李存紅 侯艷 符德學(xué)

（1.焦作大學(xué)化工與環(huán)境工程學(xué)院，河南 焦作 454000 2.河南省四大懷藥有效成分提取及產(chǎn)品研究院士工作站，河南 焦作 454000）

鐵棍山藥為焦作市傳統(tǒng)種植的四大懷藥之一，不僅是傳統(tǒng)中藥材，還有悠久的食用歷史。鐵棍山藥含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、多糖、16種人體所需氨基酸等，能益腎氣、健脾胃、調(diào)節(jié)免疫功能、抗氧化、降血脂、降血糖等[1]。近年來，鐵棍山藥深加工產(chǎn)品果蔬汁、乳飲品大量出現(xiàn)，在加工過程中，如何避免營養(yǎng)損失，保證其均勻的乳化狀態(tài)，延長產(chǎn)品保藏期，成為急需解決的重要問題之一。因此，均質(zhì)技術(shù)已成為提高產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。本文對高壓均質(zhì)、高剪切乳化、微射流均質(zhì)三種均質(zhì)方式進行了比較，以期為山藥制品的良好分散找到適合的解決途徑。

1. 乳化與均質(zhì)的由來

工業(yè)上，兩種互不相溶的液體或固液夾雜時，通常利用乳化機來完成油水乳化，達到分散均質(zhì)的作用。當油水兩相介質(zhì)夾雜形成油包水或水包油后，不能穩(wěn)定存在，需要合適的乳化劑來改善體系的表面張力，同時需要利用強烈的切割分散，將介質(zhì)打散為細小顆粒，最終形成穩(wěn)定均勻的分散體系，達到良好的乳化效果。

目前，乳化機的應(yīng)用不僅限于乳化。乳化機具有強烈的剪切效果，可以使粉粒體在摧毀撞擊下破碎，最終細化到細小粒徑，然后使固體顆粒充分摻混到液體中并構(gòu)成相對不變的懸浮液。當物料的細度達到微米甚至納米級時，體系可以被認為均質(zhì)。

高壓均質(zhì)可以使物料細化成微小顆粒，將乳化與均質(zhì)聯(lián)系起來，得到穩(wěn)定的乳狀液，因此，乳化機又可以稱為均質(zhì)乳化機。

2. 均質(zhì)機的原理

均質(zhì)機的作用力主要為剪切力和壓力。在均質(zhì)過程中，產(chǎn)生層流效應(yīng)，分散相顆粒或液滴被剪切和延伸拉碎；受到湍流效應(yīng)影響，顆粒或液滴在壓力波動下產(chǎn)生隨機變形；受到空穴效應(yīng)的影響，較高的壓力作用使小氣泡迅速破裂,釋放能量，從而引起局部液壓沖擊,造成振動[2]。在這些共同作用下，物料呈良好的均勻分布狀態(tài)。

2.1 高壓均質(zhì)機的原理[3]

柱塞泵通過不斷的往復(fù)運動，將物料吸入閥組中（圖1）,柱塞可調(diào)節(jié)壓力的大小。物料在高壓下流過縫隙時，液滴首先被延伸，后因通過閥體時的湍流作用，使延伸部分剪切拉碎。從閥縫中高速沖出的液流撞上擋圈，產(chǎn)生高速的撞擊作用。同時，壓力迅速大幅下降，產(chǎn)生很大的爆破力，瞬時引起空穴現(xiàn)象，強烈釋放的能量和強烈的高頻振動，使顆?；蛞旱纹扑椋瑥亩_到液體樣品均質(zhì)、粉碎和乳化的效果。液滴在料液進口處攜帶極高的靜壓能，在均質(zhì)過程中，靜壓能轉(zhuǎn)化成了動能，使液滴破裂。

圖1 高壓均質(zhì)機

2.2 高剪切乳化機的原理[4]

剪切頭由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子與定子相互嚙合,每級定轉(zhuǎn)子又有數(shù)層齒圈(圖2)。轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強大的離心力，形成強負壓區(qū)，物料被吸入工作腔(圖3)，在定、轉(zhuǎn)子間隙內(nèi)受到剪切、離心擠壓、撞擊撕裂和湍流等綜合作用，而產(chǎn)生分裂液滴的張力。液體離開定子小孔后壓力又回升，由此產(chǎn)生了空穴效應(yīng)。均質(zhì)頭高速旋轉(zhuǎn)，對物料進行剪切、分散、撞擊。這樣物料就會變得更加細膩，完成均質(zhì)。

圖2 齒圈

圖3 工作腔

2.3 微射流均質(zhì)機的原理[5]

微射流高壓均質(zhì)機主要是由分散單元和增壓機構(gòu)組成。在增壓機構(gòu)的作用下，利用液壓泵產(chǎn)生的高壓，流體經(jīng)過孔徑很微小的閥心，產(chǎn)生幾倍音速的流體，并在分散單元的狹小縫隙間快速通過，進行強烈的高速撞擊。在撞擊過程中，流體瞬間轉(zhuǎn)化其大部分能量，流體內(nèi)壓力的急劇下降而形成超聲速流體，流體內(nèi)的粒子碰撞、空化和湍流，剪切力作用于納米大小的細微分子，使流體的成分以完全均質(zhì)的狀態(tài)存在(圖4)。

圖4 微射流均質(zhì)機工作原理

3. 均質(zhì)機的比較

高壓均質(zhì)機主要通過壓力系統(tǒng)的高壓對物料擠壓、延伸、撞擊、破碎，主要依靠空穴效應(yīng)和湍流效應(yīng)。均質(zhì)機的均質(zhì)閥設(shè)計間隙大，均質(zhì)壓力較低，在對高硬度顆粒均質(zhì)時容易損壞，維修難度大。優(yōu)點是價格相對較低。高壓均質(zhì)機對處理軟性、半軟性的顆粒狀物料比較合適。

高剪切乳化機主要是靠定轉(zhuǎn)子之間的相對高速運動產(chǎn)生的高剪切作用 ,使物料剪切、撕裂和混合，同時，較強的空穴作用對物料顆粒進行分散、細化、均質(zhì)。其優(yōu)點是處理量大，生產(chǎn)的產(chǎn)品穩(wěn)定性好，不容易破壞乳分層，機器比較耐用，而且容易維修，均質(zhì)形式更加豐富，缺點是體積比較大。

微射流均質(zhì)機利用百微米左右孔道形成超音速射流，射流間相互對撞，進行極強烈的剪切，得到更高的均質(zhì)壓力, 產(chǎn)生更好的粒徑分布效果。但是, 其設(shè)計壓力高, 流量較小, 造價相對偏高。具體比較見表1。

表1 三種均質(zhì)機的比較

4. 應(yīng)用分析

高壓均質(zhì)機由于壓力限制，對處理軟性、半軟性的顆粒狀物料比較合適，不適宜高粘度的物料。鞠健等[6]采用優(yōu)化后的超高壓輔助提取法可明顯提高山藥皮總酚提取率, 且提取時間短、工藝條件穩(wěn)定。賀永朝等[7]采用高壓均質(zhì)處理懷山藥，發(fā)現(xiàn)可以降低淀粉內(nèi)部的有序度, 降低抗酶解能力, 提高淀粉消化性,且壓力越高, 該趨勢越明顯。高壓均質(zhì)機使各類乳品飲料中的脂肪球顯著細化，用于冰淇淋等制品的生產(chǎn)中，能提高料液的細潔度和疏松度，防止或減少料液分層，口感更醇。

高剪切乳化機比較適合處理含纖維較多或者較硬的顆粒物料，混料、殺菌、均質(zhì)可同時完成。劉俊梅等[8]采用高剪切乳化技術(shù)處理大豆蛋白，使蛋白顆粒大大減小，疏水基團暴露，有利于形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，可以顯著提高大豆分離蛋白凝膠持水性。郭維靜等[9]通過高速剪切乳化技術(shù)處理玉米蛋白粉來改變蛋白粉的物理特性，可以顯著降低顆粒大小 ，提高流變性和溶解度，提高淀粉降解率和蛋白質(zhì)水解度，有效抑制了果蔬汁的分層現(xiàn)象。高剪切乳化機廣泛應(yīng)用于粘度較大、乳化要求較高的產(chǎn)品，如果醬、果茶等。

微射流均質(zhì)機使介質(zhì)的顆粒極度細化(液—液均質(zhì)平均粒度在1 以下)，均質(zhì)后的產(chǎn)品還能得到不沉淀、高膠狀、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，從而使成品的外觀也大大改善，適用于納米新材料、制藥、生物技術(shù)、化妝品、高端飲μ品m等行業(yè)。郭曉君[10]等采用超高壓微射流技術(shù)對山藥汁進行處理，發(fā)現(xiàn)可顯著改善山藥汁的物理穩(wěn)定性，物料中可溶性固形物含量無顯著變化；亮度值顯著增大，山藥汁中顆粒平均粒徑顯著減小，濁度和非酶褐變度逐漸降低。劉夢培[11]等研究發(fā)現(xiàn)，超高壓微射流處理能較好地保持山藥汁中的營養(yǎng)成分,在80 MPa壓力下,氨基酸增加，還原糖、總酸和黃酮呈較小幅度降低。王小媛[12]等研究表明，高壓微射流對鐵棍山藥汁中微生物有較好的殺菌效果。微射流均質(zhì)機可形成納米乳劑，除了滅菌之外還可破碎提取細胞中的有用營養(yǎng)成分，可以將纖維素的某一維度尺寸縮小至100 nm以內(nèi),形成納米纖化纖維素。

人體吸收是由于酶的作用，進入人體的物質(zhì)其顆粒度越小則與酶接觸起反應(yīng)的表面積越大，吸收的效率就越高。能夠高效率地破碎細胞壁，從而提取其內(nèi)含物，對提高人體的吸收率有很大的意義。因此，選擇合適的均質(zhì)設(shè)備成為生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵。各設(shè)備均有利弊，單獨使用高壓均質(zhì)機，由于壓力較小，達不到分散研磨的良好效果，單獨使用微射流均質(zhì)機，其流量較小，高剪切乳化機的攪拌作用強烈。因此，可以采取二者或三者協(xié)同作用來處理物料，或能達到較好的均質(zhì)效果。