《食品工程原理》第四章混合 乳化

1、第四章第四章4.1 4.1 混合混合 4.2 4.2 乳化乳化 4.1 4.1 混合混合 混合是借助機械方法或物理方法將兩種或兩種以上不同物料互相混雜，使各組分濃度達到一定的均勻度?；旌系慕Y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?；旌喜僮髦饕糜谥苽渚嗷旌衔铮ㄈ缛芤海?，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散與自然對流相結合的方法即能實現(xiàn)。 4.1.1 4.1.1 混合的基本理論混合的基本理論 1混合機理混合機理 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

2、混合過程的機理有三種： （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)生強烈位移，最終達到均勻混合的目的；如攪拌器的攪拌混合即屬于對流混合； （2）擴散混合 隨著混合過程的進行，混合物中的組分以分子擴散形式由濃度高處向濃度低處運動，此過程稱為擴散混合，對于液體混合物的混合，對流混合的同時，常伴有分子擴散混合。與對流混合相比，擴散混合速度較慢。 （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狀或厚層狀組分相互滑動，并拉成越來越薄的料層，增加組分間的接觸面達到混合的目的，此過程稱為剪力混合。如絞肉機、和面機就是通過擠壓破碎達到剪切混合效

3、果的。 上述三種混合機理可能同時存在，但常以一種形式為主。 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 混合操作的最終結果是使混合物達到一定的均勻度。均勻度是指一種或幾種組分經(jīng)過混合所達到的分散的均勻程度?；旌衔锏幕旌铣潭仁且跃鶆蚨葋砗饬康模鶆蚨鹊谋碚鲄?shù)有兩個： （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離程度來表示混合物的均勻性，稱為分離強度。 分離尺度越小、分離強度越小，表明該混合越均勻，反之，混合效果越差。4.1.2 4.1.2 混合操作在

4、食品生產(chǎn)中的應用混合操作在食品生產(chǎn)中的應用 混合操作在食品生產(chǎn)中的應用主要有以下兩項： 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，促進傳熱、傳質(zhì)等物理過程的進行。如醪液的加熱或冷卻、糖的溶解、活性碳脫色等。 4.1.3 4.1.3 混合操作及設備混合操作及設備 1液一液攪拌混合操作液一液攪拌混合操作 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； 機械攪拌器，稱為

5、葉輪； 其他部件如攪拌軸、測溫裝置、取樣裝置等； 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，而沿軸向方向的流動（亦稱為軸向流動）較弱，為此常在容器內(nèi)加擋板來強化軸向流動效果。平漿式攪拌器構造簡單，應用廣泛，適用于粘稠液體及一般液體物料的攪拌。 圖4-1 平漿式攪拌器 （2）旋漿式攪拌器 如圖4-2所示，旋漿式攪拌器屬于

6、高速攪拌器，其轉(zhuǎn)速最高可達1500r/min。這種攪拌器主要使流體產(chǎn)生軸向流，為強化混合效果可使?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。 圖4-2 旋漿式攪拌器1軸 2槳葉 3螺母 4鍵 （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)生較強的徑向流和切向流，如再加設擋板又會強化軸向流動，因此，渦輪式攪拌器攪拌效率較高，但其制造復雜，價格較高。渦輪式攪拌器適用于中等粘度液體的混合。 圖4-3渦輪式攪拌器4.2 4.2 乳化乳化 4.2.1 4.2.1

7、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系和必要的體系穩(wěn)定性，乳化時除必要的機械力使液滴破碎（即均質(zhì)）和操作條件控制外，一般還要加適當助溶劑，即乳化劑。 乳化操作在食品工業(yè)中應用很廣泛。應用乳化技術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。4.2.2 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

8、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在0.11.0m之間。 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?。┧俣?，m

9、/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()18dgu 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。.4.2.3 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

10、的界面張力，使兩相接觸面積增加，促進乳化液微?；?、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，加強了液滴間的相互排斥力，從而阻止液滴的凝聚； 3乳化劑具有親水性和親油性，在液滴油水界面形成吸附層，對液滴起保護作用。4.2.4 4.2.4 乳化液的制備及乳化設備乳化液的制備及乳化設備 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行強烈攪拌而生成乳化分散物的方法，它是以機械力強制作用使大液滴群不斷分裂為微滴群的過程，工業(yè)上主要應用此法。 2乳化設備乳化設備

11、 在工業(yè)生產(chǎn)中乳化液的制備多采用分散法，即借助機械力（攪拌力、剪切力等）作用對兩種不互溶液體進行乳化分散的方法。常用的的乳化設備有高速攪拌器、均質(zhì)機、膠體磨、超聲波乳化器等。 （1）高速攪拌器 它是依靠攪拌器的攪拌力進行乳化分散的設備，其原理與攪拌設備原理相同。 （2）均質(zhì)機 生產(chǎn)中常用的均質(zhì)機為高壓均質(zhì)機，它是利用高壓的作用，使料液中的大液滴破碎成微滴，從而達到料液的組成均勻一致。 a均質(zhì)機的結構及工作原理均質(zhì)機的結構及工作原理 高壓均質(zhì)機主要部件是高壓泵和均質(zhì)閥。高壓泵采用柱塞式往復泵，為保證料液連續(xù)均勻排出，通常采用三柱塞式往復泵，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，

12、由調(diào)節(jié)手柄控制螺旋彈簧對閥心的壓力，達到調(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)形通道的間隙很小，可以達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。圖4-4 三柱塞式往復泵排液量圖 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 原料經(jīng)高壓泵加壓后，由排出管道進入均質(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)生強烈的撞擊及剪切作用，使液滴破裂達到乳化效果。 b均質(zhì)機的適用范圍均質(zhì)機的適用范圍 均質(zhì)機適用于粘度較低的物料的乳化。 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粉碎和微粒處理的設備。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)動件帶動進行高速旋轉(zhuǎn)，使物料產(chǎn)生強烈的湍動并產(chǎn)生剪切作用，達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。其結構圖如4-6所示。 圖4-6 立式膠體磨結構圖 1進料口 2轉(zhuǎn)動件 3緊固件 4出料口 5固定體 4超聲波乳化器超聲波乳化器