乳品加工手册 6-3 均质机.pdf

112 脂肪球破裂方面的技术 均质已成为一种标准化的工业加工方式 它是一种使脂肪乳浊液稳定 防止 重力分离的方法 18 99年发明这种加工方法的高林 G a u l i n 在法国将其作为 保持液体组分稳定 的方法进行了叙述 首先 均质使脂肪球破裂成比原来小得多的脂肪球 如图6 3 1 所示 因此 它就可以减少脂肪上浮 减小脂肪成团或聚结的倾向 所有的均质乳基本上 是通过机械的方法来生产的 牛乳以很高的速度被强制通过一个窄缝 可以通过几个决定因素 如湍流和气穴的联合作用来实现最初的脂肪球破裂 作用的最终结果使脂肪球的直径减小到大约1 m 同时脂肪 浆液的表面 积增加了4 6倍 新生成的脂肪球不再全被原来的膜覆盖 取代它们是从浆 液相中吸附的蛋白质的混合物 Fo x 等人研究了由于牛乳的均质而产生的脂肪一蛋白混合物 他们发现酪蛋白 占混合物的大部分 这可能是极性结合力使其与脂肪碎片结合在一起 他们进 一步假设 酪蛋白胶粒在通过均质阀的瞬间非常活跃 极易与脂相发生作用 加工要求 在均质时 脂肪相的物理状态和浓度影响到脂肪球的大小及其随后的分散 对冷牛乳均质是无效的 冷牛乳中脂肪是固化的 在乳脂肪凝固点 30 35 的分界温度下加工会使脂肪不能完全分散 只有当脂肪相呈液体状态且 像正常牛乳的浓度时 均质才是最有效的 脂肪含量高的产品很有可能有脂 肪结团的倾向 特别是当浆液蛋白的浓度相对于脂肪含量低的时候 更易产 生这一现象 脂肪含量超过 12 的稀奶油不能在正常压力下进行正常的均 质 因为膜物质 酪蛋白 的缺乏而会导致脂肪再度聚结 为取得良好的均 质效果每克脂肪大约对应要求0 2g 的酪蛋白 高压均质可以形成小的脂肪球 脂相的分散随着均质温度的升高而增加 也 随着牛乳在高温下粘度的减少而等量地增加 均质机 图6 3 1均质使脂肪球破裂成比原来小 得多的脂肪球 乳品加工手册 第 6章第3 节 1 Fo x K K Ho l s i n g e r Vi r g i n i a Ca h a Je a n n e a n d Pa l l a s c h M J J Da i r y s c i 43 1396 1960 113 图6 3 2在均质中 牛乳被强制通过一个 窄缝 在此脂肪球破裂 图6 3 3在均质的第一级和第二级均质 脂肪球破裂情况 1 一级之后 2 二级之后 乳品加工手册 第6章第3 节 间隙 0 1m m 均质后的产品 柱塞 阀座 未均质的产品 均质后的产品 均质温度通常采用55 8 0 均质压力介于10 25M p a 100 250b a r 之间 其 大小决定于产品种类 流动特性 当液体通过窄缝时 液流速度增加 如图6 3 2所示 速度将不断增加直至静 压低到液体开始沸腾为止 最大速度主要取决于入口的压力 当液体离开窄 缝时 速度降低 而压力升高 液体停止沸腾而蒸汽汽泡破裂 均质理论 许多年来 出现了许多关于高压均质的理论 对于 象牛乳这样的水包油乳液 连续相中大多数的液滴 直径小于1 m 10 6m 只有两种理论仍然成立 它们都对不同参数对均质效果的影响进行了很好的 解释 湍流涡流 微旋涡 引起脂肪球破裂的理论是基于这 样一个事实 即高速运动的液流中产生大量的小旋涡 速度愈高 产生的漩 涡越多微旋涡撞击到同等大小的油滴 油滴就会破裂 这个理论预示着均质 效果如何随着均质压力而变化 这种关系在许多研究中已经得到证实 空穴理论 从另一方面表明 当蒸汽爆裂时产生冲击波 从而分裂脂肪球 根据这个理论 均质是在液体离开缝隙时产生的 所以 在均质时能够产生 空穴的背压是非常重要的 这也已在实践中得到证明 然而 没有空穴 也 能均质 只是均质效率会降低 一级均质和二级均质 均质机上可以安装一个均质装置或安装两个串联的均质装置 因此得名一级 均质和二级均质 这两种系统如图6 3 5和 6 3 6所示 在一级均质中 全压降作用于一个均质装置上 在二级均质中 总压在第一 级之前测定为P1 第二级之前测定为P2 选择二级均质通常是要达到最佳的 均质效率 当 P2 P1为 0 2时 可以获得最好的效果 一级均质可以用于均质以下产品 低脂肪含量的产品 要求高粘度的产品 一定程度结团 二级均质主要是用于打碎产品中的脂肪球簇 高脂肪含量的产品 干物质含量高的产品 要求粘度较低的产品 最佳均质 微细化 在第二级上脂肪球簇的形成和分散如图6 3 3所示 均质效果 均质给牛乳的物理性质带来很多的优点 脂肪球变小不会导致形成奶油层 颜色更白 更易引起食欲 降低了脂肪氧化的敏感性 更强的整体风味 更好的口感 114 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 发酵乳制品具更佳稳定性 然而均质也有一定的缺点 均质乳不能再被有效地分离 多少增加了一些对光线 日光和荧光灯的敏感性 可以导致 日照味 参 看第八章 巴氏杀菌乳 降低了热稳定性 特别是经一级均质高脂肪含量和有其它影响脂肪结团因 素存在的情况下 该牛乳不能用于生产半硬或硬质干酪 因为凝块很软 以致难于脱水 均质机 当要求高效均质的时候 就需要高压均质机 产品进入泵体 通过柱塞泵加压 达到的压力是通过背压确定的 背压是由 均质装置中均质头和均质座的间隙来给定的 这个压力P1就是设计的均质压 力 P2是第一级的背压或是第二级入口的压力 高压泵 柱塞泵由一个大功率的电机驱动 如图 6 3 4中的1 通过曲轴和连杆机构 将电机的旋转运动转换成泵柱塞的往复运动 柱塞 5 在高压泵体的圆柱腔中运动 它们由高强度的材料制成 机器装有 两个柱塞密封 水进入两个密封之间冷却柱塞 当均质机设置于无菌加工的 下游区段时 要用热的冷凝水来密封以防止再污染 图6 3 4均质机是带有背压装置的一个 高压泵 1 主驱动轴 2 V 型传动带 3 压力显示 4 曲轴箱 5 柱塞 6 柱塞密封座 7 固体不锈钢泵体 8 阀 9 均质装置 10 液压设置系统 乳品加工手册 第 6章第3 节 115 3 1 2 4 5o 1 2 均质装置 图 6 3 5和图6 3 6显示了均质和液压系统 柱塞泵将牛乳的压力从入口时的 300K Pa 3b a r 根据产品种类提高到均质压力10 25M p a 到第一级均质装置之前 的入口压力 均质压力 自动保持恒值 液压柱塞上的油压与均质头上的均质 压力相平衡 无论在一级均质还是在二级均质上 均质机都带有一 个普通的油罐 然而 在二段均质中 有两个油路系统 每个 都带有一个自己的泵 通过改变油压 就可以设定一个新的 均质压力 均质压力可以在高压表上显示 均质总是发生在第一级 第二级有两个基本目的 为第一级提供一个恒定的 可控制的背压 给均质提供 一个最好的条件 打散均质之后形成的脂肪球簇 如图 6 3 3 均质装置中的部件是经精密加工的 冲击环以一定的方式固定在阀座上 冲 击环的内表面与间隙的出口相垂直 阀座有一个5 的倾角 使产品有控制 地进行加速 这样 就可以减少不如此而会发生的快速磨损 牛乳以较高的压力被送入阀座与均质头之间的空间 间隙的宽度大约是 0 1m m或是均质乳中脂肪球尺寸的100倍 液体通常以100 400 m s 的速度 通过窄小的环隙 均质就在这10 15微秒中发生 在这一刹那 所有柱塞泵 传过来的压力能都转换成了动能 经过均质装置后 这些能量中的一部分又 转回为压力能 另一部分能量作为热量散失了 在均质装置上每40b a r 的压力 降就会使温度升高1 用于均质的能量不足1 但尽管如此 高压均质可 能还是最有效的方法 均质效率 均质的目的随着应用的不同而改变 同样地 测量效率的方法也随之改变 注意均质压力是第一级之 前的压力 不是压力降 图6 3 5一级均质装置的组成 1 均质头 2 均质环 3 阀座 4 液压传动装置 图6 3 6两级均质头 1 第一级 2 第二级 乳品加工手册 第6章第3 节 116 传感器 样品 散射光 图 6 3 7用激光照射进行粒子分析 V g x g P2 x h p l p 18 x t 或是V 常数 p 2 这样就可以看出 减小粒子的直径是减小上乳速度的有 效方法 这样 减小牛乳中脂肪球的尺寸就可以减小稀奶油上浮的速度 分析方法 用于测定均质效率的分析方法可以分成两类 稀奶油上浮速度的研究 检测稀奶油上浮速度的最古老的办法是取样后静置一定的时间 分析样品中 不同层液中的脂肪含量 U S PH法就是基于这一原理 取样1000m l 静置48 h 之后测定顶部100m l 的脂肪含量以及其余奶液的脂肪含量 如果顶部脂肪含 量的0 9倍低于底部的脂肪含量 则认为均质是有效的 N120法也是基于同样的原理 用这种方法 取样25m l 在40 以下以1000r p m 的速度 在半径为250m m的离心机中离心30m i n 用底部20m l 液体的脂肪含 量除以全样品的脂肪含量 用比数乘以100 此结果称之为N120值 巴氏杀 菌乳的N120值通常为50 8 0 粒径分布分析 用一种成熟的办法 使用激光发射装置 让激光穿过试管中的样品 就可测 出样品的粒子或液滴的粒径分布图 如图6 3 7 根据样品中粒子的数量和大 小 光线将被散射开来 根据斯托克斯定律 粒子的上升速度可表示为 V 速度 g 重力加速度 P 粒子尺寸 h p 液体的密度 Ip 粒子的密度 t 粘度 图 6 3 8粒径分布曲线 未均质的牛乳 100b a r 压力下均质 250b a r 压力下均质 脂肪分布 粒径 微米 乳品加工手册 第 6章第3 节 117 均质所输入的功率用公式表示 E 电功率例 Q i n 供料能力 L h18 000L h Pi 均质压力 b a r20M Pa 200b a r Pi n 进入泵的压力 b a r200K Pa 2b a r p u m p 泵的效率系数0 8 5 e l m o t o r 电动机的效率系数 0 95 TOU T Ti n P1 Po u t 40 柱塞泵 二级均质 一级均质 流量 L N Qi n 18 000 温度 Ti n 65 压力 b a r Pi n 2 电功率 K W E 123 压力 b a r P1 200 压力 b a r P2 48 压力 b a r Po u t 4 温度 b a r To u t 70 结果表示为粒径分布曲线 脂肪的百分比被作为是粒子 脂肪球大小 的函 数 牛乳三种典型的粒径分布曲线如图6 3 8 所示 注意 当使用较高的均质 压力时 曲线向左漂移 能量消耗及对温度的影响 E r w 2 Q i n x Pp P1 36 000 x p u m p x e l m o t o r 代入右上方给出的压力和供料能力的数据 要求的电功率为123k w 如上所述 所提供的压能一部分作为热能损失了 给出的进口温度 均质压 力P1 均质后压力Po u t 每有4M p a 40b a r 的压力降 温度将升高1 可用下 面的公式 能量损失 温度升高 压力降降低均在图6 3 9中表示出来 Ti n 65 Pi 20M Pa 200b a r Po u t 400K p a 4b a r 结果 To u t 70 图 6 3 9例 均质中的能量 温度和压力 乳品加工手册 第6章第3 节 118 3 1 24 图 6 3 1 0产品部分经过均质机 1 热交换器 2 离心分离机 3 自动脂肪标准化装置 4 均质机 生产线上的均质机 通常 均质机被设置在上游区段 也就是说 放在热交换器最终加热的前面 比较典型的 在绝大多数用于生产市乳的巴氏杀菌线中 均质机被放在第一 段热回收之后 在U HT乳生产中 均质机通常在间接加热系统中处于上游区段 而在直接加热系 统则在加热段的下游区 也就是说 放在U HT处理之后的无菌一侧 这样均质机 要求无菌设计 要带有无菌柱塞密封 包装 无菌冷凝器和特殊的无菌挡板 然而 对于间接式U HT 系统 当脂肪含量高于6 10 和 或增加了蛋白质含 量的乳制品需要进行加工时 也要求将均质机放在下游区 原因是随着脂肪 含量和蛋白质含量的增加 在高温处理下的脂肪成簇或是 蛋白 聚集也加 剧 这些球簇团块由位于下游区的无菌均质机将其打散 全流均质 全流均质或是整体均质是对市乳和用于生产发酵乳制品的牛乳均质的最常用 的均质形式 在均质之前 牛乳的脂肪经过标准化 有时 例如在酸乳中 无脂干物质也要进行标准化 部分均质 部分均质意味着脱脂乳的主体部分不均质 而只是含有少量脂肪的稀奶油进行 均质 这种均质形式主要应用于巴氏杀菌乳上 最主要的原因是降低操作费 用 因为只有一小部分的流体流过均质机 所以总能量消耗降低 65 当产品中每克脂肪含有至少0 2g 的酪蛋白 稀奶油的含脂率最高不超过12 时 可以获得充分良好的均质效果 用于部分均质的均质机每小时的工作能 力可以根据下面的例子计算 原乳 脂肪含量4 稀奶油 脂肪含量35 脱脂乳 脂肪含量0 05 稀奶油 脂肪含量10 标准化乳 脂肪含量3 冷却介质 加热介质 乳品加工手册 第 6章第3 节 119 例 Q p 加工线能力 L h1000L n Q s m