（机械设计及理论专业论文）工业豆渣微细粉碎关键技术与装备研究.pdf

摘要 摘要 本文对我国豆制品的产业现状、豆渣的处理利用问题进行分析，对豆渣的营养和保 健功能进行论述。在对豆渣的物性特征进行分析的基础上，探讨豆渣有效的粉碎方式。 本文对高剪切均质机与高速切割粉碎设备逐一进行研究，借助a n s y s 软件对高剪切均质 机的关键部件转子进行建模，分析其高速转动下的变形情况，得到对其进行可靠性 分析的研究结果。采用计算流体力学软件_ f l u e n t ，对豆渣物料在剪切均质机内的 粉碎过程进行研究，分析齿间周向和径向上的压力场和速度场等，对斜槽齿型流场也进 行初步的分析，并与高剪切均质机齿间流场的模拟结果进行比较。利用高剪切均质机和 高速切割粉碎设备分别进行粉碎豆渣的试验，借助试验探讨了不同工艺对豆渣粉碎效果 的影响，由此确定最适合用于豆渣粉碎的设备，提出工业豆渣无渣化与清洁化处理的方 案。 本文通过对高剪切均质机与高速切割粉碎设备的理论分析、试验研究，比较后寻找 到目前对豆渣进行粉碎的优选设备，为工业豆渣的处理问题提供了借鉴。其中对高剪切 均质机转子的可靠性分析、高剪切均质机与高速切割粉碎设备定转子齿间的流场分析， 为今后提高高剪切均质机和高速切割粉碎设备的性能研究奠定了基础。 关键词：豆渣：高剪切；高速切割；粉碎；可靠性分析；流场分析 a b s n a c t a b s t r a c t t h ei n d u s 仃i a ls t 狐塔o ft h es o y b e a i lp r o d u c t 趾dt h ed i s p o s a la n du t i l i z a t i o no ft l l e s o y b e a nd r e g smc h i n aa r ea n a l y s e dh e r e l a t e rt h en u 砸t i o l l a la j l dh y g i e l l i c a l 劬c t i o n so f 吐忙 s o y b e a l ld r e g sa r ed i s c u s s e d t h e e 币c i e n tp u l v e r i z i n gm e t h o df o rt h es o y b e a i ld r e g si s d i s c u s s e dt 1 1 a tb a s e do nb e i n gf i 锄i l i a r 、v i t l lt h em a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i co ft h es o y b e a i l c u r d t h e na r e r 咖d y m gt h et l i 曲s h e a r i n gh o m o g e n i z e ra r l dh i g hs p e e di n c i s i n ga n d p u l v e r i z i n gm a c l l i n e ，b yu s i l l go ft l l ea n s y ss o r w a r e ，t l l em o d e lo ft h ek e yc o m p o n e n to ft h e 1 1 i 曲s h e 撕n gh o m o g e n i z e r t o t o ri se s 讪l i s h e d t l l ed i s t o i t i o no ft h er o t o r 州t l lt h eh i 曲 r o t a t i n gs p e e di so b t a i n e d t h er e s u l to ft h ep r o b a b i l i 够a n a l y s i si sg o t t h es h a t t e r i n gp r o c e s s o fs o y b e a nd r e g si nt l l eh o m o g e n i z e ri si i e s t i g a t e db yc o m p 嘣i o n a lf l u i dd y n 锄i c s s o r 眦e f l u e n t t l l ev e l o c i 够f i e l da i l dp r e s s u r e - f i e l do ft h ec i r c u m f e r e n c ea n dr a d i l l s i nm er o t o ra i l d 鼬a t o ra r ea n a l y z e d t 1 1 en o wf i e l do ft h ed i a g o n a la l v e o l u si sa l s os i m p l y a n a l y s e da i l dc o m p a r e d 嘶t t lt 1 1 ea n a j y s e dr e s u l t so ft 1 1 e1 1 i 曲s h e 撕n gh o m o g e n i z e r n e p u l v e r i n ge x p e 而n e n tf o rt h es o y b e a nd r e 萨i sc a r r i e do u tb yt h e1 1 i 曲s h e a r i n gh o m o g e n i z e r a n d1 1 i 曲s p e e di n c i s i n ga i l dp u l v e r i z i n gm a c m n e 1 1 1 ee 毹c to fd i 侬r e n tt e c m c s e sf o rt h e s o y b e a nd r e g s p u l v e r i n gi sd i s c u s s e db yt h eu s eo ft h ee x p e r i m e m s a n dt h eb e s te q u i p m e n t f o rt h es o y b e a nd r e g s p u l v e r i n gi sf i x e do n t h es c h e m eo fn od r e g sa n dd e p u r a t i o nf o rt h e i n d u s t r i a ls o y b e a n d r e g si sp u t f - o n v a r d i nt h i st h e s i st h r o u 曲t h em e o r ya i l a l y s i sa 1 1 de x p e r i m e n ts t l l d yo ft h eh i g hs h e 撕n g h o m o g e n i z e ra n dh i g hs p e e di n c i s i n ga n dp u l v e r i z i n gm a c h i n et h eb e s te q u i p m e n ta tp r e s e n t f o rt h es o y b e a nd r e g s d i s p o s a l i sf i o u l l d i to 腩r st l l eu s ef o rr e f e r e n c ef o rm es o y b e a nd r e g s d i s p o s a l n l ep r o b a b i l i t ya n a l y s i sf o rt l l ek 曲s h e 积n gh o m o g e n i z e r sr o t o ra n dt h ef l o wf i e l d a j l a l y s i sf o rt h es t a t o r a r l dr o t o r sa l v e o l u so fh i g hs h e a r i n gh o m o g e n i z e ra n dh i 曲s p e e d i n c i s i n ga n dp u l v e r i z i n gm a c m n el a yaf o u n d a t i o nf o ri m p r 0 v i n gt h ec a p a b i l i t yo ft h e1 1 i 曲 s h e a r i n gh o m o g e n i z e r k e yw o r d s ：s o y b e a nd r e g s ，h i 曲s h e a r i n g ，h j 曲s p e e di n c i s i n g ，p u l v e r i n g ，p r o b a b i l i t ya u l a l y s i s ， n o wf i e l da n a l y s i s i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是芩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： 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： 导师签名： 确、声、蓠日期： 日 期： 俐年3j 孙； 第一章绪论 第一章绪论 i 1 课题目的和意义 豆渣是大豆加工过程中的副产物之一，其所含可以为人体吸收成分较多，具有很高的利用价值。 豆腐渣含有大量的钙质，每1 0 0 克豆腐渣中含钙1 0 0 毫克，几乎与牛奶的含钙量相等。豆腐渣中的 钙具有极易被人体吸收利用的特点，是最价廉、最易得的补钙佳品。此外，豆腐渣中的纤维素还能 吸附食物中的糖分，减少小肠壁对葡萄糖的吸收，减轻胰腺的负担。因此，常吃豆腐渣能预防和辅 助治疗糖尿病。近年来，美、德、日及荷从兰等国的科学家先后发现，豆腐渣中含有较多的抗癌物 质皂角苷，经常吃点豆腐渣，可大大降低乳腺癌、前列腺癌、胰腺癌及大肠癌的发病危险。 但由于其所含热能低，且口感粗糙，没有引起人们的充分重视，过去大都作为家畜的饲料，有 的索性作为废弃垃圾，造成了资源的浪费和大量的环境污染。我国每年要产生大约1 2 0 0 万吨鲜湿豆 渣，若能将其充分利用起来，其带来的经济效益是非常可观的。 目前，豆渣的应用范围广泛i i ： ( 1 ) 豆渣可用来制备膳食纤维。国外，如日本的仁丹珠式会社将膳食纤维与低聚糖、双歧杆菌等 制备成胶囊，专供老年人和儿童食用，西欧国家将加工好的膳食纤维直接加入主食食用。在国内， 上海粮科所、南昌中德联合研究所等单位已拥有大豆膳食纤维的制各技术，但真正进行豆渣膳食纤 维工业化生产的厂家为数尚少。 ( 2 ) 作为发酵培养基的基料。由于豆渣中含有的多种营养成分，使其在许多物质的发酵生产中可 作为基料有效利用。 ( 3 ) 作为索肉的原料。日本一公司已开发出用豆渣制人造肉技术，并同韩国一家食品公司合作生 产该类产品。 ( 4 ) 制作可食包装纸。此前，日本酒井理化学研究所已研制成功此类产品。国内也有研究单位将 制备的豆渣膳食纤维与山芋混合，制成了豆渣可食包装纸。可食包装纸市场广大，工业化生产大有 可为。此外，可将豆渣适当处理，制备豆浆、豆腐或各种营养强化食品，既补充膳食纤维，又兼补 充蛋白质。随着人们研究的深入，豆渣的综合利用效益将逐步得到提高。 在进行以上利用时，大部分的豆渣原料需要首先进行粉碎处理，现在广泛采用的方法是先将豆 渣干燥，然后再对其进行粉碎。虽然干法粉碎在一定程度上可以将豆渣粉碎成很小的微粒，但随之 而产生的大能耗等问题也是相当突出。所以人们正在寻求对豆渣进行粉碎处理的更好的方法。希望 通过本课题中对豆渣微细化粉碎的研究，为豆渣处理提供一条可行的思路，在降低能耗，提高产量、 质量和能量利用率方面进行尝试，以期创造更大的社会经济效益；有利于更多功能优良的新产品的 开发，推进微细粉碎技术在工农业生产中的应用，更好的为其它相关学科服务。 本课题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，如下所述： ( 1 ) 对科技发展的作用 目前，国内外对定转子高剪切均质设备机理研究着重放在了对不同物料超细剪切均质过程中特 性进行了研究，从而对科技发展产生如下作用： 弄清流体在复杂运动状态下的运动机理；探讨流体运动过程中的湍流和涡流特性，采用混沌 理论研究和揭示湍流和涡流产生的机理及其行为；对流体混合反应动力学进行研究。这些工 作对化工反应过程与控制具有重要意义。 高速定转子剪切均质设备的成功应用，不仅在解决众多工业应用领域的粉碎细化问题，而且 将对生物制品、制剂等领域实现超细粉碎产生积极的影响，推动剪切设备在工业中更广泛的 应用。 国外现有许多研究机构开展了对高剪切均质机的理论研究，我国在这方面较深层次的研究还 较欠缺，本课题的部分研究将在剪切均质领域起到积极的推进作用。 江南大学硕士学位论文 由上述情况可见，对剪切均质分散过程机理的研究无论对基础科学的发展还是对工程技术的发 展均将产生巨大的影响。 ( 2 ) 对经济发展的作用 目前国内外化工、食品等工业领域中的分散、细化与均质主要采用高压均质机、胶体磨、砂磨、 辊磨机等设备。而这些传统设备耗能极高，生产成本高，从而造成能源的巨大浪费( 产量越大浪费 越多) 。所以研制并开发出新型定转子剪切均质设备的系列产品，以取代上述传统粉碎设备，从效果 的角度讲，可以解决众多疑难粉碎细化问题；从节约能源的角度讲，就将产生不可估量的经济效益； 从物料利用率角度讲，可提高产量并降低废料排放量，减少污染，具有能耗低、品质高、应用范围 广等优点。 ( 3 ) 对社会发展的作用 以食品工业为例，我国的食品行业发展很快，但在某些品种、质量上仍不能满足广大消费者的 需要，其主要原因是生产工艺上不去，其中粉碎工艺是关键工艺技术之一。因此，摆在食品工业面 前的主要任务是不断改进工艺技术及相关工艺装备，从而开发出新产品，调整产品结构，增加花色 品种，改善食品的外观、色泽、口感，从而满足人们的多样性要求。发展高效粉碎设备对加快食品 等工业的发展具有重要社会意义。 在化工领域，粉碎、均质、分散、乳化加工是必不可少的操作工序单元。粉碎、均质、乳化设 备在化妆品、油漆、染料、油墨、添加剂等产品加工过程中有广泛的应用。但由于加工设备条件的 限制，使得剪切机系列的生产缺乏竞争力，要提高我国化工产品的竞争能力，必须首先提高我国化 工装备的技术水平，剪切均质设备的发展是其中关键之一。 高剪切均质设备能够有效地解决大多数食品与化工产品的粉碎、均质、分散加工问题，改善产品的 加工效果，提高了产品品质和原料的利用率，一定能够提高国内食品与化工产品的竞争能力。 1 2 课题研究的主要内容 本课题研究主要包括以下内容： ( 1 ) 高剪切均质机和高速切割粉碎设备的机理研究 对于高剪切均质杌的工作杌理，因为前辈们己进行了一定的研究，所以在此只做简单的介绍； 而对于高速切割粉碎设备的工作机理，国内进行的研究较少，所以在此进行重点的介绍。 ( 2 ) 试验装置的研究 对于两种主要试验装置中的其中一种高剪切均质机。其结构设计已经成熟，本试验装置在 用于豆渣粉碎时，主要对其关键部件定转子进行重新设计制造，因为转速提高了许多，所以对 其高转速下的可靠性问题也进行了一定的分析。 对于高速切割粉碎设备来说，设计制造还是首次进行，也属于尝试阶段，所以利用其在此进行 的试验可能会有些不理想，但这也并不意味着该设备不适用于对工业豆渣的粉碎上，在以后的工作 中，经过不断的设计改进与试验的有机结合，相信该设备的处理效果会越来越好。 ( 3 ) 高剪切均质机齿间流场分析 为了更加形象准确地研究定转子对豆渣物料的粉碎作用过程，在此对高剪切均质机齿间的流场 进行简单的模拟分析为其更好的提高剪切粉碎效率提供了分析平台。同时对斜槽齿型定转子间的 流场也进行模拟分析，并与高剪切均质机齿间的流场模拟结果进行比较。 ( 4 ) 转子高速转动下的可靠性分析 此项工作是在定转子进行设计的过程中进行的，首先运用a n s y s 有限元分析软件对高速转动下 的转子进行可靠性分析，对转子在高速转动下可能出现的问题进行事先的模拟分析，对模拟中可能 出现的问题及早提出解决办法，这样就为转子的制造提供了方便，提高了试验及生产效率。 ( 5 ) 采用不同工艺下的豆渣粉碎效果 第一章绪论 由于豆渣的物性特征，豆渣在不同工艺下的粉碎效果也是不样的，所以对于豆渣不同工艺下 的粉碎效果进行试验研究是必要的，不同工艺影响到豆渣粉碎的能耗、粒度、工序的复杂程度等。 ( 6 ) 工业豆渣虽佳微细粉碎系统的探索 基于以上的理论和试验研究后，将对豆渣的最佳微细粉碎系统进行探索，尝试找到最适合工业 豆渣处理的工业化粉碎系统。 在进行课题的各项研究的过程中，务必注意多进行实地的考察，对与课题相关的实际生产中相 关过程有较好的认识，同时联系一些公司，进行一些可能的合作，以便使研究成果创造出切实的效 益。 3 江南人学硕士学位论文 第二章大豆及豆渣相关内容研究 2 1 大豆及我国豆制品产业现状简介 2 1 1 大豆种子的构造f 2 1 大豆属于豆科，蝶形弧科，大豆属，是一年生草本植物。 火豆种子的最外部是种皮。种皮上有明显的脐，脐下端有效集合痕迹叫合点，脐上端可明显地 透视出胚芽和胚根的部位，二者之间有一个小孔眼， 叫珠孔。当种子发芽时，胚根就从此孔伸出，所以 也叫发芽孔。大豆种子的外形见图2 1 。 种皮内有两片肥大的子叶，这是贮藏营养物质 的场所。两片子叶之间生有胚芽，由两片很小的真 叶组成。胚芽上部是胚苇，f 部是胚根。 种皮约占人豆总重的7 ，子叶占9 0 。种皮由 较厚的外种皮和非常薄的内种皮构成。子叶被肥的 细胞壁包围，内部是蛋白体。蛋白体是3 8 微米颗 粒状的蛋白球，含水分9 5 、氮1 0 1 、磷0 8 5 、 糖8 5 、灰分0 7 0 、核糖核酸0 4 。蛋白体的间 隙有脂肪球或少量的淀粉粒。 2 1 2 大豆的一般组成 1 2 3 牛 图2 1 大豆种子的外形图 f i g 2 - 1s h a p eo f s o y b e a ns e e d 】胚根透射处；2 珠孔；3 脐；4 合点；5 种皮 大豆因受黠种、产地、栽培方法等因素的影响，化学成分含量也不完全相同。一般约含蛋白质 4 0 、脂肪2 0 、碳水化合物2 5 、水分1 0 、灰分4 5 ，几乎不含淀粉。一些国家的大豆成分 如表2 1 所示。 表2 1 各国大豆的化学组成( ) t a b 2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fd i 腩r e n tc o u n t r i e s s o y b e a n ( ) 2 1 3 我国大豆的分类 ( 1 ) 根据自然生长与人丁种植的区别，分为野生大豆和栽培火豆两类。 ( 2 1 根据播种季节，分为春大豆、夏大豆、秋大豆、冬大豆四个类型。 f 3 ) 根据生育成熟期，分为早熟、中熟、晚熟三类。 ( 4 1 根据种皮颜色，分为黄人豆、青大豆、黑大豆、褐人豆、花色大豆五类。 ( 5 ) 根据籽粒人小，分为小粒、中粒、大粒，特大粒四类。 ( 6 ) 根据用途，分为食用大豆、饲料大豆两类。 ( 7 ) 根据遗传性能，分为高脂肪大豆或高蛋白大豆。 2 1 4 我国豆制品产业状况 豆制品作为我国优秀的传统食品，于百年来以它极佳的口感、丰富的营养和低廉的价格，成为 我国人民生活的必需品，维护着我国人民的健康。中国的豆腐文化世代相传，承载着我国深厚的文 化底蕴。时至今日，豆腐文化己遍及全球。 传统豆制品的兴衰直接关系着中国农民的利益，传统食品工业化是解决“三农问题”的有效而可 4 第二二牵大豆及豆渣相关内容研究 行的方式之一。因此，要寻找中国大豆产业的出路，不可轻视以豆腐、豆浆为代表的传统大豆食品。 由于外国科学家对大豆营养的新发现，美国展望经济甚至预测：“未来十年，最成功、最有市场 的并非汽车、电视机或电子产品，乃是中国的豆腐”。美国展望经济的预测并非没有根据，具有 商业眼光的美国人看到了中国豆腐的商机。 随着国民对食品安全问题的关注，食品准入制度的推进，传统大豆食品加工将面临巨大的挑战。 方面，简陋的手工作坊生产的传统大豆食品将越来越不能满足现代人对食品安全、方便等方面的 需求；另一方面。我国一些名优特产具有不可低估的市场潜力。此外，随着西方国家对大豆食品营 养和保健价值的深入了解，大豆食品必将被越来越多的西方人所接纳。因此，发展传统大豆食品具 有强劲的市场驱动力。 然而我们也必须看到振兴传统大豆食品产业任务艰巨。传统大豆食品虽然深受我国消费者喜 爱，但是许多豆制品外国也没有，因此也无从引进技术，这就需要创新。如果说大的企业主要靠引 进技术起家，也有实力购买先进设备技术，中小企业往往由于产品的独特性以及资金的限制，只能 走创新的路子。发达国家政府也主要支持中小企业、民族企业的创新和进步，我国的民族企业更需 要政府的关注和支持。 纵观国际趋势，随着对大豆食品健康功效研究的不断深入，大豆食品的消费已经成为一种趋势， 将带动我国豆制品迅速向产业化发展。以美国为例，大豆食品年消费平均增长1 4 ，各类大豆食品 日益丰富；欧盟各国的“大豆食品热”也方兴未艾；在日本，传统食用的豆腐已经冠以“世界健康食品” 的美誉，被推荐为具有广泛健康意义的功能性食品。在食品营养状况较差的非洲，联合国粮农组织 已经把注意力转向大豆种植和中国传统豆腐及豆制品的推广。世界范围内的目光集中于豆腐及豆制 品，无疑将对中国的豆制品行业产生巨大的作用，中国豆制品走向工业化和产业化，不但是中国的 需要，也可以说是世界的需要。 从我国整个食品行业来看，豆制品行业还是一个利润比较丰厚的行业，只是由于产品保质期短 的弱点，长期以来，一直是区域化生产。据不完全统计，2 0 0 5 年我国用于生产豆制品的大豆每年需 要超过4 0 0 万吨。但是，年销售额超过1 0 0 0 万元的、有一定规模的豆制品生产企业不到6 0 家，产 品的市场占有率不到1 0 。雨从一般的市场规律来看，规模企业的产品市场占有率至少应该在5 0 ， 可见豆制品行业的企业规模化发展空间很大。应该有大的投资者进入，带动行业的整体发展。 由中国食品工业协会豆制品专业委员会组织企业起草的豆腐、豆制品、腐竹的行业标准工作已 经完成，现正在征求意见阶段；非发酵豆制品及面筋卫生标准也在进行修改，微生物指标将更合理和 严谨。行业标准的出台，加上科学合理的卫生标准，将引导和规范豆制晶生产和市场向健康有序的 方向发展。2 0 0 5 年，国家有关部门对牛奶行业实行“限鲜令 同时加强对“还原奶”的管理，两项举 措对本来危机四伏的中国奶类行业犹如雪上加霜。乳品业将面临一系列的整合洗牌，实力弱的牛奶 企业将面临出局。所有这些都给豆奶业带来了意想不到的商机。据业内消息，娃哈哈、乐百氏等大 型企业都在筹谋豆奶项目，有的已通过小试、中试。这些巨头的介入，将使液态豆奶在市场上的身 影越发惹人瞩目，中国豆制品行业的发展更加蓬勃。 当然，我国大豆食品工业中也存在一定的问题p j ： ( 1 ) 规模小、品种少、效益差 因为我国特殊国情，有相当部分大豆食品加工企业规模较小，产品品种较少、设备陈旧、工 艺落后、技术水平相对较低，造成原料出品率低，能耗较大，污染严重，经济效益和社会效益低下， 同时这类企业缺乏自主开发能力，抵御市场风险能力差。 ( 2 ) 综合加工能力匮乏，资源利用率相对低下 在我国，大部分大豆食品加工企业专业化较强，油脂加工企业和制取蛋白企业加工所得副产品 只作为饲料或废水排放，而不能通过现代加工技术互为利用。 5 江南大学硕士学位论文 ( 3 ) 深加工精度欠缺，产品质量有待提高 我国的大豆制品，尤其是新兴大豆制品大部分属于初级产品，与国外相比存在较大的差距。国 外通过物理、化学、生物技术对大豆蛋白分子进行改性修饰，制备出各种专用功能的大豆蚩白粉和 大豆活性寡肽( 寡肽是一种特殊的氨基酸链，可以保护全身的小动脉以及微细动脉的健康) ，其技术 水平和产品附加值都相当高；在大豆膳食纤维方面，通过引入一系列高新技术，利用豆渣生产出可添 加到各种食品中的精制膳食纤维粉，而我国在这些方面均处于试验研究阶段，尽管投入较高，进步 较快，但还远未实现规模化工业生产。 ( 4 ) 产品技术含量低，低水平重复严重 综观我国大豆制品，总体来说，高科技含量的产品较少，而属于劳动密集型、技术水平较低的 初级产品占绝大多数，而且有许多是低水平的重复建设，从而造成设备、材料浪费。 2 2 豆渣的作用 2 2 1 豆渣的营养功能1 4 1 由于豆渣含有丰富的膳食纤维、蛋白质、脂肪、异黄酮和维生素等，具有丰富的营养价值，尤 其是经过发酵的豆渣具有各种功能性，如抗氧化、降血压、抑制糖尿病、降低胆固醇等。 豆渣中含有丰富的抗氧化物质，如黄酮、异黄酮、多肽、皂角苷、绿原酸等，为了充分利用豆 渣中这些具有抗氧化功能的物质，研究者展开了大量提取豆渣中抗氧化物质的研究工作。黄晓东等 从豆渣中提取了抗氧化成分，其抗氧化能力通过测定色拉油的过氧化值来衡量，发现豆渣提取物的 抗氧化效果与人工合成的t b h q ( t e n i a r yb u t y lh y d r 0q u i n o n ) 的抗演化效果相当，证实了豆渣的抗 氧化能力。 豆渣蛋白质的氨基酸组成与大豆蛋白基本一致pj ，豆渣蛋白中赖氨酸含量较多，可以弥补谷类 食品中赖氨酸的不足，起到氨基酸互补作用，提高蛋白质的营养价值。 2 2 2 豆渣的保健功能【6 l 2 2 2 1 对预防糖尿病的功效 高纤维膳食对治疗胰岛素依赖型糖尿病患者是有效的。可溶性纤维可降低餐后血糖生成和血浆 胰岛素升高的反应，其原因是因为高纤维的膳食可以改善末梢组织对胰岛素的感受性，降低对胰岛 素的需求，从而达到调节糖尿病患者的水平；其次由于膳食纤维在肠内可形成网状结构，增加肠液 的黏度，使食物与消化液不能充分接触，阻碍葡萄糖的扩散，使葡萄糖吸收减慢，从而减低血糖含 量，改善葡萄糖含量和减少血糖药物的用量，起到防止糖尿病的作用。 2 2 2 2 对预防心血管疾病的功效 大豆膳食纤维分子表面带有很多活性基团，可以吸附螯和胆同醇、胆汁酸及肠道内的有毒物质 ( 内源性毒素) 、化学药品和有毒医药品( 外源性毒素) 等有机化合物。膳食纤维的这种吸附螯和的作用， 促进了体内血脂和脂蛋白代谢的正常进行，抑制或延缓胆同醇与甘油三醋在淋巴中的吸收，增加胆 固醇的排出量，降低血清胆圃醇浓度，从而预防高血压、高血脂、心脏病和动脉硬化，减少冠心病 和心脑血管疾病的发病率【7 】【8 】【9 1 。 2 2 2 - 3 对预防肠癌、利便的功效 膳食纤维的高持水力，改善了大肠的功能，抑制腐生菌的生长，减少次生胆汁酸的生成等。也 加强了大肠的蠕动，增加粪便的含水量及体积，缩短排空时间，降低结肠压力，促进粪便的排泄： 同时使肠道内致癌物及一些有毒物质随粪便排出，减少致癌物与结肠的接触机会，从而达到预防肠 癌的功效1 8 】。 2 2 2 4 对预防肥胖症的功效 膳食纤维体积较大，吸水膨胀后体积更大，在胃肠道内会发挥填充剂的容积作用，易引起饱腹 6 第二章大豆及豆渣相关内容研究 感。同时。由于膳食纤维还会影响可利用碳水化合物等成分在肠道内的消化吸收，也不易产生饥饿 感。因此对预防肥胖症有独特的功效儿引。 豆腐渣中仍含有0 0 9 的钙质，与牛奶中的钙含量相仿，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。 2 3 豆渣的处理利用现状 豆渣所含可以为人体吸收成分较多，具有很高的利用价值。但由于其所含热能低，且口感粗糙， 没有引起人们的充分重视。过去大都作为家畜的饲料，有的索性作为废弃垃圾填埋，造成了资源的 浪费和大量的环境污染。 上世纪最后几十年，人们开始认识到纤维的重要作用【l 引。1 9 9 1 年，w h o 专家组在日内瓦会议 上将膳食纤维推荐入。人群膳食营养素指标”，确认了纤维素是人体不可少的第七营养素l l 。豆渣 含丰富的食用纤维，是膳食纤维的理想来源。豆渣利用方式较多，产品也丰富多样，其共同点是作 为原料的豆渣仅是经过了简单的加工，并没有单独的利用豆渣膳食纤维。 如用豆渣生产糖化菌粉，制作豆渣酱油、核黄素、豆渣粉、豆渣分离蛋白、豆渣发酵碳酸饮料、 人造肉等。此外，日本酒井理化研究所已经利用豆渣成功研制可食用纸，它是将豆渣与酶类混合加 工而成的一种无味无臭，稳定性好的纤维i i 引。 作为膳食纤维一个良好来源的豆渣，人们已不再满足于先前的粗放利用，提出了更高的要求， 那就是真正的豆渣纤维的提取和利用。 其中在不溶性膳食纤维的研究方面，张志良等【1 3 】采用熟浆分离工艺，通过灭酶除臭一脱色增白 一细化处理一低温干燥等过程制成了洁白、细腻、无气味的食用纤维添加剂。曹树稳1 1 4 j 等采取酸、 碱浸泡、漂洗工艺制备成膳食纤维，并指出豆渣是良好的膳食纤维来源，同时指出加工方法的不同 及其色泽将影响豆渣的感官性能和加工性，并影响产品的功能性和生理活性。 在可溶性膳食纤维研究方面，姜竹茂等【1 5 】采用了直接水浸提法，酶解法，生物发酵法等制成了 可溶性膳食纤维，并提出直接水浸提法为提取可溶性膳食纤维的最佳工艺。 同时，金茂国，孙伟1 1 6 】采用挤压法对提高可溶性膳食纤维含量进行了研究。证明挤压工艺能大 幅度地提高豆渣中膳食纤维( s o l u b i ed i e t a 巧f i b e r ，s d f ) 的含量它们主要来自于半纤维素和纤维素 的降解。 现在应用较多的豆腐渣的加工方法主要有发酵处理法、螺杆挤压处理法、粉碎处理法等，并且 其深加工局限于膳食纤维( 包括可溶性与不溶性膳食纤维) 方面。这类加工方法破坏了豆渣中的其他组 分如蛋白质、维生素等，如何实现分离制取膳食纤维，同时又能合理利用豆渣中的蛋白质等其它组 分是豆渣研发工作必需解决的另一个问题。 大豆豆渣纤维颗粒大，入口粗糙，口感太差，难以被消费者接受。采用微细粉碎技术，将豆渣 纤维颗粒细化，再制成低糖，低热，口感细腻的豆渣制品，一定会有广阔的市场。上述涉及的粉碎 处理法基本属于干法粉碎：先将豆渣进行干燥，然后利用各种粉碎机对干的豆渣进行粉碎。对于这 种干法处理法，其存在相当多的缺点：由于湿豆渣含水量约为8 0 ，将其干燥时需消耗大量的能量， 且灰尘较大，处理效率低；此外，在利用干法粉碎中，干燥后的物料质量较轻，粉碎时四处飞扬， 也不利于粉碎，并且分离时所用筛网的加工制作也较难。若能利用湿法粉碎方法，即将豆制品生产 中产生的豆渣直接取来，加入适量的水后进行处理，处理后的豆渣直接用来制作其它各种产品，如 此，既简化了工艺，方便了生产；又节约了能源，降低了生产成本。将会带来巨大的经济效益和社 会效益。 豆制品加工过程中产生了大量的豆渣，以上海某豆制品生产企业为例，每天消耗大豆约6 0 吨， 江南大学硕士学位论文 由此而产生的豆渣约为9 0 吨，这是各大中型城市豆制品生产中产生工业豆渣的一个典型例子。据不 完全统计，我国目前用于生产各种豆制品的大豆每年超过8 0 0 万吨，由此产生的湿豆渣约为1 3 0 0 万 吨。 国内对豆渣的利用水平较低，很难大面积地投向市场应用。上海粮科所、南昌中德联合研究所 等单位已拥有大豆膳食纤维的制备技术，但真正进行豆渣膳食纤维工业化生产的厂家为数尚少。并且 我国绝大多数豆制品企业现仍将豆渣作为饲料出售，其价格往往只有1 0 0 元吨，很难获得真正的效 益。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。寻找出能够满足工业豆渣处理要 求的豆渣深加工设备，使之应用于我国的农产品深加工领域，为我国的现代化建设而服务。 2 4 豆渣的物性特征 豆渣组成成分的分析研究结果见表2 2 1 17 1 、表2 3 【1 8 】和表2 4 【19 1 。 表2 2 干豆渣的成分含量 r a b 2 2c o m p o s i t i o no f d d rs o y b e a nd r e g s 表2 3 矿物质和维生素( m 1 0 0 9 干样) 1 a b 2 3m i n e r a l sa n dv i t a m i n s ( m 10 0 9d 巧s p e c i m e n ) 成分含量 0 9 7 6 0 表2 4 豆渣和大豆蛋白中必需氨基酸含量) 1 a b 2 4q u a n t i t yo fn e c e s s a 叫a m i n oa c i db e 似e e ns o y b e a nd r e g s 锄ds o y b e 柚a l b u m e n ( ) 8 狮川删懈旧势舳况瑚一m剪抛瑚毗 加n饥眈k p k 第二章大豆及豆渣相关内容研究 通过表中的结果，经过对比可以看出，豆渣中各种营养成分非常丰富，矿物质的含量都高于和 接近于其它粮食作物。虽然缺乏v e ，但v b 2 含量较多。其蛋白中的必需氨基酸。在组成上与大豆蛋 白基本相当。其中纤维素含量占据了干物质的一半，而大豆纤维是最理想的膳食纤维，膳食纤维被 列为“第七大营养素”。 大豆膳食纤维主要是指大豆中那些不能为人体消化酶所消化的高分子糖类的总称，主要包括纤 维紊、果胶质、木聚糖、甘露聚糖等。 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9 葡锗糖、半纤维素、果胶及树胶。分为可溶性和不溶性纤维两类。可溶性大豆膳食纤维的多糖 可分散于水中。包括果胶、树胶、黏液和部分纤维索；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，约7 0 的成分是由葡萄糖单体缩聚而成的直链高分子， 而且都是以b 1 。4 糖苷键的形式连接起来的多糖类。 膳食纤维的主要物化性质如下所述印i ： ( 1 ) 很高的持水性 膳食纤维化学结构中含有很多亲水基团，因此具有很强的持水性。具体的持水能力视纤维的来 源不同以及分析方法的不同而不同，变化范围大致在自身重量的1 5 2 5 倍之间。很多研究表明， 膳食纤维的持水性可以增加粪便的体积，促进肠道蠕动，从而增加排便速度，减轻直肠内压力，同 时也减轻了泌尿系统的压力，从而缓解了诸如膀胱炎、膀胱结石和肾结石这类泌尿系统疾病的症状， 并能使毒物迅速排出体外。 ( 2 ) 与阳离子的结合交换能力 膳食纤维比学结构中包含一些羧基和羟基侧链基团，呈现- - 个弱酸性阳离子交换树酯的作用， 可与阳离子，特别是有机刚离子进行可逆的交换。纤维对阳离子的作用系可逆性的交换，它不是单 纯结合而减少机体对离子的吸收，而是改变离子的瞬间浓度，般是起稀释作用并延长它们的转换 时间，从而对消化道的p h 值、渗透压以及氧化还原电位产生影响，并出现一个更缓冲的环境，以利 于消化吸收。当然，膳食纤维也因此必然影响到人体内某些矿物质元素的代谢。从瓜儿豆中提取的 一种水溶性膳食纤维可促进人体对钙、铁的吸收。 ( 3 ) 对有机物的螯合吸附作用 2 0 世纪6 0 年代开始的许多试验业已表明，由于大豆膳食纤维表面带有很多活性基团，可以螯 合吸附胆圃醇和胆汁酸之类有机分子，从而抑制了人体对它们的吸收，这是膳食纤维能够影响体内 胆圃醇类物质代谢的重要原因。同时，纤维还能吸附肠道内的有毒物质( 内源性有毒物) 、化学约品 和有毒医药品( 外源性有毒物) 等，并促进它们排出体外。 ( 4 ) 容积作用 纤维的体积较大，缚水之后的体积更大，对肠道产生容积作用，易引起饱腹感；同时由于纤维 的存在影响了机体对食物其他成分( 可利用碳水混合物等) 的消化吸收，人不易产生饥饿感。为此，膳 食纤维对预防肥胖症大有益处。 ( 5 ) 改变肠道内微生物茵群组成 大豆膳食纤维不能被肠道消化酶所分解，但大肠内的某些微生物会降解其部分组分，其产物会 改变肠道菌群的构成与代谢，利于益生菌的生长与繁殖。肠系统中流动的肠液和寄生茵群对食物的 蠕动和消化有重要作用。肠道内纤维含量多时，会诱导出大量好氧菌群来代替原米存在的厌氧菌群， 这些好氧菌很少产生致癌物，比较来说厌氧菌产生较多的致癌性毒物。但即使有这些毒物产生也能 快速地随纤维排出体外，这是膳食纤维能预防结肠癌的重要原因之一。 9 江南大学硕士学位论文 2 5 豆渣有效的粉碎方式 2 5 1 大豆纤维形态参数分析 通常情况下，我们对物料粒径的评价与测量是建立在物料颗粒形状为球形或近似于球形。而对 于大豆纤维类物料，这种假定显然是不实际的。实践表明，大豆纤维物料其颗粒的形态是不规则， 因此大豆纤维物料的形态参数主要以纤维长度及其分布为主。 由此。大豆纤维物料的粉碎过程很大程度上取决于大豆纤维形 态参数的变化。在粉碎过程中，对大豆纤维的形态参数及其变 化的测量是非常重要的。测量工具主要是通过显微镜或光学投 影仪进行，也可以通过筛分器粗略地测量纤维长度。由于纤维 形态参数是一个统计参数，因此必须对相当数量的纤维进行测 量后，才能取得较准确的结果。 ( 1 ) 投影长度与真实长度 采用光学仪器测量纤维长度，可以获得两种不同的结果， 一是纤维的投影长度( p r o j e c tl e n g t h ) 。另一个是纤维的真实 图2 2 纤维真实长度与投影长度 长度( c o n t o u ri e n g t h ) ，如图2 2 所示。 f i g 2 - 2r e a l 卸dp r o j e c t i v el e n 舀ho f 肋r e 从图中可知，真实长度为，和厶的两根纤维具有相同的投影长度，因此不能用纤维的投影长度 来代替真实长度，尤其是在纤维较长或纤维柔软时，将会带来一定的误差。根据本课题的需要和测 量条件的限制，本课题不考虑纤维投影长度与真实长度之区别，忽略二者间的误差，对粉碎后纤维 颗粒长度的评定以纤维的投影长度为准。 ( 2 ) 平均纤维长度 大豆纤维物料中每根纤维长度并不完全相同，因此，需采用不同的平均质作为参数从宏观上衡 量纤维的长度特性。通常采用的平均方法有算术平均值、长度加权平均值和质量加权平均值，其计 算式分别参见式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 。 y 珂 。= 与鲁旦 ( 2 1 ) ” 乙拧j 三 2刀，三，2 刀；三， ( 2 2 ) 三胛= 群 眨3 ， h 2 精 q 3 由于纤维原料细小组分的数量多，而它的长度和质量分布率却相对较小，因此细小纤维的个数 对算术平均值会产生非常大的影响。算术平均长度并不能真实反映纤维的粉碎特性，通常采用纤维 长度加权或纤维质量加权后再进行平均，从而得到长度加权平均长度三。和质量加权平均长度三。 由于三。同纤维的物理性质具有密切的关系，故本课题采用长度加权平均长度。来评价大豆纤维超 细粉碎后的平均长度，并认为大豆纤维比重不变。 ( 3 ) 纤维长度分布 大豆纤维长度是指纤维分布频率( 三) ，指不同长度范围内的纤维数量分布情况。其计算方法 如下： 三= 矗o o 纪4 ， 由上式，也可以类似计算出纤维长度加权分布，质量加权分布，并可绘制出分布的直方图和积 1 0 第= 章大豆及渣相关自窖研究 分分布图。 2 5 2 大豆纤维力学性能分析 研究表明，纤维物料具有较好的拉伸断裂强度。对纤维物料的 超细耪碎而言，纤维物料的断裂韧性是衡量上述性能的重要指标。 断裂韧性可咀用临界应力强度因子j ! r e 和临界应力释放速率g e 来 表示，前者表征在达到裂纹扩展的临界态时裂纹尖端的应力强度， 而后都表示达到裂纹扩展的临界时形成单位断裂表面积 所需的能量口”。对于中心有裂纹的纤维娄高分子材料试样，如图 3 其断裂韧性可用式( 25 ) 来表示“： 图2 - 3 中心有裂纹的试样 2 0s m p l e w i mn c e n 芷 = 口，口， ( 25 ) 其中口，为材料的拉伸断裂强度，为中心裂纹的平均长度。上式表明，中心裂纹的尺寸与断裂 韧性有密切关系。但对于纤维物料，其内部的微裂纹尺寸变化对物料的断裂韧性基本没有影响。在 平面应力状态下，临界应力释放速率g ，可由式( 2 6 ) 计算。 g ，= 世，e( 2 6 ) g ，式中单位为j ，m 2 ，e 弹性模量 由于纤维物料具有较好的拉伸断裂强度，因而其临界应力强度因子符，和临界应力释放速率 g ，都相对较高，即要达到裂纹扩展的临界态时裂纹尖端的应力强度和达到裂纹扩展的临界时形成 单位断裂表面积所需的能量相对较高，这表明纤维物料具有较高的抵抗变形的能力和吸收冲击能的 能力，因而纤维物料的粉碎较一般脆性物料的粉碎难度更大。 研究表明，断裂韧性和弹性模量随物料的密度增加而增加。因此，对大豆纤维的横截面中部部 分，由于密度相对其它部分大，因而该部分断裂韧性和弹性模量也相对较大。 大豆纤维物料作为纤维物料的一种，具有上述物料的力学上的麸性即具有较高的抵抗变形的 能力和吸收冲击能的能力。这就要求我们在选择大豆纤维超细粉碎关键结构与设备要充分考虑上述 大豆纤维的力学特性，选择合理的粉碎方式，使糟碎效率最高。 2 j 0 大豆纤雒流体微团运动与粉碎断裂方式 253 1 犬豆纤维i 淋微团运动 根据海姆霍兹( h o l 血o i k ) 速度分解定理删f “h ”】【州。 在运动流体徽团中任意点的速度可分解为三个部分：即 在流体微团上所选取的参考点的平移速度、绕过这个参考 点的瞬时轴的旋转速度以及变形速度。根据这一定理大 豆纤维物料在湿法粉碎过程中，在机械力场与流体力场的 作用