（机械设计及理论专业论文）新型果蔬微粉片开发及其关键技术研究.pdf

摘要 摘要 本文主要对果蔬微粉片产品开发工艺及其关键技术；果蔬纤维湿法超细粉碎技术和 混合造粒技术进行了研究。果蔬微粉片的加工工艺为：新鲜果蔬一超细粉碎一喷雾干燥 得到果蔬粉一混合造粒一压片成型一果蔬微粉片产品。首先，对果蔬纤维结构进行分析， 得出果蔬纤维的最佳断裂力场为剪切力和研磨力。以高剪切定转子粉碎机为对象，对其 内部流体流场和粉碎过程动力学模型的研究，得出物料在粉碎机内部的流动状况，为提 高粉碎效果找到出路。在理论分析的基础上，利用高剪切定转子粉碎机进行果蔬纤维超 细粉碎试验，得出转子转速、粉碎时间、转子开槽尺寸及液料比等因素对粉碎效果的影 响。在单因素试验基础上，以粒度为指标，进行三因素三水平的b ( 3 3 ) 正交试验，对 果蔬纤维湿法超细粉碎工艺进行参数优化。 其次，通过造粒对得到的果蔬粉进行改性研究，从造粒机理出发，研究了果蔬粉颗 粒之间的粘结机理，探索了造粒过程中颗粒的成长方式：团聚式成长和层式成长。以层 式生长为例，建立了混合造粒过程中颗粒成长动力学模型，得出颗粒成长公式。在理论 分析的基础上，结合相关试验，得到了各种因素对果蔬粉造粒效果的影响情况，得出了 合适的粘结剂及其使用量。 在此基础上，我们对果蔬微粉片的开发工艺进行研究，得出加工过程中的主要参数。 利用模糊综合评价法对果蔬微粉片配方进行优化，得出较优产品配方，经产品指标测定 得出，产品质量完全合格。 最后，我们对果蔬微粉片产品的产业化应用进行初步的探索。设计了果蔬微粉片加 工系统，对关键设备进行选型。通过技术经济分析可知，果蔬微粉片的产业化是可行的。 关键词：果蔬微粉片湿法超细粉碎混合造粒 江南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eu s eo ff r u i t - v e g e t a b l ew e tu l t r a - f r e eg r i n d i n g t e c h n o l o g ya n d g r a n u l a t i o nt e c h n o l o g yi np r o d u c td e v e l o p m e n to ff r u i t - v e g e t a b l et a b l e t si sr e s e a r c h e d t h e p r o c e s so ff r u i t - v e g e t a b l et a b l e t s ：f r e s hf r u i to rv e g e t a b l e w e tu l t r a - f i n eg r i n d i n g s p r a y i n ga n dg e t t i n gf r u i t - v e g e t a b l ep o w d e r m i x i n gg r a n u l a t i o n t a b l e t t i n g f r u i t - v e g e t a b l et a b l e t s f i r s t ，b ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo ff r u i ta n dv e g e t a b l ef i b e r , w ek n o w t h eb e s tg r i n d i n gf i e l di ss h e a rf o r c ea n da b r a s i v ef o r c e a n a l y s i so nf l u i df l o wo fs t a t o ra n d r o t o rp u l v e r i z e ra n db u i l d i n go fi n t e r n a ld y n a m i c sm o d e lo ft h eg r i n d i n gp r o c e s sc o m e st ot h e m a t e r i a lf l o wi nt h ei n t e r n a lp u l v e r i z e ra n da w a yt oi m p r o v et h ee f f e c to fg r i n d i n g b a s e do n t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t e s t sa r em a d et of r u i t a n dv e g e t a b l ef i b e rw i t hs t a t o ra n dr o t o r p u l v e r i z e r r e s u l t ss h o wt h ee f f e c to ff o l l o w i n gf a c t o r s ：r o t o rs p e e d ，s m a s h i n gt i m e ，r o t o rs l o t s i z ea n dl i q u i dr a t i o b a s e do nt h es i n g l ef a c t o rt e s t , al 9 ( 3 3 ) o r t h o g o n a le x p e r i m e n tw i t ht h r e e f a c t o r sa n dt h r e el e v e l si sm a d et oo p t i m i z eg r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s s e c o n d ，m o d i f y i n gf r u i t - v e g e t a b l ep o w d e rb yg r a n u l a t i o n w er e s e a r c ho nt h eg r a n u l e b i n d i n gm e c h a n i s m ，a n dd i s c u s st h eg r a n u l eg r o w t hm o d e s ：a g g l o m e r a t i o ng r o w t hm o d ea n d l a y e rg r o w t hm o d e l a y e rg r o w t hm o d ei su s e dt oe s t a b l i s hp a r t i c l eg r o w t hm o d ei nm i x i n g g r a n u l a t i o np r o c e s s ，ap a r t i c l eg r o w t hf o r m u l ai sg o t t e n o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ， c o m b i n a t i o nw i t l lr e l a t e de x p e r i m e n t s w eo b t a i nt h ee f f e c t so fv a r i o u sf a c t o r so nf i u i t - v e g e t a b l ep o w d e rg r a n u l a t i o n a n dc h o o s eas u i t a b l eb i n d e ra n di t sq u a n t i t y o nt h eb a s i s , r e s e a r c h e sa r em a d eo nt h em a i np r o c e s sp a r a m e t e r s o p t i m i z i n gt h e f r u i t - v e g e t a b l et a b l e t s 晰t l lt h ef u z z ys y n t h e s i se v a l u a t i o n , b e t t e rp r o d u c t sc o m e a n dt h e q u a l i t yo f p r o d u c t si sq u a l i f i e d f i n a l l y , w ed i s c u s st h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o no ff r u i t - v e g e t a b l et a b l e t sp r e l i m i n a r y , d e s i g nt h ep r o c e s s i n gs y s t e ma n dc h o o s ec f i t i c f le q u i p m e n ts e l e c t i o n t h r o u g ht h et e c h n i c a l a n de c o n o m ya n a l y s i s ，w ef i n dt h a tt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no f f r u i t - v e g e t a b l et a b l e t si sv i a b l e k e yw o r d s ：f r u i t - v e g e t a b l et a b l e t s ；w e tu l t r a - f i n eg r i n d i n g ；m i x i n gg r a n u l a t i o n n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：蕴磷趁日期：历口7 年乡月历日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：遴盔圣边导师签 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究意义 1 1 1 国内外果蔬加工产业发展现状分析 近2 0 年来，中国果蔬加工产业得到了飞速发展，取得巨大成就。在原料方面，2 0 0 4 年，我国水果总产量接近8 0 0 0 万吨，蔬菜总产量突破5 5 亿吨，蔬菜总产值超过4 0 0 0 亿元，已成为世晃最大的原料生产国。2 0 0 3 年我国果蔬产品出口总量超过3 5 0 万吨， 其中鲜食果蔬出口超过1 7 0 万吨；在加工技术装备方面，与发达国家的差距正在进一 步缩短，部分领域已达到发达国家2 0 世纪9 0 年代末的水平；在产品方面，我国的果 蔬汁、果蔬罐头、脱水和速冻果蔬制品及洁净预切果蔬在国际市场上己形成非常明显的 比较优势，已成为世界上最大的果蔬产品加工国。如浓缩果汁( 浆) 出口量占世界贸易 量的5 0 以上；脱水蔬菜占世界贸易量的2 3 ；橘子罐头达到国际贸易量的8 0 ；果蔬产 业已成为我国促进区域特色农业发展，增加农业效益，提高农民收入，拉动食品产业发 展，在国际市场具有比较明显优势和巨大发展潜力的重要行业i l l 。 尽管我国的果蔬加工产业已取得显著成绩，但设备靠引进、技术靠效仿、市场靠国 外、规模靠资源、效益靠代价、竞争靠降价的局面没有得到根本上的解决。与果蔬加工 发达国家相比，主要存在以下几方面的差距： 1 果蔬采后损失率很高，加工率比较低。果蔬产品含水量高，容易腐烂，果蔬产品 因具有较强的季节性和地区性，收获和上市期短而集中，形成明显的旺季和淡季；另外 大批多汁、营养丰富的果蔬产品如不及时销售、贮藏和加工，就会积压、干缩甚至变质 腐烂，造威经济上的损失。现阶段我国新鲜果蔬损耗率水果达到3 0 0 , 6 ，蔬菜达4 0 5 0 ， 而发达国家损耗率则不到7 ；当前，虽然我国果蔬产品总量已位居世界第一。但加工 量不足全国总量的1 0 0 , 6 。而国际上平均为2 5 ，德国甚至达到7 5 。 2 果蔬产品种类少，产品附加值比较低。目前国内食用果品主要以鲜食为主，同时 一直沿袭传统的加工方法，如果蔬罐头、果脯、果汁等，这些产品很难满足消费者对 食品提出的营养、休闲的要求。此外，虽然我国在这些传统加工业方面在国际出口上很 有优势，但很多是以半成品的形式出口，到国外后仍要进行深加工或灌装，产品附加值 较低，而高附加值产品少，因此，急需开发新型的附加值高的营养果蔬产品来满足市场 的需求。 3 果蔬深加工的关键技术装备比较薄弱。尽管高新技术在我国果蔬加工中逐步得到 应用，加工技术装备也得到了明显提高，但由于缺乏具有自主知识产权的核心关键加工 与制造技术，造成我国果蔬加工业总体加工技术与加工装备制造技术水平偏低，特别是 对原料的综合利用程度低，皮渣中果胶、果蔬天然香精、膳食纤维、色素等精深加工产 品的产业化核心技术没有突破。以粉碎设备为例，纤维状物料的超细粉碎设备是果蔬深 加工的关键设备之一，也是当前研究的热点之一，由于这_ 技术的局限性造成果蔬加工 过程中产生大量的废渣，从而造成一定的环境污染，提高了果蔬加工的成本。 当前国际上果蔬加工业朝着。高效、优质、环保”的方向发展，果蔬粉成为果蔬加 l 江南大学硕士学位论文 工的热点。将新鲜果蔬加工成果蔬粉，其水分含量低于6 ，不仅最大限度的利用了果 蔬原料，减少因其腐烂而造成的损失，而且干燥脱水后的产品容易贮藏，能大大降低贮 藏、运输、包装等方面的费用。现有的果蔬粉品种主要有南瓜粉、番茄粉、蒜粉、葱粉 等1 3 5 1 。但是这些粉颗粒还太大，使用时不方便。而且制粉时物料的温度过高，破坏产 品的营养成分、色泽和风味、甚至产生焦糊味。不断改进加工技术，改善产品质量成为 当前果蔬深加工产业的重中之重。 1 1 2 果蔬微粉片产品的提出 所谓果蔬微粉片，是指将新鲜果蔬( 如苹果、橙子、胡萝卜，番茄等) 经超细粉碎、 喷雾干燥之后得到的果蔬粉进行配料、混合造粒、成型等一系列加工处理所得到的一种 新型果蔬产品。 与其它果蔬类产品及片剂类产品( 奶片、v c 片等) 相比，果蔬微粉片具有其独特 之处：果蔬微粉片是一种集营养、休闲于一体的新型果蔬产品；果蔬中富含对人体有 益的膳食纤维，将其进行超细粉碎之后添加到食品中，对人体具有较好生理作用，同时 对产品的口感色泽等质量无明显影响。果蔬微粉片风昧独特，容易被消费者所接受； 果蔬微粉片主要以新鲜果蔬为原料，产品最大限度地保存了果蔬所特有的清香风味。 原料利用率高，适合工业化生产；由于采用了湿法超细粉碎技术，可以充分利用果蔬原 料中的皮、渣、根、籽，既提高了原料利用率，又尽可能多地保留了各部分的营养成分。 1 1 3 本课题研究意义 1 对开发新型果蔬功能食品的引导作用 近年来随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，人们的饮食消费结构 发生了很大交化。然而，由于膳食结构不科学、食物纤维摄入量不足所导致的“文明病” 的出现，给人们的健康带来严重危害。专家建议食物纤维的科学摄取量，成人每天3 0 4 0 9 ，幼儿、学童不应低于l o g 。如果在产品中添加适量的膳食纤维或微量元素，生产 某种特色产品，满足不同人群的需求，定会受到欢迎。 但由于膳食纤维自身的理化特性使得口感、风味不能被大众所接受。因此，就要求 对膳食纤维作一些深加工以提高其口感和风味。而对果蔬纤维进行超细粉碎后，其中的 膳食纤维素恰恰可以弥补其口感差的缺点，不仅可以直接食用时口感好，无涩感，而且 可作为微量元素添加入其它食品中，从而大大提高人体对膳食纤维的摄入量，有利于人 们饮食消费结构的合理化、科学化，提高人们的生活质量和水平。 2 对果蔬深加工产业发展的推动作用 我国果蔬深加工产业还停留在粗加工阶段，总体加工技术簿弱。据不完全统计，我 国目前果蔬产品深加工潜在的价值每年尚有1 0 0 亿有待进一步开发。 果蔬中含有丰富的膳食纤维，经超细粉碎深加工后，开发和生产出适销对路的果蔬 产品，不仅可以大大改善目前水果、蔬菜产业的模式，提高水果、蔬菜产品的质量，为 果蔬产品的采后深加工开辟新的途径，而且可以大大提高果蔬的商品价值，促进果蔬的 采后深加工增值，从整体上增加果蔬产业的综合经济效益，对减少资源浪费、保护环境 和我国果蔬产业可持续发展将产生深刻的影响【6 】。本课题的研究有利于促进果蔬深加工 墨= 兰堡笙 产业的发展。推动“三农”闯题的解决。 3 对果蔬纤维湿法超细粉碎技术发展的促进作用 在实际应用与生产中，对食品物科的超细粉碎，人们现在还主要是根据各种不同物 料的特点选择可施加冲击力、剪切力及多种作用力复合的粉碎设备，如气流粉碎机、冲 击式圆盘粉碎机、胶体磨、高压均质机等，并在粉碎操作之前或粉碎过程中串，并联入 冷冻、真空干燥、避光等操作，以克服农副产品物料自身带来的粉碎加工上的操作困难。 但在使用这些设备进行粉碎时，由于粉碎工作部件磨损大，极易造成对食品物料的污染。 另外，实践证明上述设备很难实现果蔬纤维物料的超细粉碎，而且在功耗、产能比上没 有优越性。如现在许多豆制品企业对果蔬物料的粉碎处理需经过两道胶体磨、三道高剪 切均质机；果蔬汁企业对果蔬榨汁还是有用传统的榨汁机，再经多次过滤。这不仅造成 企业投资成本大，生产成本高，资源大大浪费，同时也造成了大量废弃料环境污染的问 题。 本课题在深入调查研究的基础上，立足于江南大学食品装备技术研究所在纤维状物 料湿法超细粉碎技术装备方面的研究基础，深入的研究果蔬纤维的物性，提出新型果蔬 纤维湿法超细粉碎关键装备与工艺，必将极大地推动我国果蔬纤维湿法超细粉碎技术的 发展。 1 2 果蔬微粉片加工关键技术分析 1 2 1 果蔬微粉片加工路线i ”1 0 】 新鲜果蔬一预处理一打浆( 护色) 一湿法超细粉碎一杀菌一喷雾干燥一 果蔬粉一混合造粒一压片成型一采蔬徼粉片一包装 加工工艺要点： 1 选料及预处理选择无虫害的新鲜果蔬，剔除腐烂变质部分，清洗。 2 打浆( 护色)选用切割式破碎机对果蔬直接进行初粉碎，出料大小控制在1 0 目左右，打浆过程中加入0 0 2 的抗坏血酸进行护色。 3 湿法超细粉碎选用无锡轻大食品装备有限公司的q d l 系列高剪切定转子粉碎 机进行超微粉碎至8 0 目左右，以保证果蔬微粉片产品具有较好的成型质量和口感。 4 杀菌果蔬中的营养成分受热易损失，因此在选择杀菌方式时应避免长时间高温 受热。经粉碎的果蔬浆料水分含量在7 0 左右，粘度比较低，可选用板式杀菌设备进行 超高温瞬时杀菌，杀菌条件为：1 3 5 ，1 0s 。 5 喷雾干燥影响喷雾干燥效果的因素很多，f b a n a t 等人对影响马铃薯浆料喷雾 干燥效果的操作参数进行研究发现，主要影响因素有：进料总固形物含量、进料速率、 迸料温度、空气流速、添加淀粉量等，这些参数对喷雾后产品的总固形物含量、平均粒 度、密度、溶解性等均存在很大影响【l l 坛1 ，本课题采用q z 5 型高速离心喷雾干燥机( 结 构见图1 1 ) 进行喷雾干燥，操作条件为：进料浓度3 0 ，进科温度6 0 ，进口温度 1 8 0 2 0 0 ，出口温度9 0 1 0 0 ，进风气压o 2 5 o 3m p a ，离心转盘转速保持在2 0 0 0 0r m i n 。出料水分含量低于6 。 ： 3 堡堕查兰堡主兰些堡苎 6 混合造粒、成型为了使产品具有最佳的营养、口感、风味，需要对其成分进 行适当的调整，如加入适当量的葡萄糖、骨质磷酸钙、黄原胶等。与果蔬粉混合之后进 行造粒，果蔬造粒粉进行压片成型得到果蔬微粉片产品。 图! - 1 喷雾干燥机结构示意图 1 2 2 果蔬微粉片加工关键技术 1 果蔬纤维湿法超细粉碎技术 金育忠等人对膳食纤维粉碎粒度对食品品质及食用效果的影响研究表明：膳食纤维 粉碎粒度在6 0 8 0 目之间的食品对人体生理作用、口感、外观色泽均反映较好。8 0 目 以上的食品口感较好，但生理作用较差，6 0 目以下的食品口感粗糙，难以被观察者接受 1 3 1o 为了充分利用果蔬中膳食纤维，同时又不影响果蔬微粉片产品的质量，果蔬纤维粉 碎的粒度应控制在8 0 目左右。 ( 1 ) 膳食纤维的定义 膳食纤维( d i e t a r yf i b e r ) 定义为：膳食纤维是在人的小肠中不被消化吸收而在大肠 中可全部或部分被发酵的植物可食部分或碳水化合物类似物，包括多糖、寡糖、木质素 和相关的植物物质【1 4 】。膳食纤维是在2 0 世纪5 0 年代提出的，国际上统一名称为第七营养 素。 ( 2 ) 果蔬纤维的结构特征 果蔬纤维具有复杂的组织结构，对果蔬纤维的超细粉碎就是要达到破坏其组织结构 的目的。我们以芹菜纤维为代表加以说明，图1 - 2 是利用光学显微镜拍得的芹菜纤维组 织在纤维的外层长度方向( 图1 - 2 a ) 、垂直于纤维长度方向的横截面外侧( 图1 2 b ) 、垂 直于纤维长度方向的横截面中部( 图1 2 c ) 的细观结构图。 4 苎二兰堑堡 从图卜2 a 可以看出，在芹菜纤维的外层长度方向，纤维主要沿纵臼排列，即沿纤 维长度方向成线性排列； c a ) 芹菜纤维外层长度方向( b ) 芹菜纤维横截面外侧( c ) 芹菜纤维中部横截面 图卜2 芹菜纤维组织结构细观图 图l 一2 b 中，在垂直于纤维长度方向的横截面外侧，纤维组织成网状结构，使线性 排列的纤维成束，成捆绑结构，有球形束和椭圆形束两种； 图1 - 2 c 为垂直于纤维长度方向的横截面中部细观图。该部分芹菜纤维组织主要是 韧性较强的原胶纤维体，具有较好的韧性和弹性，其外部包围着大量的纤维束，形成相 对固定的组织结构。 果蔬纤维上述特殊的组织结构，使得果蔬纤维的超细粉碎难度增大，而且在果蔬纤 维超细粉碎关键装备的设计研究时要充分考虑果蔬纤维特殊的组织结构。 ( 3 ) 纤维状物料超细粉碎研究现状 在纤维状物料的超细粉碎方面研究较有成效的有前苏联、德国、美国及英国与日本。 尤其是前苏联在这方面开展了系统的研究，研究出了p k 圆锥形细断机、皿骶型环片形 式细断机及甄m 型圆盘细断机。 德国在这方面的研究也较系统全面，一种篮框式粉碎机可在常温干燥状态下将精制 棉粉碎到百微米级。德国人b b 库兹发明了一种环形圆盘式粉碎机。该机主要采用了环 形盘刀，从而可以靠提高转速来提高尺寸切割数。环形圆盘式粉碎机在轴向方向上安排 有三个依次排列的区段：疏松段、初粉碎段及粉碎段。但由于该机易损件多，维修困难， 运行成本高，因而未得到进一步推广。 国内，南京理工大学对纤维物料湿法超细粉碎技术开展了研究。他们与沈阳新光机 械厂合作开发了一种j k - 2 型超细粉碎机。但该设备结构复杂、制造安装困难，且易损 件多，维修不方便，运行成本高，因而未得到迸一步推广【1 5 1 。 由上述可知，国内外果蔬纤维超细粉碎关键技术与装备的研究还刚刚起步。江南大 学食品加工装备技术研究所一直从事果蔬纤维湿法超细粉碎关键技术装备研究，通过对 果蔬纤维超细粉碎机理、果蔬纤维特性，果蔬纤维超细粉碎的实现形式与关键结构和装 备进行深入的研究，开发出q d w 系列高剪切定转子粉碎机，在果蔬纤维的超细粉碎设 备方面取得很大的迸步。 本课题正是以这一研究成果为平台，针对具体的果蔬物料纤维粉碎进行深入的研 究，并将这一技术应用于果蔬微粉片产品的开发。 5 江南大学硕士学位论文 2 果蔬粉造粒技术 果蔬粉进行压片时，要求果蔬粉具有一定的细度，但果蔬粉越细，吸附力越大，凝 聚力也越大，直接压片会出现粘冲现象，且不能均匀填入冲模，使剑成的片剂重量不准， 压片困难。同时由于果蔬粉细，密度大，压片时空气不能及时地由冲模中逸出而造成片 剂松裂。由于果蔬粉中各种物料和赋形剂比重不同，随着压片机的震动，重者迅速下降， 轻者缓慢下降。易产生分层现象，使得含量不准。将果蔬粉在压片前进行造粒，则可避 免上述问题l i “。 造粒是把粉末、块状物、溶液等状态的物料进行处理，制成具有一定形状和大小的 颗粒的操作。对果蔬粉进行造粒可使粒子具有较好的流动性，在填充时容易实现定量化、 连续化及自动化。造粒也可以改变粒子结构，使颗粒有很好的可压缩性和崩解性，对颗 粒的强度、密度等也有一定的影响。 造粒的实质是一个颗粒尺寸增大的过程。液态粘结剂经雾化后喷涂在颗粒表面，颗 粒在外力作用下发生碰撞、摩擦等相对运动，细小颗粒间通过粘结剂相互发生团聚使得 尺寸不断增大。影响造粒效果的关键因素在于粘结剂与颗粒的用量比p “1 8 l 。 1 2 3 果蔬微粉片加工中出现的问题及解决方法【1 9 1 1 松片：在果蔬粉压片过程中，松片是经常碰到的问题。其产生原因主要有：原辅 料的压缩性不好，如含有较多纤维的材料，因纤维多，体积较大并且难以粉碎，颗粒中 存有较多的空气，压片后会出现因膨胀引起松片；含水量的影响，过分干燥的颗粒往往 容易产生松片：压缩条件，压力大小与片剂硬度密切相关，压缩时间也有重要意义，塑 性变形需要一定的时间，如压缩速度太快，塑性很强的材料的弹性变形的趋势也将增大， 易于松片。 2 碎片：碎片是在压片过程中，弹不出整片。这有两种可能：一是下冲斗升至最高 位置时，低于模台上平面，适当调高下冲，即可排除；二是颗粒过干，也易出现碎片， 其解决办法是加入适量5 0 6 0 的乙醇与颗粒混匀，或于潮湿处放置一定时间。 3 顶裂：顶裂也称断腰。其原因有：颗粒中的细粉过多；粘合剂的粘合力或用量不 足；颗粒过干；片型过厚；压力过大；机器转速过快等。解决方法是根据出现问题的原 因采取相应措施，如应用8 0 目筛，筛出一部分细粉，用适宜的粘结剂重新制粒，加 酒精调整颗粒湿度：减小片重，减低压力，减慢转速等。 4 粘冲：粘冲的原因多是颗粒潮湿，滑润剂不足，其次是冲头的光洁度不好，粘结 剂的糖浆，蜂蜜的或包糖衣不成功返工的，也容易出现此问题。凡是发现粘冲的片剂， 颗粒应尽可能干燥些，并可酌情增加滑润剂：属于冲头或者模圈光洁度不好的，应用油 纱布反复摩擦至光洁后再用。 5 麻点：片剂表面产生许多小凹点，其原因可能是润滑剂和粘结剂用量不当、颗粒 吸湿受潮、颗粒大小不均、粗粒或细粉量过多、冲头表面粗糙或刻字太深、有棱角及机 器异常发热等。 1 3 本课题研究内容及方法 6 墨二兰堑丝 本课题主要研究果蔬微粉片产品的开发工艺及影响产品开发的关键技术，为此，拟 从以下几个方面进行研究： 1 果蔬纤维的湿法超细粉碎技术研究；通过对果蔬纤维形状、受力分析，得出影响 果蔬纤维超细粉碎效果的因素。结合相关的粉碎设备，利用正交试验方法，对粉碎参数 进行优化。 2 果蔬粉的造粒技术研究；利用粉体的混合、分散等方面的知识，对造粒机理进行 研究，推导出颗粒混合造粒的动力学模型。并对果蔬粉造粒进行实验研究，分析各因素 对果蔬粉造粒效果的影响。 3 果蔬微粉片产品开发的工艺研究及生产线设计；以胡萝卜为原料，通过对产品开 发的关键工艺及产品配方进行优化，得出胡萝卜微粉片加工的主要技术参数。对产品生 产线进行设计，并进行初步的经济核算，为工业化生产做指导。 7 江南大学硕士学位论文 第二章果蔬纤维湿法超细粉碎技术研究 为了充分利用果蔬中的膳食纤维而又不影响果蔬微粉片的质量，必须将果蔬纤维进 行超细粉碎至一定细度。由于果蔬纤维具有较好的韧性，传统的粉碎方式如胶体磨、高 压均质机等很难达到理想的粉碎效果。本章主要就特定果蔬物料纤维的湿法超细粉碎机 理和效果进行研究。 2 1 果蔬纤维断裂机理分析 2 1 1 果蔬纤维性状分析 本课题以胡萝卜为原料进行分析，胡萝i - * 源广、易贮藏、营养价值很高，含有丰 富的稳定性及色泽好的红橙色胡萝卜素和糖、钾、钙、磷、铁等营养成分。胡萝h 的组 成赌表2 1 ： 表2 1 胡萝h 的基本组成 单位：g l o o g 胡萝h 由表2 1 可知，胡萝卜富含膳食纤维。图2 1 为胡萝h 结构示意图。 ( a ) 胡萝h 外形图 ( b ) 胡萝h 横截面图( c ) 胡萝h 纤维结构图 图2 - 1 胡萝h 结构示意图 从图2 - 1 ( b ) 可以看出，胡萝b 的内部结构呈年轮状，纤维成分主要集中在最内层。 经测试。内层断裂所需受力为外层的3 5 倍。 图2 1 ( c ) 为胡萝卜纤维微观结构图，从图中可以看出，胡萝卜纤维呈线形排列， 并被细胞壁等成分包裹着，结构致密。 正是由于果蔬纤维的这种特殊组织结构，给果蔬的超细粉碎增加了很大的难度，在 选择断裂方式和粉碎设备时必须加以考虑。 2 1 2 果蔬纤维断裂机理分析 研究发现，对于果蔬纤维最有效的力场是剪切力及研磨力1 2 0 2 2 1 。在常温下冲击力场 对它是无能为力的。为此粉碎设备的设计必须保证该机器在工作过程中产生强烈的剪切 力和研磨力。为了达到上述效果，最有效的方法是将粉碎机的粉碎件制成刀刃形，刀具 可分为定刀具和动刀具，刀具的设计应适当。图2 - 2 示出了纤维材料在动定刀具间被剪 切的情况。 8 第二章果蔬纤维湿法超细粉碎技术研究 ：沏 豳n 2 澄 图2 - 2 纤维在动定刀具问被细断的情况 无论用于纤维粉碎的剪切粉碎机型如何，其剪切粉碎作用过程都可以用图2 2 来简 化描述。无论是哪种剪切机型，动刀具和定刀具的组合都可用图2 2 ( c ) 表示。若动刀与 定刀配合紧密适当，当动刀从图2 - 2 ( a ) 中l 处运动到2 处时，纤维被切断。此种状态 下刀刃对纤维以切断为主，且切断效果良好。若动定刀间有较小间隙，当动刀从图2 - 2 ( b ) 中1 处运动到2 处时，两刀缝隙间的纤维不能被有效切断，只能被两刀面梳理或磨碎。 当动刀与定刀间有较大间隙时，刀刃只能对动刀与定刀间的纤维产生梳理作用，无剪切 和磨碎作用。对于希望以剪切为主的粉碎，定刀及动刀在保证强度足够的情况下，两刀 问的缝隙应尽可能小，刀刃应尽可能窄，刀片应尽可能多。对于希望以碾磨粉碎为主的 情况，定刀与动刀在设计允许的前提下应尽可能加宽，两刀面应尽可能平滑。刀具与刀 具间的距离，应根据被粉碎材料的性能及产品的细度要求决定。产品细度要求越细，刀 具间的距离应尽可能减小( 即刀片数增多) 。刀具间的距离及定刀与动刀问的间隙必须 适当，若距离太大将会形成图2 - 2 ( c ) 所示的现象，即两刀具问纤维形成团块滚动，并 形成涡流，这样会使纤维覆盖住刀刃，使剪切效果降低。 剪切型粉碎机设计的另一个关键是刀具材质的选择。用于制造刀具的材料应具有合 适的硬度及良好的韧性和耐磨性。制造刀具的材料并非越硬越好，众所周知，材料太硬 往往具有脆性。对于高速运转的刀具若操作不当易发生碎裂，后果将不堪设想，有可能 造成整台机器毁坏。 2 1 3 高剪切定转子粉碎机工作原理 高剪切定转子粉碎机是利用高速旋转的转子的梳状齿与定子上的相应齿之间的剪 切作用进行粉碎的。果蔬纤维物料在定转子缝隙内，受到强烈的湍流剪切作用，从而达 到粉碎的效果( 其工作原理见图2 3 ) 。 9 潦一桊 江南大学硕士学位论文 图2 3 定转子高剪切粉碎机工作原理图 工作时，转子在电机的带动下绕主轴高速旋转，产生强大的离心力场，在粉碎腔中 心形成一很强的负压区，借助负压被粉碎的物料( 固液或液液混合物) 从转子和定予中 心吸入，在离心力的作用下，物料由中心向四周扩散，在向四周散射过程中，物料首先 受到转齿及定齿撞击、剪切、摩擦、以及物料与物料之间的相互碰撞和摩擦作用而被粉 碎，然后在离心力作用下从定转子缝隙射出，在容器内作循环运动。 要提高粉碎效果，必须使粉碎机内部产生强烈的湍流剪切作用，为此我们对定转子 粉碎机内部流体流场进行分析。 2 2 高剪切定转子粉碎机内流体流场分析 在高剪切定转子粉碎机工作过程中，剪切作用主要是通过物料在高速旋转的转子 和定子之间间隙内被剪切及由此间隙和定转子上开口槽射流的综合效应来实现，这是定 转子粉碎机的主要特点 2 3 】。定转子粉碎机装置设计与操作过程中必须考虑流动作用和剪 切作用两个非常重要的作用之间的关系，使两者之间产生平衡。 2 2 1 周向流的流场分析 如图2 _ 4 所示，定转予间距相距为2 h ( 图中所示间隙为放大后) 的两叶片间充满不 可压缩流体。假设流体在x 向( 圆周方向) 作用有压力梯度u p = c o n l ( 因为在周向运 出 动过程中，摩擦力引起流体所具机械能沿周向减少，压力梯度变化呈现周期性不断减少 的趋势) ；假设流体运动速度和温度的边界条件均与x 无关，且叶片间流动速度分布和 温度分布也与x 无关，只是y 的函数，u = i l ( y ) ；还不考虑径向速度v ( v = o 是指定转子间 流体流动速度) 【2 4 】。 l o 至三兰墨蔓竺丝堡堡望塑翌! 蔓变丝基 图2 - 4 周向流的流动 则动量方程烈詈+ v v v ) = j 昂+ z v 2 v ( a ) 和能量方程伊，( 笪a t + v t v d = k v 2 r + ( b ) 可简化为： 一i d f it 一万d 2 u = o ( 2 - 1 ) 声( 乌2 = 0 ( 2 2 ) 掣 相应的边界条件为：y - h 时，u _ u = r 转；y = - h 时，u = 0 。 联立式2 - 1 、式2 - 2 及边界条件可得流场的速度分布方程： ”= 一瓦1 d 箩，z 2 一，2 ) + 等( 寺+ 1 ) ( 2 - 3 ) 式中，塑一流体在x 向压力梯度( 常数值) ；l i 一粘性系数； 积 我们可以将周向流速u 写成l 网- + u 2 ，其中u - = 一1 2 “d 出p t 、h 2 一y 2 ) ；u f 等唼+ 1 ) ，而 且还可以将u l 、u 2 绘成如图2 - 5 ( a ) 、( b ) 所示流场分布简图以及2 - 5 ( c ) 所示合流速u 的流 场分布简图。 ( a ) 周向流u l 流场分布( b ) 周向流u 2 流场分布 ( c ) 合流速u 流场分布 图2 - 5 周向流流场分布图 对于粘性物料，当( 雷诺数) 较小时，边界层内( 定转子间) 的流动均可假设为 层流的，其流场及剪切场分析参见文献【”吨7 】；当p c ( 雷诺数) 较大时，边界层内的流动 开始由层流过渡到湍流状态，流动状态不稳定。从图2 - 5 ( c ) 可知，物料在定转子间运动 过程中，其速度分布具有不均匀性，在定、转子与流体界面切线处流体流速最大与最小 值相互交替。 由于在间隙周向形成的流动不是单一的粘性平动，在转子高速驱动下圆柱型层内的 流动不仅仅是湍流，还包括许多排周向涡旋的稳定流动t a y l o r 涡旋。内环转子的高速转 动与外环定子的静止使得圆柱层内流体不稳定，而且这种不稳定性很复杂，因为定转子 江南大学硕士学位论文 之间的间隙相对定转子直径来说很小，可以将问题简化为流动的不稳定性只依赖于 t a y l o r 数的单参数，形成的不稳定涡核几乎是方形的，如图2 - 6 所示不稳定涡旋流。对 于这种旋转圆柱之间叠加的不稳定涡流增强了流体的不稳定性。 图2 - 6 不稳定涡旋流图2 7 径向流的流动 通过以上分析可知，定转子间隙的大小对粉碎机周向流的影响很大。定转子间隙在 很大程度上影响了物料的液力剪切和碰撞作用，在转速一定的情况下，小定转子间隙产 生的剪切碰撞作用力大，且间隙越小，剪切碰撞作用越大。因此，从提高剪切效果出发， 定转子间间隙无疑应取较小值，且理论上认为，间隙越小越好。但间隙越小，是以减少 流体流动量和增加能耗为代价的，且从零件加工方面来说，定转子之间间隙过小，就要 求有很高的尺寸和形位公差，否则在机器运转过程中产生碰撞，这样势必增加了加工难 度和加工成本。在设计过程中充分考虑各种因素，一般将定转子之间间隙设计成o 5 衄。 2 ，2 2 径向流的流场分析 在剪切粉碎过程中，通过定转子间的高速剪切后，流体在离心力作用下穿过定、转 子上的开口槽( 开口槽一般都设计成与径向成一定角度) 。流体的流动可假设为径向流 动( 因定转子之间间隙相对定、转子叶片厚度来说非常小，物料在相互接触处受到强烈 的剪切和研磨作用；而在对应开口槽处，物料主要受到流场的作用而产生相互碰撞作 用) ，如图2 7 所示径向流的流动。 现假设流动是对称性的，在y = o 处，l l f 为最大值u m = u r iy = o ，且流体只向外抛射，即 w = 0 ，则用极坐标表示的方程n a v i e r - s t o k e s 可写成： 坼等一吉考+ 以等+ 吾等一笋+ 专 c ：4 ， 一三至+ 丝盟：0( 2 5 ) p a y r a y 式中，。动力粘性系数。 将式2 - 4 、2 5 分别对t 、r 求导，消去p ，并利用边界条件：坟1 ) = o ，f ( o 声l ，r ( o ) = o ，可 得j e f f e r y - h a m e l 径向流场的流动方程为： 第二章果蔬纤维湿法超细粉碎技术研究 l = f _ 二- t ( 2 - 6 ) ( 1 一f ) 喜r e a ( f 2 + 力+ 4 口2 f + c 】) i 式中，厂：生；c ：昙 b 口+ 缸：一2 c 为积分常数：且定义趸e ：u m r c e ； 甜_ j d 方程( 2 6 ) 是椭圆积分，永远无法用封闭形式直接求积分，只能应用数值计算方法 求解，但方程最有意义的是对于任意给定a 和& ，相应于内流和外流的多重区域，都可 能有无穷个解，有对称的和不对称的，所以必须针对不同大小的q 和进行分析。 ( a ) 无回流叶片切槽内流速分布( ”有回流叶片切槽内流速分布 图2 - 8 叶槽内流速分布图 对于粘性流体，d 和数值较小时，我们可以忽略方程式2 4 中的q2 和项，那 么就可以准确地积分方程式2 6 ，得出c = 4 ，并能推导出方程式2 - 7 ： 厂= = l = 1 - 矿 ( 2 7 ) u _ 方程( 2 7 ) 表示整个通道横截面上速度分布均为正，且分布呈抛物线状、较均匀， 见图2 - 8 ( a ) 所示无回流叶片切槽内流体速度分布示意图；当a 较小和数足够大，转 子转速非常高时，我们可以忽略方程( 2 - 7 ) 中的a2 项，那么方程就可以简化为洲； l ( 半1 2 = 卜生一 ( 2 - 8 ) 、。7 【( 1 一力( 厂2 + f ) + 3 c 2 r e a ) j 方程式2 - 8 表示对于不同粘度的物料，我们能指定值范围，并进行积分得到值，作 出方程相对应的图形，见图2 8 ( b ) 所示有回流叶片切槽内流体速度分布示意图，在靠近 切槽边界面区域内，速度为负值，在该区域出现了回流，流体边界面分离，形成旋涡和 流动的整体不稳定性，旋涡的产生不仅可以使流体更强烈地碰撞，还是形成区域性湍流 的主要因素之一。当然在实际流动中，流动状态及速度是非常复杂的，对于这种回流流 动，至今尚无完善的理论分析方法可循【船1 。 通过对高剪切定转子粉碎机周向及径向流场的分析，我们发现，要使得粉碎机内部 产生高剪切湍流，提高果蔬纤维粉碎效果，必须选择合适的定转子开槽尺寸及定转子问 1 3 江南大学硕士学位论文 间隙。 2 3 定转子粉碎机粉碎过程动力学模型分析 粉碎动力学模型是研究粉碎机粉碎过程的一个重要的理论工具。通过对定转子粉碎 机粉碎过程动力学模型的研究，可以实现对粉碎过程及粉碎设备的预测、评估，以达到 粉碎过程的优化控制目的。 2 3 1 定转子粉碎机粉碎过程的模型选择 粉碎模型对于不同类型的粉碎设备，粉碎过程模拟的优劣程度不同。对于定转子粉 碎机而言，物料在其内部的粉碎机理较复杂，但颗粒受到粉碎的方式仍可归纳为以下几 点： ( 1 ) 转子齿条对物科颗粒的直接冲击作用力； ( 2 ) 定子齿条对物料颗粒的反击作用力； ( 3 ) 定、转子所形成狭窄间隙对物料颗粒的强烈剪切、挤压和摩擦作用力； ( 4 ) 物料颗粒间的相互碰撞、摩擦作用。 研究表明，对于细小颗粒的粉碎，在定转子粉碎机内的粉碎过程中起主要作用的是 颗粒在定、转子间狭窄的间隙内受到的强烈剪切挤压及颗粒与定、转子齿条的冲击粉碎， 而颗粒间的碰撞粉碎作用不明显。所以粉碎过程较为复杂，单颗粒的粉碎模型和流体传 输模型对定、转子的粉碎过程难以进行模拟。相对而言，若对问题进行简化，抓住主要 矛盾，重点研究颗粒在定、转子问的宏观运动，揭示颗粒的碰撞( 剪切碰撞、冲击碰撞) 粉碎机理，粉碎方式可以认为是单一的，从这个方面建立粉碎模型更有意义。 2 3 2 颗粒在定转子粉碎机中的粉碎动力学模型分析 1 模型建立的来源 在基于粒群理论的粉碎模型中，确定颗粒破碎速率的简单的一级动力学模型最早由 l a v e d a y 提出，其模型为1 1 5 1 ： 。 d w - ( d ) ：一七( d ) w ( d ) ( 2 - 9 ) a t 式中，w ( d 卜一粒度为d 的颗粒重量分数； k ( d h 立度为d 的颗粒粉碎速率常数。 如果用时间连续，粒级分布为离散的形式来表示，一级动力学模型可表示为1 1 5 】： 掣= - - $ t w t ( r ) + 如s j w j ( t ) ( 2 - l o ) “ 爿 式中，w i ( t 卜一时间t 时第i 粒级粉碎的重量分数； s 广雩喜i 粒级颗粒粉碎的速率常数； b 玎一第j 粒级颗粒被粉碎后进入i 粒级者所占j 粒级的被粉碎量的分数。 采用式( 2 1 0 ) 对定转子粉碎机进行粉碎模拟研究时，无疑要考虑机型的独特的内 + 部结构及粉碎方式。粉碎过程的完成是在由内向外的转、定子中进行完成的，定转子粉 碎机内颗粒的粉碎环境不断改变，因此直接采用式( 2 1 0 ) 对定转子粉碎机的粉碎过程 1 4 苎三兰墨蔓堑丝堡兰塑