（机械设计及理论专业论文）豆渣纤维湿法超细粉碎技术与装备研究.pdf

：雪 摘要 摘要 本文主要对豆渣纤维的湿法超细粉碎技术及装备进行研究。首先，对豆渣纤维结构 进行分析，以断裂力学为研究依据，结合流体动力学、纤维物料粉碎理论等探索豆渣纤 维有效的粉碎方式，得出剪切粉碎是豆渣纤维物料的有效粉碎方式；并对常见的食品物 料湿法粉碎设备机理进行对比分析，通过试验验证了当前传统湿法粉碎设备不能解决豆 制品行业的豆渣粉碎问题。 其次，通过吸收与跟踪国外湿法粉碎前沿技术，针对新型湿法超细粉碎技术高 速切割粉碎技术作出了初步的探索，主要分析了高速切割粉碎的机理、对高速切割粉碎 设备整体方案及关键部件进行设计，分析了设备结构参数及操作参数对豆渣纤维粉碎效 果的影响，并以粉碎后的平均粒径为评价指标，设计l 9 ( 3 3 ) 正交试验探索了静刀片数 量( 即刀片间隙) 、叶轮转速、循环次数等相关参数对豆渣粉碎细度的影响，得出叶轮 转速对粉碎粒度的影响最大，刀片间隙次之，这对今后的设备优化提供了一定的实践基 础。 在此基础上，我们对豆渣工业化利用系统进行研究，主要从两个方面来进行解决： 一是解决已经产生了的豆渣，实现豆制品企业下脚料的再利用；二是进行全豆豆制品的 工艺研究，力争实现豆制品企业的清洁化、无渣化生产。重点研究了全豆豆浆的生产工 艺，并通过感官评定法确定了全豆豆浆的生产工艺及条件。 最后，对全豆豆浆的产业化进行了可行性分析。设计了全豆豆浆的生产线，对关键 设备进行选型，并对该项目进行技术经济分析，经分析研究得知，全豆豆浆的产业化项 目可以作为豆制品企业创收的新选择，为豆制品企业解决豆渣问题提供了良好的工业方 案。 关键词： 豆渣粉碎，大豆膳食纤维，湿法超细粉碎，高速切割粉碎，全豆豆制品 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fw e to k a r af i b e r su l t r a f i n eg r i n d i n gi sd i s c u s s e dh e r e ，a n dt h e e q u i p m e n ti sd e s i g n e d f i r s t l y , t h ef i b e rs t m c n l r eo fo k a r ai sa n a l y z e d ，a n ds h e a rp u l v e r i z i n g i s p r o v e dt o b et h e e f f e c t i v em e a n so fg r i n d i n go k a r af i b e ro nt h eb a s eo ff r a c t u r e m e c h a n i c s ，c o m b i n i n gw i t hf l u i dd y n a m i c s ，t h e o r yo ff i b e rm a t e r i a l sc r u s h i n g a f t e rt h a t ，t h e m e c h a n i c so ft r a d i t i o n a lw e t 鲥n de q u i p m e n t sa r ec o m p a r e d ，w h i c ha r ep r o v e dn o tt ob et h e r i g h te q u i p m e n tt og r i n dt h ew e to k a r af i b e r s e c o n d l y , t h en e wt e c h n o l o g yo fw e tu l t r a f i n eg r i n d i n g ，n a m e dh i g hs p e e dc u t t i n g g r i n d i n gi se x p l o r e d ，i n c l u d i n gt h em e c h a n i s ma n ds 臼m c t u r e t h em a c h i n ei sd e s i g n e dt o e x p l o r et h ee f f e c to fk e yc o m p o n e n t sp a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e r so nt h ew e to k a r a g r i n d i n g t h el 9 ( 3 ) o r t h o g o n a lt e s ti sd e s i g n e dt oe x p l o r et h ee f f e c to ft h en u m b e ro fs t a t i c b l a d e s ，i m p e l l e rs p e e d ，c y c l e s ；a n dt h ei m p e l l e rs p e e di sb ep r o v e dt ob et h eg r e a t e s ti m p a c t a f t e rt h a t ，t h es y s t e mo fu s i n gi n d u s t r i a lo k a r ai sd i s c u s s e d t h eo k a r ai sp u l v e r i z e dt ob e a d d e di no t h e rb e a np r o d u c t s o nt h eo t h e rs i d e ，t h er e s e a r c ho ff u l l - b e a np r o d u c ti se x p l o r e d ， a i m i n gt oa c h i e v et h ee n t e r p r i s ec l e a na n dn o - r e s i d u ep r o d u c t i o n f o c u so nt h ew h o l es o y b e a n m i l kp r o d u c t i o n ，t h ep r o c e s sa n dc o n d i t i o n sa r ed i s c u s s e db yt h es e n s o r ye v a l u a t i o n f i n a l l y , t h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o no ft h ew h o l es o y b e a nm i l ki sa n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h ep r o d u c t i o nl i n e ， s e l e c t i o no fk e ye q u i p m e n ta n dt h et e c h n i c a l e c o n o m i ca n a l y s i so ft h ep r o j e c t t h ec o n c l u s i o n i si n f o r m e dt h a tt h ei n d u s t r i a lo fw h o l es o y b g a l lm i l k ，w h i c hp r o v i d e sag o o di n d u s t r i a l s o l u t i o nf o rs o y b e a ne n t e r p r i s e s ，m a yb et h en e wi n c o m e - g e n e r a t i o no p t i o no ft h es o y b e a r l p r o d u c t s k e y w o r d s ： p u l v e r i z a t i o no fo k a r a ，d i e t a r yf i b e r ，w e tu l t r a f i n eg r i n d i n g ，h i g h s p e e dc u t t i n g g r i n d i n g ，f u l l b e a np r o d u c t s 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 豆制品行业现状及发展趋势1 1 1 1 大豆及豆制品1 1 1 2 我国豆制品产业的发展现状气2 1 2 豆渣处理利用的研究现状4 1 2 1 豆渣的组成及功能价值4 1 2 2 豆渣的处理利用现状( 物理、化学处理工艺) 5 1 3 湿法超细粉碎技术的研究现状6 1 3 1 湿法超细粉碎技术在豆渣综合利用中的应用6 1 3 2 湿法超细粉碎技术研究现状6 1 4 立题依据及研究内容：8 1 4 1 立题依据8 1 4 2 研究内容8 第二章豆渣物料特性分析及湿法超细粉碎机理研究1 0 2 1 豆渣物料特性分析l o 2 1 1 豆渣纤维的微观特性1 0 2 1 2 鲜湿豆渣体积膨胀实验1 0 2 1 3 豆渣溶液的特性分析1 2 2 1 4 豆渣纤维有效的粉碎方式1 3 2 2 常用湿法粉碎设备的粉碎机理1 4 2 2 1 胶体磨粉碎机理分析1 4 2 2 2 高压均质机粉碎机理分析1 5 2 2 3 高剪切均质机粉碎机理分析1 6 2 3 本章小结1 9 第三章基于切割原理的高速切割粉碎机及其关键结构设计2 0 3 1 高速切割粉碎机理分析2 0 3 1 1 研究现状2 0 3 1 2 切割粉碎工作原理2 0 3 1 3 切割粉碎动力学模型2 l 3 1 4 切割粉碎的剪切机理分析2 4 3 1 5 粉碎机械力化学2 5 3 2 设备方案设计2 6 3 2 1 总体设计2 6 目 录 3 2 2 关键部件设计 3 3 设备关键参数分析 3 3 1 结构参数的影响分析 3 3 2 操作参数的影响分析 3 4 本章小结 第四章豆渣粉碎试验研究3 5 4 1 不同湿法粉碎设备对鲜湿豆渣粉碎的试验研究3 5 4 1 - 1 试验材料与方法1 3 5 4 1 2 试验结果分析3 6 4 1 3 小结3 7 4 2 高速切割粉碎机对鲜湿豆渣粉碎的试验研究3 8 4 2 1 试验与设备3 8 4 2 2 试验方法与结果3 8 4 3 本章小结3 9 第五章产业化应用研究初探4 0 5 1 豆渣利用试验研究4 0 5 1 1 豆渣纤维馒头4 0 5 1 2 全豆豆浆4 l 5 2 全豆豆浆工业化生产研究4 4 5 2 1 加工系统流程4 4 5 2 2 关键设备选型4 5 5 2 3 技术经济分析4 6 5 3 本章小结5 1 第六章总结与展望5 2 6 1 总结5 2 6 2 展望二5 2 致谢5 4 参考文献5 5 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文5 9 n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 豆制品行业现状及发展趋势 1 1 1 大豆及豆制品 我国是大豆的故乡，已有5 0 0 0 多年的大豆栽培及食用历史。大豆是我国七大粮食 作物之一，也是我国四 大油料作物之一，也是 蛋白质的重要资源。自 古以来人们就用大豆做 食品，大豆含有丰富的 传统大豆制品 营养成分，大约含有 4 0 蛋白质、1 8 脂肪、 1 7 碳水化合物，此外， 还含有丰富的维生素， 被称为“豆中之王”、“田 中之肉”、“绿色的牛乳” 等，营养价值非其他植 物性食物可比，是数百 种天然食物中最受营养 学家推崇的食物【1 1 。但 是大豆的组织坚固，具 发酵大豆制品 非发酵大豆制品 图1 - 1 传统大豆制品的种类 有独特的气味，并含有对生理有 害的物质，因此食用时必须进行 适当的加工，制成大豆制品。 以大豆为主要原料经过加 工制作或精炼提取而得到的产 新型大豆制品 品即称为大豆制品，也简称为豆 制品【1 1 。近年来，大豆深加工在 国际受到高度重视，深加工产品 如大豆蛋白、大豆异黄酮、大豆 低聚糖、大豆核酸、大豆皂苷和 大豆磷脂等深受市场欢迎。世界 大豆制品达到1 2 万余种，其中 包括具有几千年生产历史的以 油脂类制品 蛋白类制品 全豆制品 大豆活性物 腐乳 豆酱 酱油 大豆发酵饮料 豆豉 发酵豆渣制品 豆腐 腐竹 豆浆 卤制豆制品 油炸豆制品 熏制豆制品 干燥豆制品 豆腐脑 大豆油 色拉油 起酥油 人造奶油 大豆组织蛋白 大豆分离蛋白 大豆浓缩蛋白 蛋白发泡剂 大豆蛋白纤维 脱脂大豆粉 海绵蛋白 广一豆乳粉 r _ 一豆乳 卜_ 一大豆冰激凌 l 一全脂豆腐 广一大豆膳食纤维 质卡鬈磊糖 卜一大豆异黄酮 l 大豆多肽 豆腐为中心的中国式传统豆制品和 图卜2 新型大豆制品的种类 采用新科学、新技术生产的以大豆蛋白为中心的新型大豆制品，如图1 1 和图1 2 所示。 江南大学硕士学位论文 传统豆制品主要分为两大类，即发酵大豆制品及非发酵大豆制品；新型大豆制品主 要包括蛋白类制品、油脂类制品及全豆类制品以及大豆活性物质( 如大豆异黄酮、大豆 膳食纤维等，捌。 从营养意义上说，2 1 世纪是开发利用大豆的世纪，大豆制品的开发利用，受到世人 的瞩目和关注。如今人们对营养合理结构的追求将日益迫切，主要体现在：一方面发达 国家的食品需求趋势正从单纯的动物蛋白超营养型向动物蛋白与植物蛋白科学搭配这 种合理营养型结构调整和回归；另一方面，不发达国家和发展中国家正从温饱型向合理 营养结构型调整发展。这两种发展趋势都要求给人类提供高营养的大豆食品。 1 1 2 我国豆制品产业的发展现状 豆制品作为我国的传统食品，深受广大消费者的欢迎。豆腐、豆浆等产品其营养丰 富、口感优良和低廉价格，数千年来已成为我国人民生活的必需品，维护着中华儿女的 健康。不仅在国内，豆腐文化还已遍及了日本、欧美，并风靡全球。 据中国食品工业协会豆制品专业委员会对我国上规模的3 0 家豆制品企业初步统计， 2 0 0 8 年的总投豆量为2 8 4 4 万吨，比2 0 0 7 年的2 3 7 2 万吨增长了1 9 9 ；2 0 0 8 年销售 额为4 0 4 3 亿元，比2 0 0 7 年的3 2 3 9 亿元增长了2 4 8 ；豆制品2 0 0 8 年出口额为6 4 2 万美元，比2 0 0 7 年1 8 2 1 万美元下降了6 4 7 t 3 1 。 大豆制品与人民健康利益息息相关，豆制品行业关系着民生工程的建设，国家在大 力支持豆制品行业的发展，我国豆制品行业的形势发生了很大的变化，目前销售额超过 一个亿的企业已经达到了1 5 家，同时，企业的年投豆量也发生了比较大规模的变化。 表1 1 和表1 2 所示为我国2 0 0 8 年销售额l 亿元以上的企业及2 0 0 8 年大豆投豆量排名 前l o 名企业。 表1 - 12 0 0 8 年豆制品销售额达1 亿元以上的企业 2 第一章绪论 表1 - 22 0 0 8 年大豆投豆量排名前1 0 名的企业 窥一斑而识豹，从这些数字可以看出我国豆制品产量呈现迅速增长的趋势，从中也 感受到大豆食品在我国人民膳食和营养结构中的地位在发生着改变。但是豆制品行业在 迅速发展的同时，也暴露出了很多问题 4 1 。 首先，我国豆制品企业加工层次低，精深加工工艺及设备欠缺。我国虽然是生产大 豆的故乡，但仍以传统的加工产业为主，加工层次偏低，高科技产品少。我国有大豆加 工企业约4 3 0 0 家，其中传统大豆制品加工企业占了一半。众所周知，在豆制品的生产 过程中，会产生大量的豆渣，一般加工1 吨大豆平均会产生2 吨湿豆渣，2 0 0 4 年中国豆 制品行业产生的鲜湿豆渣有2 0 0 0 万吨【5 】。但是中国大豆食品加工企业深加工能力薄弱， 除了少数高科技企业致力于大豆综合开发利用之外，豆渣、豆皮等副产品只作为饲料原 料等被废弃掉。另外由于湿豆渣的含水率为8 0 , - - - - 9 0 左右，由此我们可以推算大豆 的产品利用率约为6 0 - 8 0 。豆制品行业利润不高，很多企业都在努力提高产品得率， 降低生产成本，如上海某豆类食品有限公司为了提高产品得率，耗资5 0 0 多万引进日本 熟浆生产工艺及装备，通过螺杆挤压机将得率提高6 7 个百分点。如若能将豆渣进行超 细粉碎，作为豆干、老豆腐等的原料，制成全子叶豆腐，从而使得全部大豆原料1 0 0 利用，这对于豆制品企业来说，具有很大的经济效益。 其次，我国目前豆制品产品附加值低，营养保健系列的大豆食品品种奇缺，大豆深 加工产品仍是凤毛麟角。从整体上来说，传统、新兴和营养保健三大系列大豆食品规模 比例不合理，结构不均衡。要提高大豆产品的价值，就要调整优化产业结构，提高产品 质量和产品档次，大力发展豆制品精深加工，提高经济效益。要着重发展新兴大豆制品， 如大豆浓缩蛋白、分离蛋白、组织蛋白等；加快研制具有营养功能的高质量、高附加值 的新产品，如低聚糖、大豆磷脂、膳食纤维等功能性制品，从而获得高收益。 为解决大豆产业存在的问题，需正视我国豆制品行业的现状，采取积极的措施实现 大豆产业的振兴。 首先，努力做好大豆精深加工，积极做好大豆综合开发利用，豆制品企业要依靠科 技力量，努力提高大豆食品的附加值；其次，走“三化 发展道路，即生产工业化、经 3 江南大学硕士学位论文 营产业化和品种多元化，企业在扩大生产规模的同时，努力增加产品的风味和口感；另 外，还要鼓励和支持绿色食品认证，引导大豆食品向环保型方向发展；同时还要引导大 豆生产向清洁无渣化方向发展，以及引导大豆制品向主食产品的开发与发展【6 7 】。 1 2 豆渣处理利用的研究现状 1 2 1 豆渣的组成及功能价值 豆渣是加工豆腐、豆乳等豆制品的副产品，每年全球豆渣的产量都很大。通过对豆 渣的营养成分分析，发现豆渣含有多种营养成分，见表1 3 。另外且经微生物分析测定 豆渣在食用安全上也无问题【8 】。 由豆渣的组成可以看到，豆渣的主要成分是纤维素，其含量占据了干物质的一半， 因此豆渣是良好的膳食纤维原料。近年的研究表i j f j 8 , 9 , 1 0 ，膳食纤维对人体正常的生理代 谢必不可少，它现在已被列入继蛋白质、碳水化合物、脂肪、维生素、矿物元素和水之 后的第七营养素。总体说来，膳食纤维的生理功能可简述如下： 表1 - 3 豆渣中常见营养成分( g l o o g 干样) l 、降低胆固醇 大豆膳食纤维分子表面的活性基团对胆固醇具有很强的吸附螯合作用，从而能够 抑制淋巴吸收甘油三醋与胆固醇，使得人体内血脂和脂蛋白代谢工作正常进行，增加胆 固醇的排出量，降低血清胆固醇浓度。m a t s u o 等人通过实验验证了大豆膳食纤维能有效 预防高血脂、高血压和动脉硬化，减少心脑血管疾病的发病率【l o ，l 。 2 、抑制糖尿病 豆渣对胰岛素依赖型糖尿病具有一定的疗效，豆渣中的膳食纤维能够改善人体末梢 组织对胰岛素的感受性，降低机体对胰岛素的需求；另外，膳食纤维在肠内形成的网状 结构能增加肠液黏度，使食物与消化液不能充分接触，从而阻碍葡萄糖在肠道中的扩散， 减慢葡萄糖的吸收，减低血糖含量，以达到改善葡萄糖含量和减少血糖药物的用量，起 到抑制糖尿病的作用【1 2 1 。 3 、预防肥胖症 膳食纤维吸水膨胀后体积剧增，在胃肠道内会类似充填剂，易引起饱腹感。另外， 膳食纤维还影响肠道对碳水化合物等的消化与吸收，所以不易使人产生饥饿感。因此膳 食纤维对预防肥胖症有独特的功效 1 0 , 1 4 】。 4 、预防肠癌、利便 膳食纤维的持水利较大，故能改善大肠功能，减少次生胆汁酸的生成，抑制腐生菌 的生长等。同时能加强大肠蠕动，增加粪便的含水量，缩短排空时间，从而能够降低结 肠压力，促进粪便的排泄；肠道内致癌物及有毒物质随粪便排出，这样就减少致癌物与 结肠的接触机会，从而有效预防肠癌【1 4 1 。 4 第一章绪论 豆渣具有与大豆类似的营养成分，与牛奶中的钙含量( 约0 0 9 ) 相仿，其极易在消 化道吸收，它对人体传导神经功能信号、维持组织器官和运动系统的生理机能都十分必 要，同时可补充骨骼和牙齿的钙质，能防治中老年人骨质疏松症。 另外，大豆膳食纤维中含有瓜儿豆胶、古柯豆胶和洋槐豆胶等，它们属于可溶性膳 食纤维，具有良好的乳化性、悬浮性及增稠性。大豆膳食纤维能形成高黏度的溶液，将 其添加到食品中还能提高食品的持水性与保行性提高冷冻一融化稳定性等。 专家预言：纤维食品将是2 1 世纪主导食品之一【1 3 1 。由于豆渣是良好的膳食纤维来 源，所以对豆渣资源进行开发利用将是一个崭新的课题，这对于人类健康和农副产品综 合利用都有着重大的意义。 1 2 2 豆渣的处理利用现状( 物理、化学处理工艺) 豆渣利用率一直都很低，其中很多高营养的成分都未得到充分利用。传统的利用方 式是将豆渣直接喂养家禽动物；在日本，大量的豆渣被焚烧掉；在香港，豆渣通常作为 废弃物堆放，未做任何利用【8 】。在国家提出农产品深加工的产业政策下，如何更好地利 用豆渣成为我们急需研究和解决的问题。 国外对豆渣的利用研究始于6 0 年代，多见于日本及欧美国家。日本仁月株式会社 将豆渣膳食纤维与低聚糖、双歧杆菌等科学地调配为微生态制剂，供给老年人和幼儿食 用，企业效益显著；日本海藻食品研究所专注于豆渣利用的研究，从2 0 0 7 年开发了一 系列豆渣食品，该所于2 0 0 9 年开发出来的豆渣冰激凌可在一个小时之内不融化，1 0 0 9 的冰激凌售价在3 0 0 多日圆【1 5 1 ；西欧国家将加工好的膳食纤维直接加入主食食用。 国内对豆渣利用的研究始于上世纪9 0 年代，应用主要集中在一般性应用( 如油炸食 品、烘焙食品) 和豆渣膳食纤维的研究。国内近年对豆渣饼干、豆渣蛋糕、豆渣馒头等 产品制作的报道也日益增加。肖少香等人【l6 】对无糖豆渣饼干的制作工艺进行了研究，将 豆渣先干燥再粉碎至1 0 0 目制成千豆渣粉添加到面团中，干豆渣的添加量占总料的 1 9 3 6 ；孙建华等人【1 7 】对豆渣面包的制作工艺进行了探讨，将豆渣经去腥脱色、干燥粉 碎之后添加到面团中，确定了豆渣添加量的最佳比例为1 0 ；孔捷【l8 】将豆渣经胶体磨粉 碎之后与面粉、酵母等进行调粉，再发酵蒸制，研究得到豆渣馒头的最佳制作工艺为： 面粉1 0 0 9 ，豆渣5 5 9 ，酵母5 9 ，糖粉5 9 ，发酵时间为2 2 0 m i n 。另外，也有不少科研工 作者对豆渣膳食纤维的提取及改性进行了研究【1 9 , 2 0 2 1 】。 目前对豆渣的处理方法主要有螺杆挤压处理法【1 9 】、发酵处理法、超细粉碎等，但是 都只局限于实验研究，真正工业化应用的还是很少，此种状况的产生很大程度上和国内 相对落后的加工设备有关。因此，开发设计出能够满足工业豆渣处理要求的豆渣深加工 设备，将推动我国农产品深加工领域的发展，为我国的现代化建设服务。 5 江南大学硕士学位论文 1 3 湿法超细粉碎技术的研究现状 1 3 1 湿法超细粉碎技术在豆渣综合利用中的应用 超细粉碎技术是近几十年发展起来的一门新技术，是利用机械的方法克服固体物料 内部的凝聚力而将其破碎的一种操作，它是食品加工中特别是食品原料加工中的基本操 作之一。由于粉碎物料的特性不同，国内外对超细粒径的定义不统一，本文从食品行业 的特点、企业的需求及纤维类物料特征等的角度出发，参考国外定义，将粒径小于1 0 0 p m 的粉体称为超细粉体。 超细粉碎后的粉体颗粒粒径小、比表面积大、孔隙率大，具有良好的分散性、吸附 性、溶解性，易于消化吸收，生物利用率高【2 2 1 。另外，豆渣经超细粉碎之后，其中不可 溶性膳食纤维转变为可溶性膳食纤维，从而改变膳食纤维的生理功能的显著性【2 3 1 。 未经处理的豆渣颗粒粗糙，粒度不均匀，口感太差，基本没有可食用性。若采用超 细粉碎技术将豆渣纤维进行细化处理，制成低糖高纤、适口感好的大豆功能性制品或休 闲食品，有着广阔的市场 2 4 1 。 以无锡市某食品有限公司为例，该公司以前是将豆渣卖给附近的养猪场作为粗粮饲 料，但是由于近年无锡市政府为了发展该司所在地区旅游事业，养猪场在渐渐减少，这 就要求企业对豆渣进行购地填埋，这给企业就带了很大的经济负担。所以该公司也在对 豆渣食品进行了探索，有相关技术人员正在开发豆渣纤维食品，希望利用豆渣做成高纤 维曲奇，但是他们遇到的问题是： l 、豆渣颗粒粗糙，一般的湿法粉碎设备( 如砂轮磨、胶体磨、剪切均质机等) 不 能将豆渣粉碎到合适口感的细度，严重影响了后期产品的口感，豆渣的湿法粉碎对他们 来说是个难题1 2 、粉碎之后的鲜湿豆渣含水率为8 0 ，含水量太高，在后期的曲奇烘焙制作中， 需要很长时间才能使这些水分蒸发掉，这必然导致能量的浪费与产品的生产时间的延 长；另外，豆渣含水率太大，必然导致要加入的面粉及其他配料的量增加，这就降低了 豆渣干物质在总的配料中的比例，从而使得豆渣的利用率降低了，因此，含水率的高低 决定着豆渣利用率的高低。 豆渣的处理复杂，一般要先烘干再磨细或者酶解后烘干再磨细，成本高且添加量少； 而传统的湿法粉碎设备，如胶体磨等经多次粉碎【2 5 】后都不能有效地将豆渣粉碎到合适的 细度，从而影响着最终产品的口感。因此，针对豆渣物料，开发新的湿法粉碎装备对于 豆渣综合利用的工业化实现是迫在眉睫的。 1 3 2 湿法超细粉碎技术研究现状 食品工业中常用的湿法粉碎有砂轮磨、胶体磨、均质机、球磨机等，不同的行业和 企业会针对不同的物料特性、工艺等选择不同的设备。 由于先前国内外对豆渣的利用研究主要集中在用化学生物手段提取膳食纤维，故可 查的豆渣纤维的湿法超细粉碎研究资料比较稀缺，但也有人做了不少尝试。 6 第一章绪论 多数食品科技人员【1 8 ，2 1 ，2 5 ，2 6 】都是用胶体磨通过多次研磨对豆渣进行粉碎，但是粉碎 耗能且细度不够，不适合豆渣工业化利用的实现。 徐凯、高友生等人对含纤维物料的湿法粉碎进行过研究，提出剪切是对含水纤维物 料的有效粉碎方式【2 7 2 引。 孙志高曾利用高剪切均质机对豆渣进行湿法粉碎研究，发现煮熟的豆渣比生豆渣较 易粉碎地更细【2 9 】。 日本对于豆制品的研究比较深入，关于豆渣粉碎的研究设备开发的也有很多：日本 海藻食品工业研究所专业从事豆渣食品研发，其与金泽大学食品设备研究所合作研究可 将豆渣超细粉碎添加到冰激凌中；模野廑桨株式会社针对含水的纤维质物料粉碎进行研 究，研发了g e a 型s h a r km i l l 湿法粉碎机【3 0 1 ，主要通过带有刀齿的动刀片对物料进行高 速粉碎，该设备售价为3 0 0 4 0 0 万日元，折合人民币1 8 2 8 万；东二，力吵专少口7 株式 会社( h o s o k a w am i c r o nc o r p o r a t i o n ) 研发制造的a q 型湿式粉碎机【3 l 】类似于球磨机， 借助于球介质的搅拌研磨作用达到粉碎的效果；株式会社丁一天u7 夕利用特制的粉碎 机【3 2 】将含水分7 5 的生豆渣粉碎达到9 0 微米( 8 0 通过) ，其粒度分布见图1 3 ；增幸麈 桨株式会社利用其研发的石臼式磨碎机【3 3 】可将湿豆渣粉碎到8 5 通过7 0 微米，但是处 理量有限。 水分率7 5 ( a ) 粉末 l| 。，7 沙”一 l g 蒡7 l |。k “” 一 ， 而， ； 尹 - - 弱j 铲 tf 1 挈 一m _ h l i 。i1，o鞠o，o 。，。，。 。， 一。 教搓l ( b ) 图1 - 3 豆渣粉碎粒度分布图( 株式会社7 ，一叉吵, 7 1 夕) 7 江南大学硕士学位论文 美国友莎公司作为食品机械专业厂商，针对含水的食品物料开发了m 1 7 0 0 粉碎切 磨机，能很好地对果蔬、蛋白质、花生酱、玉米糊等进行粉碎加工。该设备机结构简 单、功耗低，但是价格昂贵，处理量有限，单台售价4 0 万人民币。 加拿大的q u a d r o 公司【3 5 】是一家生产过程装备的公司，其创始人于1 9 7 6 年第一次提 出锥网粉碎磨( c o n i c a lm i l lo r “c o m i l ”) 的概念并将其推向市场，锥网粉碎磨已经被证明 是最持久、最有效的尺寸缩减的方法之一。 1 4 立题依据及研究内容 1 4 1 立题依据 大豆制品与人民健康利益息息相关，豆制品行业关系着民生工程的建设，国家在大 力支持豆制品行业的发展，随着我国“大豆行动计划”的继续实施及近年“三鹿奶粉 等食品安全问题的出现，豆制品行业近年来发展势头良好，呈现逐步上升的趋势。豆制 品行业虽然是一个小行业，但近年来成为食品加工业增长的新亮点，已成为不容置疑的 事实。 然而豆制品行业在努力开发利用大豆制品的同时，却出现了很多急切需要解决的问 题，其中豆渣的综合利用是最为突出的一个问题。由于近年对豆渣综合利用研究的深入， 豆制品企业都在寻求能够将豆渣工业化利用的途径，而粉碎是豆渣利用的关键工艺，如 何将鲜湿豆渣纤维进行超细粉碎对豆渣的后续综合利用有着重要的影响。一 据此，本课题对豆渣纤维湿法超细粉碎技术进行研究，探究常温下的纤维物料的湿 法超细粉碎技术，提出高速切割粉碎的思路；设计适合鲜湿豆渣的超细粉碎设备，研究 豆渣工业化综合利用系统；帮助豆制品行业提高产品得率，降低其生产成本，实现低值 废弃物的高值利用，使其在清洁化生产上向前跨进了一大步，为企业创造出可观的经济 效益，促进豆制品企业的和谐发展。因此，本课题的研究在国民经济建设和社会发展中 有着极其重要的理论意义与实用价值。 1 4 2 研究内容 对于高纤维物料，尤其是豆渣的湿法粉碎研究国内还处于起步阶段，形成的认识极 为有限，仅有一些由国外引进的关于纤维粉碎的理论方面的研究，相关的设备开发较少， 故豆渣的粉碎还一直是个难题。因此本课题研究的主要内容包括： 1 、探究豆渣纤维有效的粉碎方式：从豆渣纤维的物性特征出发，以断裂力学为研 究依据，结合流体动力学、纤维物料粉碎理论等探究豆渣纤维有效的粉碎方式。 2 、常用食品物料湿法粉碎设备对比分析：对常用的湿法粉碎设备，如胶体磨、高 压均质机、剪切均质机等的粉碎机理作出对比分析，提出用于豆渣湿法超细粉碎的高速 切割粉碎机结构方案。 3 、基于切割原理的豆渣湿法超细粉碎设备设计：将高速切割粉碎理论与断裂力学 理论相结合，对高速切割粉碎机的豆渣超细粉碎机理进行研究，并设计高速切割粉碎设 备，分析相应的结构参数及操作参数对粉碎细度的影响； 8 第一章绪论 4 、豆渣粉碎实验研究： 将常用的湿法粉碎设备( 胶体磨、高压均质机、剪切均质机) 与高速切割粉碎设 备对豆渣进行粉碎试验对比分析，验证高速切割粉碎机的粉碎效果； 以鲜湿豆渣为粉碎对象，安排正交试验，探究高速切割方法应用于鲜湿豆渣超细 粉碎中的关键参数，为豆制品行业更好地利用豆渣资源提供了技术与装备支持。 5 、产业化应用初探：对后续的应用研究进行初步探索，先在实验室内进行产品生 产工艺的研究，主要对豆渣馒头、全豆豆浆的制造工艺进行相关的试验研究；然后着眼 于全豆豆浆，对全豆豆浆的工业化生产做出初步的探讨，在生产线设计、设备选型、技 术经济分析等方面开展一些工作，力争实现豆制品企业的无渣化、清洁化生产。 9 江南大学硕士学位论文 第二章豆渣物料特性分析及湿法超细粉碎机理研究 2 1 豆渣物料特性分析 2 1 1 豆渣纤维的微观特性 豆渣的主要成分为大豆膳食纤维，大豆膳食纤维是一种复杂的混合物，其组成与其 他来源的膳食纤维如麸皮纤维、米糠纤维、玉米芯纤维等的基本组成成分相似，但各成 分的相对含量、分子的糖苷键、聚合度和支链结构却相差很大。大豆膳食纤维的组成及 微观结构决定了其主要的物理机械性质【2 3 1 。 大豆膳食纤维是大豆中的不溶性碳水化合物，主要成分是非淀粉多糖类，包括纤维 素、混合键的1 3 葡萄糖、半纤维素、果胶及树胶。大豆膳食纤维可分为水溶性膳食纤 维( s d f ) 和不可溶性膳食纤维( i d f ) 。水溶性大豆膳食纤维的多糖可分散于水中，包 括果胶、树胶、黏液和部分纤维素；不可溶性大豆膳食纤维的多糖在水中难以分散，包 括纤维素、半纤维素和木质素，其中7 0 的成分是由葡萄糖单体缩聚而成的直链分子， 而且都是以1 3 1 ，4 葡萄糖苷键的形式连接起来的多糖 类【3 6 1 。 通过对豆渣纤维结构微观尺度的观察，如图2 1 所示，豆渣纤维具有复杂的网状结构，这使得豆渣具 有良好的韧性，能够抵抗变形和吸收变形，豆渣纤维 的结构特点使得鲜湿豆渣难以粉碎。如何利用机械的 方法最有效地破坏豆渣纤维的组织结构，克服其良好 的韧性、抵抗变形的能力和吸收变形能的能力等，就 成为粉碎过程中的关键。 图2 - 1 豆渣电镜图( 8 0 倍) 豆渣纤维组织复杂，对豆渣纤维的超细粉碎关键是破坏其纤维组织结构。为了更好 地了解鲜湿豆渣纤维的物性，寻找其最有效的粉碎方法，我们首先对豆渣纤维及豆渣溶 液进行了相关的试验研究。 2 1 2 鲜湿豆渣体积膨胀试验 图2 2 所示为从豆制品厂取来的鲜湿豆渣， 观其形态，豆渣中含有很多的豆皮，用水泡了之 后体积明显增大，为了将豆渣体积膨胀现象量化， 现安排了如下简单实验。 实验原料：鲜湿豆渣、水 实验器材：量筒 实验步骤：用量简量取鲜湿豆渣4 0 m l ，缓慢 地加入足够量的水，静置，让豆渣充分吸水膨胀， 图2 - 2 鲜湿豆渣 在预定的时刻观察豆渣溶液底层融融物的体积，计算其体积膨胀。 1 0 第二章豆渣物料特性分析及湿法超细粉碎机理研究 实验结果及分析： 实验数据记录如表2 - 1 所示。 表2 - 1 豆渣体积膨胀实验数据 原体积为4 0 m l 的鲜湿豆渣在浸泡之初体积膨胀较为迅速，在浸泡2 小时之后体积 膨胀为1 4 0 m l ，并在豆渣溶液中层出现分层的现象，部分豆渣悬浮于量筒上方，如图 2 - 3 ( a ) 、( b ) 所示。经过较长时间的静置之后，观察膨胀自由状态时豆渣溶液的体积为 1 1 4 m l ，体积膨胀量为7 4 m l ，为其自身初始体积的1 7 1 5 倍，相关研究表明，l g 的大豆 纤维粉在2 0 。c 水中可自由膨胀至7 m l ，并在很长一段时间内，这种膨胀力都是保持不变 的【3 7 1 。 ( a ) 静置1 h 之后( b ) 静置2 h 之后 ( c ) 粉碎前的豆渣溶液( d ) 粉碎后的豆渣溶液 图2 - 3 豆渣体积膨胀相关实验 豆渣具有很好的膨胀力与持水力，能增加排泄物体积并造成较软的粪便，这样有利 于预防减少直肠癌的发生；另一方面，由于豆渣的强膨胀力，就使得在对豆渣进行湿法 粉碎时要加入适量的水，以保证豆渣溶液的流动性，如图2 3 ( c ) 、( d ) 所示为豆渣粉 江南大学硕士学位论文 碎前后的溶液。豆渣体积膨胀实验结果表明，如果要得到流动性比较好的豆渣溶液，需 往鲜湿豆渣中加入豆渣自身重量2 3 倍水。 2 1 3 豆渣溶液的特性分析 本课题是针对豆渣的湿法超细粉碎的相关技术进行研究的，在豆渣的粉碎过程中， 需向鲜湿豆渣中加入适量的水分( 由相关实践经验测得，加入的水的重量约为鲜湿豆渣 自身重量的2 3 倍) 以增加豆渣溶液的流动性。粉碎机的粉碎对象为流动性的豆渣溶 液，其流体的相关特性对粉碎设备的设计、粉碎工艺等有着相关重要的影响，因此需对 豆渣溶液的相关特性进行研究。 1 ) 密度 经测定，当豆渣与水的质量比为1 ：2 时，豆渣溶液的密度为0 9 5 9 c m 3 。 2 ) 黏性 流动液体流层之间产生内部摩擦阻力的性质被称为黏性，流体的黏性可由牛顿内摩 擦定律导出如式2 1 所示，我们用粘度来衡量黏性的大小。 f = 掣 ( 2 1 ) 妙 式中： 流体的动力粘度，单位为p a * s 在研究流体流动的过程中，若考虑流体的黏性，则称为黏性流体，相应的称流体为 黏性流体；若不考虑流体的黏性，则称为理想流体的流动，相应的称流体为理想流体。 在本课题的研究中，豆渣与水按不同重量比构成的豆渣溶液的粘度不同，且溶液的 黏性对其在粉碎腔中的流动有着重要的影响，从而严重影响着豆渣纤维的粉碎效果，因 此本课题研究时要考虑豆渣溶液的粘度，并对其进行测定。 牛顿内摩擦定律适用于空气、水、石油等绝大多数机械工业中常用的流体。凡是符 合切应力与速度梯度成正比，可以用一条通过原点的直线所表示的流体叫做牛顿流体， 即严格满足牛顿内摩擦定律且保持为常数的流体，否则就称其为非牛顿流体，非牛顿 流体有三种类型，分别为塑性流体、假塑性流体、胀塑性流体等【3 8 】。实际生活中牛顿流 体很少，自然界中存在着大量非牛顿流体，例如油脂、油漆、牛奶、牙膏、动物血液、 泥浆等，豆渣溶液也不例外，属于非牛顿流体。 经粘度仪测定豆渣溶液( 豆渣：水= 1 ：2 ) 的粘度为2 0 0 q a 。 3 ) 压缩性 流体的压缩性是指在外界条件变化时，其密度和体积发生了变化。这里的条件有两 种，一是外部压强发生了变化；另一个就是流体的温度发生了变化。 1 2 第二章豆渣物料特性分析及湿法超细粉碎机理研究 任何流体都是可以压缩的，只不过可压缩的程度不同而已。在研究流体流动的过程 时，若考虑到流体的压缩性，则成为可压缩流动，相应的称流体为可压缩流体，例如相 对速度较高的气体流动；若不考虑流体的压缩性，则成为不可压缩流动，相应的称流体 为不可压缩流体，例如水、油等液体的流动【3 引。 由于豆渣溶液在粉碎的过程中，其外部压强及料温变化很小，所以本课题不考虑流 体的可压缩性，将豆渣溶液视为不可压缩流体。 2 1 4 豆渣纤维有效的粉碎方式 根据海姆霍兹速度分解定n t 3 9 , 4 0 1 ，对大豆纤维的粉碎断裂方式较为有效的有两种， 如下所示 2 9 1 ： 第一，纤维网状结构的层间分离，直至断裂，该方式在较大程度上破坏了豆渣纤维 组织横截面上的网状结构。损伤断裂形式有：z 、z l 、t 、t l 型，此层间断裂形式存在 拉力和剪力两种有效的应力形式。若不考虑其它变形，此时的变形速度张量为： 【s 】= 0 1 f z z 0 i ( 2 2 ) s 亿0s r rl 第二，纤维在长度方向上直接断裂，这种方式对大豆纤维的粉碎作用最为显著。大 豆纤维颗粒在长度方向上被剪切而使得粒径得到缩减，大大减小了纤维颗粒的长度尺 寸。当大豆纤维在长度方向上有较强的韧性时，此种方式能充分利用粉碎能耗，提高粉 碎效率。因此，此种断裂方式的效率比较高的。这种损伤断裂形式主要是t z 型，若不 考虑其它变形情况，此时的变形速度张量为： ioool ，li 例= i oo s z r l ( 2 3 ) 10占，0i 以上速度变形张量表明，对豆渣纤维粉碎的有效方式为剪切粉碎。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。为了达到上述效果，最有效的 办法是将粉碎机的粉碎件制成刀刃形，刀具可分为静刀具和动刀具，刀具的设计应适当， 图2 - 4 示出了纤维物料在动静刀具间被剪切的情况【4 1 1 。动刀与静刀配合紧密适当，当动 刀从图l 处运动到2 处时，纤维被切断。此种状态下刀刃对纤维以剪切力为主，且切断 效果良好。对于希望以剪切为主的粉碎，静刀与动刀在保证强度足够的情况下，两刀之 间的缝隙应尽可能小，刀刃应尽可能窄，刀片应尽可能多。 图2 - 4 豆渣纤维在动静刀具间被断裂示意图 1 3 一团沁一妣囹一囫n一紫 2 2 节将 碎装 2 2 磨体 用通 间隙 件之 经旋转中心处流入，经过两磨面夹成的间隙后，由磨盘外侧排出，转动件的转速范围为 3 0 0 0 - - 1 5 0 0 0 r m i n ，卧式胶体磨适用于粘性相对较低的物料；对于粘性较高的物料的微 细粉碎与均质，可选用立式胶体磨，如图2 - 6 所示，其转速范围为3 0 0 0 - 1 0 0 0 0 r m i n