超細粉碎技術在黑莓全果制漿中的應用

趙龍等

摘要：以南京白馬地區大量種植的黑莓為研究對象，采用高效超細濕法粉碎技術，對黑莓鮮果全利用加工技術進行研究，分析黑莓物料的特性及其斷裂粉碎機理，提出對黑莓物料較為有效的粉碎方式為剪切粉碎，并利用JM系列膠體磨和自主研制的高速切割粉碎機，對新鮮黑莓進行粉碎試驗，采用粒度儀分析黑莓全果在不同設備和不同操作參數下粒度分布情況。研究結果表明，采用高速切割粉碎機在動刀頭轉速為9 000 r/min、靜刀片齒數為222個、粉碎3次時，黑莓全果被粉碎的平均粒徑為83 μm左右，此時生產的黑莓濃漿細度最佳、效率最高，符合生產實際的需求。

關鍵詞：超細粉碎；黑莓全果；高速切割；制漿技術；粒度分析

中圖分類號： TS255.36 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）03-0206-04

黑莓又名美國塔斯洲黑樹莓、美國赫爾黑莓，原產于北美，1986年由位于南京的江蘇省中國科學院植物研究所首次引入我國[1]。黑莓屬薔薇科懸鉤子屬藤本植物，以“高營養、高抗性、無污染、純天然”等特點被聯合國糧農組織（FAO）推薦為當今國際第3代新型特種漿果類品種[2]。果實為聚合果，單果質量6～10 g，成熟果實呈紫紅色，透亮晶瑩，柔嫩多汁，酸甜爽口。黑莓鮮果營養豐富，可溶性固形物、總糖、總酸、糖酸比、粗蛋白、維生素、礦物質和氨基酸含量分別為75%、5.13%、1.36%、3.77、1.70%、1.246 mg/kg、16.865 mg/kg、82.90 mg/kg[3]，含水量高達855%，可制成果汁飲料、果醬、糖水罐頭、干紅酒、冷飲和糕點等，加工后大部分營養成分可以得到保留。

黑莓屬于加工型水果。黑莓產業目前已經成為南京市溧水區農業五大支柱產業之一，是全省最大的黑莓標準化示范園，被譽為“中國黑莓之鄉”。黑莓產量的增加能否促進產業的發展，很大程度上決定于加工品的開發。目前，江蘇省黑莓加工產品主要是果汁飲料和糖水罐頭。黑莓加工存在不少問題，以加工黑莓汁為例，黑莓原料含水量大、黏稠度高、韌性強，若烘干后再進行粉碎或采取傳統的濕法粉碎設備進行粉碎加工，存在產量低、磨損大、能耗高、品質低、污染嚴重等一系列問題，同時會產生大量的廢棄物——黑莓渣，生產1 t黑莓汁將產生大約250 kg的渣。殘渣中含有大量花色苷等多酚類化合物，對黑莓渣進行開發和利用，不僅能夠減少環境污染和資源浪費，而且能大大提高產品的附加值。

從黑莓粉碎后粒徑和口感等角度出發，探究濕法粉碎設備中膠體磨和高速切割粉碎機的粉碎機理，比較2種濕法粉碎設備在不同操作參數下對黑莓全果粉碎效果的影響，以探究采用超細粉碎機工業化處理黑莓全果的可能性，為充分利用黑莓這一季節性強、產量大的農產品提供有力的支持[4-7]。

1 黑莓物料特性與粉碎機理分析

1.1 黑莓物料特性

黑莓鮮果中纖維物質的含量是其他水果的3倍多[8]，而纖維素化學結構中含有許多親水基團，再加上植物纖維具有非常復雜的線性結構和網狀結構，物料也就具有了良好的持水性[9-10]。纖維素在水中浸泡后會具有很強的韌性，這使得纖維物料具有較高的抵抗變形和吸收沖擊的能力，因此，黑莓經粗破碎以后會產生大量的皮渣（圖1）。

1.2 物料粉碎機理

對纖維素有效的粉碎方式為拉應力、剪應力以及研磨力的綜合作用。在研磨力的作用下，植物纖維材料便會受到破壞，而拉應力和剪切力則會使材料斷裂細化。在實際生產中，用于纖維物料粉碎的設備必須能夠保證機器在實際運行的過程中產生強烈的拉應力、剪應力和研磨力[11]。若要產生如此強大的綜合力場，較為有效的方法是將粉碎機的的關鍵部件刀頭制作成如圖2所示的結構，要加工的物料從動刀頭、定刀片之間的微細間隙流動，在機械力、流體力學效應的綜合作用下，產生很大的剪切力、摩擦力、撞擊力等，物料運送過程中纖維被切斷，此種狀態下刀刃對物料的粉碎以剪切力為主，剪切效果良好。由于具有多把定刀片和動刀頭，從而使纖維物料在受到多次循環剪切的作用下被逐漸細化，達到粉碎的效果。因此，在對黑莓物料進行粉碎制漿的時候，應結合物料的特性選擇合理的粉碎方式，使粉碎效率最高、產品細度最好[12]。

2 濕法粉碎機理

2.1 膠體磨粉碎機理

膠體磨作為一種超微濕法粉碎加工設備，自20世紀70年代末進入我國以來，已廣泛應用在食品加工中。膠體磨又名分散磨（colloid or dispersion mill），其磨頭主要由定子和轉子組成，兩者之間有一個帶有微小間隙的接觸面，工作時，轉子轉動形成一個強大的離心空間，在重力作用下，被加工物料被吸入膠體磨的粉碎腔內，在轉子離心力的作用下，物料被強制性通過定轉子之間的微小間隙，當轉子高速旋轉時，黏附在旋轉面上的物料速度最大，而在定子上的物料相對于轉子而言是靜止的，其間便產生了較高的速度梯度，這對具有一定黏度流動的物料產生強大的剪切力。膠體磨定轉子原理如圖3所示[13]。

膠體磨在工作過程中，可在極短的時間內實現對黏稠物料的固形物進行超微粉碎，并兼有混合、乳化、均質等作用。膠體磨機器結構簡單，操作簡便，占地面積較小；但是由于膠體磨定子和轉子磨體之間的間隙極小、工作部分面積較大，加工精度雖然提高但易磨損。另外，由于結構的原因，膠體磨的處理量非常有限，需要采用強制喂料裝置才能保證物料的順暢流動。

2.2 高速切割粉碎機的粉碎機理

基于高速切割粉碎技術而開發的粉碎機來源于美國食品機械行業[14]，主要用于對食品類物料的粉碎、分散和均質等，特別是對流動性較好的黏稠狀物料，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，粉碎效果較好且顆粒均勻，較傳統濕法粉碎方式而言產量也較高，該技術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。

高速切割粉碎機的關鍵結構及工作原理如圖4所示。黑莓原料在轉子形成的強大吸力和物料重力的綜合作用下，被吸進高速旋轉的葉輪中央區域，在電動機和葉輪離心力的驅動下，以極高速度撞擊在粉碎切割頭靜刀片露出的鋒利切割邊緣上。動刀頭和靜刀片在運動的過程中，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2個刃口，黑莓瞬時受到強剪切力的作用，植物纖維就像剪刀剪棉紗一樣被剪斷。由于定子中安裝的靜刀片數量很多，在葉輪高速旋轉的過程中，切割也在持續地進行，從而使黑莓物料被漸次切割粉碎，粉碎后的產品顆粒從靜刀片之間的極小間隙強制排出，由于葉輪的轉速極高，黑莓物料在粉碎腔內只能停留很短的時間。該設備各個刀片對物料的切割量穩定，具有粉碎速度快、粉碎后產品粒度大小均勻等特點[15-16]。

3 材料與方法

3.1 試驗材料

新鮮黑莓，由南京市溧水區白馬鎮提供。

3.2 試驗設備及儀器

TCS-100型電子計價臺秤，永康市香海衡器廠生產；JM60型膠體磨，上海田崗機械制造有限公司生產；QDWⅠ3000-18型臥式濕法粉碎機，無錫輕大食品裝備有限公司生產；QDGX-15型高速切割粉碎機，江南大學食品裝備工程研究中心與無錫輕大食品裝備有限公司聯合研制；激光粒度分析儀Mastersizer2000，英國馬爾文儀器有限公司生產。

3.3 設備參數設置

JM60型膠體磨：間隙為110 μm左右（低于110 μm時，黑莓物料通過機器流動較困難），轉速為3 000 r/min（最高轉速），粉碎試驗次數分別采取1次、2次和3次。

QDGX-15型高速切割粉碎機：靜刀片數量分別為206個、216個和222個，轉速分別選取6 000、7 500、 9 000 r/min，粉碎試驗次數分別采取1次、2次和3次。

激光粒度分析儀：黑莓顆粒折射率為1.500，吸收率為 1.000，分散劑為純凈水，分散劑折射率為1.330，粒度分析軟件為Mastersizer2000自帶配套軟件。

3.4 試驗方法

按圖5所示步驟進行：稱取約20 kg的新鮮黑莓，去除雜質，洗凈晾干，放入QDWⅠ3000-18型臥式濕法粉碎機中進行粗破碎，得到具有一定流動性的黑莓濃漿；將粗破碎后的黑莓漿液等分為13份，分別予以編號，取其中4份分別放入JM60型膠體磨和配備不同齒數的高速切割粉碎機中進行多次粉碎試驗，分別取粉碎1次、2次和3次后的黑莓樣品用激光粒度儀分析測試，以體積平均粒徑作為濃漿的考察指標；將其余9個樣品進行L9（33） 正交試驗（表1）[17]，并作粒度測試，以研究高速切割粉碎機粉碎次數、動刀頭轉速、靜刀片數量對黑莓全果粉碎細度的影響。

3.5 基本指標測定

選取在不同操作參數下粉碎的黑莓濃漿約10 mL，放入盛有純凈水的粒度儀測試專用燒杯中，混合攪拌并搖勻，粒度儀分散頭的旋轉速度設定為2 200 r/min。稍候片刻，待黑莓濃漿在純凈水中完全分散均勻之后，儀器的系統分析軟件會自動以表格和圖像的形式顯示黑莓濃漿的粒度分布及體積平均粒徑。

4 結果與分析

4.1 膠體磨和高速切割粉碎機多次粉碎試驗結果

膠體磨轉速設置為3 000 r/min，高速切割粉碎機轉速均為9 000 r/min。由圖6、圖7可見，用不同加工設備粉碎黑莓全果，隨著粉碎次數的增加，粒度都呈減小趨勢，但當粉碎3次以后，曲線斜率降低，粉碎次數增加對粒度的影響變小。這是因為在粉碎初期，用QDWⅠ3000-18型臥式濕法粉碎機粗破碎后的黑莓粒徑在498 μm左右，大顆粒較多，經過初次粉碎后，黑莓漿料的粒度變化較明顯，隨著顆粒的減小，受到定子與轉子間隙和轉速等條件的限制，較細的黑莓漿料難以受到更強烈的粉碎，其能耗的提高得不到應有的粉碎效果。膠體磨隨著粉碎次數的增加，黑莓濃漿的粒度會有一定程度的變化，粉碎4次后，其體積平均粒度為136.228 μm，低于高速切割粉碎機不同配置同樣粉碎次數的粉碎細度。高速切割粉碎機以靜刀片數量為222個粉碎效果最好，在同樣粉碎次數下粉碎粒度最細。

試驗結果還表明，采用功率相同的設備粉碎約4 kg相同質量的黑莓物料，在保證正常生產條件下，膠體磨單次粉碎需要20 s，產量推算為720 kg/h，配備222齒的高速切割粉碎機單次粉碎需要12 s，產量推算為1 200 kg/h，膠體磨粉碎時間相對較長。這是由于部分物料在多次粉碎條件下，在膠體磨的粉碎腔內停留時間延長，受到定轉子研磨的次數增加。因此，采用高速切割粉碎機加工黑莓全果，效率較高，產量較大，更適合工業化大生產，膠體磨只適合于實驗室多次研磨細化

黑莓全果之用，不適合工業化大批量處理黑莓。

須注意的是，試驗發現，膠體磨粉碎黑莓全果過程中，物料用量過大會直接影響機器的正常運行，造成轉子卡死；隨著粉碎次數的增加，能耗增加，物料的溫度也明顯升高，會直接影響黑莓濃漿的品質。

4.2 高速切割粉碎機粉碎正交試驗結果

由表2可知，在不同粉碎次數、動刀頭轉速和靜刀片數量的配比下，黑莓全果粉碎后的細度有所差異。由極差分析可知，對細度影響的主次順序為：動刀頭轉速（A）>靜刀片數量（B）>粉碎次數（C），其最佳因素組合為A3B1C3，即動刀頭轉速9 000 r/min、靜刀片數量為222個、粉碎次數為3次。在最佳工藝水平條件下重復3次試驗，馬爾文粒度儀測試后的粒度分布如圖8所示，黑莓全果粉碎后粒度在（83±3） μm，誤差范圍較小，符合生產實際的需求。

5 小結與討論

研究結果表明，膠體磨和高速切割粉碎機對黑莓全果的粉碎加工都有一定的作用，在一定程度上都能實現對黑莓鮮果的全利用，但是，并非2種設備都適合工業化生產中對黑莓全果的加工。新鮮黑莓經膠體磨單次循環粉碎后粒徑為206.849 μm，處理量約為720 kg/h；經配備222齒的高速切割粉碎機單次粉碎后粒徑為121.773 μm，處理量約為 1 200 kg/h，無論在細度上、產量上還是能耗上，高速切割粉碎機都表現出明顯的優勢。

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