If 3min for the shearing time，6500r/min for the rotor speed，0.12mm for stator－rotor gap，the average grain diameter can be d(0.5)=147.55μm，and the particle is even dispersed，so that the stability for the sweet corn drinks can be enhanced.

Key words:sweet corn seed;suspending beverage;stability;shearing;smashing;average grain diameter

甜玉米是一種果蔬型玉米，具有豐富的營養成分，近年來已被開發制成飲品。但由于存在飲品的口感、穩定性和原料的利用率等一些技術性問題，未能形成規模化生產。目前，對甜玉米飲品的研究多以加工工藝、風味、穩定劑等為主［1－2］，加工時一般都采用漿渣分離工藝，即取汁后去除皮渣，粉碎均質設備基本上使用膠體磨、高壓均質機。然而，玉米皮中富含人體所需的天然纖維素，稱為膳食纖維(Dietary Fiber)［3］，是對人體健康有益的營養物質，而且膳食纖維的物性及其功能的發揮與其顆粒度有一定的關系［4］。濕法粉碎設備中，典型的壓力式粉碎設備有高壓均質機;基于剪切原理的粉碎設備有膠體磨、齒形定轉子高剪切粉碎機。對于纖維類物料，由于其良好的韌性，采用傳統的膠體磨、高壓均質機很難達到理想的效果［5］。本課題則是利用基于剪切粉碎原理的高速剪切粉碎機，使分散相顆粒破碎細化，達到乳化、均質與混合的效果。因此，有必要對甜玉米粒及其皮渣的粉碎技術進行深入研究，以解決甜玉米原料的充分利用，提高甜玉米果汁飲品的穩定性、改善飲品的感官品質，豐富飲品的營養價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甜玉米 市售。

QLT科立泰IH微電腦電磁爐 深圳市元碩電子有限公司;SQ2119C多功能食品加工機 上海帥佳電子科技有限公司;高速超剪切微細粉碎實驗裝置 無錫市匯光糧機制造有限公司;Master Sizer2000激光粒度分析儀 英國馬爾文儀器公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 懸浮飲料的穩定性機理 果蔬纖維飲料屬于非均相液固混合物，一般要求產品在其有效期內抗絮凝，防止分層、沉淀，維持懸浮顆粒的均勻分布，以保證產品的穩定性，提高產品質量。果汁中含有果肉等不溶性物質，由于其密度與果汁密度不同，這些不溶性物質在重力作用下會逐步沉淀［6］，沉淀速度遵循Stock公式:

式中:μ為連續相(液體)的粘度;d為分散相粒徑;g為重力加速度;ρ1為分散相顆粒密度;ρ2為連續相密度。

式(1)表明，分散相顆粒的沉淀速度與粒徑成正比，與液體粘度成反比。一方面可以添加穩定劑增稠，但由于過高的粘度會影響產品的口感和香味的釋放，因此穩定劑用量都有一定配比;另一方面可以通過粉碎均質處理，減小分散相粒徑，使細小微粒穩定、均勻地分散于連續相中而不分離，以有效提高產品在銷售存放過程中的穩定性。

1.2.2 高速剪切粉碎機 高速剪切粉碎機關鍵部件是一對具有齒槽結構的相互交錯的多層小間隙定轉子。如圖1所示，帶有葉片的轉子高速旋轉產生負壓，將物料不斷吸入，在強烈的湍流作用下，甜玉米漿受到葉片的強力攪拌而混合、擴散。隨即以很大的速度通過轉子齒槽進入定轉子間隙內，由于轉子高速旋轉產生的高切線速度在狹窄的定轉子間隙內形成極大的速度梯度，同時由于高頻機械效應帶來的強勁動能，使混合物受到強烈的剪切、摩擦、撞擊、擠壓、射流以及空穴等綜合作用，而且這些作用由內圈向外圈逐漸加強，使顆粒不斷細化、分散。研究表明，定轉子間隙δ、轉子轉速n是影響剪切應力場的重要因素，δ越小、n越大，產生的剪切應力大，則顆粒越易粉碎。選擇適當的δ與n值是應用基于高剪切原理的濕法粉碎設備的基本原則。

圖1 剪切原理圖

1.2.3 處理工藝

1.2.4 粉碎實驗 將預處理后的甜玉米漿用高速超剪切粉碎機進行粉碎均質，根據高剪切粉碎機理，選擇的主要操作參數和結構參數為剪切時間、轉子轉速、定轉子間隙。分別對上述每個參數做單因素實驗:即改變其中某一參數值，而保持另兩個參數為定值時，進行剪切粉碎。再選擇出粉碎效果相對較好的水平，進行三因素三水平正交優化實驗，因素水平如表1所示。

1996年，金庸來杭州，參加浙江大學百年校慶。三天停留時間里，三次登門杭州著名的面館：奎元館，并且每次都點名要吃蝦仁爆鱔面。后來被人認出，欣然為奎元館題詞：“奎元館老店，馳名百卅載；我曾嘗美味，不變五十年。”

1.2.5 測定分析 通過測定甜玉米粒粉碎后的粒度評價高剪切粉碎機的粉碎效果。用Master Sizer2000激光粒度分析儀，在泵速度為2000r/min下測定粒度大小，并用平均粒徑作為實驗指標，分析各參數對該指標的影響。

表1 實驗因素水平表

2 結果與討論

2.1 甜玉米表皮的組織結構

通過電子顯微鏡可以觀察甜玉米粒種皮的微觀形態結構。甜玉米粒種皮細胞的排列具有一定的方向性，即沿其縱向成線性排列;而在橫向上，纖維組織細胞緊密的捆綁在一起，整體結構固定。因此，甜玉米表皮具有良好的韌性、較高的抵抗變形和吸收沖擊能的能力，不易于粉碎。

2.2 甜玉米粒表皮的力學特性

甜玉米飲料加工中一般需要將原料預煮。研究表明，預煮時間影響表皮的力學特性。預煮時間越長，甜玉米表皮的破裂應力就越小，如圖2所示。在預煮時間為15min時，可以明顯改善表皮的結構組織，有利于達到更好的粉碎效果［5］。

圖2 預煮時間與甜玉米表皮破裂應力的關系

2.3 單因素實驗

2.3.1 剪切時間對粉碎效果的影響 剪切粉碎機的定轉子間隙為1mm，保持轉子轉速為6500r/min，剪切時間分別到達1、2、3、4、5min時先后取樣，測出粒度，得到d(0.5)值與時間的關系曲線，如圖3所示。

實驗表明，前3min內，隨著剪切粉碎時間的增長，顆粒的粒徑不斷減小;但是當剪切時間在3min以后，顆粒粒徑隨著時間的增長又逐漸增大。主要由于物料在粉碎過程中吸收了大量的機械能、熱能，經超細化后比表面增大，表面能升高，顆粒處于不穩定狀態;同時表面原子或離子數的比例大大提高，因而使其表面活性增加，再加上顆粒之間的距離極短，顆粒之間吸引力增大;另外，超細顆粒在粉碎過程中表面靜電很高，粒子之間在碰撞中互相吸引。因而顆粒聚集變大，粒徑增大。

圖3 剪切時間與粒徑的關系

2.3.2 轉子轉速對粉碎效果的影響 定轉子間隙為1mm，在轉子轉速分別為 3900、5200、5850、6500、7800r/min條件下，剪切時間為3min時，分別取樣，測出粒度，得到d(0.5)值與轉子轉速的關系曲線，如圖4所示。

圖4 轉子轉速與粒徑的關系

2.3.3 定轉子間隙對粉碎效果的影響 以轉子轉速為 6500r/min，調整定轉子間隙分別為 3、1、0.5、0.12mm條件下，剪切時間為3min時，分別取樣，測出粒度，得到d(0.5)值與定轉子間隙的關系曲線，如圖5所示。

圖5 定轉子間隙與粒徑的關系

實驗表明，玉米顆粒粒徑與定轉子間隙也呈線性關系，間隙越小，粒徑越小。從剪切粉碎效果看，定轉子間隙無疑越小越好。但間隙越小，流體流動量減少，能耗增加，而且為了避免定轉子運轉時產生碰撞，小間隙定轉子的加工需要較高的精度要求，勢必增加了加工難度和成本。因此，定轉子齒隙的選擇，應從物料的粉碎要求和加工成本綜合考慮。

2.4 正交實驗

在單因素實驗的基礎上，采用L9(33)正交表進行正交實驗，實驗結果如表2所示。

根據表2結果可以看出，各因素影響玉米顆粒粒徑的主次順序為C＞B＞A。說明在甜玉米粒粉碎過程中，定轉子間隙和轉子轉速起著決定因素，粉碎剪切時間對玉米汁的粒度影響相對較小。分析得到高速剪切機參數的最佳配比組合為A2B3C1，即選擇剪切時間為3min，轉子轉速為6500r/min，定轉子間隙為0.12mm，顆粒粒徑為 d(0.5)=147.55μm，達到理想的粉碎效果。

表2 L9(33)因素水平正交實驗結果

3 結論

在食品行業中，粉碎均質技術已成為提高產品品質的關鍵工藝過程。對于甜玉米飲料加工中的粉碎均質使用傳統的設備主要有膠體磨、高壓均質機，但對甜玉米表皮的粉碎效果欠佳。針對甜玉米表皮韌性大、不易粉碎的特點，引入高速剪切粉碎技術，使甜玉米粒得到充分混合、細化。在對主要參數的單因素實驗基礎上，進行正交實驗，得到轉子轉速、定轉子間隙是影響甜玉米顆粒粒徑的重要因素，選擇的優化參數為剪切時間3min，轉子轉速6500r/min，定轉子間隙0.12mm。研究表明，高速剪切粉碎機對含纖維的豆粒型物料的粉碎十分有效，而且能節約能源，提高原料的利用率，具有一定的經濟效益。

［1］鄭力.甜玉米濁汁飲料加工技術［J］.食品工業科技，2008，29(8):216－218.

［2］岳春，李暢，魏曉 .玉米飲料的研制［J］.食品工業科技，2003，24(1):67－68.

［3］尤新.玉米深加工技術［M］.北京:中國輕工業出版社，2000:205－207.

［4］王亞偉，張一鳴，胡秋娟.不同顆粒度玉米膳食纖維與其物化特性的關系研究［J］.食品工業科技，2007，28(5):100－103.

［5］高友生，張裕中，徐凱，等.纖維物料的粉碎機理及相關參數的分析［J］.包裝與食品機械，2002，20(5):4－6.

［6］周建均.酸性含乳果汁飲料穩定性探討［J］.飲料工業，2001，4(6):17－21.

［7］吳紅霞，萬燕君，張裕中.甜玉米粒物理性質及其皮渣超細粉碎的研究［J］.玉米科學，2007，15(3):150－152.

Experimental study on the pulverization for sweet corn seed based on high－shearing technology

SHEN Pei－yu1，WU Hong－xia2，ZHANG Yu－zhong1
(1.School of Mechanical Engineering，Southern Yangtze University，Wuxi 214122，China;2.Kunshan No.1 Vocational Senior High School，Kunshan 215311，China)

TS210.1

B

1002－0306(2010)08－0268－03

2009－09－24

沈培玉(1964－)，女，碩士，講師，研究方向:食品機械、粉碎均質技術、計算機輔助設計。