《食品工程原理》第四章--混合-乳化

混合乳化第四章混合乳化4.1混合4.2乳化混合乳化4.1混合混合是借助机械方法或物理方法将两种或两种以上不同物料互相混杂，使各组分浓度达到一定的均匀度。混合的结果得到混合物，食品生产中的许多物料都是以各种组分的混合物形式出现的。混合物分为两类，即均相混合物和非均相混合物，其状态可能是气相，也可能是液相或固相。混合操作主要用于制备均相混合物（如溶液），其制备方法简单，只需搅拌甚至可能不用搅拌而仅依靠分子间的扩散与自然对流相结合的方法即能实现。混合乳化4.1.1混合的基本理论1．混合机理两种或两种以上物质由局部到整体均匀的混合状态，这一混合过程的机理有三种：（1）对流混合依靠外力作用，使混合器运动部件与物料发生相对运动，促使混合物各组分发生强烈位移，最终达到均匀混合的目的；如搅拌器的搅拌混合即属于对流混合；（2）扩散混合随着混合过程的进行，混合物中的组分以分子扩散形式由浓度高处向浓度低处运动，此过程称为扩散混合，对于液体混合物的混合，对流混合的同时，常伴有分子扩散混合。与对流混合相比，扩散混合速度较慢。混合乳化（3）剪力混合对粘度高的物料，由于其流动性差，只能通过剪力作用使其团状或厚层状组分相互滑动，并拉成越来越薄的料层，增加组分间的接触面达到混合的目的，此过程称为剪力混合。如绞肉机、和面机就是通过挤压破碎达到剪切混合效果的。上述三种混合机理可能同时存在，但常以一种形式为主。混合乳化2．混合物的混合程度及混合要求混合操作的最终结果是使混合物达到一定的均匀度。均匀度是指一种或几种组分经过混合所达到的分散的均匀程度。混合物的混合程度是以均匀度来衡量的，而均匀度的表征参数有两个：混合乳化（1）分离尺度以混合后各局部区域某组分的体积的平均值来表示混合物的均匀性，称为分离尺度。（2）分离强度以混合后各局部区域某组分的浓度与该组分在混合物中的平均浓度之间的偏离程度来表示混合物的均匀性，称为分离强度。分离尺度越小、分离强度越小，表明该混合越均匀，反之，混合效果越差。混合乳化4.1.2混合操作在食品生产中的应用混合操作在食品生产中的应用主要有以下两项：①制备均相混合物：食品多由若干成分配制而成，这些成分均需均匀混合。②混合作为辅助操作，有利于传热、传质。混合操作可使物料之间有良好的接触，促进传热、传质等物理过程的进行。如醪液的加热或冷却、糖的溶解、活性碳脱色等。混合乳化4.1.3混合操作及设备1．液一液搅拌混合操作液体的混合是对中、低粘度液体或液相悬浮系通过机械搅拌使物料发生湍动，从而使混合物各组分趋于均匀的操作。液一液搅拌混合系统一般包括：①圆筒形容器，称为搅拌槽；②机械搅拌器，称为叶轮；③其他部件如搅拌轴、测温装置、取样装置等；混合乳化2．液一液搅拌混合常用搅拌装置搅拌系统中最主要的部件是搅拌叶轮。常用的搅拌器根据叶轮构造不同可分为三类：即平浆式搅拌器、旋浆式搅拌器和涡轮式搅拌器。（1）平浆式搅拌器如图4-1所示，平浆式搅拌器属于低速搅拌器，转速为20～80r/min。通过搅拌使流体沿直径方向的流动（亦称为径向流动）较强，而沿轴向方向的流动（亦称为轴向流动）较弱，为此常在容器内加挡板来强化轴向流动效果。平浆式搅拌器构造简单，应用广泛，适用于粘稠液体及一般液体物料的搅拌。混合乳化图4-1平浆式搅拌器混合乳化（2）旋浆式搅拌器如图4-2所示，旋浆式搅拌器属于高速搅拌器，其转速最高可达1500r/min。这种搅拌器主要使流体产生轴向流，为强化混合效果可使浆叶倾斜一定角度或在容器内加挡板。该搅拌器适用于对中、低粘度液体及互不相溶物系的混合。混合乳化图4-2旋浆式搅拌器1轴2桨叶3螺母4键混合乳化（3）涡轮式搅拌器如图4-3所示，涡轮式搅拌器与平浆式搅拌器相似，只是叶片多而短。其转速较高，转速为30～500r/min。这种搅拌器可使流体产生较强的径向流和切向流，如再加设挡板又会强化轴向流动，因此，涡轮式搅拌器搅拌效率较高，但其制造复杂，价格较高。涡轮式搅拌器适用于中等粘度液体的混合。混合乳化图4-3涡轮式搅拌器混合乳化4.2乳化4.2.1乳化的基本理论乳化是一种特殊的混合操作，乳化操作包含粉碎和混合操作。乳化是使两种通常不互溶液体，进行密切混合，使一种液体粉碎成小球滴后分散到另一种液体之中的操作过程。乳化操作的产物称为乳化液，乳化液是一种不稳定体系，为得到所需类型的乳化体系和必要的体系稳定性，乳化时除必要的机械力使液滴破碎（即均质）和操作条件控制外，一般还要加适当助溶剂，即乳化剂。乳化操作在食品工业中应用很广泛。应用乳化技术可使天然存在的食品乳化液更加稳定。如牛奶经均质、乳化处理后可避免奶油和脱脂奶分层现象，提高了感官质量。混合乳化4.2.2乳化液的类型和稳定性1．乳化液的类型食品乳化液通常有两种类型，即以油为分散相、水为连续相的水包油型（O/W）和以水为分散相、油为连续相的油包水型（W/O）。牛奶和冰淇淋为典型的水包油型乳化体系，乳酪和人造奶油是典型的油包水型乳化产品。乳化液中分散液滴的直径一般在0.1～1.0μm之间。混合乳化2．乳化液的稳定性由于油、水密度不同且不互溶，致使乳化液不稳定，即它在重力场或其它力场中迟早会分层，亦即轻相（油）上浮，重相（水）沉降。乳化液的稳定性是相对的，通常以乳化液中分散相的分层和聚合的速度来衡量乳化液的稳定性。分散相液滴的沉降或上浮速度可由斯托克斯定律讨论，其计算式如下（4-1）式中u0—液滴的沉降（上浮）速度，m/s；ρ、ρ0—分散相（液滴）、连续相的的密度,kg/m3；d—液滴的直径,m；μ—连续相的的粘度，Pa•s。200()18dgu混合乳化液滴的沉降（上浮）速度是乳化液产生分层现象的直接原因，由式4-1知，u0与d2成正比，为使沉降速度变小，必须使d减小，即使分散相的液滴微粒化，这样才能使乳化液在足够长的期间内基本保持产品的原状，但分散相液滴始终存在互相凝聚成大液滴趋势，也同样会出现分层。因此，为了增加乳化液的稳定性，除使分散相液滴充分微滴化（均质）以外，常需加入第三种物质（即乳化剂），以消除两相间存在的界面张力。.混合乳化4.2.3乳化剂的作用乳化剂的作用主要有三方面：1．降低两相间的界面张力，使两相接触面积增加，促进乳化液微粒化、均质化；2．利用离子性乳化剂与液滴的吸附作用，使液滴带上同种电荷，加强了液滴间的相互排斥力，从而阻止液滴的凝聚；3．乳化剂具有亲水性和亲油性，在液滴油水界面形成吸附层，对液滴起保护作用。混合乳化4.2.4乳化液的制备及乳化设备1．乳化液的制备乳化液制备方法主要有凝聚法和分散法两种。凝聚法是将以分子状态分散的液体凝聚成适当大小的液滴的方法。分散法是将一种液体加到另一种液体中同时进行强烈搅拌而生成乳化分散物的方法，它是以机械力强制作用使大液滴群不断分裂为微滴群的过程，工业上主要应用此法。2．乳化设备在工业生产中乳化液的制备多采用分散法，即借助机械力（搅拌力、剪切力等）作用对两种不互溶液体进行乳化分散的方法。常用的的乳化设备有高速搅拌器、均质机、胶体磨、超声波乳化器等。混合乳化（1）高速搅拌器它是依靠搅拌器的搅拌力进行乳化分散的设备，其原理与搅拌设备原理相同。（2）均质机生产中常用的均质机为高压均质机，它是利用高压的作用，使料液中的大液滴破碎成微滴，从而达到料液的组成均匀一致。混合乳化a．均质机的结构及工作原理高压均质机主要部件是高压泵和均质阀。高压泵采用柱塞式往复泵，为保证料液连续均匀排出，通常采用三柱塞式往复泵，其排液量如图4-4所示。均质阀安装在高压泵的排出管路上，由调节手柄控制螺旋弹簧对阀心的压力，达到调节流体压力的作用，均质阀处料液通道是环形通道，环形通道的间隙很小，可以达到液滴破碎及均匀分散的目的。如图4-5所示为双级均质阀工作示意图，在第一级中，流体压力为200～250atm，其作用是使液滴破碎，第二级流体压力为35atm左右，可以使液滴分散。混合乳化图4-4三柱塞式往复泵排液量图混合乳化图4-5双级均质阀工作示意图(a)工作原理(b)双级系统1阀座2阀盘3挡板环4弹簧5调节手柄6第一级阀7第二级阀混合乳化原料经高压泵加压后，由排出管道进入均质阀，在均质阀处由于压差很大及料液通道小等原因使流体发生湍流流动，产生强烈的撞击及剪切作用，使液滴破裂达到乳化效果。b．均质机的适用范围均质机适用于粘度较低的物料的乳化。混合乳化3．胶体磨胶体磨是一种主要依靠剪力作用，使流体物料得到精细粉碎和微粒处理的设备。其主要部件是固定件和转动件，二者之间间隙可以调节。工作时，料液由间隙流入，并由转动件带动进行高速旋转，使物料产生强烈的湍动并产生剪切作用，达到液滴破碎及乳化效果。胶体磨适用于粘度较高的物料的乳化。其结构图如4-6所示。混合乳化图4-6立式胶体磨结构图1进料口2转动件3紧固件4出料口5固定体混合乳化4．超声波乳化器超声波乳化器是将频率为20~25kHz的超声波发生器与待乳化的料液接触，依靠超声波发生器上簧片的振动带动料液振动，使液滴分散成细的液滴，称为超声波乳化器。超声波通常由机械系统产生，称为机械式超声波发生器，如图4-7所示。它有一楔形的簧片置于喷嘴的前方。液体被泵送经矩形缝隙射向簧片，簧片因受到冲击而发生振动并产生共振，将超声波传给液体，液体由于振动而破碎，达到乳化目的。混合乳化图4-7机械式超声波发生器原理