（机械设计及理论专业论文）甜玉米饮品开发的关键技术研究.pdf

捅璺 本文首先介绍了国内外甜玉米产业的发展与消费现状，分析了甜玉米的营养价值 和经济利益。结合国内外果汁的发展动向，针对目前规模化生产甜玉米饮料缺少的现 象，分析了果肉饮料加工中存在的主要问题，提出了甜玉米饮品开发的关键技术这一 课题。 本课题以果蔬物料湿法超细粉碎技术为基础，深入观察了在玉米汁加工工艺中产 生的渣的形态结构，确定形成的渣主要含种皮和胚，其中种皮多于胚。研究了物料甜 玉米粒的质构特性及其粉碎机理，选用对其粉碎效果显著的剪切设备：胶体磨、齿形 定转子高速粉碎设备、刀片式粉碎设备，进行粉碎机理及实验研究。比较设备处理甜 玉米粒后渣的情况，得出齿形定转子高速剪切机的粉碎效果最好。对高速剪切机的主 要参数做单因素实验与正交试验。正交试验结果分析得，高速剪切机参数的最佳配比 组合为剪切时间为3 r a i n ，剪切频率为5 0 h z ，定子阃隙宽度为0 , 1 2 r a m 。并且采用响 应面分析法在给出的整个区域上找出因素和响应值间的明确的函数表达式，即回归模 型。 比较研究了单一亲水胶体以及两种亲水胶体和三种亲水胶体复配的稳定剂的稳 定作用，确定2 0 甜玉米饮料的稳定剂配方为黄原胶：刺槐豆胶：瓜儿豆胶= 2 ：1 ： 2 的组合稳定剂。另外，在此基础上探讨了1 5 和2 5 甜玉米饮料的稳定性，确定不 同果肉含量饮料的稳定剂配方不同 通过调整工艺条件，提出针对甜玉米的湿法超细粉碎关键技术与装备，为甜玉米 的饮品开发及产业化生产提供理论与实验上的指导。最后提出产品标准及产业化生产 的初步成本核算，进行风险分析，为甜玉米饮品投资的可行性提供参考依据。 关键词：甜玉米；饮品；超细粉碎；皮渣；亲水胶体：混浊稳定性 江南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ta n dp r e s e n tc o n s u m es i t u a t i o no fs w e e tc o ma th o m ea n d a b r o a dw e r ef i r s t l yp r e s e n t e di nt h i sa r t i c l e n n 仃i t i y cv a l t i ea n de c o n o m i cb e n e f i to fs w e e t c o r nw e r ea n a l y z e d r e u n i t i n gt h ed e v e l o pt r e n do fj u i c ew i t ht h el a c k i n go fs w e e tc o r n b e v e r a g ep r o d u c t i o no fs c a l e , t h ep l i m a ip r o b l e m si nf r u i tn 咖p r o c e s sw e r ea n a l y z e d a n dt h ek e yt e c h n o l o g yo fs w e e tc o r nb e v e r a g ed e v e l o p m e n tw a s p r e s e m e da sa 咖d y t h i ss t u d yw a sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo ft h eg a r d e ns p g a r d e ns t u f fm a t e r i e lw e t s u p e r f i n eg r i n d i n gg o i n gd c 印i n t ov i e w i n gt h em o r p h o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft h ed r e g sf r o m s w e e tc o r nb e v e r a g ep r o c e s s i t ss u r et h a tt h ed r e g sa r em a d eo fs e e dc o a ta n de m b r y o , a m o n gt h er e s ts e e dc o a ti sm o r e ：t h a ne m b r y o t h ep h y s i c a ls t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co f s w e e te o ms e e da n di t sc o m m i n u t i o nm e c h a n i s mw e r es t u d i e d , g o o de f f e c ts h e a r i n g e q u i p m e n ts u c ha sc o l l o i dm i l l ，h i g h - s h e a r i n gd i s i n t e g r a t o r sa n dc u t t e r sw e r ec h o s et o s t u d yt h ec o m m i n u t i o nm e c h a n i s ma n dh a v ee x p e r i m e n t s c o m p a r e dt h ed r e g s ，t h e h i g h s h e a r i n gd i s i n t e g r a t o r sh a v et h eb e s te f f e c t t h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t sa n d o r t h o g u n a le x p e r i m e n to nt h ek e yp a r a m e t e ro fh i g h - s h e a r i n gd i s i n t e g r a t o r sh a v eb e e n d o n e t h er e s u l ti st h a tt h eb e s tp a r a m e t e rc o m b i n a t i o no f h i g h - s h e a r i n gd i s i n t e g r a t o r si sa s f o l l o w s ：s h e a r i n gt i m e3 m i n ，s h e a r i n gr a t e5 0 h z , t h eg a pw i d t ho fs l a t o ro 1 2 m m t h e n ，b y u s i n gr e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y , f m d i n gt h ef u n c t i o ne x p r e s s i o nb e t w e e nf a c t o ra n d r e s p o n s ev a l u e , n a m e l yr e g r e s s i o nm o d e l c o m p a r a t i v er e s e a r c ho ns t a b i l i t yo fs i n g l eh y d r o c o l l o i d ，t w ot y p e so fh y d r o c o l l o i d s a n dt h r e et y p e so fh y d r o c o l l o i d sm i x i n gh a v eb e e nd o n e i nc o n c l u s i o n ，ab l e n ds t a b i l i z e r c o n s i s t i n go fx a n t h a n , l b ga n dg u a rg u mi nr a t i oo f2 ：1 ：2w a st a k e na st h ej u i c e s t a b i l i z e r i n a d d i t i o n , b l e n ds t a b i l i z e r s o fs w e e tc o r n b e v e r a g e w i t hd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n so fp u l p0 5 a n d2 5 ) w e f ed i s c u s s e dj nt h ed i s s e r t a t i o n s w e e tc o r n b e v e r a g ew i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fp u l ph a sd i f f e r e n tb l e n ds t a b i l i z e r sf o r m u l a a c c o r d i n gt oa 啪t i n gp r o c e s sc o n d i t i o n s , t h ek e yt e c h n o l o g ya n de q u i po fw e t s u p e r f i n eg r i n d i n gf o rs w e e tc o r nw a sp r e s e n t e d ，w h i c hp r o v i d et h e o r ya n de x p e r i m e n t a l g u i d ef o rs w e e tc o r nb e v e r a g ed e v e l o p m e n ta n di n d u s t r i a l i z a t i o np r o d u c t i o n a tl a s t , p r o d u c ts t a n d a r da n di n i t i a lc o s tk e e p i n gw e r ep r e s e n t e dt od or i s ka n a l y s i s i no r d e rt o p r o v i d er e f e r e n c ef r a r f l ef o rt h ef e a s i b i f i t yo fs w e e t c o r nb e v e r a g ei n v e s t m e n t k e yw o r d s ：s w e e tc o r n , b e v e r a g e , s u p e r f m eg r i n d i n g , & e g s , h y d r o c o l l o i d ，c l o u ds t a b i l i t y 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。 一萨弓月7 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：差! 二运 第一章绪论 第一章绪论 l 项目研究背景和意义 1 1 国际甜玉米产业发展与消费现状 1 1 1 甜玉米生产与消费 甜玉米起源于美洲大陆。在欧洲人进入美洲大陆以后，甜玉米迅速发展成为庭院 植物，以后逐步扩展为大田作物。2 0 世纪初期开始商品化。3 0 年代开始加工制作罐头， 4 0 年代以来美国不断扩大甜玉米种植面积，并逐步发展起颇具规模的甜玉米加工业。 在欧美等西方发达国家，甜玉米早已被视为一种蔬菜作物，深受消费者欢迎的常规食 品。美国是世界上最大甜玉米生产国和出口国。在所有蔬菜作物中甜玉米总产值排在 鲜售蔬菜产品市场第4 位，加工产品第2 位，是最重要蔬菜作物之一1 】【2 i 。 据有关资料报道，1 9 9 9 年全世界甜玉米种植面积超过6 6 6 7 万h m 2 ，2 0 0 1 年全球甜 玉米总面积为1 0 0 万h m 2 ，2 0 0 2 年1 1 3 3 3 万h m 2 左右。主要产地为美国、加拿大、欧洲、 中国、日本和中国台湾地区，而消费国主要为美国、日本、韩国及我国台湾省 美国是世界第一大甜玉米生产国，有近5 0 0 多个各类甜玉米杂交种应用在生产中， 甜玉米种植面积在3 3 3 3 万h m 2 左右。其中鲜售甜玉米8 9 万h m 2 ( 2 8 ) ，速冻甜玉米( 果 穗) 8 8 7 ) i h m 2 ( 2 8 ) ，加工甜玉米1 4 2 ) 了h m 2 ( 4 4 1 。甜玉米最高产量可达6 1 8 箱 h m 2 ( 每箱5 0 6 0 穗，折合每公顷有效数量5 25 0 0 穗左右) 甜玉米创造的产值在5 6 乙 美元。美国加工甜玉米数量1 2 0 万i ( 1 2 亿k g ) 左右，居世界首位。美国甜玉米加工产品 主要有罐头、速冻甜玉米和脱水甜玉米三种。甜玉米罐头约占全部加工产品的7 0 7 5 ( 5 6 亿k g ) ，速冻甜玉米占2 5 3 0 ( 2 亿k g 左右) ，脱水甜玉米比重较少 从消费水平上看，美国人均年消费鲜穗甜玉米3 2k a 3 0 ) ，冷冻甜玉米1 2k g ( 1 1 ) ，罐头甜玉米6 1k g ( 5 8 x 消费市场比较成熟，比例保持相对稳定) ，平均每人每 年消费量在1 0 5k g 左右( 按照鲜玉米粒计算) ，美国每年市场消费需求约2 8 亿k g 左右 ( 2 8 0 万t ，2 0 0 1 年1 。每年仍需从国外进口大量甜玉米及其加工品。 法国是欧洲最主要甜玉米生产国，生产量占到欧洲8 5 ，速冻玉米占到欧洲7 0 ，2 0 0 1 2 0 0 2 年生产甜玉米果穗都是2 4 3 万t 。整个欧洲甜玉米生产量为2 8 万t ( 2 8 亿k g ) 。 泰国是亚洲主要甜玉米生产国和供应国，劳动力低廉，常年可以生产。对美国而 言具有较强价格优势。泰国2 0 0 1 2 0 0 2 年度预计为1 2 万t 左右，6 0 产品供应国际市 扛南大学硕士学位论文 场，主要消费地为韩国、台湾地区、日本、美国、俄罗斯联邦等。 1 1 2 甜玉米罐头贸易 欧美消费者喜爱甜玉米罐头。此类甜玉米分为黄色和白色两种，黄色约占产量9 5 以上。欧洲以进口整粒产品为主，亚洲、北美和中东以进口糊状为主。目前全世界 甜玉米罐头和食品年生产量超过- j 3 8 0 7 亍t ( 2 0 0 2 年度数据1 ，美国年产甜玉米罐头约7 0 多万t 。速冻甜玉米4 5 万t ，加工生产占到世界加工能力的3 0 左右。世界甜玉米罐头 年产量约1 0 0 多万t ，其中以美国产量最大。其他甜玉米生产加工国有法国、加拿大等。 甜玉米罐头主要进口国有日本、德国、英国等。 表1 世界甜玉米罐头产量 2 0 0 0 - 2 0 0 1 年度甜玉米罐头产量与进口量，参考数据 国际市场上甜玉米罐头销售仅次于芦笋，居第2 位。目前世界市场上甜玉米罐头 每年贸易量约2 5 3 0 万t 其中美国每年出e i i o 多万t 。泰国和我国台湾省年出口量已 超过3 万t 。日本年进口量就达5 6 万t ，近3 0 年来甜玉米消费量增长了3 0 倍。韩国及东 南亚国家甜玉米市场也看好，欧共体及亚洲一些国家每年也都要从美国进口相当数量 2 第一章绪论 甜玉米产品。 1 1 3 笋玉米生产与市场状况 亚洲：笋玉米的头号消费地区，现在笋玉米生产和市场在世界范围迅速发展，尤其是 在亚洲非洲和南美地区。主要出1 3 国是泰国、斯里兰卡、台湾地区、中国大陆、 津巴布韦、赞比亚、印度尼西亚、南非、尼加拉瓜、哥斯达黎加、危地马拉、洪 都拉斯等。主要消费国是英国、美国、马来西亚、中国台湾地区、日本和澳大利亚。 亚洲总体上可以看作生产者而不是进口者。但少数国家笋玉米消费量较大，比如日本 和马来西亚。北美市场：许多北美国家都进口笋玉米、在超市当中很难见到新鲜的笋 玉米。不剥皮笋玉米主要出现在高档饭店当中。美国主要从泰国、台湾、印度尼西亚 等地进口笋玉米罐头。美国工厂比较喜欢将笋玉米放在玻璃罐里。速冻笋玉米和其他 甜玉米相比由于价格非常高导致市场份额比较低。 欧洲市场比美国进口的笋玉米要多一些，尤其是新鲜的笋玉米。主要是散装和简 单包装形式为主。英国主要是后者。英国是欧洲最大笋玉米市场，主要以零售为主， 尤其是在超市当中。主要出口到欧洲的国家有斯里兰卡、泰国、津巴布韦和肯尼亚 荷兰也是欧洲出口国，主要将亚洲和非洲等地进口的笋玉米重新包装并出口到北欧和 中东地区。中东地区也是以初包装为主，沙特是主要进口国。 总体而言，发达国家在甜玉米( 包括笋玉米) 国际市场上走在了前面，国际市场仍然 在稳定发展。发达国家是主要消费国和加工增值地区生产格局逐渐向第三世界国家 转移，比如南亚和非洲一些地区，为发展中国家的发展开辟了新领域。我国也将成为 世界甜玉米生产和出口基地，这种格局正在逐渐变成现实。 1 2 国内甜玉米市场现状探析 1 2 1 发展甜玉米生产前景广阔 我国甜玉米食品生产起步较晚，但增长较快。2 0 世纪8 0 年代中期开始进行甜玉米 罐头加工，主要集中于上海、大连等沿海城市。随着市场扩大和前景的看好，许多省 市都进行了甜玉米的加工。甜玉米食品，特别是甜玉米罐头和速冻鲜果穗等产品生产 和出口已经成为创汇主要渠道。随着国内人民生活水平向小康富裕型发展，甜玉米制 品越来越多地受到了人们喜爱，加之玉米深加工企业的发展，对甜玉米的需求量也越 大 我国地理和气候条件都十分优越，从南到北都可种植。目前所有类型甜玉米种植 面积约2 6 6 7 万l u n 2 。如果按照美国生产潜力和消费水平以及我国人口数量计算，我国 种植甜玉米潜力将达到1 0 0 万h m 2 。每公顷创造纯产值按照9 0 0 0 元计算，将创造9 0 亿元 巨大市场。 近些年来，甜玉米市场发育良好，甜玉米价格保持在相对较高水平，农民种植收 益大大高于种粮食收益。对于农民来讲，投入到甜玉米生产当中有利可图，即便将来 利润率下降，也有相当大优势0 甜玉米加工附加值高，经济效益显著，如美国甜玉米 江南大学硕士学位论文 中产生附加值可以达到3 0 0 4 0 0 ，转化增值更高。甜玉米由于采摘时间早，采收 后茎叶营养丰富，可作为畜牧饲养业优质饲料。用甜玉米茎叶饲喂奶牛比喂青草产奶 量可提高1 0 以上。甜玉米产业扩大符合畜牧业发展对优质青饲料的需求以及我国农 业产业结构调整的要求，也有利于我国的甜玉米种植产业向规模化方向发展，向种植 高手靠拢。适度发展甜玉米是加快发展农村经济的主要手段之一。 1 2 2 甜玉米市场现状 我国由于历史原因主要以农产品为主要食品来源，因此发展甜玉米食品具有得天 独厚条件。据我们调查大多数北京人没有经常食用甜玉米，消费量也比较低，主要原 因在于市场推广力度严重不足。生产能力不足，加工效率非常低下，按照我国1 0 0 万 h m 2 播种面积计算，我国2 0 0 2 年的生产面积只有饱和市场的2 5 3 0 左右。生产线 开工严重不足，影响着生产效率的提高。低下生产加工能力导致费用相对增高，因此 需要积极扩大生产规模，提高加工生产线运转负荷。2 0 0 2 年的全国甜玉米的加工生产 能力为3 万t 左右( 约是美国2 ) ，和美国相比差距悬殊。 市场开发能力严重不足也是一个主要问题，甜玉米加工产品目前主要存在于一些 饭店、快餐店当中，远远没有达到进入百姓家庭的能力，人们对于甜玉米了解比较贫 乏。由于规模和地域限制，甜玉米企业没有能力进行全国范围内甚至地方范围市场宣 传策划。目前还没有在消费者中能够叫响的品牌。没有畅通市场渠道。市场发展力度 非常缺乏。生产规模太小，分摊成本太高，导致市场运转不畅。产品结构不合理，不 丰富，主要是速冻甜玉米粒，鲜玉米穗等，并且供应配送体系严重滞后。需要进行深 入系列产品开发。应该追踪甜玉米更多加工途径，进行有效转化，丰富产品类型。目 前产品包装类型、包装设计、包装材质等不能满足市场的需求，提高包装品位将有利 于开发都市市场。甜玉米产品国际出口量比例非常低，主要原因是中国甜玉米生产量 太低，与我国农业大国地位极为不相称。国际市场开发力度薄弱，生产企业需要提高 自身产品的综合包装和品牌的包装。由于我国劳动力和生产资料低廉，在国际贸易中 应该具有较强的竞争力。全国甜玉米加工厂家都具有一定规模，但由于生产区域限制， 尚无大规模企业。我们经过调查发现，人们对于甜玉米的购买主要因素是价格因素， 对于包装、品牌等方面重视程度还不够。 从我国的现状来看，我国甜玉米发展要突出地域性，加快发展，建立强大市场营 销网络，促使甜玉米食品早日丰富居民的餐桌，强化以速冻甜玉米粒为主，配以鲜玉 米穗为主多品种经营方针；注重包装精美、规格多样，展示美味餐桌形象，适应w t o 的要求，采取国际化的生产出口策略，加强无公害甜玉米生产加工过程；以国际化和 国内两种市场为发展目标。将甜玉米产业发展成为我国玉米产业的新增长点。 1 2 3 甜玉米的营养价值和经济利益 甜玉米的营养价值高于普通玉米。它除含糖量较高外，赖氨酸含量是普通玉米的 两倍。相当于高赖氨酸玉米的赖氨酸含量水平。籽粒中蛋白质、多种氨基酸和脂肪等 均高于普通玉米。甜玉米籽粒中含有多种维生素( 维生素b 1 、维生素b 2 、维生素b 6 、 4 第一章绪论 维生素c 、维生素p p ) 和多种矿质元素。甜玉米所含的蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、果糖和 植物蜜糖，都是人体容易吸收的营养物质。甜玉米胚乳中碳水化合物积累较少，蛋白 质比例较高，一般蛋白质含量占干物质的1 3 以上，甜玉米胚乳中，含有与普通玉米 不同的物质w s p ( 水溶性多糖) 。w s p 的特点是易溶于水，适口性好【3 l 。德国营养保 健协会的研究表明，在所有主食中，玉米的营养价值和保健作用最高。玉米含有7 种 。抗衰剂”即钙、谷胱甘肽、维生素、镁、硒、维生素e 和脂肪酸。经测定，每1 0 0 克玉米能提供近3 0 0 毫克的钙，几乎与乳制品中所含的钙差不多。丰富的钙可以起到 降血压的功效。玉米中所含有的胡萝h 素，被人体吸收后转化为维生素a ，具有防癌 作用。植物纤维素能加速致癌物质和其他毒物的排出。天然维生素e 则有促进细胞分 裂，延缓衰老，降低血清胆固醇、防止皮肤病变的功能，还能减轻动脉硬化和脑功能 衰退。玉米含有的黄体素、玉米黄质有利于延缓眼睛老化。其保健效果好，是老弱病 人及婴幼儿的良好食品【4 j 阁。 种植效益：农户种植甜玉米生产成本亩约5 0 0 元，亩产青穗1 0 0 0 公斤，按每公斤1 元收购计算，亩产值1 0 0 0 元，亩纯效益5 0 0 元，千亩甜玉米纯效益可达5 0 万元 6 1 。 深加工效益：按1 0 0 0 亩地，亩产青穗1 0 0 0 公斤( 折籽粒5 0 0 公斤) 计算，收购、 加工、冷藏、运输及厂房等固定资产费用计约6 0 0 万元。其中收购费用1 0 0 万元，加 工费用、冷藏设备及厂房等固定资产建设投资约5 0 0 万元。 目前国内市场甜玉米粒零售价格为每公斤2 2 元，出厂价按每公斤1 2 元计算，1 0 0 0 亩甜玉米销售收入可达6 0 0 万元，当年即可收回全部投资。如果形成规模，每年种植 5 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 亩，效益将成倍增加，以上效益均未考虑秸秆利用。 由于甜玉米具有丰富的营养成分和经济利益，其加工生产成各种产品已势在必 行。 1 3 甜玉米饮品开发符合市场需求 综观国际甜玉米产业发展与消费现状，国内甜玉米市场现状，深知发展甜玉米生 产前景广阔，由此推知甜玉米深加工产品有很大的市场潜力可挖。目前，甜玉米的利 用主要有鲜食、制做罐头和速冻加工，产品比较少。全国农业技术推广服务中心专家 认为，我国甜玉米产业需要进行系列产品的开发，使甜玉米有更多的加工途径，丰富 甜玉米产品类型。通过对甜玉米营养价值的分析，甜玉米很适合开发成饮晶，开发甜 玉米饮品能提高玉米产品的附加值，为卖玉米难问题提供新的解决方案。目前甜玉米 饮品开发还存在一些技术性问题，如饮品的口感和原料的利用率，这与加工过程中的 粉碎技术有很大的相关性，需要对其进行深入研究。近年来食品行业人士也研究过玉 米汁，但主要是研究玉米汁的配方和小型加工工艺，对其加工设备没有作深入的研究， 未能大规模推进我国甜玉米产业的快速发展。对于工业化生产来说，降低了原料的利 用率，加大了成本。因此，开发甜玉米饮品，解决开发关键技术，是市场的需求，是 顺应甜玉米的发展趋势和时代潮流的。 5 江南大学硕士学位论文 2 国内外研究现状 2 1 国内外果汁的发展动向 果蔬汁的加工始于1 皑纪末小包装非发酵性纯果汁的商品生产，以瑞士的巴氏杀 菌苹果汁为最早，1 9 2 0 年后才有工业化生产1 9 8 1 年我国引进了第一条浓缩果汁生 产线，至1 9 9 5 年达到了4 0 多条，其中用于苹果汁的l o 多条，用于柑橘汁的约1 5 条，用 于黑加仑子汁的5 条，引进了近1 0 条果浆生产线，共形成5 0 多万吨，年的水果加工能力。 在最近几年的发展中，浓缩苹果汁的生产能力增长至约5 0 万吨年，而其他水果浓缩 汁的生产能力没有发生太大的变化，部分设备改造后也用于浓缩苹果汁生产【7 】。 1 9 9 5 年世界果汁的销售总量达到3 6 0 亿升，2 0 0 3 年达到3 9 0 亿升左右，世界人均果 汁的消费量为6 升左右，三大主要的消费市场分别是北美、澳大利亚及西欧，其中美 国、德国及加拿大人均超过了4 0 升，而我国人均只有1 升左右嗍。在所有果汁饮料中， 柑橘汁、苹果汁和葡萄汁最畅销，其中浓缩橙汁居世界果汁消费的第一位，苹果汁在 全球的产销量由小到大，成为第二大果汁类商品。 我国水果资源丰富，水果的总产量为世界第一位，据统计1 9 9 9 年我国的水果产量 达到6 2 3 0 万吨，为我国的果汁加工业的发展提供了丰富的原料嘲。 但是，我国果汁饮料起步晚，经过近二十年的曲折发展，现在才开始成熟，近几 年以苹果、柑橘、猕猴桃、椰子、杏仁为原料的各种果汁饮料迅猛发展。1 9 9 5 年前后 的果汁饮科主要为果汁含量较低的饮料类i g l ，由于质量欠佳，很快萎缩，而全国总产 量一直徘徊在1 0 0 万吨左右，2 0 0 1 年真正进入健康而快速的发展轨道嗍，初步形成了 以橙汁、苹果汁为主，草莓、桃、杏、酸枣、西柚等为次的品种结构，特别是最近突 起的牵手等果汁与蔬菜汁的混合饮料、汇源高纤维饮料、果汁奶等品种将推动果汁饮 料市场再上新台阶。同时果蔬汁饮料的果汁含量也由过去的1 0 发展成为1 0 0 、 4 0 、2 0 、1 0 等多种规格，特别是1 0 0 的果汁已被广大消费者接受 05l o1 52 0跖3 0孤4 0牾5 0 图1 1 不同地区人均果汁及果汁饮料消费量( u 人) 在果蔬饮料的包装上，改过去小容量纸塑包装的不良形象，注重了外包装的质 量和多样化，发展了适合家庭、餐饮的大容量包装，也推出了互动型包装。p e t 瓶热 灌装与无菌灌装技术的推广也将促进果汁饮料的消费，特别是玻璃瓶包装近来有回升 的趋势。这些包装一目了然的内在特性可以让消费者放心饮用。果汁饮料的生产已由 6 第一章绪论 过去的大小企业一起上转交为有相当实力的企业的介入，国内上市公司的加盟、国际 可口可乐与百事可乐等大公司的投入，使果蔬汁饮料的起点以国际先进水平为目标， 达到了较高的水平。目前，果汁饮料发展中的问题是，有些国产浓缩果汁质量较差， 国内需求大多要靠进口解决，部分包装也要靠进口，价格高、时间长，给生产带来了 不便；但同时可以看到国内果汁饮料市场开发不够，十三亿人口的大国，人均年消费 量还不足0 7 公斤，而在欧洲则达到4 0 公斤以上i ”。 2 0 0 1 年全国果饮料产量为1 4 6 万吨，比上年增长了4 9 8 7 n ，全年的增长势头稳 健、逐月上升，增长态势良好。2 0 0 2 年中国果汁饮料产业实现产量2 1 4 万吨，产值达 1 2 3 5 亿元，比2 0 0 1 年分别增长了4 6 5 8 和5 0 6 1 ，掀起了中国饮料工业的第四次浪 潮，成为2 0 0 3 年行业的聚焦点。目前果汁的产量在我国软饮料中仅次于瓶装水、碳酸 饮料和茶饮料，居第四位。果汁饮料本着厚实的原料基础和丰富的营养功能越来越受 市场青睐，现在的任务是开发更多新品种的果汁产品来迎合市场和消费者的需求。因 此近几年来研究院所、学校、企业投入了较多的科研力量，围绕果蔬饮料的低物耗、 低能耗、营养成分的保留、最佳色泽以及不同果汁、蔬菜汁、蛋白饮料之间的混配、 外观形成及质量保证等课题，从品种改良、引种、果蔬汁提取工艺、浓缩工艺到果蔬 汁饮料的产品配方设计、生产工艺、设备等方面开展了大量的科研工作。2 0 0 2 年9 月 召开的2 0 0 1 年北京国际饮料科学与技术报告会的论文集，经大会专家委员会论证有6 6 篇论文入选，其中有1 8 篇是果蔬饮料加工i 。”。 2 2 果肉饮料加工中存在的主要问题 根据国标中软饮料分类( g b l 0 7 8 9 1 9 9 6 ) ，果肉饮料即在果浆( 或浓缩果浆) 中加入水、糖液、酸味剂等调制而成的制品。混浊型果肉饮料的生产工艺流程大致可 以分为两大作业步骤：第一步先制造水果原浆( 基本原料) ，第二步制造饮料成品罔 1 1 0 1 。果肉饮料是由果实可食部分经破碎打浆制成的，果肉颗粒以悬浮状态存在于果汁 中。果肉经过均质后颗粒的直径分布范围为几微米到几百微米，其骨架组织是纤维素、 半纤维素和不溶于水的果胶物质( 原果胶、不溶于水的果胶酸酯和果胶酸盐) ，骨架 之中含有各种水溶性的果蔬成分。这种带果肉的混浊饮料因含有果肉微粒，在营养、 风味和色泽上都比澄清汁好。然而，这也给果肉饮料的生产带来困难，即如何保持饮 料稳定的悬浮状态。 含有混浊物质的果汁是一个复杂的胶态系统，果汁中颗粒的电荷量、颗粒和果汁 的比重、p h 值、电解质含量以及饮料的流变性质等，都是影响混浊果汁悬浮状态稳 定性的因素。由于果汁中的混浊物质主要是细胞壁碎屑、中胶层碎屑、原生质成分， 细胞器和一部分可溶性固形物，例如糖、蛋白质、氨基酸、果酸和酚类化合物等，此 外还有一些在制成果汁后才出现于果汁中的固体颗粒。这些成分不仅互相会产生各种 反应，而且还会与空气中的氧气和果汁中的溶解氧反应，此外由于所带电荷不同，颗 粒之间互相碰撞会形成较大的颗粒，造成体系浊度的下降【1 1 l 。由于这些因素的存在和 7 扛南大学硕士学位论文 相互间的作用，往往会导致混浊果汁饮料品质的降低。 另外，水果原汁的制造工艺基本上是根据它的化学影响因素和酶影响因素确定 的。在未受损伤的完整果实中，生物化学反应速度相当缓慢，但当原料被破碎后，果 实中的化学反应、酶反应会突然加速，相互影响。其中最主要的是酶促褐变和非酶促 褐变，这些反应往往也引起果汁质量( 颜色、香味、滋味和化学成分) - - f r e t l 。 2 3 甜玉米饮品的发展现状与趋势分析 市场上果汁饮料品种很多，主要以橙汁、苹果汁、桃汁、草莓汁、酸枣汁、菠萝 汁、芒果汁为主。世界上果汁消费量橙汁为第一位，苹果汁位居第二嗍。但作为美国 最重要蔬菜作物之一的甜玉米，被开发成饮料产品的却不多。 目前，甜玉米的利用主要有鲜食、制做罐头和速冻加工。对于甜玉米饮品加工还 不多，可能开发还存在一些技术性问题，如饮品的口感、稳定性和原料的利用率。近 年来食品行业人士主要是研究玉米汁的配方和小型加工工艺，对其加工设备没有作深 入的研究，未能大规模推进我国甜玉米产业的快速发展。其中对玉米粉碎后出现严重 的皮渣现象，都是通过浆渣分离去除皮渣，工艺复杂，对于工业化生产来说，降低了 原料的利用率，加大成本，使产品价格高于消费者的平均水平。所以，更加阻碍了甜 玉米的饮料加工途径。 甜玉米的含酸量很低，不利于制备果汁饮料，但因其营养成分相当丰富使其应用 也日趋广泛，可以考虑用来加工成营养价值很高的特种混合水果原汁和特种混合果汁 饮料。在使用时，甜玉米粒被加工成玉米原浆。国外主要研究甜玉米的栽培、转基因 和提取，对其饮料加工几乎找不到相关文献。相对国内有些这方面的研究，但起步晚， 数量也不很多，主要是对实验加工工艺的研究，加工设备几乎相同。 3 项目主要研究内容和目标 本课题的目标就是结合以上情况，针对目前规模化生产甜玉米饮料缺少的现象， 研究甜玉米饮品开发的关键技术。主要针对甜玉米粒的物性特征，运用适合的粉碎机 理，选用配套的机械进行粉碎研究，并且对玉米饮品的外观形态的稳定性做相关技术 研究。具体研究内容如下： 1 甜玉米粒质构分析及粉碎机理研究； 2 影响甜玉米粒超细效果主要因素的研究； 3 甜玉米粒超细关键操作参数的优化研究； 4 甜玉米饮品果肉颗粒的悬浮稳定性研究。 8 第二章甜玉米粒的质构及粉碎机理分析研究 第二章甜玉米粒的质构及粉碎机理分析研究 1 甜玉米粒的组织结构分析 1 1 甜玉米籽粒的结构 甜玉米粒具有复杂的组织结构，对其的超细粉碎就是要破坏其组织结构的目的。 图2 1 是甜玉米籽粒的形态结构刚1 2 1 ，它主要包括种皮、胚乳和胚三部分。玉米的种 子实质上就是果实，是颖果。种皮与果皮不能分离【1 3 1 。 圈2 i 甜玉米籽粒形态结构 1 种皮2 胚乳3 盾片4 胚芽鞘 5 叶片( 5 个)6 茎叶靖( 生长点) 7 中胚轴8 根原萋( 次生胚根) 9 胚根l o 胚根鞘 玉米籽粒的结构特点： ( 1 ) 种皮：是单层细胞，无色，角质化，坚硬，起保护作用。 ( 2 ) 胚乳：糊粉层：在胚乳的最外层，由单细胞组成，细胞内含有丰富的蛋白质。 角质胚乳：特点是，结构比较紧密，淀粉粒之间充满蛋白质，坚硬， 透明，食用品质较好。 粉质胚乳：淀粉粒之间有空隙，松散，发白，不透明，食用品质较差。 ( 3 ) 胚：位于种子一侧( 向果穗顶部的一侧) 的基部。 胚实质上就是一个尚未成长的幼小植株。胚由胚芽，胚轴，胚根，子叶( 盾片) 所组成。 由甜玉米粒的结构特点可以看出，如果要破坏甜玉米的组织结构来达到超细粉碎 的目的，那么破碎难度最大的是种皮和胚。 1 2 甜玉米种皮的分析 甜玉米籽粒的种皮是由纤维素有序紧密排列构成，具有一定的抗粉碎能力。虽然 它比普通玉米皮薄，口感鲜嫩，但是在同一粉碎系统中还是影响了整个玉米粒超细粉 碎的效果，甚至严重的会影响制取玉米汁的口感，这也是很多研究玉米饮料的工艺中 9 江南大学硕士学位论文 为何都采用浆渣分离的工艺。但是对于果肉饮料来说，玉米皮中含有大量的纤维，这 是现代人们日益需要的营养物质，称为膳食纤维( d i e t a r yf i b e r ) p 4 1 。 1 9 8 9 年在东京召开了由英、美、日等国的食品纤维专家的国际会议，对食物纤 维的定义、功能以及流行病学调查，作了广泛的讨论。食物纤维的含义主要指的是以 纤维素、半纤维素、木质素、果胶等人体消化酶难以消化的高分子物质。但是它对于 改变血清胆固醇、预防高血脂和肥胖症以及促进中毒性物质的排除，从而减少直肠癌 等都有一定的关系。所以人们把食物纤维称为“第七营养素”。 如果要使玉米果肉饮料中富含此类对人体有益的营养素，那么就必须保留玉米 皮，一方面解决皮渣浪费的现象，另一方面增加了饮料的营养成分。这就迫切需要引 进超细粉碎技术来解决玉米皮的粉碎。 1 3 甜玉米胚的分析 玉米胚位于玉米子粒一侧的下部，其质量虽只有子粒的1 0 1 5 ，但是是玉米 粒中营养成分最好的部分，是玉米子粒发育生长的起点。玉米胚中含量最高的是脂肪。 整个玉米子粒脂肪的8 0 以上含在玉米胚中，所有玉米胚含油达加巧o ，而玉米 粒其他部分的脂肪含量很少1 1 4 1 。 油脂是甘油和脂肪酸合成的酯。油脂不仅供给人体以热量，也是人体营养所必需。 油脂中含有的脂肪酸，其中油酸是含有一个不饱和双键的脂肪酸；亚油酸含有二个不 饱和双键。这些不饱和脂肪酸是人体生长发育所必需的。虽然脂肪可以由碳水化合物 在人体中合成，但如果不食用亚油酸、亚麻油酸和花生酸，则对健康会带来影响。必 须脂肪酸也称维生素f ，对于预防血清胆固醇的增加有重要作用。而玉米油的不饱和 脂肪酸含量达8 5 以上，主要有油酸和亚油酸，人体吸收率达9 7 以上。玉米油中 含有谷固醇，具有抑制胆固醇增加的作用。从而对于冠心病和动脉硬化症有疗效。据 日本报道，长期服用各种植物油，对人体血液胆固醇浓度降低的结果分别是：米糠油 1 8 ；向日葵油1 3 ：玉米油1 6 。玉米油还富含维生素e ，而维生素e 是一种天然 抗氧剂，同时对安胎助产有良好的功效。对于人体细胞分裂，延缓衰老，有一定作用。 分离胚的工艺方法主要是利用胚含油比重少于胚乳，同时胚易吸水膨胀等特性， 胚比胚乳有较好的抗粉碎能力。为了丰富玉米饮料的营养成分，保留胚，就必须考虑 玉米胚的抗粉碎能力 2 甜玉米粒的粉碎机理研究 2 1 甜玉米粒粉碎研究的必要性 在果肉饮料中需要解决的主要技术问题是饮料的口感和稳定性，其中稳定性又是 果肉饮料的一个突出问题。稳定性可以分为色泽稳定性和悬浮稳定性，影响悬浮稳定 性的主要因素是沉淀，沉淀通常由蛋白质沉淀和果肉沉淀两部分构成。本文的甜玉米 第二章甜玉米粒的质构及粉碎机理分析研究 饮料主要是果肉沉淀，下面就它的产生机理及影响因素，作一些分析： 若果汁中含有果肉等不溶性物质，由于其密度与果汁密度不同，在地球引力作用 下，这些不溶性物质会逐步沉淀下来【1 5 】。它的沉淀速度可i 妇s t o c k 公式计算： t ，协9 ) x g ( o l p 2 ) ，2 肛 ( 1 ) 公式( 1 ) 中：p 为连续相( 液体) 的粘度： f 为分散相( 粒子) 的半径； g 为重力加速度； n 为分散相( 粒子) 的密度； p ：为连续相( 液体) 的密度。 根据上述公式，粒子在液体中的沉降速度与粒径成正比，与液体粘度成反比。要 想降低不溶性粒子在饮料中沉降速度，可以通过减小粒子半径，提高果汁的粘度来达 到。所以粉碎均质后的效果如何，将会直接影响产品的稳定性。另一方面，过分提高 果汁的粘度，并不是我们所希望的，因为过高的粘度会影响产品的口感和香味的释放。 因此，要较好的解决果肉沉淀，就必须要重视果肉颗粒的粒径大小及分布情况。为了 得到满意的颗粒大小，就必须要进行甜玉米粒的粉碎研究。 2 2 甜玉米粒粉碎方式的选择 目前在食品工业中物料的粉碎方法大致可分为湿法和干法两种【埘。干法粉碎设备 如锤片式粉碎机、辊式粉碎机等，将谷物原料在机械力的作用下强制破碎。干法粉碎 设备被大量地应用在饲料、添加剂、制粉等行业中。虽然干法粉碎设备能达到满意的 处理粒度，但设备庞大复杂，能耗高，噪声大。因此，在满足工艺要求的情况下，湿 法粉碎设备则能更好地符合生产实际的需要。湿法粉碎设备主要有压力式粉碎设备和 剪切式粉碎设备两种。典型的压力式粉碎设备如高压均质机，主要用于食品物料的均 质与乳化；而基于剪切原理的湿法粉碎设备则包括：胶体磨、齿形定转子高速粉碎设 备、刀片式粉碎设备等几种，主要用于聚合状态颗粒的分散、纤维状物料的破碎等， 同时对物料也有一定的乳化均质效果。 果蔬纤维物料中含有丰富的膳食纤维素，具有较好的生理作用，经湿法超细粉碎 深加工后，可开发和生产出适销对路的果蔬产品，如果蔬汁、膳食纤维功能食品等， 从而大大提高了果蔬产品的附加值【1 7 l 。因此，果蔬纤维湿法超细粉碎技术越来越受到 人们的重视。研究表明果蔬纤维具有良好的韧性和吸收变形能的能力，对果蔬纤维超 细粉碎较为有效粉碎方式应为剪切粉碎方式。在关键结构设计中，要使流场内产生充 分的剪切湍流，以提高粉碎效果。 甜玉米的纤维属于膳食纤维，是不能被人体消化酶消化的。它是自然界分布最广 江南大学硕士学位论文 泛、最重要的一类多糖，可分为可溶性食物纤维和不可溶性食物纤维，包括纤维素、 半纤维素、木质素、果胶、琼脂等【1 8 1 。食物纤维广泛存在于各种植物中，目前可利用 的来源主要有谷类、豆类、薯类的种子和表皮，水果的表皮和蔬菜的叶中。对于甜玉 米，膳食纤维主要来源是甜玉米粒的种皮。纤维部分的木质素具有复杂的三维结构， 经常与质地坚硬的或木质样的组织交联在一起，形成了具有较高强度的稳定结构，因 此，含纤维物料也就不易破碎。比如甜玉米，在生产玉米饮料时，产生大量的皮渣而 不能很好的应用，不仅造成了浪费，而且还造成了环境的污染。目前，纤维物料的粉 碎以干法为主，如气流粉碎等，干法粉碎能耗大，且与其它工艺的结合性较差。纤维 物料的湿法剪切粉碎是一个全新的课题，目前尚无这方面研究的有关报道。基于高剪 切的湿法粉碎设备利用湍流所产生的高剪切力场、空穴效应以及流场中物料颗粒之间 的碰撞，使物料颗粒破碎细化，对甜玉米纤维的粉碎处理往往有较好的效果。 2 3 甜玉米粒湿法粉碎机理及设备的研究 2 3 1 湿法粉碎机理 2 3 1 1 固体颗粒的破碎机理 物料颗粒根据其特性可分两种情况：一种是孤立的颗粒粒子，这种颗粒在流体中 随着流线运动，只是进行了混合，并不存在分散：而对于聚集体颗粒，是由各孤立颗 粒之间相互作用而形成，其破碎取决于聚集体的总变形，当总变形超过一定的极限时， 颗粒破碎。这就是湿法粉碎的机理【1 9 l1 2 0 1 2 1 1 。 设k = 表面力黏附力，为衡量聚集体颗粒之间作用力大小的一个准数，其值也决 定了所需的剪切应力的大小。当尉艮大时，剪切力很大，吸引力较小，极限情况下k 一一，这时聚集体颗粒即为孤立粒子，是简单混合的过程；而当k 取有限值时，需要 考虑吸引力，此时，随k 值大小以及考虑的起始取向，颗粒