【摘要】分析了高剪切均質機與高壓均質機不同的均質機理，并通過試驗做出進一步論證。對食品均質單元中選用高剪切或高壓均質機有一定參考意義

【關鍵詞】均質；機理；食品工業；

在食品、化工、制藥等行業乳化、均質技術已成為提高產品品質的關鍵。目前國內食品行業使用的傳統均質設備多為高壓均質機、膠體磨、砂磨和輥磨機等，近年來出現了新型的高剪切均質機設備 至于這些均質
設備在各行業中的應用， 目前尚無人進行深入系統地研究。對此，筆者針對目前主要使用的高壓均質機和
高剪切式均質機，從均質原理、不同物料的工藝流程以及實驗數據等方面進行了對比分析研究。

1 均質機理分析

液體物料分散系中分散相顆粒或液滴破碎的直接原因是受到剪切力或者壓力的作用。引起剪切力或者壓力
作用的具體流體力學效應主要有層流效應、湍流效應和空穴效應。層流效應會引起分散相顆粒或液滴的剪
切和拉長；湍流效應是在壓力波動作用下引起分散相顆粒或液滴的隨意變形；空穴效應是使形成的小氣泡
瞬間破碎產生沖擊波，而引起劇烈攪動。

1．1 高剪切均質機理

目前國內常用的剪切式均質機線速度多為10～25m／s。實踐證明其均質效果并不理想。IKN高剪切均質機指線速度達到3O～40m／s的剪切式均質機，其主要工作部件為1級或多級相互嚙合的定轉子，每級定
轉子又有數層齒圈工作原理：轉子帶有葉片高速旋轉產生強大的離心力場，在轉子中心形成很強的負壓區，料液(液液、或液固相混合物)從定轉子中心被吸人，在離心力的作用下，物料由中心向四周擴散，在向四周擴散過程中，物料首先受到葉片的攪拌，并在葉片端面與定子齒圈內側窄小間隙內受到剪切，然后進入內圈轉齒與定齒的窄小間隙內，在機械力和流體力學效應的作用下，產生很大的剪切、摩擦、撞擊以及物料間的相互碰撞和摩擦作用而使分散相顆粒或液滴破碎 隨著轉齒的線速度由內圈向外圈逐漸增高，粉碎環境不斷改善，物料在向外圈運動過程中受到越來越強烈地剪切、摩擦、沖擊和碰撞等作用而被粉碎得越來越細從而達到均質乳化目的。同時，在轉子中心負壓區，當壓力低于液體的飽和蒸汽壓(或空氣分離壓)時，產生大量氣泡，氣泡隨液體流向定轉子齒圈中被剪碎或隨壓力升高而潰滅。潰滅瞬間，在汽泡的中心形成一股微射流，射流速度可達100m／s，甚至300m／s，其產生的沖擊力可用水錘壓力公式估算， 即P=pec，其中 為液體密度；Ca為液體中的聲速；c為微射流速度。設C為100m／s，則產生的脈沖壓力就接近200MPa，這就是空穴效應。強大的壓力波可使軟性、半軟性顆粒被粉碎，或硬性團聚的細小顆粒被分散。

由分析可知，物料在定轉子腔內被均質的機理較復雜，筆者認為剪切力起主導作用，其次是空穴作用。

1．2 高壓均質機理

高壓均質是利用高壓使得液料高速流過狹窄的縫隙時而受到強大的剪切力、液料被沖擊到金屬環上而產生強大撞擊力以及因靜壓力突降與突升而產生的空穴爆炸力等等綜合力的作用，把原先顆粒比較粗大的乳濁液或懸浮液加工成顆粒非常細微的穩定的乳濁液或懸浮液的過程被均質物料通過閥座與閥桿間大小可調的間隙h(一般為0．1mm)時，其流速在瞬間被加速到200～300m ，從而產生巨大的壓力降， 當壓力降低到工作溫度下液體的飽和蒸汽壓(或空氣分離壓)時，液體就開始“沸騰”，迅速“汽化”， 內部產生大量汽泡 含有大量微汽泡的液體朝縫隙出口流出，流速逐漸降低，壓力又隨之提高，壓力增加到一定值時，液體中的汽泡突然破滅而重新凝結，汽泡在瞬時大量生成和潰滅就形成了空穴現象。空穴現象似無數的微型炸。能量強烈釋放產生強烈的高頻振動，同時伴隨著強烈的湍流產生的強烈的剪切力，液體中的軟性、半軟性顆粒就在空穴、湍流的剪切力的共同作用下被粉碎成微粒，其中空穴效應所起作用被認為較大 被粉碎的微粒接著又高速沖擊到沖擊環上，被進一步粉碎和分散。

1．3 比較與分析

通過以上分析可知，高剪切均質機主要是由于定轉子之間相對的高速運動產生的高剪切作用，同時伴隨著較強的空穴作用對物料顆粒進行分散、細化，均質的；而高壓均質機主要是靠高壓流體產生的強烈充分的空穴效應和湍流作用使流體分散相中的顆粒破碎達到均質目的。不難理解，由于*烈的空穴作用，高壓均質機對處理軟性、半軟性的顆粒狀物料比較合適；研究發現對于纖維的粉碎zui有效的力場是剪切力和研磨力，常溫下沖擊力對纖維是無能為力的，而高剪切均質機能對物料產生強烈的剪切與研磨作用，因此高剪切均質機比較適合處理含纖維較多或者較硬的顆粒物料

2 食品生產流程

2．1 概述

對于食品工業中常遇到的非均相固一液和液一液多相分散系，要達到高度均一穩定，其均勻度不僅要求分散相分布均勻，而且還要求分散質微粒細化，含固體的懸浮液要求固體顆粒微粒化，含油滴的乳狀液要求油滴(稱流體顆粒)微滴化 從概念上和作用上講，分散，均質、乳化往往難以區分，這里統稱為均質，而固體顆粒和流體顆粒均簡稱為顆粒，所以均質是使懸浮液(或乳化液)體系中的分散相顆粒分散化、均勻化的處理過程，可以同時起到降低分散顆粒的尺度和提高分散顆粒分布均勻性的作用，以得到具有合適貯存穩定性的產品。從乳品及飲料的加工工藝上看，均質后的料液基本上就是zui終產品。通過均質可以將食品原料的漿、汁、液進行細化、混合，從而大提高食品的均勻度和細度，防止或減少液狀食品物料的分層，改善外觀、色澤及香度，提高食品質量。我們對幾種典型的食品生產流程進行分析，比較不同的均質機在食品生產行業中的應用。

2．2 豆制品類

這里所指的豆制品是以大豆為主要原料生產的植物蛋白飲料，或者飲料干粉。生產工藝大致為：浸泡
一磨漿一均質。

均質是生產植物蛋白飲料*的工序。可防止脂肪上浮，能使吸附于脂肪球表面的蛋白質量增加，緩和變稠現象，能提高產品消化性，增加成品的光澤度，改善成品的口感，提高產品的穩定性：現在主要使用的均質設備有膠體磨和高壓均質機。但是在實際生產過程中，我們發現，由于大豆粉碎后有大量的纖維狀物質存在，雖然植物蛋白可以經過高壓均質機均質取得一定效果，但對于生產中的豆渣纖維等物料卻無法進行處理。應用近年來發展起來的高剪切均質機進行均質，則可非常有效地處理上述物料，得到很好的效果 本次課題研究進行中，通過試驗對這一點進行了證明

2．3 乳制品類。

乳制品主要有鮮乳、煉乳，乳粉及其他一些乳類制品甜乳制品中含有較高濃度的蔗糖，牯度高，可防止脂肪上浮。而淡乳制品中不加糖，長期放置其上部容易出現稀奶油層，可因振動形成奶油粒，使其商品價值顯著降低。為防止這種缺陷，必須進行均質處理，使脂肪球變小，增加其表面積，從而增加脂肪球表面的酪蛋白吸附量，使脂肪球的比重增大，上浮能力變小。按照斯托克斯公式也可以看到脂肪上浮速度與其脂肪球直徑的平方成反比，所以通過均質可以減緩脂肪上浮現象。

在其他乳制品，如乳粉的加工工藝中，同樣也要經過均質階段，因此可見，均質設備在乳制品行業中的應用是很廣泛的
目前使用的均質設備主要是高壓均質機。

2．4 果蔬汁飲料

均質是渾濁果蔬計飲料制造中的*工序，均質的目的是使混合果蔬汁中的不同粒度，不同相對密度的果肉粒度進一步破碎并使之均勻，促進果膠滲出，增加果汁與果膠的親和力，抑制果蔬汁分層和產生沉淀現象，使果蔬汁保持均一穩定 目前所使用的主要設備有高速粉碎機、膠體磨和高剪切均質機。

3 試驗研究

為了比較高壓均質機和高剪切均質機的實際應用效果，我們進行了相關的工業試驗。

3．1 試驗設備及儀器

高剪切均質機 一165 (三級，線速度為35m／s)；高壓均
質機GJB3 25；激光粒度分析儀Master Sizer 20oo(英國)；電子攝像顯微鏡Galen IlI。

3．2 試驗及取樣

試驗地點：南京海浪乳業集團乳品生產車間。

試驗均質物料為：牛奶和未去皮大豆奶。試驗開機后，每分鐘在出口取樣一次，共5次c

3．3 試驗數據及處理

試驗采集的數據包括高壓均質機對牛奶的均質樣品 高剪切均質機分別對牛奶和豆奶的均質樣品 粒度分析采用粒度分析儀：Master Sizer 2000，并采用顯微拍照，對樣品進行分析比較

①高剪切均質機對牛奶均質后的樣品粒度情況。均質前：平均粒度d(0．5)=2．148 zm。開發研究d(O．11=0．24 d(O．5)=4．10 d(O．9) 114-11

圖5 高剪切均質結果(激光粒度儀)均質后，激光粒度分析儀測得結果見圖l，電子 3.4 分析及討論
攝像顯微結果，見圖2。
d(O．1)=0．113 d(O．5)=1．002 d(O．9)=4．001
5
—
4
l。
至。
0 O1 O1 1 10 IOD 】OOO 3000
Pdn1c1e s_ze(u m)
圈1 高剪切均質結果【激光粒度儀)

②高壓均質機對牛奶均質后的樣品粒度情況。

均質前：平均粒度d(0．5)：2，148,~n均質后，激光粒度分析儀測得結果，見圖3，
子攝像顯微結果，見圖4。
d(O．1)=0．095 d(O．5)：0．267 d(O．9)=1．206
0 01 01 1 10 】郵 1000 3000
Particle S1ze[u

圖3 高壓均質結果【激光粒度儀通過高壓均質機和高剪切均質機分別對物料進行的試驗，我們可以看出，高壓均質機對牛奶的均質效果要好于高剪切均質機，而高剪切均質機對未去皮大豆的均質效果非常明顯。由于未去皮大豆在生產實踐
中無法用高壓均質機進行加工，故本研究未給出高壓均質來去皮大豆的均質樣品。如前所述，高壓均質機由于空穴作用強烈，易使軟性、半軟性顆粒破碎，從而達到理想的均質效果，而高剪切均質機在工作過程中，由定轉子之間的相對
高速旋轉而產生剪切作用，因此對含纖維物料的均質十分有效。上述試驗結果證明了這一點。
咀

4 總結與展望
_ _
圈2 高剪切均質結果 圈4 高壓均質結果

(顯微鏡) (顯微鏡1

③ 高剪切均質機對豆奶均質后的樣品粒度情況。均質前：平均粒度d(0．5)=53．354pan均質后，激光粒度分析儀測得結果，見圖5。均質過程是一個復雜的流體混合過程，對于不同的物料、不同的工藝過程，其實現的具體機理也不同，對高壓均質機和高剪切均質機應用領域的研究與比較，對指導實際生產具有現實意義。

由于試驗手段的限制，對均質機應用領域還未能做出更詳盡的分析。相信隨著對均質機理及設備研究的深

入，必將促進食品及相關行業的發展。

掃描二維碼可了解更多行業信息。