（农业机械化工程专业论文）微细化莲子淀粉理化特性研究.pdf

摘要 摘要 莲子富含蛋白质、脂肪及钙、磷、铁等多种矿物质，具有很高的滋补和药用价 值，作为干莲子的主要营养成分之一，莲子淀粉的特殊性质对其产品的工艺过程和 品质都有很大影响，然而在现有的莲子研究中，对莲子淀粉在加工过程中的各种变 化规律及其对产品品质的影响缺乏深入研究，产品品质无法改善和保持，在一定程 度上限制了莲子资源的开发利用。因此，本课题的目的就是开展微细化莲子淀粉理 化性质的研究，为莲子资源的开发利用、研制莲子淀粉新产品以及改善莲子淀粉深 加工的品质提供理论依据。 本课题将通过冲击粉碎和球磨粉碎两种方式对莲子淀粉进行物理变性，研究了 粉碎时间，含水率和粉碎方式等因素对粉碎结果的影响，然后分析微细化淀粉微观 结构变化以及微细化莲子淀粉的多种理化性质。 ， 在冲击粉碎试验中，采用均匀试验设计，对试验结果进行了多元回归分析，得 到回归方程： y = 1 8 1 1 - 0 1 5 2 x 1 2 1 2 4 x 3 分析后得知回归方程非常显著。影响粒度分布指标的三个因素显著性主次顺序为转 速 粉碎时间 含水量；在球磨粉碎试验中，采用正交试验方案，得出了莲子微细 化的最佳工艺。结果表明各因素的显著性主次顺序依次为球磨时间 转速 含水量。 随着莲子淀粉的粒径的减小，淀粉的碘兰值、吸湿量、透光率、溶解度、膨胀 度、胶绸度和淀粉糊稳定性都变大；其次淀粉的老化速度变慢，老化程度降低；糊 化温度降低，粉碎一定程度后常温下就可以糊化。 通过对微细化莲子淀粉理化特性研究得知，莲子淀粉糊为假塑性流体。随着莲 子淀粉的粒径的减小，黏性系数k 逐渐减小，而流态特性指数n 逐渐增大，接近牛 顿流体性质，并且可以提高淀粉糊的热粘度稳定性；浓度、温度对莲子淀粉的流变 特性影响显著，但是微细化到一定程度后的莲子淀粉糊的流变特性对浓度和温度的 依赖性减小。 关键词：莲子淀粉超微细化冲击粉碎球磨粒度分布理化特性 a b s t r a c t a b s t r a c t l o t u ss e e dc o n t a i n sp l e n t yo fp r o t e i n ，f a ta n dc a l c i u m ，p h o s p h o ra n di r o na n de t c , i t h a sv e r yh i g hr e s t o r a t i v ea n dm e d i c i n a lv a l u e a so n eo ft h em a i nn u t r i t i o nc o m p o n e n to f l o t u ss e e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fl o t u ss e e ds t a r c hh a sg r e a te f f e c to nt h ep r o c e s sa n d q u a l i t yo fl o t u ss e e dp r o d u c t s b u ti nt h er e c e n tr e s e a r c ho fl o t u ss e e d ，i ti sl a c ko fd e e p u n d e r s t a n do fv a r i o u sc h a n g eo r d e r l i n e s sa n di t se f f e c to ft h ep r o d u c tq u a l i t y , a n di tw i l l r e s u l tt h eq u a l i t yo fp r o d u c tc a l ln o tb ei m p r o v e da n dk e p ta n di nc e r t a i ne x t e n ti tw i l l l i m i tt h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z eo ft h el o t u ss e e dr e s o u r c e s o ，t h ep u r p o s eo ft h i s r e s e a r c hi st oc a r r yo u tt h er e s e a r c hf o rt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i co f m i c r o n i z e dl o t u ss e e d , i tc a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no f l o t u ss e e dr e s o u r c ea n dd e v e l o p m e n to fn e wp r o d u c t sa n dt h eq u a l i t yo fd e e pp r o c e s sf o r l o t u ss e e ds t a r c h t h i ss t u d yw i l lc r u s ht h el o t u ss e e di nt w ow a y st h r o u g ht h ei m p a c ts m a s h i n ga n dt h e b a l lm i l l i n g , c o m p a r i n gt h ei n f l u e n c eo ns m a s h i n gt i m e ，t h em o i s t u r ec o n t e n ta n dt h e s m a s h i n gw a yi nt h er e s u l t , t h e na n a l y s i n gt h em i c r o n i z e ds t a r c h sm i c r o s c o p i cs t r u c t u r e c h a n g e ，t h e ns t u d y i n go nt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fm i c r o n i z e dl o t u ss e e d s t a r c h i nt h ei m p a c ts m a s h i n g , a d o p t i n gu n i f o r me x p e r i m e n t a ld e s i g n ，c a r r y i n go nt h e m u l t i p l er e g r e s s i o na n a l y s i st ot h et e s tr e s u l t ，o b t a i n i n gt h er e g r e s s i o ne q u a t i o n ： y = 1 7 6 3 5 - 0 1 4 6 x 1 + o 0 6 8 x 2 2 2 1 4 x 3 t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h er e g r e s s i o ne q u a t i o ni se x t r e m e l yr e m a r k a b l e t h er e s u l t i n d i c a t e st h eo r d e ro ft h et h r e ef a c t o ri n f l u e n c e so np a r t i c l ed i a m e t e rd i s t r i b u t i o ni st h e r o t a t i o n a ls p e e d c r u s ht i m e t h em o i s t u r ec o n t e n t i nt h ee x p e r i m e n to fb a l lm i l l w e c a no b t a i nt h eo p t i m a lp r o c e s sf o rm i c r o n i z i n go fl o t u ss e e df r o mt h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n tp r o g r a m m e f r o mt h ea n a l y s i s ，w ec a ng e tt h a tt h em a j o rm i n o rs o r t i n go r d e r o fe a c hf a c t o rw h i c hc a ne f f e c tt h er e s u l ts p e c i f i c a t i o no fb a l lm i l le x p e r i m e n ti sb a l lm i l l t i m e r o t a t i o n a ls p e e d t h em o i s t u r ec o n t e n t w i t ht h eg r a n u l a r i t yo fs t a r c hd e c r e a s i n g , b v ，h y g r o s c o p i cm o i s t u r e tc o n t e n t , d i a p h a n e i t y ，s o l u b i l i t y ，d i l a t a b i l i t y , g e lc o n s i s t e n td e g r e ea n ds t a b i l i t yo fs t a r c hp a s t ea r e a l li n c r e a s e d ；i tc a na l s od e c r e a s et h er e t r o g r a d a t i o np r o p e r t i e sa n dt h ep a s t et e m p e r a t u r e l o t u ss e e ds t a r c hp a s t ew a sp s e u d o p l a s t i cf l u i d w i t ht h eg r a n u l a r i t yd e c r e a s e i n g , v i s c o u sc o e f f i c i e n td e c r e a s e d ，w h i l et h e o l o g i ci n d e xg r a d u a l l yi n c r e a s e da n da p p r o a c h e d a b s t r a c t t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fn e w t o n i a nf l u i d i tc a l la l s o i m p r o v et h et h e r m a ls t a b i l i t y c o n c e n t r a t i o n ，t e m p e r a t u r eh a se v i d e n t l ye f f e c to nt h er h e o l o # c a lp r o p e r t i e so fl o t u ss e e d , b u tt h er h c o l o g i c a lp r o p e r t i e so fl o t u ss e e ds t a r c hp a s t ew h i c hh a sb e e nm i c r o n i z e dt oa c e r t a i ne x t e n th a sl e s sd e p e n d e n c eo nc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r e k e y w o r d ：l o t u ss e e ds t a r c h m i c r o n i z e d i m p a c ts m a s h i n g b a l i m i l l i n g p a r t i c l ed i a m e t e rd i s t r i b u t i o n p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 否 如需保密，解密时间年 月 日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定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做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：炙甍文 时间： 2 。司年乡月占日 学位论文使用授权书 本人完全了解。华中农业大学关于保存使用学位论文的规定”，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存，汇 编学位论文本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论 文的全部或部分内容 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书。 学位论文作者签名：泛畏戈 导师签名： 易 签名日期： 2 、呵年f 月j f 日签名日期：么万7 年6 月，夕日 f 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的目的及意义 莲是水生蔬菜栽培中的挺水宿根经济作物，属睡莲科属( n y m p h e a c e a en e l u m b o ) ， 现今莲在我国长江流域中下游地区栽培较多，主要分布在湖北、湖南、江西、福建、 浙江、安徽、河南、广东、山东等省部分县市的少数区域。莲子是莲的果实，由果 皮( 莲壳) 、种子( 莲仁) 、胚( 莲心) 组成，系子房发育而成，为坚果，形状为椭 圆形、卵形及卵圆形，老熟后呈棕褐色、灰褐色或黑褐色。莲子果皮极为坚硬，表 皮上有厚的角质层，角质层下分布着排列紧密的马氏细胞，马氏细胞层内含纤维素， 可加强保护作用，其下覆盖多层的单宁细胞，可防止病菌和昆虫的侵害，同时水分、 空气不易透入( 郑宝东2 0 0 3 ) 。莲仁具有丰富的营养价值，每百克干莲含蛋白质1 7 0 克、脂肪2 o 克、碳水化合物6 6 8 克、粗纤维2 8 克、灰分3 4 克、钙1 0 0 毫克、磷 2 2 0 毫克、铁5 6 毫克( 郑宝东2 0 0 3 ) 。因此，莲子具有很高的滋补和药用价值，久 食莲子更能强身壮筋、延年益寿。 淀粉是高等植物中常见的组分，是碳水化合物贮藏的主要形式。它是以颗粒的 形式贮存在植物种子、根茎中的多糖高分子化合物。可供提取淀粉的原料很多，但 能够进行工业化生产的主要有谷物、豆类、薯类。不同来源的淀粉，在颗粒大小、 形状和物理性质等方面存在差别，能根据这些差别，应用显微镜观察来区别不同的 淀粉或确定未知样品的种类( 刘亚伟，2 0 0 3 ) 。淀粉具有不溶解于冷水和比重大于水 的两个基本特性，这是采用“水磨法”提取淀粉的基础( x g 宇，2 0 0 2 ) 。淀粉属可再生 资源，来源广泛、价格低廉、供应稳定，除供食用和加工食品外，更广泛地被应用 于纺织、医药、造纸、胶粘、铸造、冶金、石油、化工等行业。 淀粉是干莲子的主要营养成分并且它的理化性质与块根、块茎、禾谷类等淀粉 的性质有很多差异。莲子淀粉的特殊性质对莲子产品的工艺过程和品质都有很大影 响，然而在现有的莲子研究中，涉及莲子淀粉理化性质及其加工品质关系报道很少。 对莲子淀粉在加工过程中的各种变化规律及其对产品品质的影响缺乏深入了解，产 品品质无法改善和保持，在一定程度上限制了莲子资源的开发利用因此，本课题的 目的就是丌展微细化莲子淀粉理化性质的研究，不仅对莲子资源的开发利用和耨产 华中农业大学硕士学位论文；微细化莲子淀粉的理化特性研究 品研制提供理论依据，而且可以使莲子淀粉深加工的品质得以提高。目前，微细化 淀粉的研究方法和手段日趋完善，为莲子淀粉理化性质的系统研究提供了良好的理 论基础和试验条件。本课题将通过冲击粉碎和球磨粉碎两种方式对莲子淀粉进行物 理变性，然后分析微细化淀粉微观结构变化，通过研究淀粉的糊化特性、老化特性、 流变特性等，对微细化淀粉进行理化性质分析研究，为微细化莲子淀粉的利用奠定 基础。 1 2 国内外研究概况 超微粉碎技术是近些年国际上发展起来的一项新技术。由于颗粒的微细化导致 表面积和孔隙率的增加，超微粉体具有独特的物理化学性能，例如良好的分散性、 吸附性、溶解性、化学活性等，因此应用领域十分广泛。食品工业是超粉碎应用的 一大领域。作为一种新型的食品加工方法，己在许多淀粉加工中得到应用。 国外将超微粉碎技术应用于食品方面的研究方兴未艾。1 8 9 7 年，b r o w n 和h e r o n 最早提出机械力可以改变淀粉的结构，从而改变淀粉的性质，成为一种新的制备变 性淀粉的方法( j a n e ，1 9 9 2 ) 。此后人们对微细化淀粉的兴趣逐渐浓厚，研究的重点开 始放在其分子结构的改变上，直链分子和支链分子在淀粉颗粒中的分布更是吸引了 人们的重视。b a l d w i n ( 2 0 0 5 ) 等对球磨后小麦淀粉颗粒的形貌研究结果表明，小麦 淀粉经球磨处理后，出现较多的伤痕和裂纹，导致在面团调制过程中，面粉的吸水 率增加，从而影响面团的性状和产品质量。s h i n j i t a m a k i ( 1 9 9 7 ) 研究了球磨处理对 土豆淀粉颗粒分子变化的影响，在拓宽了球磨处理条件的情况下，研究了球磨对土 豆淀粉的物理性质和分子结构的影响，并且就土豆淀粉球磨后的结构状态通过x 射 线衍射和d s c 进行了比较分析。分析认为，对淀粉颗粒进行球磨之后，淀粉颗粒失 去表面的光滑并变得粗糙，3 2 0h 球磨处理后的样品不含支链淀粉或者支链淀粉中形 成的短链很少。e w e r s ( 1 9 9 8 ) 等通过对破损淀粉的酶解能力和消化性能的研究表明， 淀粉破损后，颗粒的结品结构逐渐转变成部分结品最后成为非结品形态，使之容易 被淀粉酶水解，从而有利于发酵过程的进行。m o k ( 1 9 9 1 ) 等通过对不同类型的小 麦经球磨处理后的淀粉损伤的研究表明，硬度越高的小麦，因淀粉与蛋白质之间的 连接键比较牢固，不易破坏，因此，经球磨处理后淀粉损伤率较高。s t a r k 等( 1 9 8 6 ) 报道，小麦淀粉微细化后其粘度减小，对破碎淀粉再进行微细化处理还能得剑更低 2 1 绪论 的分子量、更低的粘度和冷水可溶的多糖类物质。 国内将超微粉碎技术应用于食品研究方面，落后于国外，国内对超细粉体技术 及其设备的研究与应用比较落后，还处于始发阶段，它在食品行业的应用将具有广 阔的前景。近年来全国范围内已经兴起了这方面的研究热潮，常有成果见诸报道。 盛勇，刘彩兵等( 2 0 0 4 ) 对麦麸超微粉的功能组分变化进行了探究，发现采用机械冲 击粉碎麦麸的效果很好，粒度分布集中，能使平均粒径达1 叩m 以下，麦麸超微粉 形貌均称，分散性好。陈玲，温其标( 1 9 9 9 ) 对木薯淀粉微细化及颗粒形貌进行了研 究，发现机械球磨能有效地将木薯淀粉颗粒微细化，并且微细化地结果使淀粉的比 表面积增大。胡飞( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) ) 和陈玲( 2 0 0 0 ) 研究了马铃薯微细化后的理化性质， 结果表明微细化后的马铃薯淀粉化学活性大大增强。潘思轶，王可兴等( 2 0 0 4 ) 对不 同粒度超微粉碎米粉理化特性进行了研究，发现大米经过超微粉碎后，粒径减小、 比表面积增大；米粉糊化温度、透光率、冻融稳定性降低，热稳定性、溶解度提高。 熊善柏，赵思明等( 2 0 0 1 ) x , q f 舀米淀粉的糊化进程进行了研究，发现粒经较小的淀粉 颗粒会加快糊化的进程，促进回落程度。陈玲，庞艳生等( 2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 用球磨技术 对绿豆淀粉进行破碎处理，对不同粉碎粒度的淀粉颗粒结晶结构和糊的流变特性的 影响进行了研究。研究表明机械球磨可以有效地将绿豆淀粉非晶体化，绿豆淀粉糊 随着球磨时间延长稠度系数k 不断减小，而流动特征指数m 则不断增大，说明球磨 处理后绿豆淀粉糊趋向于牛顿流体的特征。姚怀芝，涂清荣( 2 0 0 3 ) 等对籼米淀粉超 微粉体的理化性质进行了研究，发现超微粉体的糊化温度下降，糊的粘度降低，稳 定性提高，溶解度增加，直链淀粉的比例减少。丁金龙等( 2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 采用振动 球磨方式对魔芋精粉进行有效粉碎，结果表明随着粉碎时间的延长，魔芋粉粒径减 小、色度改善、溶胶粘度下降。 综上看来，科研工作者对各种植物淀粉及微细化后的理化特性的研究极其广泛。 研究的方法日益多样，并且有很好的通用性，这些都为莲子淀粉微细化后的理化性 质的研究提供了理论基础和试验方法。 1 3 研究内容 本课题中，选脱壳去芯莲仁为研究对象， 探讨在不同粉碎条件下莲子淀粉的理化性质。 先将莲仁在不同的条件下粉碎，然后 淀粉在机械力的作用下，随着大小、 华中农业大学硕士学位论文：微细化莲子淀粉的理化特性研究 形貌和均匀度的改变，淀粉的颗粒结构也发生变化，从而导致理化性质等相应发生 改变，这种因机械作用而导致的现象称为机械力化学效应。本课题就是通过对莲子 淀粉微细化后的各种理化指标的分析，得出微粉碎对莲子淀粉理化性质变化规律的 影响。课题主要从以下几个方面研究： 1 用冲击粉碎和球磨粉碎两种不同的粉碎方式对莲子淀粉进行微细化处理，分析比 较粉碎时间，含水率，粉碎方式等因素对粉碎结果的影响。通过w i n n e r 3 0 0 1 激光粒 度分析仪研究微细化前后淀粉粒度分布变化和比表面积变化，并对结果进行分析， 找出规律。 2 对不同微细化的莲子淀粉进行糊化特性、老化特性、流变特性等理化性质的测试， 对测得的结果进行分析比较，研究微细化程度对莲子淀粉理化特性的影响的规律。 研究超微细化莲子淀粉的理化性质，为充分利用莲子资源，开发新型的超微粉体等 具有理论和实践意义。 技术路线如下： 4 2 莲子淀粉的超微细化研究 2 莲子淀粉的超微细化研究 2 1 超微粉碎的相关理论 2 1 1 机械粉碎的理论 粉碎是指固体物料颗粒尺寸由大变小过程的总称，它包括“破碎”和“粉磨”。前 者是由大块料变成小块料的过程，后者是由小块料变成粉体的过程。固体物料的粉 碎过程，实际上就是粉碎力的作用下固体料块或颗粒发生变形进而破裂的过程。当 粉碎力足够大，力的作用又很迅猛，物料块或颗粒之间瞬间产生的应力，大大超过 了物料的机械强度，因而物料发生了破碎。物料的基本粉碎方式包括挤压粉碎、剪 切粉碎、冲击粉碎和研磨磨削粉碎。其中冲击粉碎包括高速运动的粉碎体对被粉碎 物科的冲击和高速运动的物料向固定壁或靶的冲击以及运动物科的相互冲击。这种 粉碎过程可在较短时间内发生多次冲击碰撞，每次冲击碰撞的粉碎时间是在瞬间完 成的，所以粉碎体与被粉碎物料的动量交换非常迅速。工业上采用的粉碎设备，一 般都是这几种粉碎方式的组合，球磨机和振动磨主要是由磨碎与冲击粉碎的组合：雷 蒙磨主要是挤压粉碎、切粉碎与磨碎的组合；气流磨主要是冲击粉碎、磨碎与剪切粉 碎的组合等等。 2 1 2 粉碎模型 r o s i n r a m m l e r 等认为，粉碎产物的粒度分布具有二成分性( 严格地讲是多成分 性) ，所谓二成分性指整个粒度分布包含粗粒和微粉两个部分的分布。根据粉碎产物 粒度分布的二成分性，可以推论物料颗粒的破坏过程不是由连续单一的一种破坏形 式所构成，而是由两种以上不同破坏形式的组合。h u t t i n g 等人提出了以下三种粉碎模 型( 卢寿慈，2 0 0 4 ) ； 2 1 21 体积粉碎模型 整个颗粒均受到破坏，粉碎生成物多为粒度大的中间颗粒，随着粉碎过程的进 行，这些中间粒径的颗粒依次被粉碎成具有一定粒度分布的中间粒径颗粒，最后逐 渐积蓄成微粉成分( 即稳定成分) 。冲击粉碎和挤压粉碎与此模型较为接近。 2 1 2 2 表面粉碎模型 仅在颗粒的表面产生破坏，从颗粒表面不断削下来的微粉成分，这一破坏不涉及 华中农业大学硕士学位论文：微细化莲子淀粉的理化特性研究 颗粒的内部。这种情形是典型的研磨和磨削粉碎方式。 2 1 2 3 均一粉碎模型 施加于颗粒的作用力使颗粒产生分散性的破坏，直接粉碎成微粉成分。 以上三种模型中，均一粉碎模型仅在结合极不紧密的颗粒集合体的特殊的场合 中出现，一般情况下的粉碎可以不考虑这一模型。实际粉碎过程往往是体积粉碎模 型和表面积粉碎模型的叠加，前者构成过渡成分，后者形成稳定成分。 2 1 2 超微粉碎设备与工艺 在高新技术的带动下，超微粉碎设备的发展也十分迅速。比较典型的主要有以 下几类：机械冲击式微粉碎机、气流粉碎机、球磨机、辊压式磨机、振动球磨机、振 动磨、搅拌磨等等( 卢寿慈，2 0 0 4 ) 。 机械式冲击式微粉碎机：它是利用高速回转转子上的锤、片叶、帮体等对物料进行 撞击，并使其在转子与定子间、物料颗粒与颗粒之间产生高频度的相互强力冲击、 剪切作用而粉碎的设备。 机械冲击式粉碎机按照转子的布置方式，分为立式和卧式两大类：按照转子上的 冲击元件的结构形式的不同又有销棒式、锤式等多种类型。其原理都是借助于转子 上的冲击元件，给物料以高速的打击，使得物料颗粒群粉碎。这种粉碎机的粉碎机 理除了主要的冲击作用之外，还有摩擦、剪切等多种粉碎机制。处于定子和转子间 隙处的物料被剪切和反弹到粉碎室内与后续的高速颗粒相撞，使粉碎过程反复进行。 机械冲击式粉碎机具有以下特点：构造简单，操作容易；单位能耗的粉碎能力大， 因而设备运转费用低；容易调节粉碎产品粒度；粉碎对象从矿石类到有机、无机化 学药品，纤维状物质以及塑料聚合物类等，应用范围广泛；可连续自动运转；机械 安装占地面积小。 基于以上特点，这种粉碎机广泛应用在矿业、化工、建材、药物等行业。但 由于是高速运行，要产生磨损问题，因而该类设备不适合处理高硬度的物料；此外， 还有发热问题，对热敏性物质的粉碎，要注意采取适宜措施。 本文采用d j 0 4 b 粉碎机。 球磨机：是以介质运动为基础的，物料颗粒的粉磨过程发生在介质与介质间和 介质与衬板间，介质在粉碎室内振动，利用介质和物料之间的相互研磨和冲击使物 料颗粒粉碎。 本文所采用的是q m b p 行星球彦机。 其工作原理：在旋转盘的圆周上，装有4 个随转盘公转又做高速自转的球磨罐。 6 2 莲子淀粉的超徽细化研究 在球磨罐做公转加高速自转的作用下，球磨罐内的研磨球在惯性力的作用下对物料 形成很大的高频冲击、摩擦力，对物料进行快速细磨。 影响球磨机超细粉碎产品粒度的主要工艺因素有：研磨介质的品种、尺寸、大 小磨球的比例及填充率；原料的粒度；磨机的转速：助磨剂的添加及种类与加入量； 筒体周边的环境( 如降温措施) 等。 振动磨：利用研磨介质可以在一定振幅振动的简体内对物料进行冲击、摩擦、 剪切等作用而使物料粉碎。与球磨机不同，振动磨是通过介质与物料一起振动将物 料进行粉碎的。 气流粉碎机：亦称( 高压) 气流磨或喷射磨或流能磨，是最常用的超细粉碎设备 之一。气流粉碎机的一般原理是将干燥无油的压缩空气通过拉瓦尔喷管加速成超音 速气流，喷出的射流带动物料作高速运动，使物料碰撞、摩擦而粉碎。被粉碎的物 料随气流到达分级区，达到细度要求的物料，最终由收集器收集，没有达到要求的 物料，再返回粉碎室继续粉碎，直至达到所需细度并被捕集为止。气流磨产品除粒 径小之外，还具有粒度分布较窄，颗粒表面光滑，颗粒形状规整，纯度高，活性大， 分散性好等特点。 2 1 3 超微粉体的颗粒表征 2 1 3 1 颗粒粒径的表征 粒径是粉体粒子大小的量度。粒径表征包括粒子的大小的表征( 平均直径) 和粒 度分布的表征。粒子的粒径是粒子一维几何尺寸，球形粒子的直径就是粒径：非球 形粒子的粒径一般用等效球体的直径表示，称为当量直径。 2 1 3 2 粒度分布 超细粉体的实际颗粒大都是由粒度不等的颗粒组成，这类颗粒称为多粒度体系 一般为多分散颗粒体系。粒径分布又称粒度分布，是指用简单的表格、绘图、和函 数形式表示颗粒群粒径的分布状态，它又分为频率分布( 相对分布1 和累积分布。频 率分布表示各个粒径相对应的颗粒百分含量；累积分布表示小于或大于某一粒径的 颗粒占全部颗粒的百分含量与该粒径的关系，累积分布是频率分布的积分形式。百 分含量的基准可用颗粒质量、体积、个数为基准。常用的粒度分布表达方式有以下 几种：粒度分布表格，粒度分布曲线，标准偏差，分布宽度，粒度分布方程。 7 华中农业大学硕士学位论文：微细化莲子淀粉的理化特性研究 2 1 3 3 颗粒粒度和形状的测量方法 颗粒的粒度和形状能显著影响粉末及产品的性质和用途，其常用的粒度测试方 法如下( 卢寿慈，2 0 0 4 ) ： 筛分法：是一种最传统的粒度分析方法，即将分散性较好的超细粉体用一定目 数的筛子过筛，筛下物与过筛粉体的重量之比即为过筛率。目前，筛分法仅限于测 量大颗粒的粒度分布。 显微镜法：是检测超细粉体粒子大小及分布最常用和最直观的手段。它测量的 是粒子的一次直径，只适用于粒子球形较好的情况，给出粒度的数量平均值，或长 度或面积分布；而且可观察形貌，甚至微观结构。现在多使用电子显微镜，包括扫描 电子显微镜( s e m ) 和透射电子显微镜( t e m ) ，观看粒子的微观形貌。 沉降法：粒子大小不同，质量不同，则在力场中的沉降速度不同，其沉降速度 是粒子大小的函数。通过测量超细粒子分散体系因颗粒沉降而发生的浓度变化，即 可测定粒子大小和粒度分析。其得到的是等效径，即等于具有相同沉降末速的球体 的直径。沉降法分为重力沉降法和离心沉降法。 激光粒度法：可进行粒子尺寸的快速测定。各种的激光粒度仪就是基于此原理制 成。对大多数粉体，光散射粒子尺寸分析取决于所测粒子尺寸的范围或入射光的波 长。 电子传感器法：库尔特粒度仪是一种典型的采用电子传感器法测定粒子尺寸及 粒度分布的仪器。原理是当悬浮于电解质中的颗粒通过小孔时，可引起电导率的变 化，其变化峰值与颗粒的大小有关。 。 比表面积测定法：粉体的比表面积系指单位粉体所具有的表面积。单位质量粉 体所具有的表面积称为质量比表面积。常用的比表面积测定方法有吸附法( b e t 吸附 法) ，透过法( 流体透过法) 。 2 2 微细化处理试验条件选择 2 2 1 粉碎时间对微细化质量的影响 研究表明，在微细化处理工艺中，粉碎时间对于微细化质量来说是一个非常重 要的因素。当物料刚放入到球墨机中时，物料颗粒在球磨介质的滚动、碰撞和下落 等运动的作用下，受到研磨和冲击，内能不断增加，在颗粒的缺陷处、裂纹处、结 晶区域处等产生应力集中。在机械力的不断作用下，颗粒塑性形变超过极限时，首 先由这些脆弱面破碎，导致颗粒粒度分布发生急剧变化。随着颗粒的不断细化，脆 弱面不断减少，微细化速度减缓。但是，当微细化时问达到颗粒物料的微细化极限 8 2 莲子淀粉的超微细化研究 后，无论时间如何增加，颗粒的细化度也不会增加。相反的，随着时间的迸一步增 加，由于细化物料之间相互的接触程度增加，粘着力增大，相互之间的相互作用力 也增大，从而使物料的颗粒增大( n k o t a k e ，2 0 0 2 ) 。因此，在微细化处理时，如何选 择合理的微细化时间是很重要的。 2 。2 。2 水分含量对微细化质量的影响 研究表明淀粉的水分含量与淀粉分子中的羟基有关，羟基与水分子相互作用形 成氢键，使得淀粉有一定的含水量。微细化处理过程中，含水量比较低的物料，在 微细化处理过程中，由于分子内部没有足够的水分，各个细胞之间紧密排列，相互 之间的作用力比较大，外层的细胞在很强的研磨和冲击作用下首先和内部的细胞断 裂，然后逐步地相互断裂。水分子进入到物料分子的内部孔隙中，导致物料分子逐 步膨胀，萎缩的结合键得到软化，这样在比较强烈的剪切力作用下很容易断裂( 吴 俊，2 0 0 5 ) 。 2 2 3 不同粉碎方式对微细化质量的影响 试验采用的机械冲击粉碎和球磨粉碎两种不同的粉碎方式。对于机械冲击粉碎 来说，粉碎的过程基本上符合体积粉碎模型，物料被高速的转子打击，同时反弹到 粉碎室内与后续的高速颗粒相撞。首先粉碎成中间粒径的颗粒，然后被粉碎成具有 一定粒度分布的中间粒径颗粒，最后逐渐积蓄成微粉成分；对于球磨机来说，粉碎 的过程基本上符合表面积粉碎模型，对物料的作用方式主要是研磨。球磨机借助研 磨体的冲击使得物料从表面开始产生小的裂纹，然后慢慢破裂，然后在摩擦、剪切 力的作用下使得物料颗粒尖角断裂脱落，最后积蓄成微粉成分( m o kc 1 9 9 1 ) 。 2 2 4 不同转速对微细化质量的影响 机械冲击粉碎中，不同的转速对物料的耪碎有很大的影响。转子的转速越高， 转子与物料碰撞频率也越高，他们之间的碰撞也越激烈，物料受到的冲击力越大， 造成颗粒很大的破坏。转子的转速降低，转子与物料的接触频率降低，物料受到的 冲击力一定程度上会降低。因此，转速对微细化效果有比较大的影响。 9 华中农业大学硕士学位论文：微细化莲子淀粉的理化特性研究 2 3 试验材料及设备 2 3 1 试验材料 本试验采用的红莲样品来自湖北省洪湖地区。 2 3 2 试验仪器与设备 f w 8 0 型微型高速万能试样粉碎机，河北省黄骅市齐家务科学仪器厂 d j - 0 4 b 型微粉碎机，上海淀文中药机械制造有限公司 q m b p 行星球磨机，南京大学仪器厂 a u e 2 1 0 电子分析天平，湘仪天平仪器厂 w i n n e r 3 0 0 1 干粉激光粒度分析仪，济南维纳仪器有限公司 电热恒温鼓风干燥箱，湖北黄石市医疗器械厂 2 4 微细化处理试验研究 2 4 1 莲子淀粉的实验室制备 采用高群玉( 1 9 9 8 ) 水磨法提取淀粉方法：将莲子脱壳去莲芯后粗粉碎，然后 加质量分数o 。4 的n a o h 溶液浸泡沉淀2 4 小时，然后在用h c l 中和，过1 0 0 目 筛。加水清洗，沉淀8 小时后去上层清液，然后再加水清洗、沉淀，反复5 次，取 下层淀粉在恒温鼓风干燥箱内用4 5 干燥一段时间后自然风干。 2 4 2 莲子淀粉含水率的测定 采用g b 5 0 0 9 3 8 5 直接干燥法：用5 个清洁干燥的培养皿分别称取1 0 0 9 物料， 不盖盖子，在1 0 5 + _ 2 c 干燥箱中烘3 h ( 在温度到达1 0 5 ( 2 时开始计时) ，取出，盖好 盖子，在干燥器中冷却3 0 r a i n ，称重。再同样干燥1 h ，冷却，称重，直至两次称重 差小于0 0 0 2 9 。 淀粉的水分按下式公式计算： x = ( m i m 2 ) ( m l m o ) x 1 0 0 ( 2 - 1 ) 式中x 样品的水分含量， m l 干燥前带有样品的培养皿和盖子的质量，g ； m 0 一干燥后空培养皿和盖子质量，g ； 1 1 1 2 干燥后带有样品的培养皿和盖子的质量，g 。 1 0 2 莲子淀粉的超微细化研究 测得的莲子淀粉在4 5 下烘干不同时间后的含水量 表2 - 1 不同烘干时间后的莲子淀粉的含水量 t a b s 1m o i s t u r eo fl o t u s - s e e ds t a r c hw i t hd i f f e r e n td r y i n gt i m e 2 4 3 试验指标的确定 微细化淀粉颗粒的大小和粒径分布直接影响到微细化的程度和颗粒微细化的 均匀度，因此在微细化过程中对淀粉进行粒度测定是一个重要的环节。粒度测定是 通过特定的实验仪器和试验设备对粉体粒度进行表征的一项试验工作，在不同的领 域中，粉体特性的要求是不同的，在所有反映粉体特性的指标中，粒度分布是所有 应用领域中最受关注的一项指标。因此，客观真实地反映粉体的粒度分布是一项非 常重要的工作。粒度分布就是用特定的仪器和方法反映出的不同粒径颗粒占粉体总 量的百分数。具有区间分布和累计分布两种形式。区间分布是一种重要的方式，它 表示一系列粒径区间中颗粒的百分含量。而累计分布表示小于或大于某粒径颗粒的 百分含量。在一般的粉体特性分析中，人们经常用累计分布来表示该物料粒度分布 的大小。在这种表示方法中，d s o 是一个重要的指标，它表示一个样品的累计粒度分 布百分数达到5 0 时所对应的粒径。它的物理意义是粒径大于它的颗粒占5 0 ，小 于它的颗粒也占5 0 。d 也叫中位径或中值粒径，常用来表示粉体的平均粒度。 2 4 4 冲击粉碎试验设计 本试验中，试验因素定为粉碎时间、含水量、转速，研究他们对粉碎的影响规 律。各因素水平如表2 2 ，安排粉碎时间五个水平，含水量五个水平，转速两个水平。 表2 - 2 冲击粉碎试验因素水平表 t a b 2 - 2c o m m o nf a c t o rl e v e lo fc o m m i n u t i n gt e s t i n g 这项试验若采用正交设计，可用b o 表，可以得到很满意的结果，但是用这种 方法，试验次数增加和试验周期加长，为了减少试验次数和降低试验成本，所以本 华中农业大学硕士学位论文；微细化莲子淀粉的理化特性研究 项试验采用均匀设计来安排。可用混合水平均匀表u 1 0 ( 5 2 x 2 1 ) ，只需要进行1 0 次试验。 u l o ( 5 2 x 2 1 ) 可由u 。o ( 1 0 8 ) 生成，由于表u 1 0 ( 1 0 8 ) 有8 列，希望从中选择三列，要求由该 三列生成的混合水平表u l o ( 5 2 x 2 1 ) 有好的均衡性，于是选用1 、2 、5 三列，对1 、2 列采用水平合并： 1 ，2 一l ， 3 ，4 一2 ， 5 ，6 卜3 ， 7 ，8 一4 ， 9 ，1 0 卜+ 5 ； 对第五列采用水平合并： 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) 一1 ， 6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 一2 ，于是得到表 2 3 的方案，它有较好的均衡性，均匀性偏差达到0 3 9 2 5 。 表2 - 3 拟水平设计u l o ( 5 2 x 2 1 ) t h b 2 3d e s i g no fl e v e l 确定了试验设计表后，进行均匀试验，具体试验方案如表2 - 4 ： 表2 - 4 冲击粉碎试验安捧方案表 t a b 2 - 4p r o j e c to fc o m m i n u t i n gt e s t i n g 2 莲子淀粉的超微细化研究 2 4 5 球磨粉碎试验设计 本试验中，试验因素定为球磨时间、含水量、转速，研究他们对粉碎效果的影 响。各因素水平如表2 5 ： 表2 5 球磨粉碎试验因素水平表 t a b 2 - 5c o m m o nf a c t o rl e v e lo fm i l l i n gt e s t i n g 采用【“3 4 ) 正交设计，进行正交试验，具体方案如表2 - 6 ： 表2 - 6 球磨粉碎试验安排方案表 t a b 2 6p r o j e c to fm i l l i n gt e s t i n g 2 5 试验方法 2 5 1w i n n e r 3 0 0 1 干粉激光粒度分析仪及原理 w i n n e r 3 0 0 1 激光粒度分析仪是采用信息光学原理，通过测量颗粒的空间频谱， 来分析其粒度分布。该仪器由气源、主机( 内含光学系统、喂料器分散器，电气控 制器) 、收尘器组成。仪器的工作原理框图见图2 - 1 ，待测的干燥粉末放入料斗，开 启电磁振动喂料器，粉末经料斗与料槽问隙喂入喷射泵，来自气源的洁净气体在喷 射泵中产生负压使粉体与空气混和并加速至声速，颗粒在滚道中被分散，经喷嘴浸 入仪器中的样品窗。来自h e n e 激光器的激光束经扩束，滤波，汇聚后到测量区， 测量区中的待测颗粒群在激光的照射下产生散射谱。散射谱的强度空问分布与被测 华中农业大学硕士学位论文：微细化莲子淀粉的理化特性研究 颗粒群的大小有关，被位于傅立叶透镜后焦平面上的光电探测器阵列所接收，转换 成电信号后经放大和a d 转换通过串行通讯口送入计算机，进行数据处理后，即可 给出被测颗粒群的大小分布参数，经屏幕现实或打印机打印出。被测的粉末样品完 全由回收系统回收。 点击连接后进入背景测试状态； 2 进入背景测试状态，观察显示器上所显示能谱分布是否均匀连续稳定； 3 进入测试状态，观察浓度是否为零； 4 测试之前应使喂料系统保持喂料均匀，速度适当； 5 分散系统应使喷射泵保持o 0 3 m p a 以上的负压； 6 气源的检查测试之前检查确保空压机正常工作，无杂音；储气罐压力为 0 8 m p a 左右；调压阀处于适当的位置，通常输出气压在0 4 m p a 以内。 7 系统检查均正常以后，即可进行样品测试。 2 5 3 样品测试 1 打开空压机电源开关，给储气罐充气，接着把代测物料放入喂料器料斗内； 2 按下控制器的启动按钮，被测物料进入样品窗。观察显示器的能谱曲线与左 上角的浓度指示，光学浓度一般控制在1 啦2 0 之间为宜。 3 当测试软件稳定后，把测试接轨保存入打开的计算机文件中。随后即可使用 专家系统软件对测试数据进行各种处理。 4 按下控制器的停止按钮，依次关闭下料器，进气阀，收尘器，测试结束。 1 4 2 莲子淀耪的超微细化研究 2 6 试验结果 2 6 1 冲击粉碎试验结果和分析 根据试验设计对粉碎后的莲子淀粉粒度进行了测定，测得的结果如表2 7 所示： 表2 7 冲击粉碎试验结果 t a b 2 -