《食品工程原理》第四章--混合-乳化

1、2021/8/141第四章第四章2021/8/1424.1 4.1 混合混合 4.2 4.2 乳化乳化 2021/8/143 4.1 4.1 混合混合 混合是借助機(jī)械方法或物理方法將兩種或兩種以上不同物料互相混雜，使各組分濃度達(dá)到一定的均勻度?；旌系慕Y(jié)果得到混合物，食品生產(chǎn)中的許多物料都是以各種組分的混合物形式出現(xiàn)的?；旌衔锓譃閮深?，即均相混合物和非均相混合物，其狀態(tài)可能是氣相，也可能是液相或固相。混合操作主要用于制備均相混合物（如溶液），其制備方法簡單，只需攪拌甚至可能不用攪拌而僅依靠分子間的擴(kuò)散與自然對流相結(jié)合的方法即能實現(xiàn)。 2021/8/1444.1.1 4.1.1 混合的基本理論混合

2、的基本理論 1混合機(jī)理混合機(jī)理 兩種或兩種以上物質(zhì)由局部到整體均勻的混合狀態(tài)，這一混合過程的機(jī)理有三種： （1）對流混合 依靠外力作用，使混合器運動部件與物料發(fā)生相對運動，促使混合物各組分發(fā)生強(qiáng)烈位移，最終達(dá)到均勻混合的目的；如攪拌器的攪拌混合即屬于對流混合； （2）擴(kuò)散混合 隨著混合過程的進(jìn)行，混合物中的組分以分子擴(kuò)散形式由濃度高處向濃度低處運動，此過程稱為擴(kuò)散混合，對于液體混合物的混合，對流混合的同時，常伴有分子擴(kuò)散混合。與對流混合相比，擴(kuò)散混合速度較慢。 2021/8/145 （3）剪力混合 對粘度高的物料，由于其流動性差，只能通過剪力作用使其團(tuán)狀或厚層狀組分相互滑動，并拉成越來越薄的料

3、層，增加組分間的接觸面達(dá)到混合的目的，此過程稱為剪力混合。如絞肉機(jī)、和面機(jī)就是通過擠壓破碎達(dá)到剪切混合效果的。 上述三種混合機(jī)理可能同時存在，但常以一種形式為主。2021/8/146 2混合物的混合程度及混合要求混合物的混合程度及混合要求 混合操作的最終結(jié)果是使混合物達(dá)到一定的均勻度。均勻度是指一種或幾種組分經(jīng)過混合所達(dá)到的分散的均勻程度。混合物的混合程度是以均勻度來衡量的，而均勻度的表征參數(shù)有兩個：2021/8/147 （1）分離尺度 以混合后各局部區(qū)域某組分的體積的平均值來表示混合物的均勻性，稱為分離尺度。 （2）分離強(qiáng)度 以混合后各局部區(qū)域某組分的濃度與該組分在混合物中的平均濃度之間的偏

4、離程度來表示混合物的均勻性，稱為分離強(qiáng)度。 分離尺度越小、分離強(qiáng)度越小，表明該混合越均勻，反之，混合效果越差。2021/8/1484.1.2 4.1.2 混合操作在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用混合操作在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用 混合操作在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用主要有以下兩項： 制備均相混合物制備均相混合物：食品多由若干成分配制而成，這些成分均需均勻混合。 混合作為輔助操作混合作為輔助操作，有利于傳熱、傳質(zhì)?；旌喜僮骺墒刮锪现g有良好的接觸，促進(jìn)傳熱、傳質(zhì)等物理過程的進(jìn)行。如醪液的加熱或冷卻、糖的溶解、活性碳脫色等。 2021/8/1494.1.3 4.1.3 混合操作及設(shè)備混合操作及設(shè)備 1液一液攪拌混合操作液一液攪拌

5、混合操作 液體的混合是對中、低粘度液體或液相懸浮系通過機(jī)械攪拌使物料發(fā)生湍動，從而使混合物各組分趨于均勻的操作。液一液攪拌混合系統(tǒng)一般包括： 圓筒形容器，稱為攪拌槽； 機(jī)械攪拌器，稱為葉輪； 其他部件如攪拌軸、測溫裝置、取樣裝置等； 2021/8/1410 2液一液攪拌混合常用攪拌裝置液一液攪拌混合常用攪拌裝置 攪拌系統(tǒng)中最主要的部件是攪拌葉輪。常用的攪拌器根據(jù)葉輪構(gòu)造不同可分為三類：即平漿式攪拌器、旋漿式攪拌器和渦輪式攪拌器。 （1）平漿式攪拌器 如圖4-1所示，平漿式攪拌器屬于低速攪拌器，轉(zhuǎn)速為2080 r/min。通過攪拌使流體沿直徑方向的流動（亦稱為徑向流動）較強(qiáng)，而沿軸向方向的流動（

6、亦稱為軸向流動）較弱，為此常在容器內(nèi)加擋板來強(qiáng)化軸向流動效果。平漿式攪拌器構(gòu)造簡單，應(yīng)用廣泛，適用于粘稠液體及一般液體物料的攪拌。2021/8/1411 圖4-1 平漿式攪拌器 2021/8/1412 （2）旋漿式攪拌器 如圖4-2所示，旋漿式攪拌器屬于高速攪拌器，其轉(zhuǎn)速最高可達(dá)1500r/min。這種攪拌器主要使流體產(chǎn)生軸向流，為強(qiáng)化混合效果可使?jié){葉傾斜一定角度或在容器內(nèi)加擋板。該攪拌器適用于對中、低粘度液體及互不相溶物系的混合。 2021/8/1413 圖4-2 旋漿式攪拌器1軸 2槳葉 3螺母 4鍵 2021/8/1414 （3）渦輪式攪拌器 如圖4-3所示，渦輪式攪拌器與平漿式攪拌器相

7、似，只是葉片多而短。其轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)速為30500 r/min。這種攪拌器可使流體產(chǎn)生較強(qiáng)的徑向流和切向流，如再加設(shè)擋板又會強(qiáng)化軸向流動，因此，渦輪式攪拌器攪拌效率較高，但其制造復(fù)雜，價格較高。渦輪式攪拌器適用于中等粘度液體的混合。2021/8/1415 圖4-3渦輪式攪拌器2021/8/14164.2 4.2 乳化乳化 4.2.1 4.2.1 乳化的基本理論乳化的基本理論 乳化是一種特殊的混合操作，乳化操作包含粉碎和混合操作。乳化是使兩種通常不互溶液體，進(jìn)行密切混合，使一種液體粉碎成小球滴后分散到另一種液體之中的操作過程。乳化操作的產(chǎn)物稱為乳化液，乳化液是一種不穩(wěn)定體系，為得到所需類型的乳化體

8、系和必要的體系穩(wěn)定性，乳化時除必要的機(jī)械力使液滴破碎（即均質(zhì)）和操作條件控制外，一般還要加適當(dāng)助溶劑，即乳化劑。 乳化操作在食品工業(yè)中應(yīng)用很廣泛。應(yīng)用乳化技術(shù)可使天然存在的食品乳化液更加穩(wěn)定。如牛奶經(jīng)均質(zhì)、乳化處理后可避免奶油和脫脂奶分層現(xiàn)象，提高了感官質(zhì)量。2021/8/14174.2.2 4.2.2 乳化液的類型和穩(wěn)定性乳化液的類型和穩(wěn)定性 1乳化液的類型乳化液的類型 食品乳化液通常有兩種類型，即以油為分散相、水為連續(xù)相的水包油型（O/W）和以水為分散相、油為連續(xù)相的油包水型（W/O）。牛奶和冰淇淋為典型的水包油型乳化體系，乳酪和人造奶油是典型的油包水型乳化產(chǎn)品。乳化液中分散液滴的直徑一般

9、在0.11.0m之間。2021/8/1418 2乳化液的穩(wěn)定性乳化液的穩(wěn)定性 由于油、水密度不同且不互溶，致使乳化液不穩(wěn)定，即它在重力場或其它力場中遲早會分層，亦即輕相（油）上浮，重相（水）沉降。乳化液的穩(wěn)定性是相對的，通常以乳化液中分散相的分層和聚合的速度來衡量乳化液的穩(wěn)定性。分散相液滴的沉降或上浮速度可由斯托克斯定律討論，其計算式如下 （4-1）式中 u0 液滴的沉降（上浮）速度，m/s； 、0分散相（液滴）、連續(xù)相的的密度,kg/m3； d液滴的直徑,m； 連續(xù)相的的粘度，Pas。200()18dgu2021/8/1419 液滴的沉降（上?。┧俣仁侨榛寒a(chǎn)生分層現(xiàn)象的直接原因，由式4-1

10、知， u0與d2成正比，為使沉降速度變小，必須使d減小，即使分散相的液滴微?；?，這樣才能使乳化液在足夠長的期間內(nèi)基本保持產(chǎn)品的原狀，但分散相液滴始終存在互相凝聚成大液滴趨勢，也同樣會出現(xiàn)分層。因此，為了增加乳化液的穩(wěn)定性，除使分散相液滴充分微滴化（均質(zhì)）以外，常需加入第三種物質(zhì)（即乳化劑），以消除兩相間存在的界面張力。.2021/8/14204.2.3 4.2.3 乳化劑的作用乳化劑的作用 乳化劑的作用主要有三方面： 1降低兩相間的界面張力，使兩相接觸面積增加，促進(jìn)乳化液微粒化、均質(zhì)化； 2利用離子性乳化劑與液滴的吸附作用，使液滴帶上同種電荷，加強(qiáng)了液滴間的相互排斥力，從而阻止液滴的凝聚； 3

11、乳化劑具有親水性和親油性，在液滴油水界面形成吸附層，對液滴起保護(hù)作用。2021/8/14214.2.4 4.2.4 乳化液的制備及乳化設(shè)備乳化液的制備及乳化設(shè)備 1乳化液的制備乳化液的制備 乳化液制備方法主要有凝聚法和分散法兩種。凝聚法是將以分子狀態(tài)分散的液體凝聚成適當(dāng)大小的液滴的方法。分散法是將一種液體加到另一種液體中同時進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌而生成乳化分散物的方法，它是以機(jī)械力強(qiáng)制作用使大液滴群不斷分裂為微滴群的過程，工業(yè)上主要應(yīng)用此法。 2乳化設(shè)備乳化設(shè)備 在工業(yè)生產(chǎn)中乳化液的制備多采用分散法，即借助機(jī)械力（攪拌力、剪切力等）作用對兩種不互溶液體進(jìn)行乳化分散的方法。常用的的乳化設(shè)備有高速攪拌器、均

12、質(zhì)機(jī)、膠體磨、超聲波乳化器等。 2021/8/1422 （1）高速攪拌器 它是依靠攪拌器的攪拌力進(jìn)行乳化分散的設(shè)備，其原理與攪拌設(shè)備原理相同。 （2）均質(zhì)機(jī) 生產(chǎn)中常用的均質(zhì)機(jī)為高壓均質(zhì)機(jī)，它是利用高壓的作用，使料液中的大液滴破碎成微滴，從而達(dá)到料液的組成均勻一致。2021/8/1423 a均質(zhì)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理均質(zhì)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 高壓均質(zhì)機(jī)主要部件是高壓泵和均質(zhì)閥。高壓泵采用柱塞式往復(fù)泵，為保證料液連續(xù)均勻排出，通常采用三柱塞式往復(fù)泵，其排液量如圖4-4所示。均質(zhì)閥安裝在高壓泵的排出管路上，由調(diào)節(jié)手柄控制螺旋彈簧對閥心的壓力，達(dá)到調(diào)節(jié)流體壓力的作用，均質(zhì)閥處料液通道是環(huán)形通道，環(huán)形通道的

13、間隙很小，可以達(dá)到液滴破碎及均勻分散的目的。如圖4-5所示為雙級均質(zhì)閥工作示意圖，在第一級中，流體壓力為200250atm，其作用是使液滴破碎，第二級流體壓力為35atm左右，可以使液滴分散。2021/8/1424圖4-4 三柱塞式往復(fù)泵排液量圖 2021/8/1425 圖4-5 雙級均質(zhì)閥工作示意圖(a)工作原理 (b)雙級系統(tǒng)1閥座 2閥盤 3擋板環(huán) 4彈簧 5調(diào)節(jié)手柄 6第一級閥 7第二級閥 2021/8/1426 原料經(jīng)高壓泵加壓后，由排出管道進(jìn)入均質(zhì)閥，在均質(zhì)閥處由于壓差很大及料液通道小等原因使流體發(fā)生湍流流動，產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊及剪切作用，使液滴破裂達(dá)到乳化效果。 b均質(zhì)機(jī)的適用范圍均質(zhì)機(jī)的適用范圍 均質(zhì)機(jī)適用于粘度較低的物料的乳化。 2021/8/1427 3膠體磨膠體磨 膠體磨是一種主要依靠剪力作用，使流體物料得到精細(xì)粉碎和微粒處理的設(shè)備。其主要部件是固定件和轉(zhuǎn)動件，二者之間間隙可以調(diào)節(jié)。工作時，料液由間隙流入，并由轉(zhuǎn)動件帶動進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，使物料產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動并產(chǎn)生剪切作用，達(dá)到液滴破碎及乳化效果。膠體磨適用于粘度較高的物料的乳化。其結(jié)構(gòu)圖如4-6所示。2021/8/1428 圖4-6 立式膠體磨結(jié)構(gòu)圖 1進(jìn)料口 2轉(zhuǎn)動件 3緊固件 4出料口 5固定體2021/8/1429 4超聲波乳化器超聲波乳化器 超聲波乳化器是將頻率為2025kHz的超聲