高速切割技術及其在鮮濕豆渣超細粉碎中的應用

張茂龍陳錫春高青令張裕中

（1.江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2.無錫輕大食品裝備有限公司，江蘇 無錫 214122）

高速切割技術及其在鮮濕豆渣超細粉碎中的應用

張茂龍1陳錫春1高青令2張裕中1

（1.江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2.無錫輕大食品裝備有限公司，江蘇 無錫 214122）

對豆渣物料特性及其纖維的斷裂粉碎機理進行分析，提出對豆渣物料較為有效的粉碎方式為剪切粉碎，并利用研制的高速切割粉碎機對鮮濕豆渣粉碎進行正交試驗，探究了葉輪轉速、靜刀片數量、循環次數對豆渣粉碎粒度的影響。結果表明，葉輪轉速9 000r/m，靜刀片數量216個，循環次數3次時，豆渣被粉碎的平均粒徑可達72μm左右。

豆渣粉碎；高速切割；濕法粉碎；纖維粉碎

豆渣是加工豆腐、豆乳等豆制品的副產物。中國大豆食品行業每年約產生2 000萬t濕豆渣，其含水率在80%～90%左右。由于豆渣營養豐富，是微生物的良好棲身地，所以豆渣極易腐敗，加工要及時，必須在生產過程中加工成食品或干燥后才能保存、運輸［1］。目前利用豆渣較佳的途徑是將豆渣粉碎至一定細度，摻入豆制品中，充分利用豆渣中的膳食纖維和殘留蛋白質，制成全子葉豆乳［2］，達到清潔化、無渣化生產；也可以將豆渣干燥后充分粉碎，再添加入面包或餅干中［3－5］，制成高纖食品。但目前的關鍵工藝難點是豆渣干燥處理能耗高、費用大，而傳統的濕法粉碎設備（如砂輪磨、膠體磨等）在工業應用中很難將濕豆渣粉碎至足夠的細度［6－8］，影響了產品的口感，嚴重困擾著豆渣的綜合利用。

本試驗研究了一種基于超剪切原理的新型濕法高速切割粉碎技術，該技術可以有效地將鮮濕豆渣粉碎至150目（約100μm），為充分利用豆渣這一副產物提供了一種全新的技術與裝備支持。

1 豆渣物料特性與斷裂粉碎機理分析

濕豆渣成分及其含量如表1所示［9］。除去水分之外，豆渣的主要成分為纖維素，纖維素的化學結構中含有許多的親水基團，加上豆渣纖維具有復雜的線性結構和網狀結構，因此具有良好的持水性［10］。當纖維素在水中浸泡吸水后具有很強的韌性，這就使得豆渣物料具有較高的抵抗變形和吸收沖擊能的能力。因此在對鮮濕豆渣進行粉碎的時候，就要結合其物料特性選擇合理的粉碎方式，使得粉碎效率最高。

表1 干豆渣的成分含量Table 1 Composition of dry okara

根據 Holmholtz速度分解定理［11－12］，對大豆纖維較有效的粉碎斷裂方式以以下兩種方式為主：

（1）纖維層與層間分離直至斷裂是大豆纖維粉碎的一種較理想形式，這種斷裂方式能在較大程度上破壞纖維組織在橫截面上的網狀結構，這種損傷斷裂形式為：有效的受力形式（有拉力和剪力兩種），損傷斷裂形式（有Z、ZL、T、TL型）。不考慮其它變形時，此時變形速度張量為：

（2）纖維在長度方向上直接斷裂是大豆纖維粉碎最顯著的一種形式，能通過長度方向的剪切直接達到對大豆纖維顆粒粒徑的減少，大大減小顆粒的長度尺寸，特別是大豆纖維在長度方向上有較強的韌性時，能充分利用粉碎能耗，提高能耗的利用率。因此，此種粉碎斷裂方式是粉碎效率最高的。這種損傷斷裂形式主要是TZ型，在不考慮其它變形情況下，變形速度張量為：

這兩種速度變形張量說明對豆渣纖維的有效的粉碎方式為剪切粉碎。為此，粉碎設備的設計必須保證該機器在工作過程中產生強烈的剪切力。為了達到上述效果，最有效的辦法是將粉碎機的粉碎件制成刀刃形，刀具可分為靜刀具和動刀具，刀具的設計應適當。圖1示出了纖維物料在動靜刀具間被剪切的情況［13］。動刀與靜刀配合緊密適當，當動刀從1處運動到2處時，纖維被切斷。此種狀態下刀刃對纖維以剪切力為主，且切斷效果良好。對于希望以剪切為主的粉碎，靜刀與動刀在保證強度足夠的情況下，兩刀之間的縫隙應盡可能小，刀刃應盡可能窄，刀片應盡可能多。

圖1 豆渣纖維在動靜刀具間被斷裂示意圖Figure 1 Sketch map of okara’s brenking between static and dynamic tools

2 高速切割粉碎關鍵技術

高速切割粉碎技術［14－15］源于美國食品機械行業，主要用于對食品物料的粉碎、細化等，特別是對流動性好的液狀物料，具有高效的磨碎效果。高速切割粉碎機采用漸次剪切原理，使產品一次性通過靜止的粉碎切割頭，達到顆粒均勻，并取得高產量。該技術的關鍵在于精密配合的粉碎切割頭部件與高速穩定運轉的葉輪轉子。

2.1 高速切割粉碎機理

圖2為高速切割粉碎機的關鍵部件——粉碎切割頭及葉輪。其工作原理如下：豆渣被導向高速旋轉的葉輪中央，以極高速度撞擊在粉碎切割頭靜刀片露出的切割邊緣上。葉輪在運動的過程中，其上動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兩個刃口。如圖3所示，豆渣在間瞬受到強剪切力作用，豆渣纖維就像剪刀剪棉紗一樣被剪斷；由于靜刀片數量很多，在葉輪旋轉的過程中，切割也在持續進行，從而使物料被漸次切割粉碎。粉碎后的產品顆粒從靜刀片之間的間隙排出。由于葉輪的轉速極高，物料在粉碎腔內只停留很短的時間，粉碎速度快；并且每個刀片對物料的切割量一定，因此粉碎后的產品粒度大小均勻。

圖2 粉碎切割頭及葉輪部件示意圖Figure 2 Assembly of cutting head and impeller parts

圖3 高速切割粉碎過程示意圖Figure 3 Schematic diagram of high－speed cutting

2.2 高速切割粉碎關鍵技術

高速切割粉碎的關鍵技術包括粉碎切割頭的結構、動靜刀片之間的精密配合、葉輪轉子高速運轉的穩定性等。

2.2.1 粉碎切割頭的結構 如圖4、5所示，粉碎切割頭由上下齒圈、靜刀片及上下壓板組成。

圖4 粉碎切割頭結構圖Figure 4 Structural drawing of cutting head

圖5 粉碎切割頭分解爆炸圖Figure 5 Exploded drawing of cutting head

靜刀片為一矩形塊，被放置在圓盤狀上齒圈1和下齒圈3的齒槽內，呈環形布置，通過上壓板4、下壓板6壓緊，并用定位環5限位以防止其發生徑向移動。

影響粉碎效果的重要因素在于靜刀片的安裝形式、數量及其形狀。在刀片排列半徑一定的情況下，靜刀片的安裝形式及數量決定了切割深度h1和刀片間隙h2。根據靜刀片與動刀片之間的相對位置關系，靜刀片主要有以下6種不同的排列形式，如圖6（a～f）。

圖6 粉碎切割頭中靜刀片6種不同的排列形式Figure 6 Six different orientations of knives in the cutting head

現以圖6（c）為例分析靜刀片排列形式的切割深度h1和刀片間隙h2。

令刀片的排列半徑為r，刀片厚度為b，刀片的偏轉角度為α，靜刀片數量為n，則相鄰刀片之間的夾角γ可表示為：

切割深度h1可表示為：

將式（3）代入（4），得到切割深度h1的表達式為：

刀片間隙h2可表示為：

將式（3）代入式（6），得到刀片間隙h2的表達式為：

由式（5）及（7）可知，在刀片排列半徑r一定的情況下，h1和h2與靜刀片數量n成反比，與刀片偏轉角度α成正比。另外，刀片間隙h2隨著刀片厚度b的增加而減小。切割深度h1近似反映了物料被切割粉碎后的粒徑大小，和粉碎后產品的粒度有直接關系。刀片間隙h2影響著物料被粉碎后的出料順暢與否，間隙過大會導致物料未經粉碎而"逃逸"，過小則會造成排料不暢，物料會堵塞刀片之間的間隙。因此，切割深度h1和刀片間隙h2是一對矛盾的因素，為了達到最好的粉碎效果，應根據進料粒度、物料性質、及所需的產品粒度要求來確定切割深度h1和片間隙h2。

對于鮮濕豆渣的超細粉碎，一般選用裝有較少靜刀片數量（n為180～206）的粉碎切割頭進行粗粉碎，然后再用裝有較多靜刀片數量（n為212、216等）的粉碎切割頭進行細粉碎。不同靜刀片排列形式的切割深度h1和刀片間隙h2見表2。

表2 不同排列形式的切割深度和刀片間隙Table 2 Depth of cutting and space between knives on different orientations of knives

由表2可知，刀片間隙很小，而且刀片要具有足夠的剛度，所以刀片的寬度要適宜，這就導致了粉碎之后的物料要通過一個很長很窄的通道，即出料通道具有很大的長徑比（l/d），如圖3所示。為了使得排料順暢，就要盡量減小出料通道的長徑比，在刀片寬度l及刀片開口間隙h2（相當于d）無法減小的情況下，可以通過改變刀片的形狀來實現。如圖7所示，可以在靜刀片的切削面上開斜槽，增大錐形出料孔的斜度以達到減小出料通道長徑比的目的。

2.2.2 動靜刀片之間的間距δ動靜刀片之間的間距δ是指靜刀片的切割邊緣與動刀片的切割邊緣之間的徑向距離，如圖7所示。為了達到最好的粉碎效果，葉輪葉片頂端在刀片間隙處應在物料欲剪切面上，即在刀刃欲對物料的切割方向上。但是葉輪在高轉速的情況下會發生偏心、變形、振動等，為了防止葉輪在工作運轉中與靜刀片發生碰撞，損傷動靜刀片，δ的取值應當合適，一般取0.1～0.2mm。

圖7 開有斜槽的靜刀片Figure 7 The knife with angled side surface

2.2.3 葉輪轉子穩定性分析 高速切割粉碎設備對食品物料的粉碎效果還取決于動刀片的切割速度，切割速度愈大，粉碎效果愈好，能得到更加微細均勻的產品顆粒。提高動刀片切割速度的途徑有兩種：一是增大葉輪直徑，即增大了粉碎切割頭的工作腔；二是提高葉輪轉速，對于高速切割粉碎設備來說，其葉輪轉速通常要達到6 000～12 000r/min。在如此高的轉速下，我們必須關注轉軸系統的穩定性，采取適當的措施使得轉子運行穩定。

影響葉輪轉子穩定性的因素不僅僅只有轉速，還包括偏心距、支承阻尼、軸承徑向間隙等［16］，以及被粉碎物料的本身特性等。

3 鮮濕豆渣超細粉碎試驗

由高速切割粉碎技術機理研究可知，切割深度近似反映了豆渣被切割粉碎后的粒徑大小，粉碎后豆渣的粒度與其有直接關系。為了達到所需細度的粉碎要求，就需要選擇合適的切割深度。在切割深度一定的情況下，在影響豆渣粉碎細度的因素主要有刀片間隙、葉輪轉速等。另外據食品企業在使用膠體磨等傳統的濕法粉碎設備的生產實踐過程中的經驗表明，粉碎的循環次數對于粉碎效果也具有一定的影響。為了探究刀片間隙、葉輪轉速、循環次數對豆渣粉碎細度的影響，設計了試驗裝置，并安排三因素三水平正交試驗［17］。

3.1 原料與設備

鮮濕豆渣：無錫市靈山食品有限公司；

電子秤：C－144電子計價稱，上海友聲衡器有限公司；

高速切割粉碎機：QDS，江南大學食品裝備工程研究中心；

激光粒度分析儀：Mastersizer 2000，英國馬爾文儀器有限公司。

3.2 方法

3.2.1 原料前期處理 鮮濕豆渣按1∶3加水稀釋（以增強其流動性）并攪拌均勻，得到豆渣懸濁液。

3.2.2 正交試驗 為了探究刀片間隙、葉輪轉速、循環次數對豆渣粉碎細度的影響，先采用單因素試驗確定各因素的水平取值，然后設計正交試驗，以粉碎后的平均粒徑為評價指標，研究各因素對豆渣粉碎細度的影響。正交試驗的因素水平見表3。

表3 因素水平Table 3 Table of factors and levels

3.3 結果與分析

由表4可知，影響豆渣粉碎細度的主要因素的主次順序為：葉輪轉速（A）＞靜刀片數量（B）＞循環次數（C），最佳的因素組合為A3B1C3，即轉速9 000r/m，靜刀片數量216個，循環次數3次。該條件正好在以上9組試驗之內，在該條件下進行的重復試驗，豆渣的粉碎粒度均在72μm左右。

表4 試驗設計及結果Table 4 Experimental design and results

影響豆渣粉碎細度的各因素的主次順序的確定，對于以后的設備優化設計有著一定的指導意義。要對鮮濕豆渣進行更細程度的粉碎，就需要改進結構以提高葉輪轉速，但是轉速的提高帶來的是更多能量的消耗，這些矛盾都是以后在裝備設計及優化過程中需要考慮和解決的。

4 結論

研究表明，當葉輪轉速為9 000r/m，靜刀片數量為216個，循環3次時，豆渣被粉碎的平均粒徑可達72μm左右。這已滿足一般豆渣食品（如豆渣纖維餅干等）的口感要求，是傳統的濕法粉碎設備所不能媲美的。

高速切割技術還可用于高纖果蔬谷物及果蔬皮渣等韌性物料的濕法超細粉碎。高速切割技術的研究及其裝備的開發，將為農產品精深加工提供更新、更優越的技術及裝備支持。目前，該設備已被河南某企業用于粉碎豆渣以提高其無糖營養粉的膳食纖維含量，取得了較好的經濟效益；海南大學食品學院也采購該設備，用于椰子深加工項目的研究。

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Research of high－speed cutting technology and ultrafine grinding of fresh okara

ZHANG Mao－long1CHENX i－chun1GAO Qing－ling2ZHANG Yu－zhong1

（1.College of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu214122，China；2.WuXi Qingda Food Equipment Co.Ltd，WuXi，Jiangsu214122，China）

In this paper，okara’s properties and fiber fracture－grinding principle were analyzed，and the effect method of grinding okara，named shear pulverization ，was advanced.The application of using high－speed cutting technology to ultrafine grinding fresh okara were carried out by orthogonal experiment，in which the impeller speed，the number of static blade and the cycle times were studied.As a result，in the condition of impeller speed 9 000r/min，the number of static blade 216pieces，the cycle times as 3，the okara were milled to about 72μm.

okara’s grinding；high－speed cutting；wet comminuting；fiber’s grinding

10.3969 /j.issn.1003－5788.2010.05.030

江蘇省科技型中小企業創新資金（編號：BC2007034）

張茂龍（1988－），男，江南大學機械學院在讀研究生。E－mail：zml＿880207＠yahoo.com.cn

2010－05－10