食品粉碎技術概述

1、食品粉碎技術食品粉碎技術是食品加工的重要技術之一，簡單而言它是一種將物料顆粒尺寸變小的加工技術。人們對這一加工技術并不陌生，如將大米粉碎成米粉等。在一定的粒度范圍內(nèi)，粉碎僅僅是改變物料的尺寸及與其他物料的混合性能，對食品物料的物理性質(zhì)有影響但不是很大。但是當粒度尺寸減少到一定值之下時，物料的性質(zhì)會發(fā)生顯著的影響，如碳酸鈣。一般性的粉碎對其在人體內(nèi)的利用沒有多少影響，但當將其粒度減小到400目以上時，其在人體內(nèi)的吸收利用率會大大提高。因此現(xiàn)代食品粉碎技術的研究包括兩個方面：一是改變物料尺寸以改變其加工性能，如形態(tài)變化、物料重組等；二是通過改變物料尺寸來改變物料的生物價，如易吸收鈣劑等。因此了解粉

2、碎技術和相關理論的進展對于食品技術人員來講是很有用的。食品粉碎方式與理論一、食品粉碎的目的與方式粉碎是利用機械的方法克服固體物料內(nèi)部的凝聚力而將大尺寸的固體變?yōu)樾〕叽绲墓腆w的一種操作，是食品加工、特別是在食品原料加工中的基本操作之一。（一）食品粉碎目的1 .減少固體尺寸，可以加快溶解速度或提高混合均勻度，或是重新賦形以改進食品的口感，如鹽、糖等的粉碎；2 .控制多種物料相近的粒度，防止各種粉料混合后再產(chǎn)生自動分級的離析現(xiàn)象如調(diào)味粉、代乳粉、乳飲料等；3 .進行選擇性粉碎使原料顆粒內(nèi)的成分進行分離，如玉米脫胚、小麥制粉等；4 .減小體型，加快干燥脫水速度；5 .許多食品產(chǎn)品要求有一定的粒度，以保

3、證粉料和粒料的容積質(zhì)量，使之不影響包裝容積、速溶度和調(diào)理性等。（二）食品粉碎級別根據(jù)粉碎的粒度大小，可以將粉碎分成以下幾種級別：1 .粗破碎：物料被破碎到200-100mm的粒度2 .中破碎：物料被破碎到70-20mm的粒度3 .細破碎：物料被破碎到10-5mm的粒度4 .粗粉碎：將物料粉碎到5-0.7mm的粒度5 .超細粉碎：將物料90%以上粉碎到能通過200目標準篩網(wǎng)6 .微粉碎：將物料90%以上粉碎到能通過325目標準篩網(wǎng)7 .超微粉碎：將全部物料粉碎到微米級的粒度（三）食品粉碎方式食品粉碎方式很多，主要有以下幾種：1 .擠壓粉碎指物料置于兩個工作構件之間，逐漸加壓，使之由彈性變形或塑性

4、變形而至破裂粉碎的食品粉碎方式。這種粉碎方式僅適用于脆性物料。食品加工中常用的擠壓方式是對輥粉碎，當對輥的線速度相等時，則為純粹的積壓方式。被處理物料若是具有一定的韌性和塑性，則處理后物料可呈片狀。例如軋制麥片、米片以及油料軋片等處理方式均屬于此類。2 .彎曲折斷粉碎指物料在工作構件間承受彎曲應力超過強度極限而折斷的食品粉碎方式。一般用來處理較大快的長或薄的脆性物料，例如榨油殘渣油餅、玉米穗等，粉碎的力度較低。3 .剪切粉碎指物料在構件間承受切應力超過強度極限而折斷的食品粉碎方式。這是一種粉碎韌性物料能耗較低的粉碎方式。新形成的表面比較規(guī)則易于控制處理后粒度的大小，一般果蔬和肉類的切塊、切片、

5、切絲、切丁都屬于這一類。在小麥磨粉用的拉絲對輥磨粉機中，剪切也起著重要作用。4 .撞擊粉碎指當物料與工作構件以相對高速運動撞擊時，受到時間極短的變載荷，物料被擊碎的食品粉碎方式。這種粉碎方式適用于質(zhì)量較大的脆性物料。撞擊粉碎應用范圍很廣，從較大塊的破碎到微粉碎均可使用，而且可以粉碎多種物料。最典型的撞擊粉碎是錘式粉碎機，它在食品工業(yè)中用得很多。也有利用物料自身高速運動而碰撞粉碎的機器，稱為超音速噴射粉碎機，但是其能耗很大。5 .研磨粉碎指物料與粗糙工作面之間在一定壓力下相對運動而摩擦，使物料受到破壞，表面剝落的食品粉碎方式。這是一種既有擠壓又有剪切的復雜過程。對于某一種物料而言，當兩個工作表面

6、之間的壓力小于某一個最小的極值或兩個工作表面之間的間隙不小于某一個最小的極值時，通過研磨粉碎可以得到所需要的粉碎效果。在一般性粉碎或是選擇性粉碎中，由于研磨工作表面的差異，可以產(chǎn)生形形色色的工藝效果。例如小麥粒在對輥磨粉機中，首先受到擠壓和剪切作用而使麩皮列展開，胚乳脫離麩皮，麩皮盡量保持完整；然后借擠壓和剪切將分出的胚乳部分磨成細粉。這個過程稱為選擇性粉碎。大豆和玉米的選擇性粉碎過程又不一樣。在膠體磨中，由于物料顆粒被粉碎到微米級，處理后物料的性質(zhì)又與純固體粉碎的不同。二、粉碎理論（一）粉碎力的種類與形式物料粉碎時所受到的作用力包括擠壓力、沖擊力和剪切力（摩擦力）三種。根據(jù)施力種類與方式的不

7、同，物料粉碎的基本方法包括壓碎、劈碎、折斷、磨碎和沖擊破碎等形式。1 .壓碎物料置于兩個粉碎面之間，施加壓力后物料因壓力達到其抗壓強度極限而被粉碎。2 .劈碎用一個平面和一個帶尖棱的工作表面擠壓物料時，物料沿壓力作用線的方向劈裂，這是由于劈裂平面上的拉應力達到或超過物料拉伸強度極限。3 .折斷被粉碎的物料相當于承受集中載荷的兩支點或多支點梁，當物料內(nèi)的彎曲應力達到物料的彎曲強度極限時而被折斷。4 .磨碎物料與運動的表面之間受一定的壓力和剪切力作用，當剪應力達到物料的剪切強度極限時，物料就被粉碎。5 .沖擊破碎物料在瞬間受到外來沖擊力而粉碎，它對于粉碎脆性物料最有利。（二）物料的力學性質(zhì)物料的力

8、學性質(zhì)與所要選擇的粉碎方式有很大的關系。根據(jù)物料應變與應力的關系以及極限應力的不同，其力學性質(zhì)包括以下4種：1 .硬度它是根據(jù)物料彈性模量大小來劃分的性質(zhì)，有硬與軟之分。硬度越高表明物料抵抗彈性變形的能力越大。物料的硬度是確定粉碎作業(yè)程序、選擇設備類型和尺寸的主要依據(jù)。2 .強度它是根據(jù)物料彈性極限應力的大小來劃分的性質(zhì)，有強與弱之分，強的材料抵抗塑變的能力越大。3 .脆性它是根據(jù)物料塑變區(qū)域長短來劃分的性質(zhì)，有脆性和可塑性之分。4 .韌性它是一種抵抗物料裂縫擴展能力的特性，韌性越大，則裂縫末端的應力集中就容易得到緩解。對一種具體的物料來說，上述4種力學特性之間有內(nèi)在的聯(lián)系，導致物料綜合性質(zhì)的

9、復雜化，這些對粉碎時所需的變形力均有影響?？偟膩碚f，凡是強度越強、硬度越小、脆性越小而韌性越大的物料，其所需的變形能就越多。選擇粉碎方法時，須視被粉碎物料的物化性質(zhì)與所要求的粉碎比而定，尤其是物料的機械性質(zhì)影響更大，其中物料的硬度和破裂性更居首要地位。對于特別堅硬的物料用擠壓和沖擊很有效，對于韌性物料用研磨和剪切較好，而對于脆性物料則以劈裂、沖擊為宜。實際上，任何一種粉碎機都不是單純利用上述某種方法進行粉碎，而是結合利用兩種或兩種以上的粉碎方法實現(xiàn)的，例如壓碎和折斷，沖斷和磨碎等。三、粉碎能量消耗的機理目前，人們對粉碎機理的認識尚不徹底。通常認為物料受到各種不同粉碎力作用后，首先要產(chǎn)生相應的應

10、變，并以變形內(nèi)能形成積蓄于物料內(nèi)部。當局部積蓄的變形能超過某臨界值時，裂解就發(fā)生在脆弱的斷裂線上。從這一角度分析，粉碎至少需要兩方面的能量：一是裂解發(fā)生前的變形能，這部分能量與顆粒的體積有關；二是裂解發(fā)生后出現(xiàn)新表面所需的表面能，這部分能量與新出現(xiàn)表面積的大小有關。達到臨界狀態(tài)（未裂解）的變形能與顆粒的體積有關，這是因為脆弱的斷裂線和疵點對于粒度愈大的顆粒存在的可能性就愈大。大顆粒所需的臨界應力就較小顆粒小，因而消耗的變形能也就較少。這就是粉碎操作為什么隨著力度減小而變得更加困難的原因。在粒度相同情況下，由于物料的力學性質(zhì)不同所需的臨界變形能也不相同。物料受到應力作用時，在彈性極限應力以下則發(fā)

11、生彈性變形；當作用的應力在彈性極限應力以上時就會出現(xiàn)永久變形，直至應力達到屈服應力。在屈服應力以上，物料開始流動，經(jīng)歷塑變區(qū)域直至達到破壞應力而斷裂。對于任何一個顆粒來說，都存在著一個臨界粉碎能量。但粉碎條件純粹是偶然的，許多顆粒受到的沖擊不足以使其粉碎，而是在一些特別有力的猛然沖擊下才粉碎的。因此，最有效的磨碎機只利用了不到1%的能量去粉碎顆粒和產(chǎn)生新表面。其余的能量則消耗于以下幾個方面：（1）未破碎顆粒的彈性變形；（2）物料在粉碎室內(nèi)的來回運轉(zhuǎn)；（3）顆粒之間的摩擦；（4）顆粒和粉碎機之間的摩擦；（5）發(fā)熱；（6）振動的噪音；（7）傳動機件和電動機的物效能耗。四、粉碎規(guī)則與粉碎操作（一）粉

12、碎規(guī)則粉碎物料的基本原則是只需將物料粉碎到所需的粉碎程度，而不作過度的粉碎。因此粉碎規(guī)則如下。1 .對被粉碎物料只需粉碎到需要的或適于下一工序加工的粉碎比，到達此程度后，應立即使物料離開粉碎機；2 .在粉碎操作的前后，都要過篩，凡能通過所需大小篩孔的物料，就不使它再經(jīng)過粉碎機粉碎，以免引起過度粉碎，降低粉碎機的生產(chǎn)能力；3 .當所需粉碎比較大時，應分成幾個步驟進行粉碎，實驗證明當粉碎比在4左右時，操作效率最高；4 .粉碎過程盡可能單一，不應添加其它操作（二）粉碎操作在粉碎操作中，首先要考慮的是采用何種粉碎方法或設備，這主要取決于被粉碎物料的大小和所要求的粉碎比及物料的物性，而其中物料的硬度和破

13、裂性是最為重要的考慮因素。擠壓和沖擊力對于特別堅硬的物料很有效，剪切力（或摩擦力）對于韌性物料有效。將大塊固體物料粉碎為細粉，由于一次粉碎比很大，通常分為若干級，使每級負擔一定的粉碎比。通常干法操作有開路磨碎、自由壓碎、滯塞進料和閉路磨碎幾種方法。1 .開路磨碎研磨操作的一種最簡單的方法。這種方法不用振動篩等附屬分粒設備，設備投資費用低。物料加入粉碎機中經(jīng)過粉碎作用區(qū)后，即作為制品卸出，粗粒不再循環(huán)。由于有的粗?？赡軙芸焱ㄟ^粉碎機，而有的細粒在機內(nèi)停留時間很長，故制品粒度分布很寬，能量利用不充分。2 .自由壓碎可以保持物料在作用區(qū)的停留時間很短。當與開路磨碎結合時，讓物料借重力落入作用區(qū)，限

14、制了不必要細粒的粉碎，減少了過細的粉末形成。此法在功率消耗方面較經(jīng)濟，但由于有些大顆?？赡軙杆偻ㄟ^粉碎區(qū)，仍可能產(chǎn)生較寬的粒度分布。3 .滯塞進料利用機器出口插入篩網(wǎng)，限制制品的卸出，對于給定的進料速度，制品滯塞于粉碎作用區(qū)，直至粉碎成能通過篩孔大小為止。因物料在粉碎作用區(qū)中停留時間長，細粒會受到過度粉碎，功率消耗大。滯塞進料法常無法用于需要細破碎制品的場合，用一臺機器操作可獲得很大的粉碎比。4 .閉路磨碎從粉碎機出來的物料先經(jīng)分粒系統(tǒng)，分出過粗的物料粒，再重新回入粉碎機，粉碎機的工作只是針對較大的顆粒，物料在粉碎作用區(qū)中的停留時間短，動力消耗較為經(jīng)濟。所采用的分粒方法根據(jù)送料的形式而定，采

15、用重力加料或機械螺旋送料時，常采用振動篩作為分粒設備，當用水力或氣力輸送時則常采用旋風分離器。粉碎操作除了上述所謂干法粉碎外，還有濕法粉碎，即被處理的物料在懸浮于載體液流中進行粉碎。常用水作載體，其中水起著硬度降低劑的作用。亦可采用其他表面活性劑作硬度和黏度降低劑。實踐證明，濕法粉碎操作一般能量消耗比干法粉碎大，同時設備的磨損也嚴重。但濕法粉碎比干法粉碎易獲得更細的制品，在超微粉碎中應用廣泛。除上述干法粉碎和濕法粉碎操作外，還有低溫粉碎操作等。低溫粉碎是針對那些在常溫下有熱塑性或非常強韌、粉碎有困難的物料，當其冷卻到低溫時，物料成為脆性物料可進行相應的粉碎。五、助磨劑（一）概述在粉碎中，能夠顯

16、著提高粉碎效率或降低能量消耗的化學物質(zhì)（固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)化學物質(zhì)）稱為助磨劑。由于粉碎作業(yè)，尤其是超為粉碎的能量消耗較高，能量利用率又很低，因此助磨劑的研究具有重要的理論意義和實際意義。（二）作用原理兩種學說：1 .吸附降低硬度學說首先由列賓捷爾和威斯特沃德提出，稱之為“列賓捷爾效應”或“威斯特沃德效應”助磨劑分子在顆粒上的吸附降低了顆粒的表面能或者引起金表面層晶格的位錯遷移，產(chǎn)生點或線的缺陷，從而降低顆粒的強度和硬度，促進裂紋的產(chǎn)生和擴展；2 .礦漿流變學調(diào)節(jié)學說由克蘭帕爾等人提出來助磨劑通過調(diào)節(jié)漿料（如礦漿）的流變學性質(zhì)和顆粒的表面電性等，降低漿料（如礦漿）的黏度，促進顆粒的分散，從而提高

17、漿料的可流動性，阻止顆粒在磨研介質(zhì)及磨研機擋板上的黏附以及顆粒之間的團聚。（三）分類與應用1 .助磨劑的種類按助磨劑添加時的物質(zhì)狀態(tài)可分為固體助磨劑、液體助磨劑和氣體助磨劑；根據(jù)化學性質(zhì)可分為有機助磨劑和無機助磨劑。固體助磨劑：如硬質(zhì)酸鹽類、固體二氧化硅、炭黑、氧化鎂粉、膠體石墨等液體助磨劑：包括各種表面活性劑、分散劑等。如用于水泥熟料、分解石、石灰石等粉碎的三乙醇胺；用于石英等粉碎的烷基油酸（鈉）；用于滑石粉碎的聚羧酸鈉；用于硅灰石粉碎的六篇磷酸鈉等氣體助磨劑：如蒸汽狀的極性物質(zhì)（丙酮、硝基甲烷、甲醇、水蒸氣）以及非極性物質(zhì)（四氯化碳等）從化學結構上來說，助磨劑應具有選擇性的良好分散作用，能

18、夠調(diào)節(jié)漿料的黏度，具有將強的抗Ca2+、Mg2+的能力，受pH的影響較小等，也即助磨劑的分子結構要與磨物料系統(tǒng)復雜的物理化學環(huán)境相適應。在非金屬礦的濕式超微粉碎中，常用的助磨劑通常是表面活性劑，根據(jù)其化學結構可以分為以下三種：（1）堿性聚合無機鹽，在這類中，除了用于硅酸鹽物料的磨物料外，多聚磷酸鹽優(yōu)于多聚硅酸鹽；（2）堿性聚合有機鹽，在這類中，最適合的是聚丙烯酸酯，它受pH的影響最?。?）偶極-偶極有機化合物，如烷烴醇胺等2 .助磨劑的應用雖然對粉碎中助磨劑的使用已進行了長期的研究，包括實驗室試驗、半工業(yè)性試驗和工業(yè)性試驗，但是，除了水泥及部分工業(yè)物料（如云母、滑石、硅灰石、高嶺土、碳酸鈣、石墨等）、顏料物料以及金屬粉末的細磨或超細磨外，助磨劑尚未在粉碎工業(yè)中推廣使用。其原因除了經(jīng)濟因素（如成本等）和環(huán)保要求（如必須無毒、無污染等）外，還有以下原因：3 1）只有在粉碎粒度細，研磨濃度高或漿料（如礦漿）黏度大大增加時，使用助磨劑才能取得顯著的效果，在粉碎粒度較粗，研磨濃度不高或料漿不粘時，使用助磨劑沒有顯著的效果。4 2）大多數(shù)助磨劑的用量要求較嚴，用量太小，助磨效果不明顯；用量過大