豆漿機刀具結構及其力學效應對豆漿品質的影響

王 觀，趙莉君，熊善柏，李前榮，吳明川，趙思明,*

(1.華中農業大學食品科學技術學院，湖北 武漢 430070；2.廣東美的精品電器制造有限公司，廣東 佛山 528311)

豆漿機刀具結構及其力學效應對豆漿品質的影響

王 觀1，趙莉君1，熊善柏1，李前榮2，吳明川2，趙思明1,*

(1.華中農業大學食品科學技術學院，湖北 武漢 430070；2.廣東美的精品電器制造有限公司，廣東 佛山 528311)

以大豆為原料制作豆漿，研究刀具結構及豆漿制作過程中的力學效應對豆漿品質的影響。結果表明：刀具傾角α較大時，其打擊力較大，切向力較小，制作豆漿時，豆渣率小，豆渣的粒度、硬度小，從而導致豆漿中更多營養物質混入到豆渣中，使得豆漿中蛋白質、游離氨基酸、總糖、脂肪含量少，黏度大；軸向力較大時，其對物料的攪拌更均勻，溫度分布的均勻性較好。根據相關性分析，刀具直徑與豆渣硬度呈顯著性相關，刀齒軸向角度與固形物含量、黏度、蛋白質含量、總糖含量等也呈顯著性相關。

豆漿機；豆漿品質；刀具結構；力學效應

傳統豆漿一般是大豆經過浸泡、打漿、煮沸、過濾等工藝制成的食品[1]，含有豐富的優質蛋白[2]，對人體有很多保健作用[3]，而打漿、加熱等工藝參數對豆漿的品質有很大影響[4-5]。現代豆漿機可采用干法打漿，在打漿過程中大豆硬度相對較大，但具有一定的脆性，在制作豆漿時為了使大豆中的營養成分充分溶出[6]，常利用特殊結構的刀具在高速旋轉條件下將大豆在短時間內迅速打碎。刀具的結構、擊打的速度、著力點和擊打方式對其打碎的程度和豆漿的品質有較大關系。目前國內外對于豆漿機中刀具的系統研究很少。

本實驗通過對豆漿機刀具結構進行分析，研究刀具結構及其所產生的力學效應與豆漿品質的關系，旨在為豆漿機的設計和豆漿制作工藝的優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

黃豆，黑龍江巨豐2號，購于湖北富悅農業開發有限公司。

pp131豆漿機(實驗室改造，可進行加熱功率和轉速的調節) 廣州美的生活電器制造有限公司；游標卡尺(量程0～300mm，精度0.01mm) 桂林量具刃具廠；TA-XT2 Plus質構分析儀 英國Micro Stable Systerms公司；烏式黏度計 浙江椒江市玻璃儀器廠；MD2032B電能量測量儀 青島儀迪電子有限公司。

1.2 制備豆漿樣品的工藝流程

原料選擇→清洗→豆漿機內煮豆、打漿、煮漿→濾網過濾→煮豆漿→冷卻→品質分析

工藝說明：選擇無蟲、無霉變、顆粒飽滿的大豆為原料，用清水洗3遍，以豆水比1:17(m/V)于豆漿機內煮豆、打漿、煮漿，總制作時間為3 0min。

攪打說明：0～10min：每加熱3min停一次，每次5s；每6min攪打一次，攪打15s。10～17min：每加熱15s，停5s(加熱時不攪打)；每80s攪打一次，每次20s。17～30min 每加熱15s，停5s。從10min起溫度均保持在95℃左右。

1.3 刀具的結構尺寸

刀具的結構示意圖如圖1所示，其中刀具最大寬度B1=12.8mm，最小寬度B2=5mm，刀齒個數n=5，刀齒面長度L=6.3mm，刀齒面寬度B3=2.16mm。其他參數見表1。

圖1 刀具圖Fig.1 Blender structure

表1 不同刀具的結構參數Table 1 Structural parameters of different blenders

1.4 刀具運動過程中的流場和力學效應分析

1.4.1 渦流截面參數的獲取

在固定的電壓下，采用改裝后的豆漿機，讓刀具在清水中旋轉運動，用照相機拍照[7]，然后測量刀具在清水中形成的渦流截面參數。

1.4.2 刀具的力學效應分析

根據刀具的結構尺寸以及其運動情況對其受力進行分析[8]，采用如下計算公式[9]。

式中：P為攪拌功率/W；Np為功率準數；z為葉片個數(2個)；N為旋轉轉速(8000r/min)；D為刀具直徑/m；R為刀具半徑/m；ρ為流體密度/(kg/m3)；ξ=f(B1、B2、H、n、L、B3、β、γ)，ξ為刀具結構參數的函數。

1.5 理化指標的測定

豆渣粒度分布的測定：將過濾得到的豆渣在105℃烘干，然后進行連續過篩，過篩目數依次為20、40、60、80目，然后在分析天平上分別稱量，用x%表示各目數條件下質量占總質量的比例。

豆渣的平均粒徑按式(5)計算。

豆渣率按式(6)計算。

式中：x1為過篩目數＜20目；x2為過篩目數20～40目；x3為過篩目數40～60目；x4為過篩目數60～80目；x5為過篩目數＞80目。m豆渣為過濾后豆渣的干質量；m豆為制作前大豆干質量；m水為加水的質量。

豆渣硬度的測定：采用一次壓縮模式，探頭為P/6，由質構特征曲線可得到硬度為：壓縮厚度為10mm時所達到的力，即第一個峰值對應的力F。豆漿固形物含量(以干基質量計)測定采用105℃干燥質量恒定法[10]；蛋白質含量(以干基質量計)測定采用凱氏定氮法[11]；游離氨基酸含量(以干基質量計)測定采用茚三酮法[10]；總糖含量(以干基質量計)測定采用酸水解法[10]；總膳食纖維含量(以干基質量計)測定參照GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》；粗脂肪含量(以干基質量計)測定采用索氏抽提法[10]；游離脂肪酸含量(以干基質量計)測定參照GB/T 5530—2005《動植物油脂 酸價和酸度測定》；豆漿密度測定參照GB/T 5009.2—2003《食品的相對密度的測定》；豆漿黏度測定采用內徑為0.8～0.9的烏式黏度計測定，計算公式為：運動黏度η=t×黏度系數；溫度測定采用多通道溫度記錄儀；能耗測定采用電能量測量儀。

1.6 數據處理

1.6.1 溫度數據處理

選取3個溫度點，溫度1、溫度2、溫度3分別為物料的頂部、緊貼加熱管的部位、物料的底部。溫度偏差ΔT表示為：

式中：n為采樣個數；xi1、xi2、xi3分別表示第i次采樣時溫度1、溫度2、溫度3各點的溫度；x表示溫度1、溫度2、溫度3的平均溫度。

第三是要求能夠建立起完整的管理會計信息安全系統與制度。信息安全是大數據時代中的重要話題，對于管理會計工作而言同樣如此。

1.6.2 理化指標數據處理

采用Excel 2003、SAS 8.1(美國北卡羅來納州SAS軟件研究所)對刀具的結構參數和豆渣的理化特性、豆漿的營養成分進行處理和相關性分析[12]。本實驗重復次數均為3次。

2 結果與分析

2.1 刀具的受力及流場分析

圖2 流體運動的流場截面圖Fig.2 Section of fluid motion

圖2a為刀具在清水中旋轉形成的渦流圖，圖2b的D表示所示渦流橫截面的直徑，h1表示液面凹陷的深度，h3表示整個渦流的高度，h4表示渦流底部距容器底部的距離。各參數見表2。

如圖3所示，由于刀具具有傾角結構，因此在高速轉動時，刀具產生切向力的同時還會產生軸向力，對原料在流場中的受力情況進行分析，以Fq表示原料所受到的切向力，以Fz表示原料所受到的軸向力，以Fd表示原料所受到的打擊力，如圖4所示。

圖3 刀具受力分析Fig.3 Force analysis of blender

圖4 物料在流場中的受力分析Fig.4 Force analysis of material in the flow

由表2可以看出，刀具2在流場中形成的渦流橫截面面積最大，這是由于刀具2的直徑最大、切向力較大，則其在流場中形成的渦流橫截面面積較大；刀具1和4的直徑較小，切向力也較小，在流場中形成的渦流橫截面面積也較小。

表2 流場截面數據分析表Table 2 Data of flow section analysis

2.2 刀具對豆渣的影響

圖5 不同刀具制作的豆渣指標Fig.5 Effect of different blenders on physiochemical properties of soybean residue

圖5是用4種不同刀具制作豆漿產生的豆渣，豆渣粒度反映的是刀具對大豆的破碎能力，豆渣硬度反映的是豆渣的蓬松程度以及水溶性物質能否較容易的溶出。由圖5c可知，刀具1的豆渣率最小，其次依次為刀具4、2、3，主要是因為刀具1的傾角最大，與大豆接觸的打擊面最大，并且在一次轉動中有兩次被打擊的過程，大豆被破碎的程度最大，導致豆渣率最少。由圖5a、5b可知，4種不同刀具制作豆漿獲得的豆渣粒度大部分集中在20～80目之間。其中以刀具1和2打漿后的豆渣粒徑較小，刀具3打漿后的豆渣粒徑最大，硬度也最大，這同樣是由于刀具1和2對大豆的打擊力較大，大豆被破碎的程度較大的原因[14]，而刀具3由于傾角方向相反，導致一次轉動只能打擊一次，大豆被破碎的程度較小，所以豆渣粒徑較大，豆渣率較大。圖5e是不同刀具制作的豆渣的含水量，可以看出刀具3豆渣中含水量最低，那是因為其豆渣粒徑最大、硬度最高，顆粒結構較致密，比表面積較小，使得豆渣的持水能力最弱，導致其含水量最低，而其他3種刀具的豆渣粒徑較小，硬度也較小，比表面積較大，導致其持水能力較強，所以豆渣的含水量較高[15]。

2.3 刀具對豆漿品質的影響

由圖6可以看出，刀具1和2制作的豆漿中固形物含量、脂肪、總膳食纖維含量、黏度較大。這是因為脂肪和總膳食纖維大部分存在于豆皮中，刀具1對大豆的打擊力較大，破碎能力較強，所以其脂肪和總膳食纖維含量較高；黏度主要是和物料的粒徑有關，打擊力大時，豆渣粒徑最細，潤脹充分，分子鏈伸展充分，黏度較大；同時豆渣粒徑最細且蓬松，其溶出的營養物質最多，所以固形物含量較高。而用刀具1制作的豆漿中的蛋白質、游離氨基酸、總糖、游離脂肪酸等含量較低，可能是由于其豆渣較細，使豆漿中的一部分可溶性物質混入到了豆渣中，導致豆漿中蛋白質、游離氨基酸、總糖、游離脂肪酸的含量減少。而刀具3的豆渣較硬，含水量較低，使得較少的可溶性物質混入豆渣中，所以相反其制作的豆漿蛋白質、游離氨基酸、總糖、游離脂肪酸的含量較高。刀具4所制作的豆漿其各營養成分均較高。對于不同刀具制作的豆漿的密度都在0.99g/mL附近。

2.4 刀具對溫度均勻性的影響

表3 不同刀具制作豆漿時溫度均勻性及能耗Table 3 Effect of different blenders on temperature uniformity and power consumption

由表3可見，刀具3在制作過程中，溫度偏差要小于其他3種刀具，主要是因為其有上下兩個方向的軸向力，使其在制作過程中攪拌均勻，導致其溫度分布較其他3個刀具分布均勻。4種不同刀具的能耗均在0.18～0.19kW·h之間，沒有顯著性差異。

2.5 相關性分析

根據前面的實驗結果對4種刀具結構參數和其理化指標進行相關性分析，結果見表4。刀具直徑與豆渣硬度有極顯著的正相關性，隨著直徑的增大，豆渣硬度變大。刀具傾角α1與豆渣的硬度、豆漿的蛋白質含量、游離氨基酸含量、脂肪含量呈負相關，隨著傾角的變大，其豆渣的硬度、豆漿蛋白質、游離氨基酸、脂肪含量變小。固形物含量和黏度與刀具角β呈顯著性正相關，隨著刀齒角度的變小，其固形物含量和黏度也變小。蛋白質含量、總糖含量與刀具角β呈顯著性正相關，隨著刀齒軸向傾角的變大，其蛋白質、總糖含量增加。

表4 刀具結構參數和豆漿理化指標相關性分析Table 4 Correlation analysis between blender structural parameters and soybean milk physio-chemical properties

3 結 論

刀具結構對豆漿的品質有較大影響。刀具傾角α較大時，其打擊力較大，切向力較大，制作豆漿時，豆渣率小，豆渣的粒度、硬度小，導致了豆漿中的營養物質混入到了豆渣中，使得豆漿中蛋白質、游離氨基酸、總糖、脂肪、游離脂肪酸含量少，黏度小。刀齒軸向傾角β與固形物含量、黏度呈顯著性正相關，與蛋白質含量、總糖含量呈顯著性負相關。軸向力較大時，其對物料的攪拌更均勻，溫度分布的均勻性較好。

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Effects of Blender Structure and Its Force of Soybean Milk Machine on Soybean Milk Quality

WANG Guan1，ZHAO Li-jun1，XIONG Shan-bai1，LI Qian-rong2，WU Ming-chuan2，ZHAO Si-ming1,*
(1. College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China；
2. Midea Premier Appliance Co. Ltd., Foshan 528311, China)

A commercial soybean milk machine with laboratory modifications for adjustable heating power and rotation speed was used to investigate the effects of blender structure and its force on soybean milk quality. The results showed that larger angle of blender elevation α provided larger strike force and smaller tangential force, and smaller soybean residue rate and smaller granule size and harness of soybean residue were obtained, which could cause the transfer of more nutrients from soybean milk to residue, the reduction in the contents of protein, free amino acids, total sugars and fat, and the increase in viscosity. Larger axial force resulted in more homogenous stirring of materials and more even temperature distribution. Furthermore, cutter diameter showed a significant correlation with the hardness of soybean residue, and the axial angle of cutter tooth was also significantly correlated with solid content, viscosity, protein content and total sugar content.

soybean milk machine；soybean milk quality；blender structure；force effect

TS214.2

A

1002-6630(2011)07-0162-06

2010-06-30

廣東美的精品電器制造有限公司項目(720107-097068)

王觀(1984—)，女，博士研究生，研究方向為食品科學。E-mail：littleguanguan92@yahoo.com.cn

*通信作者：趙思明(1963—)，女，教授，博士，研究方向為食品大分子結構及功能特性。

E-mail：zsmjx@mail.hzau.edu.cn