均质理论

均质理论2013.12.14目录1.均质定义2.脂肪球破裂方面的技术3.加工要求4.流动特性5.均质理论6.一级均质和二级均质7.均质作用8.均质机9.均质装置10.稀奶油上浮速度的研究11.粒径分布分析12.生产线上的均质机13.全流均质14.部分均质15.均质乳制品对人体健康的影响1、均质定义均质是一个使被均质对象均化分离的过程。它是一个集单元尺寸缩小及相互接触同时发生的处理过程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。均质使脂肪球破裂成比原来小得多的脂肪球，如右图所示。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1μm，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。2、脂肪球破裂方面的技术3.2micron0.80.20148周上升速度可以由以下公式决定gxparticlesize2x(dens.SM-dens.fat)18xvisc.milkPSD.TPPC.TetraAlex,MRNo.12,JJ03根据斯托克斯定律，粒子的上升速度可表示为：v=gr2(ρ0-ρ)/18ηv=沉降速度g=重力加速度r=粒子尺寸ρ=粒子的密度ρ0=介质的密度η=介质的粘度或是v＝常数×r2，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。3、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。均质温度通常采用55-80℃，均质压力介于10-25Mpa(100~250bar)之间，其大小决定于产品种类。4、流动特性当液体通过窄缝时，液流速度增加，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（P=F*v），液体停止沸腾而蒸汽汽泡破裂。在均质中，牛乳被强制通过一个窄缝，在此脂肪球破裂未均质的产品间隙≈0.1mm5、均质理论对于像牛乳这样的水包油乳液，连续相中大多数的液滴直径小于1μm(10-6m)。只有两种理论仍然成立。湍流涡流（“微旋涡”）引起脂肪球破裂的理论：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。空穴理论: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。减小脂肪球的大小（脂肪上浮是无法避免的）实现均质的重要因素：*流速（100—200m/s)*均质通道：0.1mm均质的方式：*湍流效果占80%*气穴现象占20%*靠内外压差均质压力与货架寿命成正比，40bar压差会升高5℃均质最佳温度：*巴氏奶均质最高温度是65℃*UHT奶均质最佳温度是70—75℃6、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。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：*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：*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下图所示。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7、均质作用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。●发酵乳制品具更佳稳定性。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”●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。对乳类产品进行均质的作用牛奶还原奶乳酪酸奶冰激淋混合物防止乳脂分层上浮防止添加物沉淀使产品无脂肪分层提高黏度改进风味及口感防止乳清分离提高黏度使脂肪保持乳化稳定均匀提高果汁产品的货架期斯托克斯定律Sedimentationvelocityisgivenbygxparticlesize2x(dens.fibre-dens.juice)18xvisc.juice果汁清汁及浊汁的均质减少果肉的沉淀改善口感，增加色泽和风味豆基产品的均质破碎蛋白颗粒防止包装中出现沉淀改善口感番茄类产品的均质提高黏度提高产品的观感防止包装中出现分层8、均质机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的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。柱塞泵由一个大功率的电机驱动，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。产能及压力对应表ProductmodelPressurestep(bar)Pistondiam.(mm)Capacityrange(l/h)Min.Max.*)曲轴运动速度(rpm)9、均质装置柱塞泵将牛乳的压力从入口时的300KPa(3bar)根据产品种类提高到均质压力10-25Mpa。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。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0.1mm或是均质乳中脂肪球尺寸的100倍。液体通常以100-400m/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40bar的压力降就会使温度升高5℃，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。均质后的产品压力5–80bar(75–1200psi)均质前的产品压力可达400bar(5800psi)均质头中的均质过程10、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。USPH法就是基于这一原理，取样1000ml，静置48h，之后测定顶部100ml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25ml，在40℃以下以1000rpm的速度，在半径为250mm的离心机中离心30min。用底部20ml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50-80%。颗粒大小分布分析的办法USPH标准NIZO方法不同尺寸颗粒的分布激光衍射手段PSD.TPPC.TetraAlex,MRNo.14,JI0511、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，如右图。根据样品中粒子的数量和大小，光线将被散射开来。用激光照射进行粒子分析图粒径分布分析(2)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右图所示，注意，当使用较高的均质压力时，曲线向左漂移。粒径分布曲线图12、生产线上的均质机均质机通常被设置在上游区段，即放在热交换器最终加热的前面。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UHT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，即放在UHT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。对于间接式UHT系统，当脂肪含量高于6-10%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。13、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。14、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。全均质Flow:21000l/h(5500gph)Fat:3.25%部分均质Flow:3800l/h(1000gph)Fat:18%Cream40%Skim18%3.25%Cream40%Skim3.25%3.25%巴式奶生产中采用部分均质工艺可以节省耗能更低的电耗更低的水，汽损耗更低的设备投资减少备件使用量例：Qp=加工线能力，L/h5000L/hQsm=标准化乳的流量，L/hQh=均质能力，L/hfrm=原乳脂肪含量，%4%fsm=标准化乳的脂肪含量，%3%fcm=分离出的稀奶油的脂肪含量，%35%fch=被均质的稀奶油的脂肪含量，%10%标准化的巴氏杀菌乳每小时的流量Qsm是已知的，为60000L，将其代入公式2，可以得出每小时的均质能力18000L，即大约为Qsm的三分之一。部分均质乳在加工线上的流程形式如下图所示。图.6.3.10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15、均质乳制品对健康的影响早在1970年，美国科学家K.Oster就提出了一个假说。经过均质的牛乳可以使黄嘌呤氧化酶通过肠道进入血液中（氧化酶是能促使氧结合某种物质或者从物质中去除氢的一种酶）。根据Oster的理论，与加工相关的嘌呤氧化酶可以破坏