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高压均质、高剪切乳化、微射流均质三种均质方式优缺点及应用

2023-01-09   

以下是高压均质、高剪切乳化、微射流均质三种均质方法的对比。以山药产品为例,为了提高均匀的乳化状态,延长产品的保质期,找到合适的解决方案进行良好的分散。

一.乳化与均质的由来

在工业上,当两种不溶液体或固液混合时,乳化机通常用于乳化油水,达到分散均质的效果。当油水两相介质混合形成油包水或水包油时,不能稳定存在,需要适当的乳化剂来改善系统的表面张力,需要使用强切割分散,将介质分散成小颗粒,最终形成稳定均匀的分散系统,达到良好的乳化效果。

目前,乳化机的应用不仅限于乳化。乳化机具有很强的剪切效果,能使粉粒在破坏和撞击下破碎,最后细化到细小的粒径,然后将固体颗粒充分混合到液体中,形成相对不变的悬浮液。当材料的细度达到微米甚至纳米级时,系统可以被视为均质。

高压均质可将物料细化为微小颗粒,将乳化与均质联系起来,获得稳定的乳液,因此,乳化机又称均质乳化机。

二.均质机的原理

均质机的作用力主要为剪切力和压力。在均质过程中,产生层流效应,分散相颗粒或液滴被切割和延伸粉碎;受湍流效应的影响,颗粒或液滴在压力波动下随机变形;受空穴效应的影响,压力大使小气泡迅速破裂,释放能量,从而造成局部液压冲击和振动。在这些共同作用下,物料呈良好的均匀分布状态。

1、高压均质机的原理

柱塞泵通过不断的往复运动,将物料吸入阀组中(图1,柱塞可调节压力的大小。物料在高压下流过缝隙时,液滴首先被延伸,后因通过阀体时的湍流作用,使延伸部分剪切拉碎。从阀缝中高速冲出的液流撞上挡圈,产生高速的撞击作用。与此同时,压力急剧下降,产生巨大的爆破力,瞬间造成空穴现象,能量释放强烈,高频振动强烈,使颗粒或液滴破碎,从而达到液体样品均质、粉碎和乳化的效果。液滴在料液进口处携带极高的静压能,在均质过程中,静压能转化成了动能,使液滴破裂。

2、高剪切乳化机的原理

剪切头由转子和定子组成,转子与定子相互啮合,每级定转子又有数层齿圈。转子高速旋转产生强大的离心力,形成强负压区,物料被吸入工作腔,在定、转子间隙内受到剪切、离心挤压、撞击撕裂和湍流等综合作用,而产生分裂液滴的张力。液体离开定子小孔后压力又回升,由此产生了空穴效应。均质头高速旋转,对物料进行剪切、分散、撞击。这样物料就会变得更加细腻,完成均质。

3、微射流均质机的原理

微射流均质机主要是由分散单元和增压机构组成。在增压机构的作用下,利用液压泵产生的高压,流体经过孔径很微小的阀心,产生几倍音速的流体,并在分散单元的狭小缝隙间快速通过,进行强烈的高速撞击。在冲击过程中,流体瞬间转化其大部分能量,流体内压力急剧下降,形成超声速流体。流体中的粒子碰撞、空化和湍流,剪切力作用于纳米大小的细分子,使流体的成分处于完全均匀的状态。

三.均质机的比较

高压均质机主要通过压力系统的高压对物料挤压、延伸、撞击、破碎,主要依靠空穴效应和湍流效应。均质机的均质阀设计间隙大,均质压力较低,在对高硬度颗粒均质时容易损坏,维修难度大。优点是价格相对较低。高压均质机对处理软性、半软性的颗粒状物料比较合适。

高剪切乳化机主要是靠定转子之间的相对高速运动产生的高剪切作用,使物料剪切、撕裂和混合,同时,较强的空穴作用对物料颗粒进行分散、细化、均质。其优点是处理量大,生产的产品稳定性好,不容易破坏乳分层,机器比较耐用,而且容易维修,均质形式更加丰富,缺点是体积比较大。

微射流均质机利用百微米左右孔道形成超音速射流,射流间相互对撞,进行极强烈的剪切,得到更高的均质压力,产生更好的粒径分布效果。但是,其设计压力高,流量较小,造价相对偏高。

四.应用分析

高压均质机由于压力限制,对处理软性、半软性的颗粒状物料比较合适,不适宜高粘度的物料。鞠健等采用优化后的超高压辅助提取法可明显提高山药皮总酚提取率,且提取时间短、工艺条件稳定。贺永朝等采用高压均质处理怀山药,发现可以降低淀粉内部的有序度,降低抗酶解能力,提高淀粉消化性,且压力越高,该趋势越明显。高压均质机使各类乳品饮料中的脂肪球显著细化,用于冰淇淋等制品的生产中,能提高料液的细洁度和疏松度,防止或减少料液分层,口感更醇。

高剪切乳化机比较适合处理含纤维较多或者较硬的颗粒物料,混料、杀菌、均质可同时完成。刘俊梅等采用高剪切乳化技术处理大豆蛋白,使蛋白颗粒大大减小,疏水基团暴露,有利于形成凝胶网络,可以显著提高大豆分离蛋白凝胶持水性。郭维静等通过高速剪切乳化技术处理玉米蛋白粉来改变蛋白粉的物理特性,可以显著降低颗粒大小,提高流变性和溶解度,提高淀粉降解率和蛋白质水解度,有效抑制了果蔬汁的分层现象。高剪切乳化机广泛应用于粘度较大、乳化要求较高的产品,如果酱、果茶等。

微射流均质机使介质的颗粒极度细化(液均质平均粒度在1以下),均质后的产品还能得到不沉淀、高胶状、高稳定性等优点,从而使成品的外观也大大改善,适用于纳米新材料、制药、生物技术、化妆品、高端饮品等行业。郭晓君等采用超高压微射流技术对山药汁进行处理,发现可显著改善山药汁的物理稳定性,物料中可溶性固形物含量无显著变化;亮度值显著增大,山药汁中颗粒平均粒径显著减小,浊度和非酶褐变度逐渐降低。

超高压微射流处理能较好地保持山药汁中的营养成分,80MPa压力下,氨基酸增加,还原糖、总酸和黄酮呈较小幅度降低。王小媛等研究表明,高压微射流对铁棍山药汁中微生物有较好的杀菌效果。微射流均质机可形成纳米乳剂,除了灭菌之外还可破碎提取细胞中的有用营养成分,可以将纤维素的某一维度尺寸缩小至100nm以内,形成纳米纤化纤维素。

人体吸收是由于酶的作用,进入人体的物质其颗粒度越小则与酶接触起反应的表面积越大,吸收的效率就越高。能够高效率地破碎细胞壁,从而提取其内含物,对提高人体的吸收率有很大的意义。因此,选择合适的均质设备成为生产过程中的关键。

所有设备都有优缺点。单独使用高压均质机,由于压力小,分散研磨效果不好,单独使用微射流均质机,流量小,高剪切乳化机搅拌效果强。所以,可采用两者或三者协同作用对物料进行处理,也可达到较好的均质效果。

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