食品超高压技术

食品超高压均质技术

摘要:食品工业中高压处理食品分静态超高压技术和动态超高压均质技术，本文介绍超高压均质技术的原理及其对食品的影响。

1.超高压均质技术简介

超高压食品加工有两类，第一是超高压静态处理方式，压力一般400MPa一I000MPa。常温或较低温度下将食品放置在以水或其他液体为介质的容器里,升压到设定值时压力，静态保持一定时间(10一30分钟),从而达到灭菌和改变食品某些理化特性的目的。第二种是超高压动态，也就是超高压均质处理方式，压力在looMPa一36oMPa之间。超高压均质就是液体食品高速流过狭窄的缝隙时而受到强大的剪切力,液体被冲击到金属环上而产生强大撞击力以及因静压力突降与突升而产生的空穴爆炸力等综合作用,把原先颗粒比较粗大的乳浊液或悬浮液加工成颗粒非常细微的稳定的乳浊液或悬浮液的过程[1]。

传统的均质机压力一般是20一50MPa,在食品工业中应用在破裂脂肪球,形成稳定的乳状液。超高压均质处理的压力一般达到200MPa,可以用于破碎微生物细胞，物料受到强烈剪切，高速撞击，剧烈震荡，压力瞬间释放等动力作用,这样不仅有超高静压杀菌相同的效果,还有均质作用[2]。

2.均质及超高压均的原理

2.1均质机理分析

均质是分散相颗粒或分散液滴破碎分散到液体物料中，而其中直接原因是受到剪切力和压力的作用。引起剪切力和压力作用的具体流体力学效应主要有层流

效应、湍流效应和空穴效应。层流效应是引起分散相颗粒或液滴的剪切和拉长;湍流效应是在压力波动作用下引起分散相颗粒或液滴的随意变形;空穴效应是使形成的小气泡瞬间破碎产生冲击波,而引起剧烈搅动[1]。

2.2 超高压均质机理

超高压均质是利用高超压使得液料高速流过狭窄的缝隙时而受到强大的剪切力、液料被冲击到金属环上而产生强大撞击力以及因静压力突降与突升而产生的空穴爆炸力等等综合力的作用,把原先颗粒比较粗大的乳浊液或悬浮液加工成颗粒非常细微的稳定的乳浊液或悬浮液的过程。被均质物料通过阀座与阀杆间大小可调的间隙h(一般为0.1mm)时,其流速在瞬间被加速到200～300m/s,从而产生巨大的压力降,当压力降低到工作温度下液体的饱和蒸汽压(或空气分离压)时,液体就开始“沸腾”,迅速“汽化”,内部产生大量汽泡。含有大量微汽泡的液体朝缝隙出口流出,流速逐渐降低,压力又随之提高,压力增加到一定值时,液体中的汽泡突然破灭而重新凝结,汽泡在瞬时大量生成和溃灭就形成了空穴现象。空穴现象似无数的微型炸弹,能量强烈释放产生强烈的高频振动,同时伴随着强烈的湍流产生的强烈的剪切力,液体中的软性、半软性颗粒就在空穴、湍流的剪切力的共同作用下被粉碎成微粒,其中空穴效应所起作用被认为较大。被粉碎的微粒接着又高速冲击到冲击环上,被进一步粉碎和分散[1].[3]。

3.超高压均质作用力[4]

3.1剪切作用

在高压均质机内,有两处地方会发生剪切作用,一处是细胞悬浮液通过狭窄的阀门间隙时阀门壁的剪切,另一处是辐射状流体撞击碰撞环时的碰撞剪切大压力相应的减小了阀门间隙,从而增强了在阀门间隙处和碰撞环处的剪切能力。

3.2高速流体撞击作用

两股相同的高速流体在撞击管区剧烈地碰撞,流体猛然失去原来流动方向上的速度,产生巨大的撞击能量。流体中的固体颗粒相互强烈碰撞,撞击可能导致固体颗粒的破碎。同时,由于巨大的压力降,可以进一步促进这种效果,从而使固体颗粒结构破坏。

3.3涡旋作用

高速流体撞击后,在撞击区会形成强烈的涡旋作用。在湍流场中,存在着大量的大小不一、自由运动的漩涡。由于这些漩涡的作用,微粒将经历不同形式和强度的运动。当微粒尺寸小于最小漩涡的尺寸时,漩涡部分地带动微粒移动,在上造成了剪切应力,促使液体发生流动,从而使微粒发生破碎。当微粒直径大于最小漩涡的尺寸时,漩涡完全携带着运动,微粒表面不同部位的压力起伏引起微粒振动,从而发生破碎坏。

3.4气穴作用

流体相撞后压力瞬时下降,当压力低于液体的蒸气压时出现气穴现象。随着气穴作用时间和强度的增大,气蚀产生的威力也是不容置疑的。

4.超高压均质对食品品质和微生物的影响

4.1超高压均质对食品成分和品质的影响

超高压均质(UHPH)是一种物理手段和工具,在均质机中,剧烈的处理条件,如瞬间的高压、剪切力、空穴爆炸力等,使得液体颗粒高度破碎,达到纳米级的尺寸。随着均质压力的升高可以防止脂肪颗粒的絮凝,使之分散均匀[5],从而降低颗粒的沉淀和上浮,减小乳状液中颗粒的大小[6],从而提高食品的稳定、改善食品口感、延长产品的货架期。

4.2超高压均质对微生物的影响

超高压均质杀菌处理是液体食品在超高压均质机内受到挤压、剪切、压力释放等强烈的机械作用,使料液细菌的细胞结构发生破坏和改变,从而失去或钝化其生物活性,达到杀菌目的.

5.超高压均质与高剪切力均质的比较

5.1高剪切均质机理[1]

工作原理是转子带有叶片高速旋转产生强大的离心力场,在转子中心形成很强的负压区,料液(液液、或液固相混合物)从定转子中心被吸入,在离心力的作用下,物料由中心向四周扩散,在向四周扩散过程中,物料首先受到叶片的搅拌,并在叶片端面与定子齿圈内侧窄小间隙内受到剪切,然后进入内圈转齿与定齿的窄小间隙内,在机械力和流体力学效应的作用下,产生很大的剪切、摩擦、撞击以及物料间的相互碰撞和摩擦作用而使分散相颗粒或液滴破碎。

随着转齿的线速度由内圈向外圈逐渐增高,粉碎环境不断改善,物料在向外圈运动过程中受到越来越强烈地剪切、摩擦、冲击和碰撞等作用而被粉碎得越来越细从而达到均质乳化目的。强大的压力波可使软性、半软性颗粒被粉碎,或硬性团

聚的细小颗粒被分散。由分析可知,物料在定转子腔内被均质的机理较复杂,其中剪切起主导作用,其次是空穴作用。

5.2超高压均质与高剪切力均质效果比较

研究者用牛奶和大豆通过高压均质机和高剪切均质机分别作用试验,可以看出,高压均质机对牛奶的均质效果要好于高剪切均质机,而高剪切均质机对未去皮大豆的均质效果非常明显。原因是高压均质机由于空穴作用强烈,易使软性、半软性颗粒破碎,从而达到理想的均质效果,而高剪切均质机在工作过程中,由定转子之间的相对高速旋转而产生剪切作用,因此对含纤维物料的均质十分有效。参考文献

[1] 杨诗斌,徐凯,张志森.高剪切及高压均质机理研究及其在食品工业业中的应用

[J1.粮油加工与食品机械,2002(04):32一35.

[2]杜军,张绍英,戴元忠等.动力作用作为冷杀菌方法的可行性初探[J].中国乳品工业,2002,30(6):25一27.

[3] 张志森.高压均质机理分析与探讨〔J〕.包装与食品机械,2001,(1).

[4] 曹建平.超高压均质对澳豆豆乳理化性质及与溶菌酶协同作用对微生物的影响.南京农业大学硕士论文.2008.6.

[5]R.Lander,W.Manger,M.Scouloudis,A.Ku,C.Davis,andA.Lee.GaulinHomogeniZation: AMechanistic study[J].Biotechnol.Progress.2000,16:80一8.

[6]Ram,A.,Kadim,A..Shear degradation of Polymer solutions [J].APPI.Polym·Sci.1970, 14:2145一2156.